引用本文
郑宗生, 周云轩, 田波, 姜晓轶, 刘志国. 基于数字海图及遥感的近60年崇明东滩湿地演变分析[J]. 国土资源遥感, 2013,25(1): 130-136
ZHENG Zongsheng, ZHOU Yunxuan, TIAN Bo, JIANG Xiaoyi, LIU Zhiguo. Evolution analysis of Chongming Dongtan wetland in recent 60 years based on digital nautical chart and remote sensing[J]. REMOTE SENSING FOR LAND & RESOURCES,2013,25(1): 130-136  
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基于数字海图及遥感的近60年崇明东滩湿地演变分析
郑宗生1, 周云轩2, 田波2, 姜晓轶3, 刘志国4
1.上海海洋大学信息学院,上海 201306
2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062
3.国家海洋信息中心,天津 300171
4.国家海洋局东海信息中心,上海 200137

第一作者简介: 郑宗生(1979-), 男, 讲师, 博士, 研究方向为海洋模型及海洋信息化。 E-mail:zszheng@shou.edu.cn。

收稿日期: 2012-03-17
基金: 国家海洋局海洋公益性项目(编号: 200805016)、上海市教委创新项目(编号: 11YZ157)、教育部高等学校青年骨干教师国内访问学者项目(编号: 20110012)和上海高校教师产学研践习计划(编号: 20110034)共同资助
摘要

利用9幅崇明东滩湿地1951—2006年海图数据,10幅MSS,TM及ETM+卫星数据,采用水边线及等深线叠加技术,将湿地陆面及水下部分作为相互关联的整体,定性与定量相结合,综合分析崇明东滩湿地近60 a的演变。结果表明: ①东滩湿地目前的演变过程已趋于稳定,在长江口河势稳定的情况下,将保持“南冲北淤、部分交替、中部淤涨”的态势; ②人类活动是东滩湿地自然演变的重要驱动力,白港潮汐通道的封堵使东滩湿地成陆过程大大加快,东滩湿地0 m线较为稳定地向东部扩展,在人类逐年围垦活动的干预下,湿地面积虽然逐年增加,但潮间带结构已偏离湿地自然状态,高潮滩面积所占比重减少,且成不连续分布,海堤直接暴露于外部海洋环境中,将降低对灾害天气的防御能力。

关键词: 数字海图; 湿地; 遥感; 演变分析; 崇明东滩
中图分类号:TP79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2013)01-0130-07 doi: 10.6046/gtzyyg.2013.01.23
Evolution analysis of Chongming Dongtan wetland in recent 60 years based on digital nautical chart and remote sensing
ZHENG Zongsheng1, ZHOU Yunxuan2, TIAN Bo2, JIANG Xiaoyi3, LIU Zhiguo4
1.College of Information, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
2.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China
3.National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China
4.East Sea Information Center, State Oceanic Administration, Shanghai 200137, China
Abstract

The spatial variation of Chongming Dongtan wetland was monitored using 10 remote sensing images including Landsat MSS, TM and ETM+ data. Nine nautical charts were employed to analyze the evolution of underwater terrain from 1951 to 2006. With the above/under water topographic changes as an entirety, the authors made quantitative and qualitative analysis of geomorphic evolution in the past 60 years at Chongming Dongtan wetland using waterline method and depth contour overlaying. Some conclusions have been reached: ① The dynamics of Chongming Dongtan tend to be stable, characterized by erosion in the south part, deposition in the north, rapid propagation in the middle and alternate erosion and deposition in some coasts under the stabilities of the current Yangtze estuary; ② Human activities made important effect on the wetland. Especially, damn in the Baigang tidal channel accelerated deposition in the wetland. Then the 0 m isobath expanded to the east at a stable rate. Although the wetland area was increasing with the human reclamation year by year, the inter-tidal structure of wetland was deviated from the nature state. The proportion of high tidal flat was decreasing and it showed discontinuous spatial distribution at Chongming Dongtan. Because the damn was directly exposed to the outside marine environment, it would reduce the capability of disaster weather prevention.

Keyword: digital nautical chart; wetland; remote sensing; evolution analysis; Chongming Dongtan
0 引言

湿地被称为地球之肾, 是地球3大生态系统之一, 是人类最重要的生存环境之一, 特别是在沿海经济发达地区, 湿地是重要的后备土地资源[1]。对湿地资源的开发和保护进行有效合理地规划, 需掌握湿地的演变规律, 但是湿地面积宽广、表面泥泞、变化频繁, 给常规测量带来很大困难。20世纪60年代, 遥感技术作为新兴的探测技术迅速兴起, 其大尺度、快速、同步且高频动态观测等优势有助于实现研究区域生态环境和资源的宏观、动态、同步的监测, 大大弥补了常规观测方法的不足。

自从美国Landsat卫星发射以来, 已有大量国内外学者尝试利用遥感技术监测潮滩和湿地的动态变化。监测方法可分为定性判读法[2, 3, 4]、基准线定量分析法[5, 6, 7, 8, 9]和水边线定量分析法[10, 11, 12, 13, 14]等。上述方法为监测潮滩、湿地的动态变化提供了多种手段, 但是湿地不仅包括卫星图像能够监测到的陆面部分, 还包括被高浊水体覆盖的水下沟槽, 并且湿地水下沟槽的变化与陆面部分的变化相关联。滩面的地貌塑造过程与异常天气直接相关, 单从遥感图像上观测潮滩变化, 往往忽略滩/槽冲淤交互(滩冲槽淤)的过程, 因此湿地演化研究需将2部分作为整体统一考虑, 通过2部分的对比验证才能进一步加深对湿地动态变化的认识。特别是近年长江口入海泥沙逐年减少, 几十年后将下降到2亿t以下[15], 这是否会直接导致潮滩、湿地的侵蚀, 还需要将湿地作为一个整体加以研究。卫星数据可快速获取湿地出露部分的动态变化, 而数字海图可分析湿地水下的地形演变。鉴于此, 本文整合数字海图数据及多时相遥感图像, 利用水边线法及等深线叠加对比分析法综合分析上海市崇明东滩湿地近60 a来的演化, 为指导海岸带土地利用、海岸工程建设及预测东滩湿地未来发育趋势提供依据。

1 研究区概况

崇明东滩湿地1992年被列入《中国保护湿地名录》, 1998年经上海市人民政府批准建立鸟类自然保护区, 2002年2月2日被正式列入“ 拉姆萨国际湿地保护公约” 的国际重要湿地名录。崇明东滩湿地位于长江口崇明岛的东端, E 121° 47'~122° 05', N31° 25'~31° 38'(图1), 由长江下泻泥沙沉积形成, 目前其自然淤涨速度仍可达到每年200~300 m[16]。人类对湿地的重要影响主要是围垦及放牧活动, 1990年和2001年, 大堤的2次修建表明崇明东滩海岸线从1990年位置最多向外推进达7.2 km; 同时, 过度的人工放牧也直接或间接的破坏了原有的湿地生态环境[17, 18]。

图1 崇明东滩位置图Fig.1 Location of Chongming Dongtan

2 研究方法

利用多时相遥感图像及现场测量, 分别提取水边线和海堤信息, 并对潮滩类型进行分类, 选取相近潮位水边线进行对比分析, 同时整合不同年份海图数据进行潮滩面积及等深线变化分析, 从定性及定量角度综合分析崇明东滩的演化情况, 技术路线如图2所示。

图2 技术路线图Fig.2 Technique flow chart

2.1 现场测量

2005年9月9— 14日在崇明东滩设立了3条垂直岸线的样带, 分别位于潮滩北部(断面Ⅰ )、中部(断面Ⅱ )和南部(断面Ⅲ ), 如图1所示。每隔50 m对断面进行高程测量, 高程基准统一到吴淞高程基准。高程及地理坐标使用Ashtech Z_XtremeTM GPS Receiver System测定, 其空间定位精度达到cm级, 高程测量精度达mm级。样带上每隔100 m选取一个样方进行植被生态因子测量, 样方选取单一优势植被群落, 大小为1 m× 1 m, 每个样方记录植被类型、植被平均高度并估算植被盖度。

2.2 数字海图生成

对收集的14幅由交通部安全监督局、海事局测量的1958年12月— 2003年5月海图进行扫描, 其具体参数见表1。

表1 海图数据 Tab.1 Nautical charts

将相近年份的海图资料进行整合处理。以经纬度交叉点作为控制点, 对海图进行几何纠正, 每幅图均匀选取10~15个控制点, 以提高拟合效果[19, 20]; 将映射坐标的偏差作为误差并求其均方根, 几何纠正误差控制在5 m以内。对纠正后的海图选取50个水深点重复数字化10次, 将各水深点横纵坐标与数字化后横纵坐标之差的均方根作为数字化的人为误差。结果表明50个采样点的绝对误差小于3.112 m, 满足工程分析的精度。对数字化后的海图数据进行拓扑关系检查和水深异常值排查, 排除数字化过程中等深线交叉、水深点异常等的错误录入。上述操作通过ArcInfo 10.0软件的相应模块完成。

2.3 遥感数据处理

选取1979— 2005年之间的10个时相的遥感图像(天气状况均为无云)作为数据源, 为了分析潮滩的动态变化, 需要对不同时相遥感图像(表2)进行几何纠正等预处理, 使所有数据统一到相同的坐标系统之下。以上海市1:50 000地形图为基准, 选取道路交叉点、桥梁、水系交叉点作为控制点进行几何纠正; 同时引入2004年采集的长江口区82个地面控制点作为几何纠正坐标控制点。所有遥感图像的配准误差均小于0.5个像素, 上述工作主要利用Erdas 9.1遥感处理软件完成。

表2 卫星图像数据 Tab.2 Satellite images data

分别对经过几何纠正的MSS图像的4(R), 3(G), 2(B)波段, TM及ETM+图像的5(R), 4(G), 3(B)波段进行合成。同时为了提高崇明东滩区图像目视解译的精度, 对图像进行了分段线性拉伸等标准化处理, 使卫星图像层次感更强, 细微结构纹理更清晰。

2.4 水边线信息提取

水边线遥感信息提取方法一般分为单波段法和多波段法。常用的多波段法又可分为比值法[21]和谱间关系阈值法[22]。长江口区影响水边线信息提取的主要因素是其附近的高浊度悬沙及浅滩表层的残余水体[23]。通过对长江口区卫星图像的波段谱及现场资料分析, 认为TM5, TM6及TM7是提取水边线的有效波段, 但由于陆源热水的注入, 影响了TM6波段的提取效果[24]。针对研究区潮滩光谱特点, 本文首先按卫星图像的潮时进行分类, 分为涨潮

图像及落潮图像。由于在涨潮前湿地较长时间暴露, 表层的残余水体较少, TM5波段可作为此时的主要分类波段; 落潮时刻潮水退去, 表层浅沟中残留大量水体, TM5波段对水体敏感的特点使水边线提取结果偏向陆地一侧, 此时TM7波段可作为主要分类波段。MSS图像的分析结果表明, MSS2波段为提取水边线最佳波段, 而MSS4波段的提取效果最差。

依据上述波段选取原则, 水边线提取采用人工参与及计算机自动解译结合的方式完成。具体操作为: ①将选取的最优波段图像进行均值平滑, 消除噪声并剔除陆地区的细节信息, 利用ISODATA非监督分类方法对图像进行分类; ②将分类结果进行再分类, 归并不同植被类型及不同浊度水体的分类结果; ③对再分类结果进行二值化处理; ④利用区域增长算法从二值化图像中提取矢量水陆边界, 邻域系统采用4邻域, 阈值根据多次的试验结果及实际水边线位置进行设定; ⑤生成的结果转换为ArcInfo 10.0识别的.shp矢量格式, 导入Geodatabase数据库。

3 结果分析
3.1 长期趋势分析

崇明东滩自2001年大提修建以后, 基本保持稳定的冲淤态势, 本文选取崇明东滩1979— 2005年遥感图像, 分析其历史演化趋势(图3)。

图3 1979— 2005年崇明东滩湿地演化过程Fig.3 Evolution process of Chongming Dongtan wetland from 1979 to 2005

图3清楚地再现了东滩近26 a来淤涨与围垦交替转换的情况: 图像上比较亮的绿色调为植被, 而水体在该波段有高吸收作用, 使高、中潮滩为暗绿色, 低潮滩为更深的暗绿色; 1979— 1989年10 a间最大的变化发生在东滩东南部团结沙的并陆, 团结沙的分流作用使白港水道径流及泥沙逐年减少, 1979年白港潮汐汊道上口筑坝堵汊, 使团结沙面积迅速增大; 在1989年图像上可以见到团结沙已经和陆地连为一体, 原来的白港汊道退化为潮沟系统; 目前东滩东南部最大的潮沟系统应是在此潮沟系统的基础上发展而来, 东滩在围垦过程中, 大堤外潮沟系统上部基本是原来白港水道的走向, 在中部转向东南, 与潮汐入射方向一致。

从图3还可定性地分析出: 崇明东滩“ 南冲北淤” 现象明显, 造成南侧围堤以外的潮滩宽度较北侧窄; 1979— 1989年是东滩演化最快的10 a, 人类工程的建设是导致其变化的主要原因; 目前长江北支与白港水道表现相同的态势, 北支上部与南支主航道成近直角相交, 分流分沙比的减少直接导致北支累积性淤涨。

图4将数字海图数据0 m线作为分析基线, 整合东滩湿地白港水道封堵前(1951年、1958年)及封堵后(1991年、2000年)的水下地形变化情况。可以看出团结沙在封堵前是一块孤立的沙体且“ 南冲北淤” , 沙体向北侧移动。沙体0 m线逐渐与水道的走向一致, 沙体的西南— 东北方向淤积加快。从1991年0 m线看出, 上口的封堵使大量的泥沙在团结沙东北部落淤, 而0 m线继续向北侧移动, 出现了侵蚀情况, 这与卫星图像的分析结果一致。主要原因是汊道封堵加大了沙体靠海一侧的沿岸流, 受外海潮汐的共同影响, 使沙体继续向北侧移动。

图4 1951— 2000年0 m等深线变化图Fig.4 0 m depth contour change from 1951 to 2000

结合ArcInfo软件统计分析功能分别对数字海图0m线及大堤之间的面积进行分析, 并对比崇明东滩湿地的围垦面积。1968— 1992年间, 东滩湿地0 m线上面积增加了近125 km2, 年均增加5.1 km2; 1992— 1998年间0 m线上面积增加7 km2, 年均增加下降到1.1 km2; 1998— 2000年增加16 km2, 年均增加又恢复到5 km2左右。结合同期的湿地围垦数据: 1968— 1992年间围垦面积为64 km2, 1992— 1998年间为46 km2, 1998— 2000年间为6 km2。3个时间段围垦面积与0 m线上增加面积的比分别为0.51, 7.46及0.36, 其中1992— 1998年间围垦面积是0 m线上增加面积的7倍多。

卫星图像显示的水边线受成像瞬间潮位的影响, 在图像上直接解译湿地的高、中、低潮滩存在困难, 根据实地地貌测量与植被调查, 本文按标志性植被来划分潮间带: 高潮滩以芦苇分布下界为限, 中潮滩处于芦苇分布下限与海三棱藨草分布下限之间, 低潮滩为海三棱藨草分布至0 m线之间。以此标准对东滩湿地潮间带重新进行面积统计(表3)。

表3 1991— 2005年崇明东滩湿地潮间带面积变化 Tab.3 Intertidal area variation of Chongming Dongtan wetland from 1991 to 2005

表3进一步说明在东滩湿地自然演化过程当中, 虽然湿地总面积在逐年增加, 但是人类围垦使高、中、低潮滩的结构发生了改变。自然状态下高潮滩面积要大于中、低潮滩面积, 而崇明东滩刚刚相反。高潮滩面积所占比例逐年下降, 即使在围垦活动结束后的2002— 2005年的3 a间这个比例也从8.8%下降到7.4%。从现场观测剖面来看, 东滩的高潮滩主要分布在北部、中部的互花米草带内, 在东南部高潮滩相对较少, 且呈不连续分布。

3.2 近期演化分析

采用水边线方法, 对相近潮位的图像进行分析, 可定量计算水边线位置的水平沉积速率。本文以东滩周围横沙、佘山、九段东、中浚、北槽中等5个潮位站的信息为依据选取4组潮位相近的卫星图像进行叠加分析(图5)。图5定量表明崇明东滩在中低潮滩仍然表现为“ 南冲北淤” 的趋势, 这与上述定性分析结果相一致。其中淤积最快的是东滩候鸟保护区岸段, 1989— 2002年的13 a间2 m(理论基面)水边线向前推进的距离最大达到3.9 km, 年均的水平淤积速率超过300 m/a; 北六滧港附近形成舌状淤积体, 最宽处达到1.6 km; 与此相反, 南部奚家港至团结沙岸段2 m水边线则表现为侵蚀后退, 其中后退距离最大达500 m, 年均水平侵蚀速率为27.68 m/a。图5(c)的高潮滩水边线也表现了相同的沉积趋势, 但是高潮滩的最大沉积方向更靠南侧。从图5(a)— (c)中可以看出, 1990年后, 崇明东滩的淤积主要集中东北部、中部及东南部区域, 北部岸段的淤积明显变缓; 南部由于护岸工程的影响, 侵蚀作用亦趋于停止, 成为相对稳定的岸段。由图5(d)还可以看出, 2003— 2005年间, 崇明东滩候鸟保护区北部甚至出现了轻微的侵蚀, 表明此岸段冲淤交替现象的存在。

图5 不同年份同潮位水边线对比分析Fig.5 Waterline comparison with the same tidal level in different years

崇明东滩两侧北港、北支水流在此撞击形成低流速区, 致使水流能量降低; 同时, 由于东滩滩面平缓纵比降小, 河床断面扩大, 促使潮流分散, 造成潮流流速减慢: 因此大量泥沙在此落淤, 滩地得到迅速淤涨。另外, 由于泥沙颗粒表面的电化学絮凝和盐淡水异重流产生的垂向环流共同作用, 底层泥沙含量增加, 在东滩缓流区内聚积形成高含沙量区, 加速了崇明东滩的淤涨; 而南侧的侵蚀主要是受波浪作用的影响。在1990年后, 崇明东滩的淤积主要集中在候鸟保护区岸段, 北部岸段的淤积速率明显减缓; 南部沿岸护岸工程外的潮滩面积已经很小, 由于工程的影响, 侵蚀作用亦趋于停止, 岸段相对稳定。2003— 2005年间, 东滩北部甚至出现了轻微的侵蚀(图5(d)), 说明此岸段冲淤交替现象的存在。这主要与异常的天气条件有关, 如风暴潮, 台风等, 这些都可能造成滩面的侵蚀。

4 结论

利用遥感图像及数字海图综合分析湿地出露滩体及水下部分的冲淤演变过程, 能够从整体上反映1951— 2005年间崇明东滩的发育进程及形态变化, 更好地再现了东滩的地貌过程及人类活动的影响。主要结论如下:

1)崇明东滩湿地目前的演化过程已趋于稳定, 在长江口河势稳定的情况下, 将保持“ 南冲北淤、部分交替、中部淤涨” 的态势。

2)人类活动对崇明东滩的影响主要集中在高潮滩部分。东滩中低潮滩及水下地形的变化主要是受该地区水动力条件控制, 但是人类庞大的封堵工程也会诱发潮滩空间格局的较大变化。

3)人类活动是崇明东滩湿地自然演变的重要驱动力。白港潮汐通道的封堵使东滩湿地成陆过程大大加快。东滩湿地0 m线较为稳定的向东部扩展, 在人类逐年围垦活动的干预下, 湿地面积虽然逐年增加, 但潮间带结构已偏离湿地自然状态, 高潮滩面积所占比重减少, 且呈不连续分布状态。海堤直接暴露于外部海洋环境中, 势必降低了对灾害天气的防御能力。

综上所述, 在整个东滩湿地的演化过程中, 人类既有起正作用的水道封堵使湿地面积增加, 又有起负作用的围垦造陆使湿地面积减少。如长江三峡工程及上游水库的修建, 使长江口入海泥沙减少到2003年的2亿t, 不足20世纪60年代的1/2, 这必将对长江口潮滩整体冲淤态势产生影响。但潮滩的冲淤演变过程受流域来水、来沙、水动力条件、异常天气及人类活动等多种因素综合影响, 特别是崇明东滩区的演化过程还需重点考虑局部水动力条件及人类活动的影响。当前, 无论是哪方面考虑, 人类都在以自身的利益出发, 谋求湿地资源的无偿馈赠, 崇明东滩湿地区也不例外; 而长江上游流域来沙的减少及全球海平面的上升也必然直接或间接地影响着长江口湿地资源的自然演化态势, 因此, 如何对崇明东滩湿地进行合理规划, 开发与保护并重, 当前及长远利益兼顾, 是人类值得思考的重要课题。

The authors have declared that no competing interests exist.

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