地理信息系統(tǒng)在海岸海洋地貌研究中的應(yīng)用

1、地理信息系統(tǒng)在海岸海洋地貌研究中的應(yīng)用摘要 : 隨著現(xiàn)代海洋觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展 , 通過(guò)海岸海洋地貌調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)急劇增長(zhǎng) 。運(yùn)用地理信息系統(tǒng) ( GIS) 將不同學(xué)科 、 不同來(lái)源 、 不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理 、 分析和表達(dá)已成為當(dāng)前海岸海洋地貌研究的重點(diǎn) 。 系統(tǒng)介紹了 GIS 技術(shù)在海岸海洋地貌研究中新的方法體系 , 包括數(shù)據(jù)獲取 、 數(shù)據(jù)處理 、 數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)四個(gè)部分 , 重點(diǎn)研究了 GIS 空間技術(shù) 、 海底地形建模和用三維可視化技術(shù)解譯海洋地學(xué) ,探索陸海交互作用中隱含信息的方法 ,并將其應(yīng)用到沿海城市規(guī)劃 、 海港選址 、 大陸架島礁地貌環(huán)境研究的具體實(shí)例中 ,研究范圍從陸

2、到海涵蓋整個(gè)海陸交互作用帶 ,為海岸海洋社會(huì)發(fā)展 、 經(jīng)濟(jì)建設(shè)及外交權(quán)益提供科學(xué)基礎(chǔ)和決策支持 。 通過(guò)上述方法體系與應(yīng)用研究說(shuō)明 , 以 GIS 為核心建立的多源地理空間信息平臺(tái)使傳統(tǒng)海岸海洋地貌研究的范圍 、 內(nèi)容及方法都發(fā)生了重大變化 , 但多源數(shù)據(jù)信息的精確解譯和成功應(yīng)用必須同時(shí)具有空間信息學(xué)和地貌學(xué)專(zhuān)家知識(shí) 。關(guān)鍵詞 : 海岸海洋 ; 地貌 ; 地理信息系統(tǒng) ; 空間分析 ; 三維可視化1 引言海岸海洋地處海陸交互過(guò)渡帶 , 它包括濱海平原 、 狹義的海岸帶和大陸架三部分 ,大致相當(dāng)于晚第四紀(jì)海平面波動(dòng)時(shí)期被淹沒(méi)和露出的范圍 , 這一地區(qū)各種動(dòng)力因素作用頻繁 , 地貌類(lèi)型多樣且變化極

3、為敏感。 由于區(qū)位和各種因素的限制 , 常規(guī)地貌調(diào)查困難大 , 耗費(fèi)多 , 數(shù)據(jù)更新緩慢 , 難以滿(mǎn)足海岸海洋科學(xué)研究與海岸帶經(jīng)濟(jì)發(fā)展和管理的要求 。因此 ,應(yīng)用現(xiàn)代地理空間信息技術(shù)獲取不同尺度 、 不同層次的連續(xù) 、 動(dòng)態(tài)的地貌環(huán)境信息顯得尤其重要 。例如應(yīng)用遙感技術(shù)提供的大范圍 、 準(zhǔn)同步 、 多時(shí)相影像信息來(lái)快速獲取海岸地貌類(lèi)型和空間分布特征 ,并可依據(jù)不同時(shí)相的影像對(duì)比研究海岸地貌演變和發(fā)育 ; 利用海底聲吶技術(shù)探測(cè)水下深槽 、 潮流沙脊等海底地貌特征等 。 高新探測(cè)技術(shù)已成為海岸海洋地理信息系統(tǒng) ( GIS) 的主要數(shù)據(jù)源。 從 20 世紀(jì)80 年代起國(guó)內(nèi)外科學(xué)家開(kāi)始探索利用 RS/

4、 GIS 技術(shù)來(lái)提取海岸帶地貌特征和解譯它的理論和方法 ,并且成功地進(jìn)行了河口三角洲 、 海岸灘涂 、湖沙壩 、 珊瑚礁等地貌類(lèi)型的監(jiān)測(cè)和制圖。20 世紀(jì)在 90 年代利用 GIS 技術(shù)研究海岸地貌進(jìn)入了新的階段 , 這一時(shí)期海岸科學(xué)家注意到 GIS 技術(shù)在海洋和陸地應(yīng)用中的差別 , 提出了海岸帶本身的地形數(shù)學(xué)模型 ,如 L i et al .提出了海底地形概念數(shù)據(jù)模型 ; Ha t c he r提出專(zhuān)業(yè)的海洋網(wǎng)格系統(tǒng) , 并把它應(yīng)用到美國(guó)的納拉甘西特 ( Na r r a ga n set t ) 灣海岸帶地質(zhì)數(shù)據(jù)的處理和制圖 ; 近年來(lái)利用 GIS 技術(shù)研究海岸海洋地貌向著更高層次的三維可

5、視化 、 虛擬現(xiàn)實(shí)和復(fù)雜地形數(shù)據(jù)建模方面發(fā)展,應(yīng)用 GIS 技術(shù)集成多源數(shù)據(jù)建立從陸地到海洋的綜合地理信息平臺(tái) , 研究海岸帶地貌空間分布 、 演變機(jī)理 , 為海岸帶開(kāi)發(fā) 、 管理和規(guī)劃提供決策支持。2 地理信息系統(tǒng)在海岸海洋地貌研究中的方法和技術(shù) 應(yīng)用地理信息系統(tǒng)研究海岸海洋地貌的總體技術(shù)路線(xiàn)主要是利用遙感 ( RS) 、 空間定位 ( GPS) 和海底聲吶等多種地球空間信息技術(shù)來(lái)獲取海岸海洋地貌空間分布特征 , 然后通過(guò)直接讀取和數(shù)據(jù)庫(kù)錄入的方式導(dǎo)入 GIS 軟件下統(tǒng)一管理 , 建立綜合信息共享平臺(tái) , 應(yīng)用 GIS 技術(shù)特有的空間關(guān)系理論和分析功能對(duì)地貌特征 、 演變發(fā)育進(jìn)行綜合分析 ,

6、進(jìn)而為沿海地區(qū)的資源 、 環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù) ,其中 GIS技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心 。2 1 1 數(shù)據(jù)獲取現(xiàn)代海岸海洋數(shù)據(jù)獲取的重要途徑是建立從天空到陸地再到水下的四維立體觀測(cè)網(wǎng) , 包括海底觀測(cè) 、 岸基監(jiān)測(cè) 、 航測(cè) 、 衛(wèi)星遙感四個(gè)部分 ,其中海底觀測(cè)方法和儀器眾多 , 主要有多波束 、 旁側(cè)聲吶 、 淺地層剖面 、 底質(zhì)取樣 、 鉆探取樣等 , 這些數(shù)據(jù)和資料是認(rèn)識(shí)海底地貌環(huán)境特征的基礎(chǔ) ; 岸基監(jiān)測(cè)包括雷達(dá)遙感 、 各級(jí)海洋水文監(jiān)測(cè)站等 ; 航測(cè)目前廣泛使用的L iDA R 航空激光掃描和探測(cè)系統(tǒng) , 它由傳感器發(fā)射和接受激光脈沖的方法來(lái)迅速獲取地球高程數(shù)據(jù) ,在海岸海洋監(jiān)測(cè)方面主

7、要應(yīng)用在海岸城市三維信息獲取 、 海岸濕地和灘涂資源調(diào)查等 ; 衛(wèi)星遙感是海岸海洋地貌研究的主要數(shù)據(jù)來(lái)源之一 , 當(dāng)前在軌運(yùn)行的涉海衛(wèi)星約有 30 多顆 ,空間分辨率已達(dá)到米級(jí) 、 厘米級(jí) ,主要包括 NOA A 衛(wèi)星系列 、 L a nd sa t 衛(wèi)星系列 、 MO S 1 和 J ERS 1 , GMS 、 “風(fēng)云 N ” 氣象衛(wèi)星 、 S PO T 衛(wèi)星 、 ERS 衛(wèi)星 、 Sea Wi F S , “資源一號(hào)” 及 MOD IS 衛(wèi)星等數(shù)據(jù),借助衛(wèi)星遙感提供的大范圍 、 準(zhǔn)同步 、 多時(shí)相的信息可快速獲取河口三角洲 、 海岸平原 、 海岸灘涂 、 貝殼堤 、 海濱沙丘 、 沙壩 -

8、 湖 、 紅樹(shù)林 、 珊瑚礁等海岸地貌類(lèi)型和分布 , 間接獲取海底地形 ,了解和監(jiān)測(cè)海岸懸浮泥沙 、 海流 、 水溫 、 海冰和海水污染的空間分布和特征 ,為海岸帶資源調(diào)查提供可靠的信息源保障 。2 1 2 數(shù)據(jù)處理從不同數(shù)據(jù)源獲取的海岸海洋地貌數(shù)據(jù)包括矢量和柵格數(shù)據(jù)兩類(lèi) , 處理和組織這些數(shù)據(jù)的方式各不相同 ,影像數(shù)據(jù)重點(diǎn)在于預(yù)處理 , 如噪聲去除 、 條帶處理和幾何校正以及多級(jí)產(chǎn)品的生成 , 而矢量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問(wèn)題在于數(shù)據(jù)分類(lèi)和編碼及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換 。2 1 2 1 1 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括波段選擇 、 幾何校正 、圖像增強(qiáng)等前期的影像處理工作 。 遙感圖像預(yù)處理工作是遙

9、感地物分析重要的一環(huán) , 它直接影響到后期圖像的解譯判讀的準(zhǔn)確性和圖像分類(lèi)的精度 。( 1) 波段選擇 : 遙感圖像中的每個(gè)波段都有其特定的用途 ,如陸地衛(wèi)星影像第 3 , 4 波段對(duì)地表植被比較敏感 ,可用來(lái)計(jì)算歸一化植被指數(shù) ( NDV I) ,一般在研究前應(yīng)做定性判斷 , 明確要求 , 選取合適的波段或波段組合 。( 2) 幾何校正 : 幾何校正的目的是要校正因系統(tǒng)及非系統(tǒng)性因素引起的圖像變形 , 從而使之實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)圖像或地圖的幾何整合 。 一般在大比例尺地形圖和遙感圖像上對(duì)應(yīng)選取地面控制點(diǎn) ( gro u ndco nt rol po si t io n , GCP) ,要保證選取的

10、GCP 有一定數(shù)量且要均勻分布于整個(gè)區(qū)域內(nèi) , 具有明顯的定位識(shí)別標(biāo)志 。幾何校正的過(guò)程包括了對(duì)圖像的重采樣 ,重采樣常用的的方法有最近鄰法 、 雙線(xiàn)性?xún)?nèi)差法和三次卷積內(nèi)差法。( 3) 圖像增強(qiáng) :圖像增強(qiáng)包括光學(xué)圖像增強(qiáng)和數(shù)字圖像增強(qiáng)。 光學(xué)圖像增強(qiáng)的主要方法有反差調(diào)整、比值圖像、 邊緣增強(qiáng)、 專(zhuān)題抽取等 ;數(shù)字圖像增強(qiáng)技術(shù)包括分段線(xiàn)性函數(shù)法、 直方圖變換法、 影像空間濾波法等。2. 2 . 2 GIS 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)海岸海洋地學(xué)綜合調(diào)查數(shù)據(jù)具有多源 、 多維 、 多學(xué)科和格式復(fù)雜的特點(diǎn) , 把不同來(lái)源的數(shù)據(jù)錄入到基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)必須做好以下的前期工作 。( 1) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 、 規(guī)范

11、化設(shè)計(jì) : 海岸海洋地學(xué)綜合調(diào)查數(shù)據(jù)包括遙感影像 、 地形圖 、 海圖 、 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 、各種影像 、 照片 、 文檔等 ,在把它們錄入到 GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)前首要的是對(duì)它們進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 、 規(guī)范化設(shè)計(jì) 。( 2) 統(tǒng)一地理參考框架 : 在基礎(chǔ)地理底圖的基礎(chǔ)上建立統(tǒng)一的地理參考框架 , 將具有空間特性的所有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)空間配準(zhǔn) 、 統(tǒng)一坐標(biāo)后錄入到 GIS 數(shù)據(jù)庫(kù) ,使之便于存儲(chǔ)管理和數(shù)據(jù)分析 。( 3) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 :建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn) ,包括矢量數(shù)據(jù)、 柵格數(shù)據(jù)、 屬性數(shù)據(jù)等標(biāo)準(zhǔn)格式 ,利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具把所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式再錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。2 1 3 數(shù)據(jù)分析2 . 3 . 1 GIS 空間分析方

12、法空間數(shù)據(jù)分析是 GIS 技術(shù)的最主要功能 , 在海洋地學(xué)研究領(lǐng)域中常用的空間分析技術(shù)有數(shù)據(jù)插值 、 疊加分析 、 等值線(xiàn)生成 、 緩沖區(qū)分析以及專(zhuān)題特征要素的融合 。數(shù)據(jù)插值 :在海岸帶地區(qū)采集數(shù)據(jù)很困難且環(huán)境變化快 ,在一定的時(shí)空限定下數(shù)據(jù)量往往不能滿(mǎn)足研究所需 ,必須通過(guò) GIS 地學(xué)統(tǒng)計(jì)分析模塊 ( ge o st ati sti2cal anal yst ) 來(lái)選擇相應(yīng)的插值函數(shù) ,根據(jù)相鄰樣點(diǎn)的空間相似性原理來(lái)擬合未知地段的數(shù)據(jù)。空間疊置分析 : 疊置分析是進(jìn)行時(shí)間序列變化研究的重要手段 。研究海岸沖淤變化時(shí) , 將不同時(shí)期的等深線(xiàn)配準(zhǔn)到同一坐標(biāo)體系下 ,運(yùn)用 GIS 技術(shù)可進(jìn)行岸

13、線(xiàn)變化和變化速率的計(jì)算 。 如果對(duì)海底高程模型 ( D EM) 疊加進(jìn)行圖形運(yùn)算 ,那么就可以得到不同時(shí)段內(nèi)地形沖淤的變化量 , 可用它來(lái)研究近岸海港工程 ,如海底及航道穩(wěn)定性調(diào)查 、 港口疏浚等 。2 . 3. 2 數(shù)字地形建模方法海岸海洋數(shù)字地形模型包括陸上數(shù)字高程模型及水下數(shù)字海底模型 ,其原理一樣 ,只是數(shù)字海底模型的水深點(diǎn)為負(fù)值 , 它表示水下的空間位置 。建立地形模型有網(wǎng)格和三角網(wǎng) ( TIN ) 兩種 : 網(wǎng)格是用規(guī)則的空間網(wǎng)格表示表面 , 網(wǎng)格中間任何一點(diǎn)的值可以通過(guò)插值進(jìn)行估計(jì) ; T IN 是用相鄰的 、 互不重疊的三角面來(lái)擬合表面 。 由于水下大部分區(qū)域較為平坦 ,網(wǎng)格模

14、型可以滿(mǎn)足空間分辨率要求 , 且模型簡(jiǎn)單 , 但在模擬復(fù)雜的地形表面 ,如潮流沙脊 、 水下深槽等地貌時(shí) , T IN 模型比網(wǎng)格模型更具優(yōu)勢(shì)。2 . 3 .3 基于 GIS/ RS 的海岸地貌信息提取基于 GIS / RS 技術(shù)支持下的海岸地貌信息提取方法需綜合利用圖像光譜信息、 空間特征、 色調(diào)差異、實(shí)際調(diào)查資料和相應(yīng)地學(xué)背景知識(shí)。 在海岸帶地區(qū)不同地貌在遙感影像上都具有各自可辨的地物形狀特征、 紋理特征、 色調(diào)差異等 ,如平原海岸的鹽田和網(wǎng)箱養(yǎng)殖、 潮灘地貌的潮水溝和波痕、 基巖海岸的沙嘴和沙壩等都具有明顯的地物形狀特征和紋理特征。在分析海岸帶斷裂構(gòu)造信息時(shí) ,常使用陸地衛(wèi)星多波段影像

15、,對(duì)于較大的范圍根據(jù)斷裂帶形成的線(xiàn)狀或帶狀色調(diào)界面和斷裂帶兩側(cè)的色調(diào)差異 ,對(duì)比色調(diào)帶的寬度來(lái)推斷海岸斷裂的走向和規(guī)模。在構(gòu)建的海岸地形模型上應(yīng)用 GIS 空間分析功能可提取地貌的空間形態(tài)因子 ,如高程、 水深、 長(zhǎng)度和面積等形態(tài)數(shù)據(jù) ,海岸地形的坡度、 坡向等。2 1 4 數(shù)據(jù)表達(dá)對(duì)地形的描述 、 表達(dá)及分析歷來(lái)是地球系統(tǒng)科學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn) 。 由于地表下墊面環(huán)境復(fù)雜 , 用三維建模方法很難達(dá)到地貌模擬的要求 , 一般將影像數(shù)據(jù)作為二維紋理與地形模型融合來(lái)進(jìn)行海岸海洋虛擬地貌表達(dá) 。 對(duì)陸地使用高分辨率遙感影像 , 對(duì)海底用各種聲吶影像作為紋理數(shù)據(jù) , 這兩種數(shù)據(jù)都具有空間地理坐標(biāo) ,只需進(jìn)行相

16、應(yīng)的配準(zhǔn) ,將遙感或聲吶數(shù)據(jù)映射到地形模型上 , 需注意由于海底地形相對(duì)平坦 ,為能夠達(dá)到立體突出的視覺(jué)感觀效果 ,一般對(duì)水深模型數(shù)據(jù)進(jìn)行放大處理 , 將垂直比例適當(dāng)放大 ,使地形起伏變化較易判讀 。海岸海洋虛擬地貌可以更加直觀地表達(dá)和揭示海岸帶各種地質(zhì)地貌現(xiàn)象 ,增強(qiáng)對(duì)沿岸陸地及水下岸坡地貌環(huán)境的空間解譯和判讀能力 。3 地理信息系統(tǒng)在海岸海洋地貌研究中的應(yīng)用 海岸海洋地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì) 、 社會(huì)發(fā)展的黃金地帶 。 根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)歷和我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀 , GIS 在海岸海洋地貌研究中的應(yīng)用可根據(jù)不同地貌單元從陸向海依次選取 。海岸濱海平原的城市規(guī)劃研究 、河口海灣地區(qū)的港口選址及航道穩(wěn)定性勘察以及

17、大陸架島礁環(huán)境研究為三個(gè)實(shí)例來(lái)探討 GIS 技術(shù)在解決海岸海洋面臨的社會(huì)發(fā)展 、 資源開(kāi)發(fā)和主權(quán)權(quán)益等問(wèn)題的方法途徑 。3 1 1 濱海平原 海岸城市發(fā)展和規(guī)劃目前全球 2/ 3 的大城市 ( 人口超過(guò) 160 萬(wàn)) 處于海岸帶地區(qū) ,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高漲 ,東部沿海城鎮(zhèn)獲得了快速發(fā)展 , 但城鎮(zhèn)快速城市化及工業(yè)化導(dǎo)致城市周邊海域生態(tài)環(huán)境惡化 、 海洋及各類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā) ,它們制約了海岸城市的可持續(xù)發(fā)展 ,因此正確評(píng)價(jià)海岸城鎮(zhèn)發(fā)展條件 、 科學(xué)規(guī)劃 “海洋國(guó)土” 成為當(dāng)代海岸海洋科學(xué)應(yīng)用研究的新方向 。 區(qū)域發(fā)展規(guī)劃應(yīng)立足于對(duì)區(qū)域自然環(huán)境的深刻理解 , 其中地貌環(huán)境與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展最為密切

18、, 它為城鎮(zhèn)的形成和發(fā)展提供下墊面基礎(chǔ) ,制約著城鎮(zhèn)的分布 、 發(fā)展和景觀格局 。 研究案例選取深圳東部大鵬半島來(lái)探討怎樣運(yùn)用 GIS 集成技術(shù)從提取地貌基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 、 評(píng)價(jià)區(qū)域發(fā)展優(yōu)勢(shì)到對(duì)規(guī)劃提供決策支持的新思路 。( 1) 基于 GIS 技術(shù)的海岸地貌基礎(chǔ)地理信息平臺(tái)的建立 。根據(jù) GIS 技術(shù)在海岸海洋地貌研究的方法體系 , 對(duì)東部地區(qū)數(shù)字高程模型 ( D EM) 、 矢量化數(shù)字地形圖 、 區(qū)域地質(zhì)地貌專(zhuān)題圖及陸地衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和分析 , 統(tǒng)一地理參考進(jìn)行無(wú)縫集成 ,同時(shí)將沿岸野外實(shí)地測(cè)量的第一手?jǐn)?shù)據(jù)包括海岸地貌 、 海洋水文 、 海洋沉積動(dòng)力和海洋生態(tài)逐一錄入到 GIS 屬性

19、數(shù)據(jù)庫(kù) ,建立深圳東部海岸地貌基礎(chǔ)地理信息平臺(tái) ,便于檢索和進(jìn)行綜合分析 ,其中將衛(wèi)星影像作為紋理數(shù)據(jù)精確疊加到數(shù)字高程模型上得到東部海岸地貌基礎(chǔ)底圖 ( 圖 1 ) , 分析可知深圳東部沿岸地形復(fù)雜 , 山地多 , 平原少 , 最高峰梧桐山為 943 1 7 m 。根據(jù)海岸網(wǎng)格地形模型 , 用 GIS坡度模塊計(jì)算得到東部山體坡度大體在 15 ° 45 ° ,局部地區(qū)像梧桐山和半島南端的七娘山坡度大于35° 的占 85 % , 它們系由火山巖構(gòu)成 , 巖性堅(jiān)硬 , 抗風(fēng)化力強(qiáng) ,山體脊尖坡陡 , 較大面積的平坦地塊 ( 坡度小于 3 ° ) 主要集中在沙

20、頭角盆地 、 鹽田盆地 、 葵涌盆地 、 大鵬盆地 。地理信息平臺(tái)中還包括東部海灘數(shù)據(jù)庫(kù) ,將圖 1 所示東部基巖港灣海岸 20 多個(gè)砂質(zhì)海灘的名稱(chēng) 、 位置 、 沙灘走向 、 長(zhǎng)寬 、 沉積物粒度 、 水質(zhì) 、 岸線(xiàn)利用現(xiàn)狀等自然環(huán)境 、 經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)集成一體 ,為城市濱海旅游和沙灘保護(hù)提供依據(jù) 。( 2) 三維可視化及地貌綜合剖面提取 。將陸地衛(wèi)星影像疊加在東部海岸數(shù)字高程模型上以生成東部海岸地貌三維模擬圖 ( 圖 2 ) , 它的重要應(yīng)用是為區(qū)域綜合地貌剖面及地貌分類(lèi)提供依據(jù) 。用 GIS技術(shù)提取高程剖面 , 根據(jù)野外實(shí)地考察可以得到東部沿岸的地貌綜合剖面 ( 見(jiàn)圖 3 ) , 從陸向海可將

21、其劃分為四個(gè)地貌環(huán)境單元 : 低山丘陵地貌帶 花崗巖山麓階地平原地貌帶 海岸沙壩 - 湖地貌帶 水下岸坡 。 不同地貌帶形成相應(yīng)的濱海生態(tài)系統(tǒng) ,依次為 : ( ) 低山丘陵生態(tài)系 ; ( ) 階地 、 平原 、 城鎮(zhèn) 、 農(nóng)田生態(tài)系 ; ( ) 海岸生態(tài)系 ; ( ) 海洋生態(tài)系 。 根據(jù)不同生態(tài)系統(tǒng)下墊面特征 , 即地貌環(huán)境的研究可為區(qū)域產(chǎn)業(yè)選擇 、 空間規(guī)劃提供科學(xué)基礎(chǔ) 。3 1 2 陸海作用過(guò)渡帶 港口選建和航道勘察此處的陸海作用過(guò)渡帶系指狹義海岸帶地區(qū) ,其定義是向陸延伸 10 k m 左右 、 向海到 20 m 等深線(xiàn) ( 即波浪的 1/ 31/ 2 波長(zhǎng)) ,這里是現(xiàn)代海岸系統(tǒng)中

22、最活躍的部分 。 選取渤海灣曹妃甸 ,應(yīng)用 GIS 技術(shù)集成多種調(diào)查資料研究海底地貌演變規(guī)律 ,其成果可為港口選建 、 航道穩(wěn)定性調(diào)查等提供技術(shù)支持 。( 1) 基于 GIS 內(nèi)插技術(shù)的海底地形模型建立 。將曹妃甸周邊海域 2 萬(wàn)多個(gè)水深點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)用反距離加權(quán)內(nèi)插為規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù) , 利用分層設(shè)色法生成海底地形模型 ( 圖 4 ) , 它是進(jìn)行等深線(xiàn)圖 、 地貌渲暈圖 、 三維可視化 、 坡度坡向計(jì)算等工作的基礎(chǔ) 。 ( 2) 海底地形任意剖面的繪制和應(yīng)用 。海底地形模型是表示區(qū)域地形的整體狀況 , 在應(yīng)用當(dāng)中常需要了解海底兩點(diǎn)之間的地形起伏變化 , 這就需要繪制地形剖面 ,圖 4 的 AB 連線(xiàn)

23、是此項(xiàng)課題野外地震剖面老龍溝區(qū)域?qū)崪y(cè)路線(xiàn)圖 , 將其疊加到海底D EM 上可以提取測(cè)線(xiàn)的地形剖面 ( 見(jiàn)圖 5) ,可對(duì)老龍溝復(fù)雜的潮流深槽地貌有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí) , 對(duì)地震剖面的解譯可起到重要的輔助作用 。( 3) 海底穩(wěn)定性研究 。通過(guò)曹妃甸海區(qū) 1966 ,1996 , 2006 年水深數(shù)據(jù)內(nèi)插成不同時(shí)期海底 D EM模型 ,通過(guò) D EM 生成不同時(shí)期等深線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比以及不同時(shí)期 D EM 相減所計(jì)算的沖淤變化量 , 得到曹妃甸海域 40 a 來(lái)海底的總體變化為 : 曹妃甸甸頭西側(cè) 5 k m 到東側(cè) 10 k m 范圍內(nèi) ,520 m 等深線(xiàn)基本保持穩(wěn)定 ; 曹妃甸甸頭與蛤坨之間的岸線(xiàn)位

24、置基本不變 ,而且其沙壩體系的面積略有增加 ; 局部陸域岸線(xiàn)向海推進(jìn) , 主要是由于人工圍墾造地造成的 。10 a 來(lái)多數(shù)區(qū)域的沖淤幅度小于 1 m , 表明曹妃甸海區(qū)目前基本處于微沖或微淤的動(dòng)態(tài)平衡之中 。( 4) 海底三維可視化和地學(xué)分析應(yīng)用 。海底三維可視化改變了傳統(tǒng)的海底地形分析方法 , 實(shí)現(xiàn)了水下地形的模擬再現(xiàn) 。 曹妃甸海域海底地形三維立體透視使我們對(duì)老龍溝潮流通道 、 曹妃甸甸頭深槽等地貌有了更加直觀的認(rèn)識(shí) ( 圖 6) 。 曹妃甸甸頭深槽長(zhǎng)約4 k m , 寬 3 1 4 k m ,最深處達(dá)到 42 1 9 m ,離岸僅 150 余米 ,水深即達(dá) 25 m , 甸頭前緣海底最大

25、坡度達(dá)到 9 1 6° ,由地質(zhì)鉆孔分析得知曹妃甸甸頭下伏老黏土層 ,具有較強(qiáng)的抗侵蝕能力 ,從而形成甸頭突出 、 兩側(cè)逐漸夷平的地貌形態(tài) 。海底三維可視化技術(shù)可為揭示海底地形與其他海洋要素之間所蘊(yùn)含的關(guān)系和規(guī)律提供新的方法 。 未來(lái)進(jìn)一步的工作是對(duì)三維海底地形與表層沉積物類(lèi)型 、 沉積物粒度 、 流場(chǎng)等海洋環(huán)境要素進(jìn)行疊加分析 , 研究表層沉積物類(lèi)型的分布與地形 、 海洋動(dòng)力條件等的空間相關(guān)性 ,發(fā)揮 GIS 技術(shù)手段在對(duì)海底地質(zhì)現(xiàn)象的綜合解讀方面的優(yōu)勢(shì) 。3 1 3 海岸大陸架地區(qū) 島礁地貌和資源權(quán)益保障 我國(guó)擁有寬廣的大陸架 ,大陸架地區(qū)有極為豐富的自然資源 ,這里是我國(guó)資源、

26、 環(huán)境和權(quán)益問(wèn)題最突出的地方 ,在周邊海域的權(quán)益斗爭(zhēng)中我國(guó)面臨著部分島嶼被侵占、 海洋漁業(yè)和油氣等資源被掠奪、 海域劃界紛爭(zhēng)等 , 其中南海的形勢(shì)最為嚴(yán)峻。 由于對(duì)南海島礁及其附近海域的具體情況缺乏了解 ,制約了我國(guó)對(duì)上述領(lǐng)域內(nèi)利益得失的分析評(píng)估和科學(xué)決策 ,不利于在國(guó)際政治外交斗爭(zhēng)中最大化地維護(hù)國(guó)家權(quán)益。南京大學(xué)主持研發(fā)的 “ 數(shù)字南?！?大型地理信息系統(tǒng) ,把南海地區(qū)自然、 人文、 經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域共 50 個(gè)數(shù)據(jù)源數(shù)字化 ,建立地理信息共享平臺(tái) , 其中南海的島礁地貌研究和數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)是系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。( 1) 基于 GIS/ RS 技術(shù)的島礁地貌特征研究 。對(duì)于島礁地貌特征研究應(yīng)綜合利用地

27、貌學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和遙感圖像影像特征 ( 包括圖像光譜信息 ,空間形狀特征 、 紋理特征 、 色調(diào)差異等) 。 島礁包括岸礁 、 環(huán)礁和堡礁三種主要地貌類(lèi)型 。南海島礁主要是環(huán)礁 ,其中部是湖 ,影像上湖呈深色調(diào) ,環(huán)礁的礁坪在高潮時(shí)都被海水淹沒(méi) , 只有礁坪頂部由激浪堆積形成或經(jīng)風(fēng)力改造過(guò)的白色珊瑚沙堤零散露出水面 ,西沙群島的永樂(lè)環(huán)礁 、 華光礁 、 浪花礁等最為典型 。外海傳來(lái)的波浪到達(dá)礁坪外緣 , 由于水深突然減小而發(fā)生破碎 ,在衛(wèi)片上礁坪的外緣往往有一條亮線(xiàn) ,這是珊瑚礁一個(gè)重要的影像特征,同時(shí)碎浪將沖刷下來(lái)的珊瑚礁砂礫堆積在礁坪外緣形成略高于礁坪面的條帶狀淺灘 ,使高潮時(shí)的水深減小 ,底

28、反射增強(qiáng) , 亮線(xiàn)外側(cè)的深色調(diào)代表珊瑚礁前坡的深水區(qū) ,里側(cè)淺色調(diào)代表淺水的礁坪 。 這些珊瑚礁地貌基本特征是進(jìn)行遙感解譯的基礎(chǔ) 。經(jīng)測(cè)試南海珊瑚礁光譜規(guī)律性較強(qiáng) , 反射光譜主要集中在 0 1 45 0 1 65 及 0 1 7 0 1 9 m 波段區(qū)間,故在選取波段時(shí)選擇相應(yīng)波譜范圍的 TM1 ,2 和 4 波段進(jìn)行假彩色合成使珊瑚礁灘地貌信息得到充分反映 ,由于大部分單景影像中 ,島 、 礁 、 灘和沙占據(jù)面積很小 ,需使用圖像增強(qiáng)技術(shù) ,包括直方圖線(xiàn)性拉伸 、 色調(diào)反差增強(qiáng)和圖像掩膜技術(shù)來(lái)突出南海島礁地貌特征 ,并在 GIS 技術(shù)軟件支持下依據(jù)遙感圖像繪制主要島礁地貌圖 , 量取島礁地

29、貌主要的形態(tài)數(shù)據(jù) 。( 2) 島礁地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和應(yīng)用 。根據(jù)1983 年正式公布的 287 個(gè)南海島礁 ,對(duì)每一個(gè)島礁建立檔案信息庫(kù) , 包括島礁的地質(zhì)地貌 、 自然環(huán)境 、資源情況 、 歷史沿革以及現(xiàn)狀紛爭(zhēng)信息 。文字資料經(jīng)分等定級(jí)和編碼后錄入到屬性庫(kù) , 實(shí)現(xiàn)屬性信息和空間信息一一對(duì)應(yīng) , 便于檢索和分析研究 。島礁地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括 11 個(gè)屬性字段 : 島礁名稱(chēng) ( 中 、英文) 、 地理位置 、 所屬區(qū)域 、 地貌特征 、 水文氣象 、 島礁面積 、 資源情況 、 占領(lǐng)國(guó)家 、 占領(lǐng)時(shí)間 、 數(shù)據(jù)字典 、圖像鏈接 ( 地形圖和遙感影像) 。南海島礁數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了島礁地質(zhì)地貌資料

30、的信息化 , 可為島礁環(huán)境特征研究、 海洋資源開(kāi)發(fā)、 海域勘界、海上航線(xiàn)管理等方面提供定性、 定位、 定量的科學(xué)輔助決策信息。 在認(rèn)識(shí)島礁環(huán)境特征方面 ,將島礁圖層疊加到海底三維地形圖上就可看到南海的島礁絕大部分分布在大陸坡上 ,東沙群島在東沙臺(tái)階上 (水深 300400 m) ;中沙群島的主體和西沙群島在西沙 - 中沙臺(tái)階上(水深 1 0002 400 m) , 個(gè)別島礁植根于深海盆的海山上 , 如黃巖島(水深 3 500 m 左右) ;南沙群島的主體在南沙臺(tái)階上(水深 1 5002 000 m) , 也有小部分分布在大陸架上 , 如南沙群島南部北康暗沙、 南康暗沙和曾母暗沙等(水深 150

31、 m 以?xún)?nèi)) 。4 結(jié)語(yǔ)以地理信息系統(tǒng) ( GIS) 為核心 , 集成遙感 、 空間定位及海底聲吶等建立的多源地理空間信息平臺(tái) ,為海岸海洋地貌研究提供了全新技術(shù)手段 , 使海岸海洋地貌研究的范圍 、 內(nèi)容及方法都產(chǎn)生了重要的變化 。文中重點(diǎn)介紹了 GIS 技術(shù)在海岸地貌研究中的關(guān)鍵技術(shù) , 構(gòu)建了從數(shù)據(jù)獲取 、 數(shù)據(jù)處理 、 數(shù)據(jù)分析到數(shù)據(jù)表達(dá)的新的地貌研究方法體系 ,并根據(jù)海陸交互環(huán)境特點(diǎn)及我國(guó)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀 ,選取濱海平原的城市規(guī)劃研究 , 河口海灣的港口開(kāi)發(fā)以及海岸大陸架的島礁地貌環(huán)境研究的實(shí)例 ,利用 GIS 技術(shù)的時(shí)空數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ) 、 多源數(shù)據(jù)集成管理 、 空間分析功能和三維可視化地

32、學(xué)分析方法為海岸帶開(kāi)發(fā)管理提供依據(jù) , 這樣一個(gè)從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程是當(dāng)前海岸海洋科學(xué)作為新型交叉 應(yīng)用 基礎(chǔ) 學(xué)科的 主要 任務(wù) 和 研 究 方向 。通過(guò)本項(xiàng)研究說(shuō)明把 GIS 技術(shù)引入海岸海洋地貌學(xué) 比 傳 統(tǒng) 地 貌 學(xué) 研 究 手 段 具 有 以 下 優(yōu) 勢(shì) :( 1 ) 多源空間信息平臺(tái)的集成應(yīng)用為海岸海洋地區(qū)提供了涵蓋陸地和水下的大范圍 、 準(zhǔn)同步和精確定位的宏觀影像信息 , 數(shù)據(jù)更新迅速且費(fèi)用降低 ; ( 2 ) 由 GIS 技術(shù)建立的海岸帶地形模型為地貌信息提取和定量分析奠定了基礎(chǔ) ; ( 3) 海岸帶地貌虛擬表達(dá)將 過(guò)去 的二 維平面 發(fā)展 到三 維 空 間 分析 ,直

33、觀地顯示了海岸帶地貌現(xiàn)象和構(gòu)造特征 , 揭示了大量陸海交互作用的隱含信息 , 增強(qiáng)了地貌綜合解譯能力 。把地理信息系統(tǒng)技術(shù)融入到現(xiàn)代海岸海洋地貌研究中 , 促進(jìn)了學(xué)科交叉 , 增強(qiáng)了傳統(tǒng)海岸地貌學(xué)科發(fā)展的動(dòng)力 , 但同時(shí)也面臨巨大的挑戰(zhàn) , 在精確提取和解譯多源地貌數(shù)據(jù)信息和應(yīng)用方面必須同時(shí)兼?zhèn)湄S富的現(xiàn)代信息學(xué)和地貌學(xué)專(zhuān)家知識(shí) 。參考文獻(xiàn) : 1 王穎 , 牛戰(zhàn)勝. 全球變化與海岸海洋科學(xué)發(fā)展 J . 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì) , 2004 , 24 ( 1) : 1 6 1 2 WRI GH T D J , BAR TL E T T D J . Ma ri ne and Coa st al G

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