辐射沙洲陆岸潮滩表层沉积特征遥感研究

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江苏省是中国拥有潮滩资源最多的省份,岸外发育有巨大的辐射沙洲,受其掩蔽的陆岸潮滩具有丰富的物质来源及强水动力条件,是江苏潮滩的重要组成部分,具有重要的研究价值。但由于辐射沙洲陆岸长约200km,南北跨度大,不同区域水动力环境差异明显。受制于淤泥质潮滩恶劣的现场调查条件,目前针对整个辐射沙洲陆岸潮滩沉积特征研究较少。遥感技术的应用弥补了传统调查方法的局限性,促进了潮滩沉积物分布和输运规律的研究,但现有遥感方法的反演精度有待提高。据此,选取辐射沙洲陆岸岸段作为研究区,综合运用野外实地采样与多光谱遥感影像数据,结合主成分分析法(PCA,Principal Components Analysis)和小波神经网络模型(WNN,Wavelet Neural Network),获得2019年辐射沙洲陆岸潮滩表层沉积物信息的空间分布特征与粒径输运趋势;进一步选取冲淤变化频繁、开发强度较大的江苏中部海岸(斗龙港口-王港河口)为典型区,选择2002、2008、2014和2019年4个年份的多期遥感影像,结合历年沉积物数据,开展了长时间尺度潮滩表层沉积特征变化分析;并验证了利用已建模型在不同年份进行沉积物信息反演时可能的误差效应,以期为扩展海岸带潮滩沉积物遥感应用,合理开发及保护潮滩资源提供方法支撑和参考依据。主要研究结论如下:(1)影像PCA主成分分析结合WNN小波神经网络建模,是定量遥感反演淤泥质潮滩表层沉积物特征信息及粒径输运趋势的有效方法。该方法在研究区和典型区的精度验证结果表明:研究区沉积物粒度参数(平均粒径、分选系数、偏态)模型检验组的平均绝对误差均值分别位于0.41Φ、0.24、0.32以下,平均粒径的平均相对误差均值最小,分选系数次之,偏态最大,可见随着粒度参数阶数的增加,反演精度呈逐渐下降趋势,但三个粒度参数的变异系数值变化范围保持稳定;三个沉积物组分含量(黏土、粉砂、砂)中,平均绝对误差、平均相对误差、变异系数最大值分别为5.89%、19.33%和21.49%,表明反演值与实测值总体差距比较稳定,沉积物组分反演效果较好。典型区沉积物粒度参数中,仍是平均粒径反演结果最理想,分选系数及偏态反演结果较差;沉积物组分中,砂与粉砂组分的反演结果最理想,黏土的反演结果较差。(2)辐射沙洲陆岸潮滩表层沉积物平均粒径主要位于4-5Φ之间,分选系数大多处于分选较差状态,偏态以正偏与极正偏为主;自陆向海砂组分含量增加而粉砂组分含量降低,黏土含量一般不超过10%,沉积物类型以砂质粉砂与粉砂质砂为主;沉积物粒径运移趋势与当地的水动力条件、人类活动的影响等因素较为吻合。(3)对辐射沙洲陆岸的四个分区来说,北翼及内缘区的大部分沉积物平均粒径位于4-5Φ之间,分选系数多处于分选较差情况,偏态情况主要为极正偏,而沉积物类型主要以砂质粉砂为主,北翼沉积物粒径运移趋势多呈偏北向,内缘区的两大潮波系统交汇之处,呈现明显的由南北两侧向中心汇聚的粒径运移趋势;中部沉积物颗粒在四个区域中属于较粗水平,分选情况整体分选较差,偏态呈现自陆向海极正偏更加明显趋势,沉积物类型中粉砂质砂最多,砂沉积物类型所占比重也较高,沉积物粒径运移趋势也因港口建设、渔业养殖等人类活动的影响,表现较为复杂;南翼沉积物在四个区域中处于较细水平,分选系数全部属于分选较差的情况,偏态值大都处于正偏的情况,沉积物类型绝大部分为粉砂,其沉积物粒径运移趋势除潮滩近海一侧外大多呈西北或东北方向。(4)斗龙港口—王港河口岸段从2002年以来至今,潮滩表层沉积物平均粒径的平均值均为4Φ左右,总体呈现略有细化趋势;分选系数均值都处于分选较差状态,且数值略有增大;偏态均值都属于正偏或极正偏状态,处极正偏情况的沉积物比例上升,极正偏情况更加明显;沉积物类型主要为粉砂质砂和砂质粉砂,且砂质粉砂逐渐超越粉砂质砂,在分布中占主要地位,也表明沉积物存在细化的趋势,这与沉积物平均粒径变化趋势相吻合。沉积物多处于偏北向粒径运移趋势,与当地水动力条件吻合,主要是受潮余流的搬运作用。(5)将2019年的沉积物反演模型应用于不同年份的沉积物信息提取,从反演效果对比来看,在一定精度上,模型应用可反映当年沉积物情况。三个粒度参数中,平均粒径的模型可复用性效果最好,平均绝对误差、平均相对误差以及变异系数的最大值分别为:1.28Φ、32.17%,32.86%;分选系数与偏态的模型可复用性效果略差。根据沉积物类型反演结果综合来看,随着年份的增加,模型可复用性精度呈现下降趋势,砂质粉砂沉积物类型反演效果最好。影响模型可复用性精度的因素包括:遥感数据源的一致性、时间序列的相近性以及样品采集的代表性等,遥感模型应用时需注意多源遥感影像的归一化处理问题,且注意采集样品的代表性,以提高模型复用的精度。
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