南黄海辐射沙洲海底地形可视化与定量分析

王百顺，范代读，顾君晖，许建雄

（1.国家海洋局东海信息中心，上海 200137；2.同济大学 海洋地质国家重点实验室，上海 200092；3.同济大学 长江水环境教育部重点实验室，上海 200092）

海底地形是构造运动、海洋动力、泥沙输移、生物活动以及近岸显著人类活动等多种因素综合作用的反映，其变化过程相当复杂.海底地形地貌信息是海洋科学研究的基础资料，对海洋渔业、海底资源开发、海洋权益保障和军事活动等具有重要意义.目前对海底地形的研究远远落后于陆地地形.

海洋测绘是以海图等形式提供一个可以“看得见”的海底世界.水深数据可以通过单波束、多波束测深系统或海图数字化等手段获取，这些水深数据需要经过一定的后期数据处理、网格化，生成海底数字高程模型，由此进行海底地形的可视化与各种统计分 析［1－7］.内插生成格网数字高层模型（digital elevation model，DEM）数据的方法较多，研究者往往根据研究区域大小、海底地形复杂性和水深数据获取方式及其分辨率等的差异，采用不同的内插值方法.任建武等［1］提出对比较离散的水深数据（单波束或海图数字化获取）分形内插.针对多波束测深数据的特点，高金耀等［2］、马建林等［5］和王海栋等［7］分别使用了分形布朗运动（fractional Brown motion，FBM）和张力样条结合的插值算法、改进的距离反比权重法和多细节层次模型（level of detail，LOD）技术以及抗差最小二乘配置算法进行海底数字地形模型的构建，以达到相应的精度和效率.

海底地形的可视模型是通过一系列的图表进行直观表征.任建武等［1］通过水深分层设色和多方位分层设色法建立了南黄海辐射沙洲的立体可视、可比模型及各层水面积统计表等.杨刚等［4］提出利用最大梯度追踪算法检测正、负地形与平缓地形的分界线，并利用“三态值”算法识别正、负和平缓地形.随着海洋测绘技术的发展，水深数据时／空分辨率和海域使用与开发程度逐步提高，可视模型也将更加多样化.

2005—2010年期间，国家海洋局东海分局承担多项“九O八”专项调查项目，共完成我国近海海域12个区块的地形测量.本文选择DX47区块南部调查区，即对南黄海辐射沙洲北翼的单波束测深数据进行海底地形的可视模型分析，包括：利用残差分析以确定适合的插值方法，利用地形各参数进行地形分割，对脊、槽相间的海底地形单元进行精细划分和定量分析.研究结果为2009年6月10日国务院讨论通过的《江苏沿海地区发展规划》［8］的实施，尤其在沙脊实施高滩圈围和沙脊间潮流主干通道建设万吨级以上的深水航道提供依据.

1 研究区概况

南黄海辐射沙洲分布在江苏岸外，北起射阳河口，南至长江口北部的蒿枝港，南北长200km，东西宽140km，共有70多条沙脊及沙脊之间的潮流通道组成，面积达22470km2.规模巨大、形态独特的辐射沙脊在全球实属罕见，早已为我国海洋地质学家和海岸地貌学家所关注，自20世纪60年代以来，相继开展了各种调查［9－12］.20世纪80年代任美锷院士领导的“江苏省海岸带和海涂资源综合调查”较清晰地揭示了辐射状沙脊群的面貌［10］.1990—1995年由南京大学王颖院士主持的国家自然科学基金“八五”重点课题“黄海辐射沙洲形成演变研究”，联合河海大学、同济大学与中国科学院海洋研究所等，开展了辐射沙洲水动力、沉积地貌与演变、晚第四纪地层与沉积环境演变等的综合研究［11］.

据实测地形资料分析，沙洲在不断增长，年均增长面积80km2.其中，沙洲外围的水下沙脊遭受冲刷，侵蚀的沉积物较粗部分被输送到沙脊顶部，使沙脊不断增高和变宽，出露水面，近陆一侧不断发生沙洲淤高合并；较细的物质则随潮流悬浮输送至潮间带沉积，使沿岸滩涂不断淤涨［11］.沙洲和潮滩不断淤涨为江苏省提供了极为宝贵的潜在土地资源，而潮流通道冲刷且稳定为江苏省平原海岸建设深水港提供了特殊、有利的条件，一些水深超过15m以上的大型潮流通道可建设10万吨级以上深水航道［13］.这些有利条件一定程度上促使一省的发展规划升格为国家战略，随着国务院于2009年6月10日讨论并通过了《江苏沿海地区发展规划》，辐射沙洲的海底地形地貌及其演变趋势和动力机制再次成为研究热点［8，13－14］.根据规划，到2020年将对在盐城射阳河口至南通东灶港之间的大丰、东台、如东、启东海岸和弶港外的辐射沙洲等地进行围垦，形成1800平方公里左右的垦区，远期将在东沙、条子泥、腰沙等浅滩沙洲进行围垦，可望形成4666.7km2土地后备资源.同时，扩大港口能力，推进大丰港区、洋口港区深水航道升级前期研究论证工作［8］.

2 水深数据来源与测量方法

测量资料来自国家海洋局东海信息中心.按照“九O八”专项任务设计，于2008年9月—2009年10月在南黄海辐射沙洲北翼实施了单波束水深测量.测量区域位于江苏省大丰市、如东县和射阳县岸外近海海域（见图1），距离海岸线6.14～20.83km，南北长134.02km，东西宽44.01～71.45km，面积6550km2，测点共5898个.主测线间距2.5km，检测线平均间距12.5km.

测量仪器设备主要有：差分GPS导航定位仪，美国 Trimble／Ashtech 公司生产，型号DSM／BR2G，实时定位精度≤3m；精密测深仪，无锡海鹰加科生产，型号 HY1600，测深范围0.3～300m，测深精度0.1%；自容式潮位仪，日本ALEC生产，型号ACTD－CMP，分辨率0.02m，精度±0.1%满量程.

图1 研究区位置及测量站点分布示意图（站点抽稀）（单位：km）Fig.1 Sketch map of the study area and distribution of bathymetric surveying stations（unit：km）

潮位校对采用实测和预报相结合方法.距0m等深线20km以内的水深订正采用实测验潮资料；在小洋口港设置有临时验潮站，同时，使用了周边岚山、连云港、燕尾、滨海、太阳沙等长期站潮位数据.岸线20km以外采用国家海洋信息中心提供的预报潮位（理论深度基准面），根据实测和预报潮位将实测水深订正到理论深度基准面.以往测量作业中的潮位改正、近海水深测量一般采用模拟法，沿岸一般采用直线分带和三角分带法.目前，无论近海还是沿岸水深测量一般都采用时差法进行潮位订正，在某些难以布设验潮站的海区，利用潮汐调和常数和预报法进行潮位改正，这也是DX47区块采用的方法.实测潮位、定位和测深同步进行，测量数据包括测点位置和相应的水深.

3 最佳插值法筛选

地形数字高程分析及可视化需要对测点进行插值，根据测量数据特征和分析目的选择插值方法.表现原始数据空间分布的插值方法主要包括反距离加权法、克里金法、最小曲率法、改进谢别德法、径向基函数法和最近邻点法等，各种方法还包含一系列的调整参数.本次实验运用残差分析来选择该批次水深数据的最佳插值方法.首先，用各种插值方法分别计算实际测量点上的插值；其次，计算各个站点测量值与插值的残差，并对残差进行统计分析；最后根据统计参数对比，选择最合适的插值方法.

用六种插值方法对5898个测量点（n）进行残差计算，统计参数见表1.除改进谢别德法外，其余五种插值方法残差均值普遍较小，说明实际测量值与插值总体一致.残差最大值与最小值相对于研究区水深而言偏大，原因在于局部存在地形陡变，由于测量点密度不够，在地形陡变区域进行插值易生成较大残差.可以采用多种参数对残差进行评价，特别是标准误差、平均偏差和标准偏差.克里金法、最小曲率法和最近邻点法的标准误差最小，为0.017～0.018，最近邻点法残差均值较大；最小曲率法的平均偏差较克里金法大一些.因此，就研究海域现有测量数据而言，最合适的插值方法是克里金法，其次是最小曲率法，改进谢别德法残差最大，是最先应该舍弃的插值方法.

表1 六种插值方法残差分析统计（n＝5898）Tab.1 Residual analysis on the interpolation results of six different methods

4 海底地形可视化与统计分析

4.1 水深分层设色表达法

由水深值进行分层设色是表达海底地形的最直观简洁方法，被广泛应用于航海、海洋工程和公益领域.研究区最大水深为36.7m，平均水深为6.0m.地形总体向东北呈加深趋势.

沙脊或潮流槽在水深图上呈条带状相间分布，向外呈扇形展开（见图2）.区内分布六条大型海底沙脊，长度35～115km，宽度3～11km.

根据水深变化，研究区可以定性地划分出四种地形单元：浅滩、沙脊、潮流槽和宽谷.沙脊和潮流槽分布最广，显示为明显的正、负地形；浅滩位于辐射沙洲的根部，低潮时可出露，地势平缓（图2中大片白色相连区域）；宽谷分布在潮流槽的外侧，地势低缓，水深常大于15m，逐渐过渡到开阔的陆架.用水深划分的地形单元之间呈过渡状态.

图2 水深设色海底地形图Fig.2 Bathymetric map using color bar

4.2 地形倾角表达法

倾角ST是重要的地形参数之一.在地形分析中，一般在剖面上对倾角进行分析，但剖面上的倾角不一定就是相应点的最大倾角，因为剖面方向不一定总是垂直地形最大倾斜方向，且剖面难以表示整个研究区的地形倾角.根据地形倾角公式（见公式（1））［15－16］，可以计算整体每个测量点或插值点与水平面之间的最大倾角，以度表示.

式中：x，y，z为大地坐标系的x，y，z轴，分别对应于经度、纬度和高程，m.

计算结果表明，研究区最小倾角为0°，最大倾角31.8°，平均倾角5.3°.分布最广的是倾角＜5°的地形区，倾角≥20°的地形区仅在局部分布（见图3）.根据倾角大小可将研究区划分成三个地形单元：0°～5°为水平－微倾斜地形区，包括地势低缓的宽谷和浅滩，以及沙脊顶部与潮流槽的谷底，占总面积的60%；5°～10°为缓倾斜地形区，主要分布在沙脊的峰转坡处或潮流槽的谷转坡处，占26%；≥10°为倾斜地形区，分布在沙脊与潮流槽相接的斜坡处，占14%.

4.3 地形倾向

地形倾向AT也是基本的地形参数，有时伴随着倾角一起描述.倾向是测点或插值点最大倾斜方向，采用公式（2）［15－16］计算每个插值点或测量点倾向，以度表示，向北倾向计为0°，顺时针方向测算.地形倾向从0°～360°，主要倾向为45°～90°，其次为90°～150°，260°～360°，倾向0°～45°和150°～260°地形区欠发育（见图4）.

4.4 地形剖面曲率

在地形分析时，一般只研究三个基本参数：深（高）度、角度、倾向.可用多种方式表达深（高）度参数在空间上的分布，如平面等值线图、影像图、渲染图、线框图、三维表面图等，角度参数多以剖面表达，倾向参数一般不做专门分析.很少有学者分析其他地形参数，如地形曲率等，至于更高级的地形分析则仅在理论教学探讨中进行.事实上，各种地形曲率和高级地形分析对于地形分区、地形重要界线确定、地形成因等研究具有重要意义.

地形剖面曲KP率表示沿最大梯度方向倾斜的变化率.当地形剖面曲率为正值时，表示地形上凸，为负值时，表示地形下凹.脊是一种上凸地形单元，而槽是一种下凹地形单元，对于任一个测点或插值点，可以公式（3）［15－16］求其曲率.当曲率为正则表明该点位于上凸曲面上，即位于沙脊之上.当曲率为负值则表明该点位于下凹曲面之上，即位于潮流槽中.当曲率为零则表明该点处于曲面凸凹衔接处，即脊、槽的分界线上.由此，可以明确界定出脊、槽地形单元的界线（见图5）.

图5 地形剖面曲率划分的槽与脊Fig.5 Topographic divisions of ridges and channels based on the profile curvature

剖面曲率不仅可以将原水深地形图上的根部细微地形单元划分开来，而且将次级的脊、槽也划分开来.由此发现，沙脊上普遍发育“次级槽”，而潮流槽中多有发育“次级脊”，形态各异，关系复杂，可见脊、槽体系水动力环境的复杂多变.

根据剖面曲率，研究区地形单元可分为三大类：①沙脊，形态各异，总体呈条带状，面积2721km2；②潮流槽，分布于沙脊之间，向外有次级分汊现象，面积2930km2；③宽谷，面积899km2.以上三种地形单元分别占总面积的41.6%，44.7%和13.7%.与水深数据划分的地形单元相比，缺少根部的浅滩.

4.5 地形平面曲率与切线曲率分析

等值线的弯曲程度可以用地形平面曲率KH来测量，用水平方向上地形方位角的变化率来表示，见公式（4）.地形切线曲率KT是测量垂直于梯度方向的垂直面走向的变化率，或等值线切线方向的变化率，见公式（5）［15－16］.

研究区地形平面曲率为－20×10－6～23475×10－6，平均891×10－6.图6为地形平面曲率与地形水深叠加图，可见地形比较复杂；正值区占49.5%，负值区占50.5%.地形平面曲率与水深、倾角为依据划分的地形单元相关性低，这表明沙脊和潮流槽的地形复杂程度相似.研究区切线曲率与平面曲率分布特征相似，仅在数值和局部存在细微差异.这两个参数反映了相似的海洋学涵义，即负值区位于辐40射沙洲的内侧，水深较浅，辐聚流场较强；正值区位于辐射洲的外侧，水深较大，流场较弱.

图6 地形平面曲率分布Fig.6 Distribution pattern of plan curvature

5 结论

南黄海辐射沙洲海底地形较复杂，采用多种地形参数可以从不同角度更好地表达地形特征与变化，并进行定量分析.残差分析表明，克里金法是研究区现有水深数据的最佳插值法.通过水深分层设色法可以定性地区分出辐射沙洲的四种地形单元：浅滩、沙脊、潮流槽和宽谷.不同地形单元或同一地形单元的不同部位可以有明显不同的坡度和倾向，其中以水平－微倾斜地形（倾角＜5°）为主，占整个沙洲面积的60%，分布在宽谷、浅滩、沙脊顶部和潮流槽的谷底等.地形剖面曲率分层设色可以更细致地刻画脊、槽地形单元的微地貌，包括沙脊上发育的次级槽和潮流槽中的次级脊等，并且可以定量分析不同地形单元面积及其所占比例，但该方法未能识别出浅滩地形单元.研究区切线曲率与平面曲率分布特征非常相似，两者可能反映了相似的海洋动力特征，即正（负）值表示辐射沙洲外（内）侧较弱（强）的流场.

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