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  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

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基于机载LIDAR技术的海岸带防风暴潮能力评估

涂植凤 杨帆

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基于机载LIDAR技术的海岸带防风暴潮能力评估

    作者简介: 涂植凤(1992-), 女, 重庆人, 硕士研究生, 主要研究方向为国土资源与3S技术, E-mail:tzf1015@sina.cn;
    通讯作者: 杨帆(1983-), 男, 广西贺州人, 高级工程师, 硕士, 主要研究方向为3S技术在海洋防灾减灾、海岛海岸带资源管理方面的研究, E-mail:fyang009@126.com
  • 基金项目: 国家海洋局海洋公益性行业科研专项经费项目(201305020);国家海洋局青年海洋科学基金(2012409);国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金项目(1260)
  • 中图分类号: X87

Assessment of coastal anti-storm tide ability based on airborne LiDAR technique

  • 摘要: 机载LiDAR技术具备快速、精确获取地面高程信息的特点,在海岸带风暴潮灾害防御能力评估方面可以发挥重大作用。本文以惠东县盐洲岛为研究区,基于机载LiDAR点云数据和航空影像数据,提取研究区的路堤、海岛高程,土地开发利用等信息,利用DEM模拟风暴潮淹没范围,评估研究区路堤建设情况及其面临风暴潮灾害的防护能力。实验表明:盐洲岛12.54%的路堤缺乏防御风暴潮灾害能力;在水位达到3.5 m、4.4 m、4.6 m时,分别有71.38%、83.17%、84.18%的海岛范围面临遭受风暴潮灾害的风险。
  • 图 1  盐洲岛位置

    Figure 1.  Location of YanZhou Island

    图 2  路堤分布情况

    Figure 2.  Embankment distribution

    图 3  路堤防护范围内的土地开发利用情况

    Figure 3.  Land development and utilization within the scope of embankment protection

    图 4  不同水位下的淹没范围

    Figure 4.  Submerged at different water levels

    图 5  不同水位下的土地开发利用类型淹没情况分析

    Figure 5.  Analysis on types of land development and utilization submerged at different water levels

    表 1  LiDAR点云和航空影像成像参数

    Table 1.  Lidar point cloud and aerial imaging parameters

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    表 2  不同基准面下的水位

    Table 2.  Different datum planes of water level

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    表 3  盐洲岛路堤长度

    Table 3.  Embankment length of Yanzhou Island

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    表 4  不同水位下的淹没范围模拟情况

    Table 4.  Submerged range simulation at different water levels

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出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-21
  • 录用日期:  2018-01-18
  • 刊出日期:  2019-10-20

基于机载LIDAR技术的海岸带防风暴潮能力评估

    作者简介:涂植凤(1992-), 女, 重庆人, 硕士研究生, 主要研究方向为国土资源与3S技术, E-mail:tzf1015@sina.cn
    通讯作者: 杨帆(1983-), 男, 广西贺州人, 高级工程师, 硕士, 主要研究方向为3S技术在海洋防灾减灾、海岛海岸带资源管理方面的研究, E-mail:fyang009@126.com
  • 1. 国家海洋局南海规划与环境研究院, 广东 广州 510310
  • 2. 重庆交通大学 建筑与城市规划学院, 重庆 400074
基金项目: 国家海洋局海洋公益性行业科研专项经费项目(201305020);国家海洋局青年海洋科学基金(2012409);国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金项目(1260)

摘要: 机载LiDAR技术具备快速、精确获取地面高程信息的特点,在海岸带风暴潮灾害防御能力评估方面可以发挥重大作用。本文以惠东县盐洲岛为研究区,基于机载LiDAR点云数据和航空影像数据,提取研究区的路堤、海岛高程,土地开发利用等信息,利用DEM模拟风暴潮淹没范围,评估研究区路堤建设情况及其面临风暴潮灾害的防护能力。实验表明:盐洲岛12.54%的路堤缺乏防御风暴潮灾害能力;在水位达到3.5 m、4.4 m、4.6 m时,分别有71.38%、83.17%、84.18%的海岛范围面临遭受风暴潮灾害的风险。

English Abstract

  • 海岸带是海洋开发、海洋经济发展的基地,承载着大量的人类活动。随着海岸带在人类生存发展中的意义愈发重要,海岸带面临的风暴潮、海啸等海洋灾害对社会经济发展造成的影响也愈加明显[1]。为了减轻风暴潮灾害对社会可能造成的影响,开展海岸带的防风暴潮能力评估,对保障海洋经济的健康发展具有重要意义[2]

    决定海岸带风暴潮灾害影响程度的因子主要包括风暴潮水位、路堤位置、路堤宽度和高度等[3],海岸带地形数据及路堤信息是评估防风暴潮能力的关键数据之一。目前,路堤信息常用传统测绘手段获取,包括利用水准仪、全站仪、GPS等设备进行测量,但上述测量方法效率低、人力物力耗费大。为高效率高精度高频次获取海岸带地形数据及路堤信息,本文引入机载LiDAR(light detection and ranging)技术进行海岸带地形和路堤测量。LiDAR技术受日照、天气等因素影响小,具备快速、精确获取地表高程信息的优势[4],广泛应用于建筑形态自动提取、城市道路网提取、海岸地形测量等方面[5-9]。在风暴潮灾害影响研究方面,Webster T.L[10-11]等利用机载Lidar数据对加拿大Charlotte Town以及Prince Edward Island的西北海岸风暴潮风险区范围进行制图,解译DEM数据中的陆地/非陆地数据,模拟不同风暴潮增水条件下的淹没范围,为管理部门进行财产损失评估提供信息;国内相关研究多集中于应用数值模拟的方法进行风暴潮预报及风险评估[12],也有部分学者利用卫星遥感进行风暴潮灾害监测,监测的内容主要是针对风暴潮发生后的灾情情况[13];暂无将LiDAR技术应用于防风暴潮能力评估方面的研究[14-16]

    本文利用机载LiDAR数据提取高精度的高程信息,通过同步获取的高分辨率遥感影像提取开发利用情况,基于风暴潮水位阈值划分路堤等级,结合DEM和海岸开发利用情况,建立固定水深模型,分析在不同强度风暴潮情况下的海岸路堤防风暴潮能力。

    • 惠州市惠东县内的考洲洋是受热带气旋、风暴潮等海洋灾害侵袭频繁的地区之一,据不完全统计,2002年至2011年期间,考洲洋遭受的热带气旋约14次,本文选取考洲洋内极具代表性的盐洲岛作为研究区(图 1)。盐洲岛的地理坐标为22°43.4′N,114°56.3′E,是考洲洋内的有居民海岛,常住人口近万人。盐洲岛沿岸大多建有人工路堤,具备一定的防风暴潮能力。

      图  1  盐洲岛位置

      Figure 1.  Location of YanZhou Island

    • 利用徕卡机载激光扫描系统ALS50采集盐洲岛的LiDAR点云数据,并同步采集航空影像。LiDAR点云和航空影像的成像参数见表 1

      表 1  LiDAR点云和航空影像成像参数

      Table 1.  Lidar point cloud and aerial imaging parameters

      (1) 基于LiDAR点云的DEM制作

      在LiDAR_Suite软件中,通过滤除噪声点、点云数据检校改正、Tin加密滤波、人工滤波提取地面点等点云处理操作,采取自动/半自动的方式获取精细的地面点云。由于机载LiDAR点云数据为离散采样,其采样间隔不一,为了生成规则采样间隔的DEM,本文采用反距离加权插值法[16](inverse distance weighted interpolation,IDW)对LiDAR点云数据重采样,采样间隔为5 m。

      (2) 基于DEM的航空影像校正

      对研究区的高分辨率航空影像进行空中三角测量,得到影像的外方位元素;然后直接利用LiDAR点云数据生成的DEM进行正射纠正;再进行影像的人工匀光处理;最后对影像进行镶嵌拼接、调色等操作,生成DOM。

    • 根据《惠东县吉隆镇总体规划(2007-2025)排水专题研究》,考洲洋多年平均常水位为1.60 m(1956年黄海高程基准,本段下同),百年一遇洪水位为2.75 m,沿岸海堤防洪潮规划标准为4.00 m,台风及风暴潮带来的风暴增水约0.8~1.45 m[17]

      基于LiDAR点云制作的DEM的空间坐标系是WGS84坐标系,其高程是以似大地水准面为基准的正常高系统,因此需先将考洲洋水位转换为正常高系统下的高程值。根据郭海荣等[18]的研究,WGS84坐标系采用的正常高系统与1956年黄海高程基准的高差为0.386 m。将1956年黄海高程基准上的水位转换到WGS84坐标系下的关系见式(1)、(2)。

      式中:H84代表在正常高系统的高程值;H1956代表在1956年黄海高程基准的高程值;Hzs代表叠加风暴增水(按高值1.45 m计)后在正常高系统的高程值,详见表 2

      表 2  不同基准面下的水位

      Table 2.  Different datum planes of water level

      平均常水位叠加风暴增水的水位为3.5 m(正常高系统,下同),防洪潮规划标准为4.4 m,基于此,选取3.5 m和4.4 m作为划分界点,将路堤按高程划分为3种类型:

      (1) H < 3.5 m,高程低于平均常水位叠加风暴潮增水;

      (2) 3.5 m≤H≤4.4 m,高程介于平均常水位叠加风暴潮增水与规划标准之间;

      (3) H>4.4 m,高程高于路堤规划标准。

      通过目视解译DOM提取路堤位置和筑建路堤的材质等信息;根据DEM提取的路堤高程划分路堤类型;路堤分布情况如图 2所示。

      图  2  路堤分布情况

      Figure 2.  Embankment distribution

      盐洲岛路堤总长9.17 km(表 3),除北侧红树林集中分布的白沙村海岸外,沿岸其他区域均构筑有路堤结合的堤岸。

      表 3  盐洲岛路堤长度

      Table 3.  Embankment length of Yanzhou Island

      其中,高程低于3.5 m的路堤长1.15 km,主要位于岛的西侧及北侧,西侧路堤由村间道路及养殖围塘的堤岸组成,该段路堤建设条件相对较差,部分为简易石堤,部分为养殖围塘的土堤,部分路堤外侧的红树林也具有一定的防护能力。

      高程介于3.5 m与4.4 m之间的路堤长3.67 km,主要位于岛西南侧及东侧,岛东侧路堤为211县道所在,连接岛西南及北侧两座跨海大桥,该段路堤建设条件较好,基本为混凝土石堤及柏油路面。

      高程符合4.4 m路堤规划标准的路堤长4.35 km,主要位于岛东南侧及西侧,该类路堤均由混凝土石堤及柏油路构成。

    • 基于DOM提取盐洲岛路堤防护范围内的土地开发利用情况(图 3)。盐洲岛因盛产原盐而得名,上世纪九十年代前最为发达的盐业经济现已转型,大部分盐田已转变为养殖池塘。在路堤防护范围内,土地开发利用总面积为345.29 hm2,用地类型包括养殖池塘、建设用地、盐田、林地、未利用地、道路、耕地等七种。养殖池塘是最主要的用地类型,面积为213.19 hm2,超过用地总面积的60%。

      图  3  路堤防护范围内的土地开发利用情况

      Figure 3.  Land development and utilization within the scope of embankment protection

    • 鉴于风暴潮引起的淹没是由堤岸向内陆扩散的形式,属有源淹没[19]。基于数字高程模型DEM,利用固定水深模型,根据设定的水位条件,高程低于设定的水位值且联通的区域即为模拟的淹没范围。

      基于DEM的风暴潮淹没范围模拟分为以下3种情况:(1)水位为常水位叠加风暴潮增水(3.5 m)情况下的淹没范围模拟(图 4-a);(2)水位达到防洪潮规划标准(4.4 m)情况下的淹没范围模拟(图 4-b);(3)水位为百年一遇高潮水位叠加风暴潮增水(4.6 m)情况下的淹没范围模拟(图 4-c)。不同水位下淹没范围模拟叠加分析见图 4-d

      图  4  不同水位下的淹没范围

      Figure 4.  Submerged at different water levels

      表 4所示,在水位为3.5 m、4.4 m、4.6 m下,盐洲岛被淹没面积分别为246.47 hm2、287.17 hm2、290.66 hm2,分别占路堤防护范围内用地总面积的71.38%、83.17%、84.18%。

      表 4  不同水位下的淹没范围模拟情况

      Table 4.  Submerged range simulation at different water levels

    • 在水位达到3.5 m时,由于部分路堤高程低于3.5 m,会出现潮水漫过堤顶的情况,盐洲岛受灾面积占比为71.38%。其中,96.08%的盐田和85.09%的养殖池塘被淹没,盐洲岛最主要的经济产业将受到极大影响。连接村镇的主要道路亦受潮水淹没,交通受阻较为严重。由于建设用地主要分布在盐洲岛中部,所受影响相对较小。在水位为常水位叠加风暴潮增水时,盐洲岛现有路堤的防风暴潮能力明显不足。

    • 在水位达到4.4 m时,盐洲岛的受灾面积占比达到83.17%。相较于水位为3.5 m时,新增淹没面积40.70 hm2,占比全岛面积11.79%。新增的淹没面积主要源于养殖池塘和建设用地,分别为21.62 hm2和10.15 hm2。总体而言,耕地、盐田、未利用地、养殖池塘的淹没比例均超过95%,建设用地的淹没比例达35.31%,盐洲岛内与人类生产生活相关的土地利用类型几乎全部被淹,受灾情况严峻。水位为防洪潮规划标准时,盐洲岛的现有路堤状况完全不足以防御此类风暴潮灾害。

      在水位为百年一遇高潮水位叠加风暴潮增水(4.6 m)时,盐洲岛受灾面积占比达到84.18%。相较于水位为4.4 m时,新增淹没面积3.49 hm2,占比全岛面积1.01%。新增的淹没面积主要源于养殖池塘和林地。当前盐洲海堤规划建设标准为4.4 m,水位达到4.6 m时已超过规划防御能力。在此情景下,村镇间道路交通完全受阻,建设用地被潮水包围且大部分被淹,灾害影响十分严重,岛上无法维持正常生活条件,需紧急迁离避险。

    • 图 5所示,水位达到防洪潮规划标准(4.4 m)时相较于水位为常水位叠加风暴潮增水(3.5 m)时的淹没比例明显提高;水位为百年一遇高潮水位叠加风暴潮增水(4.6 m)相较于水位达到防洪潮规划标准(4.4 m)时的淹没比例相差较小。可知,将路堤高程依照当前规划标准(4.4 m)建设,能显著提高盐洲岛的防风暴潮能力,满足防洪防潮要求。

      图  5  不同水位下的土地开发利用类型淹没情况分析

      Figure 5.  Analysis on types of land development and utilization submerged at different water levels

      结合图 2可知,盐洲岛抵御风暴潮灾害的能力较差,现有的路堤建设状况仅在日常条件下具备防护能力,面对风暴潮来袭时易产生较为严重的灾害影响。12.54%的路堤缺乏防御风暴潮灾害能力,40.02%的路堤高程不满足防洪潮规划标准(4.4 m),应重点针对上述部分路堤,严格按标准开展规范化建设,加高加固路堤,以提升盐洲岛的防风暴潮能力;同时针对符合防洪潮规划标准的现有路堤,做好日常运行管理、维修养护等工作,保证路堤长期有效地防御风暴潮灾害。

    • (1) 本文利用机载LiDAR技术采集研究区的DEM和DOM数据,基于DEM的固定水深模型模拟不同风暴潮灾害水位下的盐洲岛淹没状况,对盐洲岛路堤的防风暴潮能力进行评估,实验结果表明盐洲岛路堤的防护能力较差,加固盐洲岛沿岸堤防,按海堤规划建设标准提升防灾能力势在必行。

      (2) LiDAR系统采集的数据能快速获取海岸带高程地形信息,在海洋防灾减灾尤其是海洋风暴潮灾害防御能力评估方面可以发挥重大的作用,对提高海岸带防灾减灾能力、提升海岸带管理水平等具有重要意义,具有良好的应用前景。

      (3) 在后续研究中,可在进一步开展精确的土地开发利用分类基础上,根据精细化的土地开发利用情况估算损失,开展灾害损失定量评估。

参考文献 (19)

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