高恒娟，丁賢榮，葛小平，康彥彥

（1.河海大學(xué) 水文與水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

西洋海域流場(chǎng)線遙感提取分析

高恒娟1，丁賢榮1，葛小平1，康彥彥2

（1.河海大學(xué) 水文與水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

利用遙感影像與同期大豐港實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)以及2006年江蘇908調(diào)查流向?qū)崪y(cè)資料，建立輻射沙脊群海域流場(chǎng)線與流向之間的關(guān)系。以西洋海域?yàn)槔?，采用紋理分析和非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法，分別提取大潮、小潮、漲潮和落潮成像時(shí)刻影像的流場(chǎng)線信息，生成流場(chǎng)線分布圖，然后與實(shí)測(cè)流向進(jìn)行對(duì)比分析。研究表明，提取的流場(chǎng)線分布走向與實(shí)測(cè)流向趨勢(shì)一致。

輻射沙脊群；西洋海域；流場(chǎng)線；潮位；流向

輻射沙脊群位于江蘇岸外南黃海海域，呈輻射狀分布，水動(dòng)力條件復(fù)雜，水下地形多變，潮汐通道眾多，但水文資料匱乏。采用傳統(tǒng)的海洋測(cè)量方式進(jìn)行調(diào)查十分困難，只能獲取在時(shí)間、空間分布上離散的少量點(diǎn)的數(shù)據(jù)[1]。而衛(wèi)星遙感技術(shù)具有快速、重復(fù)、覆蓋面積大、數(shù)據(jù)同步性好等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，已被廣泛應(yīng)用于河口、湖泊、近岸海域的潮流監(jiān)測(cè)研究中，如張忍順[2]、李鵬[3]對(duì)輻射沙脊群區(qū)域的淤泥質(zhì)潮灘進(jìn)行潮流特征研究，姜曉輝[4]、陸青[5]、郝佳佳[6]分別對(duì)蓬萊海域、臺(tái)州灣附近海域、煙墩角海域的潮汐潮流海平面空間分布特征進(jìn)行研究，Bao Xianwen[7]、Song Dehai[8]等利用數(shù)值模擬對(duì)中國(guó)東海的潮汐動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行研究，觀測(cè)對(duì)江蘇沿海填海、進(jìn)行人工灘涂圍墾的影響。黃春龍[9]、孫艷霞[10]等基于紋理分析原理，利用遙感影像對(duì)水系信息進(jìn)行特征提取。

本文基于TM、HJ影像數(shù)據(jù)，以及大豐港實(shí)測(cè)潮位信息和江蘇908流向?qū)崪y(cè)資料提取輻射沙脊群海域流場(chǎng)線的分布，同時(shí)結(jié)合潮位信息研究遙感影像圖上流場(chǎng)線分布規(guī)律，并與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，為研究輻射沙脊群海域潮流狀況奠定基礎(chǔ)。

1 研究數(shù)據(jù)

收集的資料主要包括江蘇908調(diào)查流向?qū)崪y(cè)資料、TM4-5影像數(shù)據(jù)（30 m）、資源環(huán)境衛(wèi)星HJ-1B（30 m）影像數(shù)據(jù)和大豐港實(shí)測(cè)潮位資料。本文共選取了2景TM影像，一景HJ星影像，均選取其第4波段即近紅外波段（0.76～0.90 μm），并結(jié)合大豐港潮位資料整理成像時(shí)刻潮流狀況，見(jiàn)表1。本文以西洋海域?yàn)檠芯繀^(qū)，選取4個(gè)流向測(cè)點(diǎn)站，分別是Y9（33°10'18"N，120°51'48"E），Y10（33°11'03"N，120°54'38"E），Y11（32°58'00"N，120°57'54"E），Y12（32°54'13"N，121°02'57"E）。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括潮流流向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)整編和遙感影像預(yù)處理2部分。流向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)是按整點(diǎn)取樣記錄的，

表1 遙感成像時(shí)刻潮情

由于原始記錄帶有擾動(dòng)信息, 需對(duì)原始流速觀測(cè)資料進(jìn)行質(zhì)量控制, 濾去不合理的值,再對(duì)這些間隔1 h的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均構(gòu)成常規(guī)1次/h的海流流向觀測(cè)結(jié)果。每個(gè)站點(diǎn)在表層進(jìn)行的24 h 觀測(cè)可得24個(gè)數(shù)據(jù)，整編處理后，便于與流場(chǎng)線進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。遙感影像預(yù)處理主要包括幾何校正、大氣校正、掩膜去云、圖像增強(qiáng)等，

最大限度地減少外界因素的影響，使得圖像亮度動(dòng)態(tài)范圍得到改善，對(duì)比度增強(qiáng)，圖像質(zhì)量提高。

2 流場(chǎng)線提取方法

遙感圖像主要包含波譜信息和空間結(jié)構(gòu)2大特征。光譜信息反映了地物電磁波輻射能量的大小，是圖像識(shí)別分類的基本依據(jù)。地物的空間特征——紋理結(jié)構(gòu)，是間接地由圖像亮度值之間的關(guān)系表現(xiàn)的，它反映地表輻射的空間分布狀況[11]。流場(chǎng)線是流速場(chǎng)的矢量線，是某瞬時(shí)對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)中的一條曲線，該瞬時(shí)位于流線上的流體質(zhì)點(diǎn)之速度矢量和流線相切。有了流場(chǎng)線，流場(chǎng)的空間分布情況就得到了形象化的描繪。遙感影像圖中，能清楚地反映潮流經(jīng)過(guò)后留下的流場(chǎng)線變化情況。為了反映流場(chǎng)線在西洋區(qū)域的變化情況，采取紋理分析與非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法。

紋理信息的提取和分析，對(duì)遙感圖像的自動(dòng)識(shí)別具有重要意義。遙感圖像的紋理結(jié)構(gòu)反映了灰度的空間變化特征，為了使計(jì)算機(jī)能夠應(yīng)用紋理特征進(jìn)行遙感圖像的分類和解譯，需將遙感圖像中的紋理，即相鄰像元的空間變化特征及組合情況進(jìn)行量化，形成紋理變量或紋理圖像。定量的紋理信息不能由遙感圖像數(shù)據(jù)直接得到，必須經(jīng)過(guò)圖像紋理分析進(jìn)行提取。紋理分析指的是通過(guò)一定的數(shù)學(xué)分析和數(shù)學(xué)變換方法提取紋理特征，如粗糙性和方向性等，從而實(shí)現(xiàn)紋理的定量或定性描述[12]。通過(guò)遙感圖像增強(qiáng)處理，有流場(chǎng)經(jīng)過(guò)的區(qū)域會(huì)引起海面波動(dòng)，形成波流，也會(huì)引起周圍懸沙的變動(dòng)，在影像中表現(xiàn)為流場(chǎng)經(jīng)過(guò)的區(qū)域和流場(chǎng)未經(jīng)過(guò)的區(qū)域顏色的顯著區(qū)別，未經(jīng)過(guò)的海域，海水顏色保持不變。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)紋理分析，確定閾值大小，進(jìn)行閾值分析，再將柵格影像轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)，以HJ2013-04-10影像為例，見(jiàn)圖1。

結(jié)合非監(jiān)督分類方法，分類后將相同灰度值合并為一類并進(jìn)行過(guò)濾和聚類等處理。非監(jiān)督分類是以不同影像地物在特征空間中類別特征的差別為依據(jù)的一種無(wú)先驗(yàn)（已知）類別標(biāo)準(zhǔn)的圖像分類，是以集群為理論基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行集聚統(tǒng)計(jì)分析的方法。根據(jù)待分類樣本特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，建立決策規(guī)則來(lái)進(jìn)行分類，而不需要事先知道類別特征。把各樣本的空間分布按其相似性分割或合并成一群集，每一群集代表的地物類別，經(jīng)實(shí)地調(diào)查或與已知類型的地物加以比較然后確定，是模式識(shí)別的一種方法[13]。非監(jiān)督分類中有ISODATA和k-means等方法，本文采用ISODATA方法，以HJ2013-04-10影像為例，提取分類結(jié)果，見(jiàn)圖2。非監(jiān)督分類主要受懸沙影響，根據(jù)研究區(qū)域影像顏色的不同，按照規(guī)定分級(jí)數(shù)，提取各模塊的邊界。在此基礎(chǔ)下，流場(chǎng)線表現(xiàn)為不同類別的面域，再提取出面域的中心線。在紋理分析為主、非監(jiān)督分類為輔的基礎(chǔ)上，提取出流場(chǎng)線。最后結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)流場(chǎng)線進(jìn)行適度修改，將提取的3幅影像的流場(chǎng)線進(jìn)行疊加分析，研究流場(chǎng)線整體的走向趨勢(shì),見(jiàn)圖3。

圖1 紋理分析閾值化

圖2 IsoData分類

圖3 流場(chǎng)線分布圖

3 結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)線分布規(guī)律

西洋通道是南黃海輻射沙脊群內(nèi)側(cè)的水道深槽，平面上呈北北西開(kāi)口的喇叭形，是南黃海輻射沙脊群北部最大的潮流通道，深槽靠岸，水深浪小，最大水深近40 m，槽內(nèi)以小陰沙和飄兒沙為界分為東西2個(gè)水道[14]。由提取的流場(chǎng)線分布以及遙感影像成像時(shí)刻對(duì)應(yīng)的大豐港潮位可知，高潮時(shí)沙脊淹沒(méi)，只有部分沙脊出露。高潮落潮時(shí)，潮流從西洋頂端（南部）流向外海區(qū)域，流場(chǎng)線呈東南-西北走向，見(jiàn)圖3a。高潮漲潮時(shí)，潮流從外海流向西南方進(jìn)入西洋，向西洋頂端運(yùn)動(dòng)，流場(chǎng)線呈西北-東南走向。但是由于三丫子沙地勢(shì)相對(duì)較高，泥沙沖刷淤積穩(wěn)定性相對(duì)較好[15]，所以流場(chǎng)線走向仍受此地形的影響，在此處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖3b。低潮時(shí)，水位降低沙脊出露，在外海區(qū)域流場(chǎng)線呈東北西南走向，進(jìn)入內(nèi)區(qū)，以外圍灘涂為屏障，流場(chǎng)線呈西北東南走向。此外，受小陰沙的影響，流場(chǎng)線分為東西2個(gè)主流，受出露的三丫子沙的影響，流場(chǎng)線遇見(jiàn)灘涂發(fā)生轉(zhuǎn)向，其主要流向是沿著三丫子沙偏轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖3c。由影像疊加結(jié)果可知，流場(chǎng)線的主流方向與岸線基本平行，受東沙地形影響，東沙西側(cè)流線走勢(shì)和東沙西側(cè)岸線一致，見(jiàn)圖3d。

3.2 流場(chǎng)線驗(yàn)證

以西洋海域4個(gè)流向測(cè)站的表面流向作為樣本，由于流場(chǎng)分布每年大小潮、高低潮走向基本穩(wěn)定，故采用2007年1月實(shí)測(cè)的流向數(shù)據(jù)，與遙感影像圖上的流場(chǎng)線分布作比較。但冬季大潮期間由于風(fēng)大浪高，作業(yè)條件不佳，西洋海域Y9、Y10、Y11、Y12四個(gè)測(cè)點(diǎn)的資料不全，見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)測(cè)各測(cè)站不同時(shí)刻流向值

結(jié)合2007-01-04和2007-01-11的大豐港附近實(shí)測(cè)潮位漲落潮情況，分辨出漲落潮，然后根據(jù)實(shí)測(cè)站點(diǎn)與對(duì)應(yīng)影像作對(duì)比分析。

從表1可以看出，2007-01-04大豐港潮位10點(diǎn)整是大潮漲潮時(shí)刻。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，Y9D測(cè)站在10點(diǎn)整的流向是189°，Y10D測(cè)站在10點(diǎn)整的流向是168°，Y11D測(cè)站在10點(diǎn)整的流向是159°，Y12D測(cè)站在10點(diǎn)整的流向是154°。從與之對(duì)應(yīng)的HJ2013-04-10流場(chǎng)線分布圖可知，區(qū)內(nèi)流向大約是150°，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大致相同，外海區(qū)域流場(chǎng)線角度大概是130°。從表1可以看出，2007-01-04大豐港潮位13點(diǎn)整是大潮落潮時(shí)刻，Y10D測(cè)站在13點(diǎn)整的流向是345°，Y12D測(cè)站在13點(diǎn)整的流向是327°。從與之對(duì)應(yīng)的TM2006-09-18流場(chǎng)分布圖可知，影像上流場(chǎng)線東南-西北走向與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。但漲落潮時(shí)流場(chǎng)線流向在三丫子沙附近情況特殊，有待實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

從表1可以看出，2007-01-11大豐港潮位10點(diǎn)整是小潮時(shí)刻，Y9X和Y11X兩個(gè)測(cè)站觀測(cè)周期較長(zhǎng)，Y9X測(cè)站在10點(diǎn)處實(shí)測(cè)流向是248°，Y11X測(cè)站在10點(diǎn)處實(shí)測(cè)流向是332°。圖中流場(chǎng)線走向在沒(méi)有輻射沙脊群這個(gè)屏障的阻礙時(shí)，灣外流場(chǎng)線走向是東北-西南,流向約為240°。在進(jìn)入西洋內(nèi)部，受到外圍輻射沙脊群的影響，走向呈現(xiàn)為西北-東南，流向約為330°。這與兩實(shí)測(cè)站流向分布大約一致。

綜合可知，西洋海域?yàn)橥鶑?fù)流，且漲落潮時(shí)的流場(chǎng)線呈相反走向。此外，同一時(shí)刻的大潮流向小于小潮流向[16]。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)利用多景遙感影像、實(shí)測(cè)流向資料和大豐港潮位信息進(jìn)行流場(chǎng)線提取分析，并將提取結(jié)果與實(shí)測(cè)流向進(jìn)行對(duì)比分析，得知西洋區(qū)域流場(chǎng)線基本與岸線平行，且流場(chǎng)線的走向漲落潮時(shí)呈相反狀態(tài)。低潮時(shí)，流場(chǎng)線受小陰沙的影響分為東西2股走向，受三丫子沙的影響，流場(chǎng)線在此處發(fā)生轉(zhuǎn)變，走向與三丫子沙形狀一致。高潮時(shí)，小陰沙被淹沒(méi)，三丫子沙由于地勢(shì)較高且穩(wěn)定，流場(chǎng)線仍受此影響方向發(fā)生轉(zhuǎn)變。高低潮、漲落潮時(shí)的流場(chǎng)線再與實(shí)測(cè)站點(diǎn)流向資料作對(duì)比，契合度較高，方向基本一致，所以遙感影像可以反映出流場(chǎng)線的分布情況，為今后潮流的走向分析奠定基礎(chǔ)。

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P237.3

B

1672-4623（2015）01-0069-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.023

高恒娟，碩士，研究方向?yàn)闉┩靠飮季帧?/p>

2014-04-22。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目（201005006-3）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2012414)。