陳哲鋒

(福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福州，350011)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)性增長(zhǎng)及人口的不斷增多，人類對(duì)環(huán)境的需求與改造也越來越大，為了實(shí)現(xiàn)資源的合理利用和可持續(xù)性發(fā)展，需要對(duì)沿江、海地區(qū)的淤積和灘涂進(jìn)行基礎(chǔ)調(diào)查，為科學(xué)的規(guī)劃提供可靠基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是基于同區(qū)域內(nèi)同時(shí)相不同年份間存在著光譜特征差異的原理，來識(shí)別地物狀態(tài)或現(xiàn)狀變化的工作。其本質(zhì)就是對(duì)影像系列時(shí)域效果進(jìn)行量化[1]。

利用遙感技術(shù)應(yīng)用1988，1992，1997年影像[2]，水深遙感模型[3]及分形技術(shù)[4]對(duì)閩江沖淤的變化進(jìn)行了詳細(xì)解譯分析，這次閩江南北港沖淤變遷遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),作者利用最新時(shí)相(2012年11月份)QuickBird影像數(shù)據(jù)以及2002，1994，1984年TM衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)閩江南北港沖淤及其岸線變遷進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可迅速、高效了解其近30 a來變化情況，為南北港的綜合管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

閩江南北港位于福建閩江下游，地勢(shì)較緩、坡度小，江面平坦開闊，河水流速減緩，受潮水頂托作用，閩江邊沖淤沉積作用顯著，沙洲、河邊灘發(fā)育，自淮安進(jìn)入福州盆地， 因受南臺(tái)島分流變?yōu)槟稀⒈眱芍Я?，南支流為烏龍江河，河道開闊，沙灘多，俗稱南港；北支流為閩江河，河道窄，水較深，為目前的閩江主河道，俗稱北港。兩江分繞南臺(tái)島后，于馬尾附近匯流東入大海(圖1)。

圖1 閩江南北港QuickBird衛(wèi)星影像圖Fig.1 QuickBird Satellite photograph of the north-south harbor of Minjiang

2 影像處理

作者引用資料為L(zhǎng)andsat-7 TM/ETM、QuickBird衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)。TM/ETM影像分辨率為30 m，ETM全色波段15 m，通常進(jìn)行多項(xiàng)式幾何校正，依據(jù)相應(yīng)地形圖提取GCP控制點(diǎn)進(jìn)行校正，并完成波段提取、調(diào)色、裁切等影像信息處理；QB高分辨率影像采用物理軌道模型和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正，先對(duì)全色波段進(jìn)行正射校正，再利用正射的全色波段數(shù)據(jù)與多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，然后對(duì)配準(zhǔn)后的全色與多光譜數(shù)據(jù)運(yùn)用加拿大PCI Geomatica Pansharpen遙感圖像處理平臺(tái)進(jìn)行假彩色融合，之后使用公式(1)進(jìn)行真彩色調(diào)色、鑲嵌、裁切等影像處理。

(1)

式中：Red為紅色通道，Green為綠色通道，Blue為藍(lán)色通道；B2為綠波段，B3為紅波段，B4為近紅外波段，x、y為系數(shù)項(xiàng)∈[0,1]。

3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

最常用的兩種遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法有2種。第一種，逐個(gè)像元比較法(pixel to pixel comparison)，對(duì)同區(qū)域內(nèi)同時(shí)相不同年份的影像系列的光譜特征差異進(jìn)行分析比對(duì)，確定土地利用發(fā)生變化的具體位置，再采用分類的方法來確定地類變化信息。其最大優(yōu)點(diǎn)是確定地類變化的位置，縮小分類范圍，提高監(jiān)測(cè)速度，同時(shí)也避免了分類過程中引入虛假的變化類型。第二種，分類后比較法(post classification comparison)，是對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的逐個(gè)影像進(jìn)行各自分類，然后再比對(duì)在各影像系列中同一位置的分類結(jié)果，再進(jìn)而確定類型變化的具體位置和所屬的類型。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以回避逐個(gè)像元比較法所要求的影像系列時(shí)相一致的條件，以及影像間輻射校正、匹配等問題 ，但這種方法要取得令人滿意的結(jié)果，首先就必須選擇合適的分類方法來提高分類精度，而這正是數(shù)字遙感分類研究所要解決的難題。作者研究采用逐個(gè)像元比較法，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息處理主要運(yùn)用圖像差值法、光譜特征變異法、波段替換法。

3.1 圖像差值法

通過兩時(shí)相的影像經(jīng)正射校正、配準(zhǔn)、精確的空間疊置后，用像元灰度值進(jìn)行相減計(jì)算生成差值圖像，其代表不同時(shí)相的光譜變化。方法可適用于單波段圖像，或多波段圖像處理[6]。為突出其變化特征，以厚美村區(qū)域?yàn)┩扛采w面廣的2000年和1994年影像為例(圖2)，其中a、b兩時(shí)相為TM4波段，該波段位于水體的強(qiáng)吸收區(qū)，常應(yīng)用于勾繪水體邊界，對(duì)沖淤識(shí)別明顯，影像中顏色高亮區(qū)域?yàn)闉┩?、黑色為水體，a、b圖像差值后c圖像灘涂還是高亮，水面則變成灰色，而黑色則為灘涂變遷區(qū)域。

圖2 圖像差值法Fig.2 mage difference methoda—2000年TM4影像；b—1994年TM4影像；c—a與b圖像差值影像

3.2 光譜特征變異法

利用前一時(shí)相的多光譜數(shù)據(jù)與后一時(shí)相的全色數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉融合，因同一地物反映在多源遙感影像上的信息是一一對(duì)應(yīng)的。若對(duì)同一時(shí)相、不同傳感器的影像進(jìn)行融合后，地物光譜屬性可以如實(shí)正確地表現(xiàn)出來。則同一地物在二者上的信息表現(xiàn)為不一致時(shí)，那么融合后影像中此地物的光譜就表現(xiàn)得與正常地物的光譜有所差別，此時(shí)稱地物發(fā)生了光譜特征變異[7]。在融合后影像中出現(xiàn)的①區(qū)域則為變化信息。如圖3c主要顯示為2000年TM影像特征，其中圖中①區(qū)域則為1994年至2000年灘涂變化區(qū)域。

3.3 波段替換法

將后一時(shí)相的全色數(shù)據(jù)替換前一時(shí)相融合影像的紅色或藍(lán)色波段，在重新合成后的彩色影像中，磚紅色或藍(lán)色可能為變化信息。如圖3，d為b的全色波段替換a的紅色波段后影像，其中區(qū)域②為灘涂減少區(qū)，區(qū)域①為灘涂增加區(qū)。

圖3 光譜特征變異法與波段替換法Fig.3 Spectrum characteristic difference method and the band replacinga—1994年TM543；b—ETM2000年全色波段；c—a與b融合后影像；d—b與a進(jìn)行波段替換影像

4 遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果與分析

綜合研究近年閩江南北港岸線、沖淤變遷明顯，泥灘不斷減少，河面縮小，河床變深。通過遙感影像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析，依據(jù)岸線、沖淤變遷劇烈程度將南北港劃分為南港上段、南港下段及北港3個(gè)區(qū)段。

4.1 南港上段

該區(qū)段以閩江南港支流大樟溪為界，大樟溪入口以西區(qū)段，即厚美村至六十份村段，其岸線、沖淤變遷劇烈。從遙感影像分析，1986至1994年間，厚美村、梅亭一帶岸線處于淤積狀態(tài)，沖淤變化不大，略有增加，左右岸線較為穩(wěn)定；2002年后其沖淤急劇減少、河面變窄、河床變深(圖4)，岸線逐年向河道中心遷移，江心洲也急劇減小。其岸線外擴(kuò)、沖淤急劇減少。

圖4 南港厚美村至六十份村段沖淤變遷圖Fig.4 Siltation change from Houmei to Shiliu Village in south harbora—1986年TM543遙感影像；b—1994年TM543遙感影像；c—2000年ETM543遙感影像；d—2010年QB影像

(1)1996年在上游新建了水口水庫，水口水庫不斷蓄水，致使水庫下游河道沉砂量大幅度減少，河段進(jìn)出沙量與水量失去平衡，造成河床斷面形態(tài)發(fā)生變化，引發(fā)河床不斷下切刷深，縱比降變緩。

(2)因大規(guī)模的采砂取走大部分的推移質(zhì)或河床質(zhì)粗砂及河卵石，河床無法形成穩(wěn)定的粗化層，加劇了河道演變過程。同時(shí)地方房地產(chǎn)開發(fā)建設(shè)迅速發(fā)展，沿江濱兩岸開發(fā)了大量商品房(圖5)，侵占了大量岸邊灘，并對(duì)河道進(jìn)行了治理，修建人工堤岸，致使岸線外移，沖淤減少。

圖5 倉(cāng)山區(qū)梅亭區(qū)域沖淤變遷圖Fig.5 Siltation change of Meiting in Cangshana—1986年TM543影像；b—2010年QB影像

4.2 南港下段

為南港支流大樟溪入口下方至岐頭，該區(qū)段的江中村、草霞洲等江心洲多年來變化不大，略有侵蝕，左右岸線較為穩(wěn)定，部分區(qū)域向河道中心遷移。該區(qū)間沖淤與岸線沒有顯著變化(圖6)。

圖6 南港新岐村至岐頭段沖淤變遷圖Fig.6 Siltation change from Xinqi and Qitou Village in south harbora—1986年TM543影像；b—2010年QB影像

在上游修建了水口水庫，致使淤積砂量減少，但是該區(qū)域有支流大樟溪匯入，補(bǔ)充了大部分流砂，至2010年前該區(qū)東部開發(fā)建設(shè)相對(duì)緩慢，岸線變化不是很明顯，較明顯變化區(qū)域位于東方威尼斯，因其建設(shè)致使岸線外擴(kuò)，以及部分護(hù)河堤等建設(shè)也是岸線向河心遷移的因素。

4.3 北港

閩江北港由于受地形影響，致閩江上游泥砂多流入南港，北港比較平直狹深，主流線較穩(wěn)定，進(jìn)入北港的流砂也易淤積，總體沖淤變遷沒有顯著變化，岸線變遷則較為突出，兩側(cè)岸線往河心方向遷移。

遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)表明北港岸線向河心遷移，主要為住宅、工業(yè)、商服、公共服務(wù)等建設(shè)用地致使岸線向河心遷移，主變化區(qū)域有閩江公園等公用服務(wù)用地建設(shè)；融僑水鄉(xiāng)溫泉?jiǎng)e墅、江南水都、名城港灣等住宅用地建設(shè)；浦下洲修建的海峽國(guó)際會(huì)展中心等商服建設(shè)用地(圖7)；彭岐、馬尾江濱東大道一帶的工業(yè)園區(qū)等建設(shè)用地侵占河灘，修建護(hù)河堤等使岸線向河心遷移。

圖7 海峽國(guó)際會(huì)展中心遙感影像圖Fig.7 The International Convention and Exhibition Center imagea—1986年TM543影像圖；b—2010年QB影像圖

5 結(jié)論

遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析認(rèn)為兩江四岸于1994年間表現(xiàn)為較強(qiáng)的淤積，南港最為顯著，分布有大范圍的河灘和河心灘，至2010年，河床變化明顯，淤積大范圍減少，岸線向河道中心遷移，下切刷深嚴(yán)重。

(1)自然因素。由于閩江北港受地勢(shì)影響，河流在水流的長(zhǎng)期作用下，河床局部小范圍的沖淤變化是經(jīng)常的、是連續(xù)不間斷的，特別是特殊場(chǎng)次洪水沖刷也會(huì)造成短歷時(shí)較大范圍內(nèi)的沖淤變化。

(2)人為因素。為主導(dǎo)因素，如河道上修建的水利工程、過量采砂等人類活動(dòng)，改變了河床的推移質(zhì)或粗砂及河卵石的組成，破壞了河床的穩(wěn)定性，加劇了河道演變過程。另一方面，水口電站蓄水后，導(dǎo)致泥砂來源驟減，水口電站下游河道又基本保持原有的水流挾砂能力，造成對(duì)河床的沖刷及床砂的粗化，導(dǎo)致河床下切。一些工程建設(shè)，如解放大橋與洪山橋改造、沿江公園工程建設(shè)，對(duì)南北港的沖淤、岸線變遷也產(chǎn)生了重要影響，引起河道泥砂沖淤的重新分配，進(jìn)一步導(dǎo)致了泥砂和沉積環(huán)境的變化。

筆者研究利用遙感圖像差值法、光譜特征差異法、波段替換法等信息處理技術(shù)手段，可直觀、準(zhǔn)確、快速地對(duì)閩江南北港沖淤變遷及分布特征進(jìn)行解譯、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析，通過遙感影像分析河床沖淤、水下地形變化等對(duì)河道整治、采砂工程規(guī)劃以及防洪措施的制定有著重要的意義。

該文承蒙張書煌教授級(jí)高級(jí)工程師的悉心指導(dǎo)、審閱，并提出寶貴修改意見，在此表示衷心感謝！

1 砂志剛.數(shù)字遙感技術(shù)在土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用概述.國(guó)土資源遙感，1999，(2).

2 高建陽，樊斌，許井明. 遙感在福州南北港沖淤變化研究中的應(yīng)用.福建地質(zhì)，1999，18(4).

3 周建軍.水深遙感模型及其在閩江口沖淤變化分析中的應(yīng)用.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，2004.

4 鐘春棋，曾從盛，柳錚錚.閩江河口濕地資源動(dòng)態(tài)變化的分析研究.濕地科學(xué)與管理，2007，3(3).

5 孫丹峰.多源信息分類在遙感土地利用/ 覆蓋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用研究.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，1998.

6 陳宇，杜培軍，唐偉成，等.基于BJ - 1 小衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的礦區(qū)土地覆蓋變化檢測(cè).國(guó)土資源遙感，2011，(3).

7 周亦，武娟，李琦，等. “資源一號(hào)”02C 衛(wèi)星影像在土地利用變化信息發(fā)現(xiàn)中的試驗(yàn)與分析，礦產(chǎn)勘查，2012，3(5).