地理信息系統(tǒng)在海岸海洋地貌研究中的應用

1、地理信息系統(tǒng)在海岸海洋地貌研究中的應用摘要 : 隨著現(xiàn)代海洋觀測技術的發(fā)展 , 通過海岸海洋地貌調查獲得的數(shù)據(jù)急劇增長 。運用地理信息系統(tǒng) ( GIS) 將不同學科 、 不同來源 、 不同格式的數(shù)據(jù)進行集成管理 、 分析和表達已成為當前海岸海洋地貌研究的重點 。 系統(tǒng)介紹了 GIS 技術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)表達四個部分 , 重點研究了 GIS 空間技術 、 海底地形建模和用三維可視化技術解譯海洋地學 ,探索陸海交互作用中隱含信息的方法 ,并將其應用到沿海城市規(guī)劃 、 海港選址 、 大陸架島礁地貌環(huán)境研究的具體實例中 ,研究范圍從陸

2、到海涵蓋整個海陸交互作用帶 ,為海岸海洋社會發(fā)展 、 經(jīng)濟建設及外交權益提供科學基礎和決策支持 。 通過上述方法體系與應用研究說明 , 以 GIS 為核心建立的多源地理空間信息平臺使傳統(tǒng)海岸海洋地貌研究的范圍 、 內容及方法都發(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用必須同時具有空間信息學和地貌學專家知識 。關鍵詞 : 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 ,大致相當于晚第四紀海平面波動時期被淹沒和露出的范圍 , 這一地區(qū)各種動力因素作用頻繁 , 地貌類型多樣且變化極

3、為敏感。 由于區(qū)位和各種因素的限制 , 常規(guī)地貌調查困難大 , 耗費多 , 數(shù)據(jù)更新緩慢 , 難以滿足海岸海洋科學研究與海岸帶經(jīng)濟發(fā)展和管理的要求 。因此 ,應用現(xiàn)代地理空間信息技術獲取不同尺度 、 不同層次的連續(xù) 、 動態(tài)的地貌環(huán)境信息顯得尤其重要 。例如應用遙感技術提供的大范圍 、 準同步 、 多時相影像信息來快速獲取海岸地貌類型和空間分布特征 ,并可依據(jù)不同時相的影像對比研究海岸地貌演變和發(fā)育 ; 利用海底聲吶技術探測水下深槽 、 潮流沙脊等海底地貌特征等 。 高新探測技術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80 年代起國內外科學家開始探索利用 RS/

4、 GIS 技術來提取海岸帶地貌特征和解譯它的理論和方法 ,并且成功地進行了河口三角洲 、 海岸灘涂 、湖沙壩 、 珊瑚礁等地貌類型的監(jiān)測和制圖。20 世紀在 90 年代利用 GIS 技術研究海岸地貌進入了新的階段 , 這一時期海岸科學家注意到 GIS 技術在海洋和陸地應用中的差別 , 提出了海岸帶本身的地形數(shù)學模型 ,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提出專業(yè)的海洋網(wǎng)格系統(tǒng) , 并把它應用到美國的納拉甘西特 ( Na r r a ga n set t ) 灣海岸帶地質數(shù)據(jù)的處理和制圖 ; 近年來利用 GIS 技術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)實和復雜地形數(shù)據(jù)建模方面發(fā)展,應用 GIS 技術集成多源數(shù)據(jù)建立從陸地到海洋的綜合地理信息平臺 , 研究海岸帶地貌空間分布 、 演變機理 , 為海岸帶開發(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 應用地理信息系統(tǒng)研究海岸海洋地貌的總體技術路線主要是利用遙感 ( RS) 、 空間定位 ( GPS) 和海底聲吶等多種地球空間信息技術來獲取海岸海洋地貌空間分布特征 , 然后通過直接讀取和數(shù)據(jù)庫錄入的方式導入 GIS 軟件下統(tǒng)一管理 , 建立綜合信息共享平臺 , 應用 GIS 技術特有的空間關系理論和分析功能對地貌特征 、 演變發(fā)育進行綜合分析 ,

6、進而為沿海地區(qū)的資源 、 環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展服務 ,其中 GIS技術是整個系統(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網(wǎng) , 包括海底觀測 、 岸基監(jiān)測 、 航測 、 衛(wèi)星遙感四個部分 ,其中海底觀測方法和儀器眾多 , 主要有多波束 、 旁側聲吶 、 淺地層剖面 、 底質取樣 、 鉆探取樣等 , 這些數(shù)據(jù)和資料是認識海底地貌環(huán)境特征的基礎 ; 岸基監(jiān)測包括雷達遙感 、 各級海洋水文監(jiān)測站等 ; 航測目前廣泛使用的L iDA R 航空激光掃描和探測系統(tǒng) , 它由傳感器發(fā)射和接受激光脈沖的方法來迅速獲取地球高程數(shù)據(jù) ,在海岸海洋監(jiān)測方面主

7、要應用在海岸城市三維信息獲取 、 海岸濕地和灘涂資源調查等 ; 衛(wèi)星遙感是海岸海洋地貌研究的主要數(shù)據(jù)來源之一 , 當前在軌運行的涉海衛(wèi)星約有 30 多顆 ,空間分辨率已達到米級 、 厘米級 ,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” 及 MOD IS 衛(wèi)星等數(shù)據(jù),借助衛(wèi)星遙感提供的大范圍 、 準同步 、 多時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 、 紅樹林 、 珊瑚礁等海岸地貌類型和分布 , 間接獲取海底地形 ,了解和監(jiān)測海岸懸浮泥沙 、 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 , 處理和組織這些數(shù)據(jù)的方式各不相同 ,影像數(shù)據(jù)重點在于預處理 , 如噪聲去除 、 條帶處理和幾何校正以及多級產品的生成 , 而矢量數(shù)據(jù)處理的關鍵問題在于數(shù)據(jù)分類和編碼及數(shù)據(jù)標準的轉換 。2 1 2 1 1 遙感數(shù)據(jù)預處理遙感數(shù)據(jù)預處理主要包括波段選擇 、 幾何校正 、圖像增強等前期的影像處理工作 。 遙感圖像預處理工作是遙

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確性和圖像分類的精度 。( 1) 波段選擇 : 遙感圖像中的每個波段都有其特定的用途 ,如陸地衛(wèi)星影像第 3 , 4 波段對地表植被比較敏感 ,可用來計算歸一化植被指數(shù) ( NDV I) ,一般在研究前應做定性判斷 , 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 , 從而使之實現(xiàn)與標準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應選取地面控制點 ( 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區(qū)域內 , 具有明顯的定位識別標志 。幾何校正的過程包括了對圖像的重采樣 ,重采樣常用的的方法有最近鄰法 、 雙線性內差法和三次卷積內差法。( 3) 圖像增強 :圖像增強包括光學圖像增強和數(shù)字圖像增強。 光學圖像增強的主要方法有反差調整、比值圖像、 邊緣增強、 專題抽取等 ;數(shù)字圖像增強技術包括分段線性函數(shù)法、 直方圖變換法、 影像空間濾波法等。2. 2 . 2 GIS 數(shù)據(jù)標準化和數(shù)據(jù)庫建設海岸海洋地學綜合調查數(shù)據(jù)具有多源 、 多維 、 多學科和格式復雜的特點 , 把不同來源的數(shù)據(jù)錄入到基礎地理數(shù)據(jù)庫必須做好以下的前期工作 。( 1) 數(shù)據(jù)標準化 、 規(guī)范

11、化設計 : 海岸海洋地學綜合調查數(shù)據(jù)包括遙感影像 、 地形圖 、 海圖 、 實測數(shù)據(jù) 、各種影像 、 照片 、 文檔等 ,在把它們錄入到 GIS 數(shù)據(jù)庫前首要的是對它們進行數(shù)據(jù)標準化 、 規(guī)范化設計 。( 2) 統(tǒng)一地理參考框架 : 在基礎地理底圖的基礎上建立統(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)過空間配準 、 統(tǒng)一坐標后錄入到 GIS 數(shù)據(jù)庫 ,使之便于存儲管理和數(shù)據(jù)分析 。( 3) 數(shù)據(jù)轉換 :建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)轉換標準 ,包括矢量數(shù)據(jù)、 柵格數(shù)據(jù)、 屬性數(shù)據(jù)等標準格式 ,利用數(shù)據(jù)轉換工具把所有數(shù)據(jù)轉換成標準格式再錄入數(shù)據(jù)庫。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 技術的最主要功能 , 在海洋地學研究領域中常用的空間分析技術有數(shù)據(jù)插值 、 疊加分析 、 等值線生成 、 緩沖區(qū)分析以及專題特征要素的融合 。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 ,在一定的時空限定下數(shù)據(jù)量往往不能滿足研究所需 ,必須通過 GIS 地學統(tǒng)計分析模塊 ( ge o st ati sti2cal anal yst ) 來選擇相應的插值函數(shù) ,根據(jù)相鄰樣點的空間相似性原理來擬合未知地段的數(shù)據(jù)。空間疊置分析 : 疊置分析是進行時間序列變化研究的重要手段 。研究海岸沖淤變化時 , 將不同時期的等深線配準到同一坐標體系下 ,運用 GIS 技術可進行岸

13、線變化和變化速率的計算 。 如果對海底高程模型 ( D EM) 疊加進行圖形運算 ,那么就可以得到不同時段內地形沖淤的變化量 , 可用它來研究近岸海港工程 ,如海底及航道穩(wěn)定性調查 、 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為負值 , 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)格中間任何一點的值可以通過插值進行估計 ; T IN 是用相鄰的 、 互不重疊的三角面來擬合表面 。 由于水下大部分區(qū)域較為平坦 ,網(wǎng)格模

14、型可以滿足空間分辨率要求 , 且模型簡單 , 但在模擬復雜的地形表面 ,如潮流沙脊 、 水下深槽等地貌時 , T IN 模型比網(wǎng)格模型更具優(yōu)勢。2 . 3 .3 基于 GIS/ RS 的海岸地貌信息提取基于 GIS / RS 技術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、 色調差異、實際調查資料和相應地學背景知識。 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造信息時 ,常使用陸地衛(wèi)星多波段影像

15、,對于較大的范圍根據(jù)斷裂帶形成的線狀或帶狀色調界面和斷裂帶兩側的色調差異 ,對比色調帶的寬度來推斷海岸斷裂的走向和規(guī)模。在構建的海岸地形模型上應用 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)表達對地形的描述 、 表達及分析歷來是地球系統(tǒng)科學關注的焦點 。 由于地表下墊面環(huán)境復雜 , 用三維建模方法很難達到地貌模擬的要求 , 一般將影像數(shù)據(jù)作為二維紋理與地形模型融合來進行海岸海洋虛擬地貌表達 。 對陸地使用高分辨率遙感影像 , 對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 ,只需進行相

16、應的配準 ,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平坦 ,為能夠達到立體突出的視覺感觀效果 ,一般對水深模型數(shù)據(jù)進行放大處理 , 將垂直比例適當放大 ,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和揭示海岸帶各種地質地貌現(xiàn)象 ,增強對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用 海岸海洋地區(qū)是我國經(jīng)濟 、 社會發(fā)展的黃金地帶 。 根據(jù)實際工作經(jīng)歷和我國的發(fā)展現(xiàn)狀 , GIS 在海岸海洋地貌研究中的應用可根據(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)境研究為三個實例來探討 GIS 技術在解決海岸海洋面臨的社會發(fā)展 、 資源開發(fā)和主權權益等問題的方法途徑 。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 160 萬) 處于海岸帶地區(qū) ,隨著我國經(jīng)濟的持續(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)化導致城市周邊海域生態(tài)環(huán)境惡化 、 海洋及各類地質災害頻發(fā) ,它們制約了海岸城市的可持續(xù)發(fā)展 ,因此正確評價海岸城鎮(zhèn)發(fā)展條件 、 科學規(guī)劃 “海洋國土” 成為當代海岸海洋科學應用研究的新方向 。 區(qū)域發(fā)展規(guī)劃應立足于對區(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 ,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探討怎樣運用 GIS 集成技術從提取地貌基礎數(shù)據(jù) 、 評價區(qū)域發(fā)展優(yōu)勢到對規(guī)劃提供決策支持的新思路 。( 1) 基于 GIS 技術的海岸地貌基礎地理信息平臺的建立 。根據(jù) GIS 技術在海岸海洋地貌研究的方法體系 , 對東部地區(qū)數(shù)字高程模型 ( D EM) 、 矢量化數(shù)字地形圖 、 區(qū)域地質地貌專題圖及陸地衛(wèi)星遙感影像進行數(shù)據(jù)預處理和分析 , 統(tǒng)一地理參考進行無縫集成 ,同時將沿岸野外實地測量的第一手數(shù)據(jù)包括海岸地貌 、 海洋水文 、 海洋沉積動力和海洋生態(tài)逐一錄入到 GIS 屬性

19、數(shù)據(jù)庫 ,建立深圳東部海岸地貌基礎地理信息平臺 ,便于檢索和進行綜合分析 ,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底圖 ( 圖 1 ) , 分析可知深圳東部沿岸地形復雜 , 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 % , 它們系由火山巖構成 , 巖性堅硬 , 抗風化力強 ,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 。地理信息平臺中還包括東部海灘數(shù)據(jù)庫 ,將圖 1 所示東部基巖港灣海岸 20 多個砂質海灘的名稱 、 位置 、 沙灘走向 、 長寬 、 沉積物粒度 、 水質 、 岸線利用現(xiàn)狀等自然環(huán)境 、 經(jīng)濟數(shù)據(jù)集成一體 ,為城市濱海旅游和沙灘保護提供依據(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 ) , 它的重要應用是為區(qū)域綜合地貌剖面及地貌分類提供依據(jù) 。用 GIS技術提取高程剖面 , 根據(jù)野外實地考察可以得到東部沿岸的地貌綜合剖面 ( 見圖 3 ) , 從陸向海可將

21、其劃分為四個地貌環(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)域產業(yè)選擇 、 空間規(guī)劃提供科學基礎 。3 1 2 陸海作用過渡帶 港口選建和航道勘察此處的陸海作用過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 ( 即波浪的 1/ 31/ 2 波長) ,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 ,應用 GIS 技術集成多種調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)定性調查等提供技術支持 。( 1) 基于 GIS 內插技術的海底地形模型建立 。將曹妃甸周邊海域 2 萬多個水深點數(shù)據(jù)運用反距離加權內插為規(guī)則網(wǎng)格數(shù)據(jù) , 利用分層設色法生成海底地形模型 ( 圖 4 ) , 它是進行等深線圖 、 地貌渲暈圖 、 三維可視化 、 坡度坡向計算等工作的基礎 。 ( 2) 海底地形任意剖面的繪制和應用 。海底地形模型是表示區(qū)域地形的整體狀況 , 在應用當中常需要了解海底兩點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

23、是此項課題野外地震剖面老龍溝區(qū)域實測路線圖 , 將其疊加到海底D EM 上可以提取測線的地形剖面 ( 見圖 5) ,可對老龍溝復雜的潮流深槽地貌有一個直觀的認識 , 對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 。通過曹妃甸海區(qū) 1966 ,1996 , 2006 年水深數(shù)據(jù)內插成不同時期海底 D EM模型 ,通過 D EM 生成不同時期等深線進行對比以及不同時期 D EM 相減所計算的沖淤變化量 , 得到曹妃甸海域 40 a 來海底的總體變化為 : 曹妃甸甸頭西側 5 k m 到東側 10 k m 范圍內 ,520 m 等深線基本保持穩(wěn)定 ; 曹妃甸甸頭與蛤坨之間的岸線位

24、置基本不變 ,而且其沙壩體系的面積略有增加 ; 局部陸域岸線向海推進 , 主要是由于人工圍墾造地造成的 。10 a 來多數(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態(tài)平衡之中 。( 4) 海底三維可視化和地學分析應用 。海底三維可視化改變了傳統(tǒng)的海底地形分析方法 , 實現(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識 ( 圖 6) 。 曹妃甸甸頭深槽長約4 k m , 寬 3 1 4 k m ,最深處達到 42 1 9 m ,離岸僅 150 余米 ,水深即達 25 m , 甸頭前緣海底最大

25、坡度達到 9 1 6° ,由地質鉆孔分析得知曹妃甸甸頭下伏老黏土層 ,具有較強的抗侵蝕能力 ,從而形成甸頭突出 、 兩側逐漸夷平的地貌形態(tài) 。海底三維可視化技術可為揭示海底地形與其他海洋要素之間所蘊含的關系和規(guī)律提供新的方法 。 未來進一步的工作是對三維海底地形與表層沉積物類型 、 沉積物粒度 、 流場等海洋環(huán)境要素進行疊加分析 , 研究表層沉積物類型的分布與地形 、 海洋動力條件等的空間相關性 ,發(fā)揮 GIS 技術手段在對海底地質現(xiàn)象的綜合解讀方面的優(yōu)勢 。3 1 3 海岸大陸架地區(qū) 島礁地貌和資源權益保障 我國擁有寬廣的大陸架 ,大陸架地區(qū)有極為豐富的自然資源 ,這里是我國資源、

26、 環(huán)境和權益問題最突出的地方 ,在周邊海域的權益斗爭中我國面臨著部分島嶼被侵占、 海洋漁業(yè)和油氣等資源被掠奪、 海域劃界紛爭等 , 其中南海的形勢最為嚴峻。 由于對南海島礁及其附近海域的具體情況缺乏了解 ,制約了我國對上述領域內利益得失的分析評估和科學決策 ,不利于在國際政治外交斗爭中最大化地維護國家權益。南京大學主持研發(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)濟領域共 50 個數(shù)據(jù)源數(shù)字化 ,建立地理信息共享平臺 , 其中南海的島礁地貌研究和數(shù)據(jù)庫的建設是系統(tǒng)的一個重要方面。( 1) 基于 GIS/ RS 技術的島礁地貌特征研究 。對于島礁地貌特征研究應綜合利用地

27、貌學基礎知識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 、 色調差異等) 。 島礁包括岸礁 、 環(huán)礁和堡礁三種主要地貌類型 。南海島礁主要是環(huán)礁 ,其中部是湖 ,影像上湖呈深色調 ,環(huán)礁的礁坪在高潮時都被海水淹沒 , 只有礁坪頂部由激浪堆積形成或經(jīng)風力改造過的白色珊瑚沙堤零散露出水面 ,西沙群島的永樂環(huán)礁 、 華光礁 、 浪花礁等最為典型 。外海傳來的波浪到達礁坪外緣 , 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 ,這是珊瑚礁一個重要的影像特征,同時碎浪將沖刷下來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 ,使高潮時的水深減小 ,底

28、反射增強 , 亮線外側的深色調代表珊瑚礁前坡的深水區(qū) ,里側淺色調代表淺水的礁坪 。 這些珊瑚礁地貌基本特征是進行遙感解譯的基礎 。經(jīng)測試南海珊瑚礁光譜規(guī)律性較強 , 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,故在選取波段時選擇相應波譜范圍的 TM1 ,2 和 4 波段進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 ,需使用圖像增強技術 ,包括直方圖線性拉伸 、 色調反差增強和圖像掩膜技術來突出南海島礁地貌特征 ,并在 GIS 技術軟件支持下依據(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)庫的建立和應用 。根據(jù)1983 年正式公布的 287 個南海島礁 ,對每一個島礁建立檔案信息庫 , 包括島礁的地質地貌 、 自然環(huán)境 、資源情況 、 歷史沿革以及現(xiàn)狀紛爭信息 。文字資料經(jīng)分等定級和編碼后錄入到屬性庫 , 實現(xiàn)屬性信息和空間信息一一對應 , 便于檢索和分析研究 。島礁地理信息數(shù)據(jù)庫包括 11 個屬性字段 : 島礁名稱 ( 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 、 占領國家 、 占領時間 、 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)庫實現(xiàn)了島礁地質地貌資料

30、的信息化 , 可為島礁環(huán)境特征研究、 海洋資源開發(fā)、 海域勘界、海上航線管理等方面提供定性、 定位、 定量的科學輔助決策信息。 在認識島礁環(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 ,東沙群島在東沙臺階上 (水深 300400 m) ;中沙群島的主體和西沙群島在西沙 - 中沙臺階上(水深 1 0002 400 m) , 個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 以內) 。4 結語以地理信息系統(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 ,為海岸海洋地貌研究提供了全新技術手段 , 使海岸海洋地貌研究的范圍 、 內容及方法都產生了重要的變化 。文中重點介紹了 GIS 技術在海岸地貌研究中的關鍵技術 , 構建了從數(shù)據(jù)獲取 、 數(shù)據(jù)處理 、 數(shù)據(jù)分析到數(shù)據(jù)表達的新的地貌研究方法體系 ,并根據(jù)海陸交互環(huán)境特點及我國當前發(fā)展現(xiàn)狀 ,選取濱海平原的城市規(guī)劃研究 , 河口海灣的港口開發(fā)以及海岸大陸架的島礁地貌環(huán)境研究的實例 ,利用 GIS 技術的時空數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲 、 多源數(shù)據(jù)集成管理 、 空間分析功能和三維可視化地

32、學分析方法為海岸帶開發(fā)管理提供依據(jù) , 這樣一個從基礎研究到實際應用的過程是當前海岸海洋科學作為新型交叉 應用 基礎 學科的 主要 任務 和 研 究 方向 。通過本項研究說明把 GIS 技術引入海岸海洋地貌學 比 傳 統(tǒng) 地 貌 學 研 究 手 段 具 有 以 下 優(yōu) 勢 :( 1 ) 多源空間信息平臺的集成應用為海岸海洋地區(qū)提供了涵蓋陸地和水下的大范圍 、 準同步和精確定位的宏觀影像信息 , 數(shù)據(jù)更新迅速且費用降低 ; ( 2 ) 由 GIS 技術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 ; ( 3) 海岸帶地貌虛擬表達將 過去 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)象和構造特征 , 揭示了大量陸海交互作用的隱含信息 , 增強了地貌綜合解譯能力 。把地理信息系統(tǒng)技術融入到現(xiàn)代海岸海洋地貌研究中 , 促進了學科交叉 , 增強了傳統(tǒng)海岸地貌學科發(fā)展的動力 , 但同時也面臨巨大的挑戰(zhàn) , 在精確提取和解譯多源地貌數(shù)據(jù)信息和應用方面必須同時兼?zhèn)湄S富的現(xiàn)代信息學和地貌學專家知識 。參考文獻 : 1 王穎 , 牛戰(zhàn)勝. 全球變化與海岸海洋科學發(fā)展 J . 海洋地質與第四紀地質 , 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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