利用海图数据与卫星影像计算海湾纳潮量——以胶州湾为例＊

李君益，纪育强，郑全安，吴永亭，陈义兰，刘自力，辛海英

（国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061）

利用海图数据与卫星影像计算海湾纳潮量
——以胶州湾为例＊

李君益，纪育强，郑全安，吴永亭，陈义兰，刘自力，辛海英

（国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛266061）

以胶州湾为例，尝试获取胶州湾的三维地形，并利用海湾高、低潮所容纳的海水体积之差计算海湾纳潮量。计算结果表明：胶州湾1992年纳潮量为9.8×108m3，2005年胶州湾纳潮量为8.9×108m3，胶州湾纳潮能力下降0.9×108m3。

纳潮量；Landsat卫星影像；海水体积；胶州湾

（张 骞 编辑）

海湾纳潮量定义为高潮水量与低潮水量之差，其数值取决于海湾高潮与低潮水域面积变化、潮差和潮间带地形。研究人员使用了不同方法对纳潮量的计算做了大量工作。郑全安等［1］利用式（1）计算胶州湾纳潮量：

式中，S1，S2分别为高、低潮时刻水域面积；H为其潮差；W为海湾纳潮量。

乔贯宇等［2］利用胶州湾口走航ADCP测得的海水流速，对观测的流量值进行时间积分获得了胶州湾的纳潮量。杨世伦等［3］针对胶州湾这种半封闭海湾，潮间带被部分围垦后，对纳潮量的计算进行了探讨。陈红霞等［4］对不同方式纳潮量的计算给出了比较。可以看出，上述研究使用的计算方法是对纳潮量进行直接求解，本研究将利用文章开头给出的纳潮量定义，通过求解海湾高、低潮水量来计算海湾纳潮量。

1 纳潮量计算方法

理论上，如果已知海湾三维模型，可以计算任意给定潮位海湾所容纳的海水体积，进而通过计算高、低潮海湾海水体积差来得到海湾纳潮量。其中，海湾三维模型的获取是海湾纳潮量计算的关键。

一般情况下，海湾三维模型由实测海湾地形数据进行插值，并辅以岸界的方式给出。由于进行现场实测海湾地形的代价过于昂贵，因此可以采用数字化海图的方式获得0m等深线以下的地形数据，但是大部分海图没有0m等深线至岸线的潮间带高程信息。Mason等［5］将水边线假设为等高线，叠加多种潮汐条件下的水边线，生成潮滩数字高程模型。因此，把提取的多幅海湾卫星影像水边线信息与海图数字化后的等深线信息转换到相同坐标系与基准面下，加入岸界信息，可以计算出海湾的三维模型。其中，三维模型的岸界可以由卫星影像给出。利用海图数据与卫星影像计算海湾纳潮量的流程如图1所示。

本研究以胶州湾为研究实例。由于胶州湾1992年海图含有潮间带地形数据，因此仅利用海图数据就可以计算该年海湾纳潮量；而胶州湾2005年海图不含有潮间带数据，因此要利用该年份海图及卫星影像计算海湾纳潮量。

图1 利用海图、卫星影像计算纳潮量的流程图Fig.1 A flow sheet for tidal prism computation by using charts and satellite images

2 数据来源

1）中国航海图书出版社出版的胶州湾2005年海图。该图采用WGS－84坐标系，墨卡托投影，深度基准为理论深度基准面。

2）国家海洋局第一海洋研究所测量的1992年胶州湾海图。该数据采用54北京大地坐标系，中央经线为120°E的3°分带高斯投影，深度基准为理论深度基准面。

3）美国陆地资源卫星5号（Landsat－5）TM、美国陆地资源卫星7号（Landsat－7）ETM＋影像。影像采用WGS－84坐标系，UTM 投影，其中，Landsat－5 4，5，7波段象元大小为30m×30m，Landsat－7 4，5，7波段象元大小为25m×25m。选用1∶50 000地形图作为理想基础底图进行几何精确校正和辐射校正，校正后的几何精度达一个象元，其参数见表1。

表1 Landsat遥感资料参数表Table 1 Parameters of Landsat images

3 数据处理

3.1 海图矢量化

利用Mapinfo软件，把胶州湾1992年和2005年扫描海图的等深线、岸线、水深注记信息由像素形式转化为点和线形式，即矢量化。由于胶州湾沿岸的不断开发，1992年海图矢量化的结果很难验证其精度，因此这里只给出2005年矢量化的精度验证。选用自2005年以来，胶州湾沿岸尚未发生变化的两处（分别为红岛参池与黄岛码头），利用现场GPS定点连续观测1h，获取这2处的空间坐标，转换为与海图投影一致的平面墨卡托x，y坐标，其中，x轴对应地球赤道，y轴对应本初子午线，单位为m；把红岛参池与黄岛码头的经投影转换后的GPS实测坐标与矢量化的墨卡托x，y坐标相比较（表2），并给出矢量化坐标与相应GPS实测坐标之间的距离差，即矢量化误差。按照《1∶500、1∶1000、1∶2000地形图数字化规范》［6］和《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》［7］中规定，相对于工作底图，点状要素平面位移中误差不超过图上的±0.25mm，线状、面状要素平面位移中误差不超过图上的±0.3mm，该矢量化结果可信。

表2 GPS红岛、黄岛观测点与海图上相应位置处的矢量化结果对照表Table 2 Comparison of the GPS data measured at the observation points in Hongdao and Huangdao with the coordinates vectorized from the corresponding positions on the digitalized charts

3.2 水边线及岸线提取

选用第4，5，7波段进行假彩色合成，利用表2中2005年Landsat影像提取水边线，由潮汐表查得各个影像的过境潮位。研究中的胶州湾水边线提取标准遵循以下规定［1］：基岩型海岸线直接用图像解译的结果进行对比分析提取；潮汐河口处以河口两侧的海岸线与河口入海口门两岸交点的连线定义为其海岸线；人工堤坝与周围地形形成封闭区的堤坝，以向海的一边作为海岸线的边界。提取的海岸线的坐标采用WGS－84坐标系，6°分带的 UTM 投影，中央经线123°E。胶州湾口取团岛（120°16′58.188″E，36°02′38.796″N）—薛家岛（120°17′14.532″E，36°00′57.528″N）连线（图2中的胶州湾口处的黑粗虚线部分）。图2中的1号线为胶州湾岸线（最外侧线段），由胶州湾2005年海图中提取。提取的2005年水边线如图2所示，分别为：2号线为07－28卫星过境潮位；3号线为03－06高潮迹线；4号线为05－09卫星过境潮位线；5号线为03－06卫星过境潮位线；6号线为01－09卫星过境潮位线。

图2 由Landsat卫星影像中提取出2005年胶州湾的水边线Fig.2 The edge water lines of the Jiaozhou Bay extracted from the Landsat images in 2005

3.3 水边线及岸线数据坐标的转换

由于1992年海图数据采用北京54坐标系，而海图及卫星图片数据采用WGS－84坐标系，为了计算结果有可比性，要把北京54坐标系下的数据转换到WGS－84坐标系。利用3个公共点在WGS－84和北京54坐标系下的坐标（x54，y54）T、（x84，y84）T，计算出相应坐标系下的空间直角坐标（X54，Y54，Z54）T、（X84，Y84，Z84）T；然后用式（2）坐标转换模型［8］求得该地区 WGS－84坐标系与北京54坐标系的转换参数：（X0，Y0，Z0）T，m，ω1，ω2，ω3。

式中，（X0，Y0，Z0）T为坐标平移量；m为缩放尺度；ω1，ω2，ω3为坐标系旋转角。

应用上述转换参数把矢量化后的1992年胶州湾水深及岸线数据转换成WGS84大地坐标系，墨卡托投影。

3.4 水深数据处理

水深数据点的数量有限，而且只能代表相应坐标处的水深，为了得到胶州湾的水深空间分布，本研究使用空间插值法，求得特定坐标处的水深。空间插值法有反距离加权插值法、多项式插值法、Kriging，Natural－Neighbor插值法等。Kriging插值常用来解决空间连续性变化的属性非常不规则的问题［9］，因此这里使用Surfer8.0的Kriging插值方法对胶州湾的实测水深数据及海图矢量化后水深数据的进行空间插值［10］，插值的同时得到水深网格数据，便于计算湾内海水体积。为与影像像元尺寸匹配，选取插值网格间距ΔL为30m。

采用交叉检验法（Cross－validation）对水深数据空间插值结果进行精度检验，即假设某一位置处的水深未知，用其它所有水深数据来估算该位置处的水深值。这里进行体积计算，因此采用平均误差来反映插值效果。随机抽取800组数据进行交叉检验，水深数据插值后的带来的误差小于《海洋工程地形测量规范》［11］规定测深误差，因此插值结果满足计算要求［12］。

4 胶州湾纳潮量的计算

将坐标转换后的卫星水边线数据及矢量化后的海图水深数据，经插值得到胶州湾的三维地形模型，分别得到高、低潮胶州湾海水的空间分布。应用式（3）计算胶州湾海水体积V，应用式（4）计算胶州湾纳潮量P。

式中，V为海水体积；ΔS为水深网格面元，ΔS＝ΔL2；hi为网格i处的水深值；Δh为潮位；V1为高潮时所容纳的海水体积；V2为低潮时容纳的海水体积。

由潮汐表计算可知，胶州湾1992年平均高潮潮位为3.80m；平均低潮潮位为1.00m；2005年平均高潮潮位为3.79m；平均低潮潮位为1.00m。经计算，胶州湾1992年和2005年0m等深线以下海水体积V0、高潮时所容纳的海水体积V1、低潮时容纳的海水体积V2及纳潮量P见表3。

表3 胶州湾纳潮量（×108 m3）Table 3 Tidal prism in the Jiaozhou Bay（×108 m3）

5 讨 论

本研究计算结果表明，从1992—2005年，14a间胶州湾0m等深线以下海水体积下降0.6×108m3；高潮时容纳的海水体积下降1.8×108m3；低潮容纳海水体积下降0.9×108m3，可以看出，胶州湾容纳海水的能力总体呈减少的趋势；而0m线至岸线部分的萎缩是造成胶州湾容纳海水能力下降的主要原因；0m线至低潮线部分的减少与低潮线至高潮线部分的减少（即纳潮量的减少）对胶州湾容纳海水能力的减少均有贡献。

本研究计算得出的胶州湾1992年纳潮量为9.8×108m3、2005年纳潮量为8.9×108m3，与郑全安等［13］计算的胶州湾纳潮量相差0.32×108m3（1988年9.48×108m3）；与杨世伦等［2］的计算结果相差0.918×108m3（1992年10.718×108m3）；与乔贯宇等［3］的计算结果相差1.217×108m3（2006年春季纳潮量为9.522×108m3、秋季纳潮量为10.713×108m3，平均纳潮量为10.117×108m3）；与胡泽建等①胡泽建，边淑华，赵可光，等.半封闭海湾淤积灾害预测关键技术研究——以胶州湾为例.国家海洋局第一海洋研究所.2000.的计算结果相差0.51×108m3（1992年9.29×108m3）。考虑到纳潮量的计算时间，本研究结果与郑全安等与胡泽建等的结果相近，原因是本研究建立起的海湾三维模型是对式（1）的微分近似，不同之处是模型注重海湾的三维结构，而郑全安等与胡泽建等的计算注重对不同潮位海湾面积的测量。

6 结 论

采用胶州湾卫星影像建立起的潮间带地形数据，与矢量化海图数据结合可以建立胶州湾三维模型，利用该模型可以计算岸线以下任意潮位海湾容纳的海水体积，进而计算出纳潮量。计算结果表明：1992—2005年胶州湾纳潮量减少0.9×108m3，通过与其它纳潮量计算方法相比，该计算方便可靠。海湾三维模型对实际潮间带的模拟精度，取决于卫星影像的数量。

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Calculation of the Tidal Prism in the Jiaozhou Bay by Using Chart Data and Landsat－TM5Images

LI Jun－yi，JI Yu－qiang，ZHENG Quan－an，WU Yong－ting，CHEN Yi－lan，LIU Zi－li，XIN Hai－ying
（FirstInstituteofOceanography，SOA，Qingdao 266061，China）

It is physically sound to compute the tidal prism of a bay by using volume difference between high tide and low tide if a 3Dmodel of the bay is obtained.Herein we take the Jiaozhou Bay as an example and calculate the tidal prism in the bay by using this method.The results show that the tidal prism in the Jiaozhou Bay was 9.8×108m3in 1992and 8.9×108m3in 2005，indicating that a decrease of 0.9×108m3in the tidal prism occurred in the Jiaozhou Bay from 1992to 2005.

tidal prism；Landsat image；Jiaozhou Bay；seawater volume

January 14，2011

P731.24

A

1671－6647（2012）02－0205－07

2011－01－14

海洋公益性行业科研专项经费项目——胶州湾海湾水动力物理模拟实验研究（200705012）

李君益（1984－），男，辽宁本溪人，硕士研究生，主要从事区域性海洋学方面研究.E－mail：ljyi＠fio.org.cn

致谢：感谢张建对GPS数据的处理工作。