最近40年来丁字湾潮滩表层沉积特征演变的遥感定量反演

发布时间：2020-05-27 07:26

【摘要】：在全球变化背景下，海岸带地区必将成为生态环境研究的重点地区，而海湾表层沉积特征的演变是对其海岸动力、沉积机制研究的重要方面。位于黄、渤海之间的胶东半岛是我国最大的半岛，也是最近40年来我国社会经济发展最为迅速、人类活动地海岸地貌改造最为强烈的地区之一。全新世最大海侵期间，海水侵入半岛内部，淹没上游河谷，形成许多溺谷河口—潮汐汊道式海湾。经过数百年的填充淤积，均已发展成为广阔的潮滩、狭窄的中央深槽以及联系其间的复杂的潮汐汊道系统，其中尤以丁字湾最为典型。近年来，丁字湾经济发展迅速，人类开发活动频繁强烈，对海湾环境及其演变影响显著。本文以丁字湾为研究对象，通过野外实地采集潮滩表层沉积物及其表面实时光谱信息，在对大量实测数据进行统计分析的基础上，建立沉积物粒度参数与光谱反射率之间的数学关系模型，借助遥感影像来定量反演计算最近40年来丁字湾潮滩表层沉积特征。本文采集潮滩表层2cm沉积物，取晴朗状态下实时地物光谱信息，选取平均粒径、分选系数、粉砂和粘土含量等三个粒度参数与反射率之间分别建立多元回归模型、BP神经网络模型以及单一核支持向量机模型。通过对其预测值与实测值的相关系数、均方误差值的对比，选取相关系数最大、均方根误差值最小的模型为最终的反演模型。结果表明，支持向量机模型精度最高。其中，平均粒径和粉砂及粘土含量的相关系数均超过0.8，确定为最终的反演模型，并基于此对近40年来丁字湾潮滩表层沉积特征进行反演计算。对结果进行分析表明，丁字湾表层沉积特征主要受两个方面因素影响——入海径流泥沙量、海湾边界条件。1980年以前，丁字湾沉积物粒度主要受自然因素影响。这一时期，，受气候影响五龙河处于丰水期，且上游植被破坏严重，梯田建设、水利工程频繁，入海水、沙量尤其是粗颗粒物质量都很大。因此，1980年之前表层沉积物颗粒较粗。且在1971年之前海湾受落潮不对称控制，海湾处于净侵蚀状态；1971年到1981年处在落潮不对称向涨潮不对称的转化阶段，涨潮流大于落潮流，涨潮流能量比落潮流强，可淤积大量粗颗粒物质在湾内，输出细颗粒物质，海湾沉积物颗粒呈现变粗状态。而1980年以后，气候状况发生突变，降水量显著减少，五龙河入海水沙量显著减少，且水库等工程使得上游泥沙遭围堵。因此，1980年后沉积物颗粒整体上偏细。但1980年以后，受到海湾水利设施尤其是水库等的围堵，再加上大面积的围垦潮滩、兴建养殖池等，深刻改变海湾边界，使得海湾在1981年到1989年涨潮不对称成都增加，潮汐汊道发生淤塞并逐渐变短变窄，涨潮流速大于落潮流速，潮滩沉积物颗粒呈现变粗趋势。但经过短暂的快速淤积、从1989年开始直到2009年，丁字湾总体处在涨潮不对称向落潮不对称的转化阶段，海湾逐渐进入冲淤变化微弱近似平衡的状态，冲淤量很小，涨、落潮流速差别也很小，因此这一阶段潮滩表层沉积特征的变化也很微弱，基本处于稳定。总之，1980年代之前，海湾主要受自然因素影响，沉积物整体较粗，且呈变粗趋势；1980年以后，自然状态变化使沉积物明显偏细，但受到海湾边界条件改变的影响，在整体偏细的基础上，逐年出现变粗趋势。经验证，对最近40年来丁字湾潮滩表层沉积特征的定量遥感反演，反演结果得到的沉积物粒度参数在变化趋势上基本与海湾实动力地貌演变趋势相一致。虽不能定量描述其数量特征，但可以定性反映自然与人类活动共同作用下丁字湾海湾动力、沉积环境状况演变，其变化趋势基本符合事实。在大范围、长时间尺度的沉积特征研究方面具有一定的可行性。但是，模型还有很多不足之处。受人为样品采集规范性的影响，建模训练样本自身就会导致误差；受影像分辨率影响，混合像元现象普遍存在，反演结果代表的是整个像元区域的综合值，不能精确到各区域准确值或沉积物类型；受大气等外界环境影响，影像前期的校正情况也会影响模型准确性。此外，由于地理环境区域性的制约，模型的普适性还是相对较差，不同区域可能会建立差别较大的模型。但随着遥感技术以及定量遥感算法的不断发展，对表层沉积特征的定量遥感反演必将成为海湾动力、地貌、沉积研究的一条新的有效途径。
【图文】：

位置图,胶东半岛,胶莱

图 2.1 研究区位置图位于胶莱河以东的胶东半岛（119°33’~122°42’E，36°16’~38°24’N）是我国最大的半岛，其东、南、北三面环海，西北临渤海，东北和南部临黄海，西与华北平原相接，面积 3.4 万平方千米，是我国面积最大的半岛[106]。胶东半岛岸线曲折，港湾、岬角交错，岛屿罗列，是华北沿海良港集中地区。胶州湾的青岛芝罘湾的烟台、威海湾的威海、石岛湾的石岛和龙口等均为中国著名港口[20]。胶东半岛地势南北高、中部低，区域构造基础为胶北隆起、胶莱坳陷和胶南隆起三部分[107]，在地貌上表现为经长期剥蚀的低缓山地丘陵与平原相间的景观，丘陵海拔多在 500 米以下。本区属暖温带季风气候，四季分明，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。该区多短小季节性山溪河流，多年平均年径流量一般为 100～300m3，由东南向西北递减，降水多集中在夏季（6～9 月份），且降水强度大，常出现暴雨，多年平均年降水量一般为 600～900mm，雨季径流量占全年径流量的 84%～86%，径流的年际变化剧烈[106]。其中，大沽河、东五龙河、乳山河、母猪河、白沙河等河上游

反射率曲线,反射率曲线

方位、高度角发生变化时，都需要对光谱仪的参考值及背景值进行重新测定，才能保证数据的准确性。3.1.2 光谱数据预处理爱万提斯自动光谱测量仪可自动对原始数据进行最基本的校正，主要包括：原始数据辐射强度中暗电流去除，各光谱数据通道的增益校准，波长订正等。但是由于光谱仪在不同波长通道对能量响应存在差异，且野外采集光谱时不可能存在完全理想的环境条件，因此光谱曲线仍然存在一些噪声。为尽可能降低噪声，得到真实平稳的光谱曲线，需要对原始光谱数据进行平滑去噪处理。常用的平滑处理方法有移动平均法、静态平均法、傅里叶级数近似等。本文采用 5 步平均法对光谱曲线进行平滑去噪，消除了部分过于极端的高频数据，得到的光谱曲线为原来曲线的概略趋势，使光谱数据更为平稳，确保所建的反演模型预测结果更为精确。
【学位授予单位】：鲁东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P737.1

【参考文献】