地理信息系统在海岸海洋地貌研究中的应用

地理信息系统在海岸海洋地貌研究中的应用摘要:随着现代海洋观测技术的发展,通过海岸海洋地貌调查获得的数据急剧增长。运用地理信息系统(GIS)将不同学科、不同来源、不同格式的数据进行集成管理、分析和表达已成为当前海岸海洋地貌研究的重点。系统介绍了GIS技术在海岸海洋地貌研究中新的方法体系,包括数据获取、数据处理、数据分析和数据表达四个部分,重点研究了GIS空间技术、海底地形建模和用三维可视化技术解译海洋地学,探索陆海交互作用中隐含信息的方法,并将其应用到沿海城市规划、海港选址、大陆架岛礁地貌环境研究的具体实例中,研究范围从陆到海涵盖整个海陆交互作用带,为海岸海洋社会发展、经济建设及外交权益提供科学基础和决策支持。通过上述方法体系与应用研究说明,以GIS为核心建立的多源地理空间信息平台使传统海岸海洋地貌研究的范围、内容及方法都发生了重大变化,但多源数据信息的精确解译和成功应用必须同时具有空间信息学和地貌学专家知识。关键词:海岸海洋;地貌;地理信息系统;空间分析;三维可视化1引言海岸海洋地处海陆交互过渡带,它包括滨海平原、狭义的海岸带和大陆架三部分,大致相当于晚第四纪海平面波动时期被淹没和露出的范围,这一地区各种动力因素作用频繁,地貌类型多样且变化极为敏感。由于区位和各种因素的限制,常规地貌调查困难大,耗费多,数据更新缓慢,难以满足海岸海洋科学研究与海岸带经济发展和管理的要求。因此,应用现代地理空间信息技术获取不同尺度、不同层次的连续、动态的地貌环境信息显得尤其重要。例如应用遥感技术提供的大范围、准同步、多时相影像信息来快速获取海岸地貌类型和空间分布特征,并可依据不同时相的影像对比研究海岸地貌演变和发育;利用海底声呐技术探测水下深槽、潮流沙脊等海底地貌特征等。高新探测技术已成为海岸海洋地理信息系统(GIS)的主要数据源。从20世纪80年代起国内外科学家开始探索利用RS/GIS技术来提取海岸带地貌特征和解译它的理论和方法,并且成功地进行了河口三角洲、海岸滩涂、湖沙坝、珊瑚礁等地貌类型的监测和制图。20世纪在90年代利用GIS技术研究海岸地貌进入了新的阶段,这一时期海岸科学家注意到GIS技术在海洋和陆地应用中的差别,提出了海岸带本身的地形数学模型,如Lietal.提出了海底地形概念数据模型;Hatcher提出专业的海洋网格系统,并把它应用到美国的纳拉甘西特(Narragansett)湾海岸带地质数据的处理和制图;近年来利用GIS技术研究海岸海洋地貌向着更高层次的三维可视化、虚拟现实和复杂地形数据建模方面发展,应用GIS技术集成多源数据建立从陆地到海洋的综合地理信息平台,研究海岸带地貌空间分布、演变机理,为海岸带开发、管理和规划提供决策支持。2地理信息系统在海岸海洋地貌研究中的方法和技术应用地理信息系统研究海岸海洋地貌的总体技术路线主要是利用遥感(RS)、空间定位(GPS)和海底声呐等多种地球空间信息技术来获取海岸海洋地貌空间分布特征,然后通过直接读取和数据库录入的方式导入GIS软件下统一管理,建立综合信息共享平台,应用GIS技术特有的空间关系理论和分析功能对地貌特征、演变发育进行综合分析,进而为沿海地区的资源、环境和社会经济发展服务,其中GIS技术是整个系统的核心。211数据获取现代海岸海洋数据获取的重要途径是建立从天空到陆地再到水下的四维立体观测网,包括海底观测、岸基监测、航测、卫星遥感四个部分,其中海底观测方法和仪器众多,主要有多波束、旁侧声呐、浅地层剖面、底质取样、钻探取样等,这些数据和资料是认识海底地貌环境特征的基础;岸基监测包括雷达遥感、各级海洋水文监测站等;航测目前广泛使用的LiDAR———航空激光扫描和探测系统,它由传感器发射和接受激光脉冲的方法来迅速获取地球高程数据,在海岸海洋监测方面主要应用在海岸城市三维信息获取、海岸湿地和滩涂资源调查等;卫星遥感是海岸海洋地貌研究的主要数据来源之一,当前在轨运行的涉海卫星约有30多颗,空间分辨率已达到米级、厘米级,主要包括NOAA卫星系列、Landsat卫星系列、MOS—1和JERS—1,GMS、“风云—N”气象卫星、SPOT卫星、ERS卫星、SeaWiFS,“资源一号”及MODIS卫星等数据,借助卫星遥感提供的大范围、准同步、多时相的信息可快速获取河口三角洲、海岸平原、海岸滩涂、贝壳堤、海滨沙丘、沙坝-湖、红树林、珊瑚礁等海岸地貌类型和分布,间接获取海底地形,了解和监测海岸悬浮泥沙、海流、水温、海冰和海水污染的空间分布和特征,为海岸带资源调查提供可靠的信息源保障。212数据处理从不同数据源获取的海岸海洋地貌数据包括矢量和栅格数据两类,处理和组织这些数据的方式各不相同,影像数据重点在于预处理,如噪声去除、条带处理和几何校正以及多级产品的生成,而矢量数据处理的关键问题在于数据分类和编码及数据标准的转换。21211遥感数据预处理遥感数据预处理主要包括波段选择、几何校正、图像增强等前期的影像处理工作。遥感图像预处理工作是遥感地物分析重要的一环,它直接影响到后期图像的解译判读的准确性和图像分类的精度。(1)波段选择:遥感图像中的每个波段都有其特定的用途,如陆地卫星影像第3,4波段对地表植被比较敏感,可用来计算归一化植被指数(NDVI),一般在研究前应做定性判断,明确要求,选取合适的波段或波段组合。(2)几何校正:几何校正的目的是要校正因系统及非系统性因素引起的图像变形,从而使之实现与标准图像或地图的几何整合。一般在大比例尺地形图和遥感图像上对应选取地面控制点(groundcontrolposition,GCP),要保证选取的GCP有一定数量且要均匀分布于整个区域内,具有明显的定位识别标志。几何校正的过程包括了对图像的重采样,重采样常用的的方法有最近邻法、双线性内差法和三次卷积内差法。(3)图像增强:图像增强包括光学图像增强和数字图像增强。光学图像增强的主要方法有反差调整、比值图像、边缘增强、专题抽取等;数字图像增强技术包括分段线性函数法、直方图变换法、影像空间滤波法等。2.2.2GIS数据标准化和数据库建设海岸海洋地学综合调查数据具有多源、多维、多学科和格式复杂的特点,把不同来源的数据录入到基础地理数据库必须做好以下的前期工作。(1)数据标准化、规范化设计:海岸海洋地学综合调查数据包括遥感影像、地形图、海图、实测数据、各种影像、照片、文档等,在把它们录入到GIS数据库前首要的是对它们进行数据标准化、规范化设计。(2)统一地理参考框架:在基础地理底图的基础上建立统一的地理参考框架,将具有空间特性的所有数据经过空间配准、统一坐标后录入到GIS数据库,使之便于存储管理和数据分析。(3)数据转换:建立统一数据转换标准,包括矢量数据、栅格数据、属性数据等标准格式,利用数据转换工具把所有数据转换成标准格式再录入数据库。213数据分析2.3.1GIS空间分析方法空间数据分析是GIS技术的最主要功能,在海洋地学研究领域中常用的空间分析技术有数据插值、叠加分析、等值线生成、缓冲区分析以及专题特征要素的融合。数据插值:在海岸带地区采集数据很困难且环境变化快,在一定的时空限定下数据量往往不能满足研究所需,必须通过GIS地学统计分析模块(geostatisti2calanalyst)来选择相应的插值函数,根据相邻样点的空间相似性原理来拟合未知地段的数据。空间叠置分析:叠置分析是进行时间序列变化研究的重要手段。研究海岸冲淤变化时,将不同时期的等深线配准到同一坐标体系下,运用GIS技术可进行岸线变化和变化速率的计算。如果对海底高程模型(DEM)叠加进行图形运算,那么就可以得到不同时段内地形冲淤的变化量,可用它来研究近岸海港工程,如海底及航道稳定性调查、港口疏浚等。2.3.2数字地形建模方法海岸海洋数字地形模型包括陆上数字高程模型及水下数字海底模型,其原理一样,只是数字海底模型的水深点为负值,它表示水下的空间位置。建立地形模型有网格和三角网(TIN)两种:网格是用规则的空间网格表示表面,网格中间任何一点的值可以通过插值进行估计;TIN是用相邻的、互不重叠的三角面来拟合表面。由于水下大部分区域较为平坦,网格模型可以满足空间分辨率要求,且模型简单,但在模拟复杂的地形表面,如潮流沙脊、水下深槽等地貌时,TIN模型比网格模型更具优势。2.3.3基于GIS/RS的海岸地貌信息提取基于GIS/RS技术支持下的海岸地貌信息提取方法需综合利用图像光谱信息、空间特征、色调差异、实际调查资料和相应地学背景知识。在海岸带地区不同地貌在遥感影像上都具有各自可辨的地物形状特征、纹理特征、色调差异等,如平原海岸的盐田和网箱养殖、潮滩地貌的潮水沟和波痕、基岩海岸的沙嘴和沙坝等都具有明显的地物形状特征和纹理特征。在分析海岸带断裂构造信息时,常使用陆地卫星多波段影像,对于较大的范围根据断裂带形成的线状或带状色调界面和断裂带两侧的色调差异,对比色调带的宽度来推断海岸断裂的走向和规模。在构建的海岸地形模型上应用GIS空间分析功能可提取地貌的空间形态因子,如高程、水深、长度和面积等形态数据,海岸地形的坡度、坡向等。214数据表达对地形的描述、表达及分析历来是地球系统科学关注的焦点。由于地表下垫面环境复杂,用三维建模方法很难达到地貌模拟的要求,一般将影像数据作为二维纹理与地形模型融合来进行海岸海洋虚拟地貌表达。对陆地使用高分辨率遥感影像,对海底用各种声呐影像作为纹理数据,这两种数据都具有空间地理坐标,只需进行相应的配准,将遥感或声呐数据映射到地形模型上,需注意由于海底地形相对平坦,为能够达到立体突出的视觉感观效果,一般对水深模型数据进行放大处理,将垂直比例适当放大,使地形起伏变化较易判读。海岸海洋虚拟地貌可以更加直观地表达和揭示海岸带各种地质地貌现象,增强对沿岸陆地及水下岸坡地貌环境的空间解译和判读能力。3地理信息系统在海岸海洋地貌研究中的应用海岸海洋地区是我国经济、社会发展的黄金地带。根据实际工作经历和我国的发展现状,GIS在海岸海洋地貌研究中的应用可根据不同地貌单元从陆向海依次选取。海岸滨海平原的城市规划研究、河口海湾地区的港口选址及航道稳定性勘察以及大陆架岛礁环境研究为三个实例来探讨GIS技术在解决海岸海洋面临的社会发展、资源开发和主权权益等问题的方法途径。311滨海平原———海岸城市发展和规划目前全球2/3的大城市(人口超过160万)处于海岸带地区,随着我国经济的持续高涨,东部沿海城镇获得了快速发展,但城镇快速城市化及工业化导致城市周边海域生态环境恶化、海洋及各类地质灾害频发,它们制约了海岸城市的可持续发展,因此正确评价海岸城镇发展条件、科学规划“海洋国土”成为当代海岸海洋科学应用研究的新方向。区域发展规划应立足于对区域自然环境的深刻理解,其中地貌环境与区域可持续发展最为密切,它为城镇的形成和发展提供下垫面基础,制约着城镇的分布、发展和景观格局。研究案例选取深圳东部大鹏半岛来探讨怎样运用GIS集成技术从提取地貌基础数据、评价区域发展优势到对规划提供决策支持的新思路。(1)基于GIS技术的海岸地貌基础地理信息平台的建立。根据GIS技术在海岸海洋地貌研究的方法体系,对东部地区数字高程模型(DEM)、矢量化数字地形图、区域地质地貌专题图及陆地卫星遥感影像进行数据预处理和分析,统一地理参考进行无缝集成,同时将沿岸野外实地测量的第一手数据包括海岸地貌、海洋水文、海洋沉积动力和海洋生态逐一录入到GIS属性数据库,建立深圳东部海岸地貌基础地理信息平台,便于检索和进行综合分析,其中将卫星影像作为纹理数据精确叠加到数字高程模型上得到东部海岸地貌基础底图(图1),分析可知深圳东部沿岸地形复杂,山地多,平原少,最高峰梧桐山为94317m。根据海岸网格地形模型,用GIS坡度模块计算得到东部山体坡度大体在15°～45°,局部地区像梧桐山和半岛南端的七娘山坡度大于35°的占85%,它们系由火山岩构成,岩性坚硬,抗风化力强,山体脊尖坡陡,较大面积的平坦地块(坡度小于3°)主要集中在沙头角盆地、盐田盆地、葵涌盆地、大鹏盆地。地理信息平台中还包括东部海滩数据库,将图1所示