基于無人機SfM 攝影測量的海岸鹽沼前緣形態(tài)變化研究

郭一棟，林杭杰，于謙*，樊一陽，羅科，王韞瑋，高金耀，高抒

(1.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院 海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023；2.自然資源部第二海洋研究所 海底科學(xué)重點實驗室，浙江 杭州 310012；3.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210024；4.南京師范大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

1 引言

海岸鹽沼廣泛發(fā)育于潮間帶中上部[1]，具有多重生態(tài)和經(jīng)濟價值。鹽沼的植被和地形能夠有效地防浪消波[2–3]。高生產(chǎn)力使鹽沼成為重要的碳儲庫[4]。并且鹽沼還發(fā)揮著捕獲污染物，為動物提供棲息地等作用[5–6]。作為一個動態(tài)系統(tǒng)，鹽沼前緣會隨著時間發(fā)生顯著擴張和收縮[1]。這些變化受到了內(nèi)源和外源作用的共同影響，如海平面上升、波浪、沉積物供給、巖性、生態(tài)地貌反饋等[7–11]。

鹽沼前緣作為鹽沼同光灘的耦合地帶，對于研究鹽沼變化具有重要意義。鹽沼前緣具有三維形態(tài)，可以從垂直海岸地形剖面和前緣平面輪廓兩個維度來認識。通過大量現(xiàn)場觀測，從垂直于海岸的地形高程剖面上看，鹽沼前緣被證實普遍存在有限數(shù)量的特征形態(tài)，主要為3 類：光滑前緣、過渡前緣、陡坎前緣，且不同類型之間存在著循環(huán)轉(zhuǎn)換過程[1]。鹽沼前緣的地形演化是自組織過程與外界背景條件平衡的結(jié)果。在鹽沼發(fā)育過程中，植物生長和沉積物積累之間存在正反饋效應(yīng)，導(dǎo)致鹽沼和光灘上沉積物堆積速率的差異，鹽沼前緣逐漸變陡，加劇了波浪和潮流侵蝕，造成前緣趨向不穩(wěn)定狀態(tài)，容易出現(xiàn)崩塌后退，這個過程通常被認為是一個自組織過程[12–13]。而當外界背景條件發(fā)生變化時，其與鹽沼自身自組織過程的平衡就會被打破。從鹽沼前緣的平面位置上看，暴露在不同能級的波浪之下，不同區(qū)域鹽沼前緣的抵抗侵蝕能力并不相同，受到侵蝕的鹽沼前緣會表現(xiàn)出各自的自組織的臨界狀態(tài)，呈現(xiàn)出不同的形態(tài)特征。在波浪較強的情況下，鹽沼前緣會形成較為平滑的平面輪廓，而在較小的波浪環(huán)境中，會形成鋸齒狀的平面輪廓，前緣平面輪廓特征與侵蝕速率表現(xiàn)出顯著相關(guān)性[14–15]。此外，不同類型的鹽沼前緣會呈現(xiàn)出不同地貌形態(tài)，而地貌形態(tài)會調(diào)節(jié)波浪和潮流對于鹽沼前緣的侵蝕作用，從而影響前緣地貌形態(tài)演變的過程[16]。

盡管有眾多研究者對鹽沼進行了大量調(diào)查研究，但在短時間尺度（如月際、季節(jié)性）上，鹽沼變化幅度通常只有厘米或分米量級[17]，由于鹽沼前緣高分辨率地形數(shù)據(jù)的缺乏，對于鹽沼前緣形態(tài)變化進行整體評估仍然有限[8,15,18]。鹽沼上茂密的植物和泥濘的沉積物基底限制了現(xiàn)場調(diào)查工作的開展，使用全站儀、GNSS-RTK 等基于點的傳統(tǒng)調(diào)查方法獲取數(shù)據(jù)效率低下，調(diào)查點之間的過大間距（幾米甚至幾十米）導(dǎo)致難以準確描述地貌形態(tài)的細節(jié)變化[19]。而基于衛(wèi)星和載人飛機的光學(xué)影像、激光雷達等遙感方法是研究鹽沼前緣形態(tài)變化的理想工具[15–16]。這些方法的優(yōu)勢在于能夠獲得千米量級的大面積數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)涵蓋了各種時空尺度，具有很高的靈活性。但上述方法在成本、觀測間隔、覆蓋范圍、點密度和精度方面都存在諸多限制，使得這些方法都側(cè)重于鹽沼前緣的規(guī)模和位置，其數(shù)據(jù)的分辨率和精度都超過前緣在短時間尺度上的變化幅度，對于獲得鹽沼前緣微地形尺度的特征通常無法提供足夠的信息。隨著無人機平臺和攝影測量軟件的進步完善，通過無人機平臺搭載高像素數(shù)碼相機快速獲得照片，使用攝影測量軟件重建高分辨率模型，獲得正射影像和地表高程模型（Digital Surface Model，DSM）這一標準流程不斷成熟，基于無人機的SfM（Structure from Motion）攝影測量正在成為快速監(jiān)測鹽沼前緣形態(tài)變化的理想方法，為激光測量或傳統(tǒng)地形測量提供了一個低成本、可重復(fù)和高分辨率的替代方案[17,20–22]。盡管目前這種方法被廣泛應(yīng)用于各類海岸地貌的研究，但用于鹽沼前緣地形變化的研究還較為有限[23–24]。

由于海平面上升、沉積物供給減少以及人類發(fā)展，近幾十年來，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有大量鹽沼發(fā)生侵蝕后退的記錄[25–27]。鹽沼的快速后退伴隨著前緣形態(tài)的快速變化，由于缺乏有效手段獲取短時間尺度的數(shù)據(jù)，前緣類型、侵蝕速率和地形變化之間的聯(lián)系沒有得到充分理解?；跓o人機的SfM 攝影測量為快速監(jiān)測鹽沼前緣形態(tài)變化提供了解決方案。

江蘇省鹽城市大豐區(qū)海岸的鹽沼前緣形態(tài)表現(xiàn)出典型性和多樣性[28]，為利用基于無人機的SfM 攝影測量研究鹽沼前緣形態(tài)變化提供了理想的試驗場所。因此，本研究的目的是：（1）利用無人機的SfM 攝影測量和野外觀測獲得鹽沼前緣高分辨率的正射影像和DSM；（2）量化鹽沼前緣位置、類型分布和地貌形態(tài)；（3）探究鹽沼前緣侵蝕速率、形態(tài)變化與類型轉(zhuǎn)換的關(guān)系。

2 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域位于江蘇省鹽城市大豐區(qū)（圖1a），地處江蘇省中部海岸，南黃海輻射沙脊群北翼，大豐港以北約10 km，潮灘發(fā)育典型。潮灘上部發(fā)育鹽沼（圖1a），鹽沼上界為海堤，以外為光灘，鹽沼寬約1 km，潮灘寬約2 km。研究區(qū)鹽沼前緣大致呈南北走向，長度約為2.2 km（圖1b）。研究區(qū)受季風驅(qū)動，夏季多為東南風，冬季多為北風。近岸波浪以風浪為主，主要為偏南向和偏北向浪，浪向呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化，平均波高為0.5 m，為不規(guī)則半日潮，平均潮差為2.56 m[29–30]。

圖1 江蘇省鹽城市大豐區(qū)研究區(qū)位置（背景為2018 年2 月3 日的Landsat-8 衛(wèi)星影像）（a）、航測調(diào)查區(qū)域和地面控制點及檢查點分布情況（底圖為2021 年3 月航測正射影像）（b）以及人工標志物照片（c，d）Fig.1 Location of the study area at Dafeng,Jiangsu,China (satellite imagery from Landsat-8 data,acquired on February 3,2018) (a),the area of aerial surveys and ground control points (GCPs) and check points (CPs) used for aerial surveys,(background is the orthomosaic from UAV,acquired on March 2021) (b) and examples of ground artificial markers (c,d)

受沉積物供給和潮流的共同影響，江蘇省海岸發(fā)育了我國范圍最大的泥質(zhì)潮灘。江蘇沿海于1982 年引種互花米草，相較于潮灘上原生的茅草和鹽蒿，擁有強大生命力的互花米草有著更低的生態(tài)位，能夠占據(jù)平均高潮位和平均海面之間海上浸淹時間比例小于40%的潮灘[31–32]。經(jīng)過40 a 的擴張，互花米草已經(jīng)占據(jù)潮間帶上部，面積趨于穩(wěn)定[31]?；セ撞蓰}沼發(fā)揮促淤作用，改變了江蘇潮灘沉積物分配，更多的沉積物堆積于潮灘上部的鹽沼區(qū)域，加劇了鹽沼前緣的形態(tài)變化。距研究區(qū)域以北約30 km 的鹽城自然保護區(qū)，有研究者觀測到鹽沼前緣在5 a 內(nèi)就完成了由光滑前緣向陡坎前緣的轉(zhuǎn)變[13]。

3 研究方法

3.1 野外調(diào)查與數(shù)據(jù)處理

3.1.1 野外調(diào)查

為獲取短時間尺度下鹽沼前緣的地貌形態(tài)，本文采取了無人機航空攝影測量和地面GNSS RTK 測量相結(jié)合的方法[20,22,33]。于2020 年9 月9?10日和2021年3 月24 日低潮位期間，在研究區(qū)域內(nèi)使用DJI Phantom 4 RTK 進行航拍作業(yè)。DJI Phantom 4 RTK 作為一款螺旋翼無人機，裝配有D-RTK 模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行器厘米級精度的定位，控制器內(nèi)置GS RTK 應(yīng)用，能夠快速進行航線規(guī)劃和飛行參數(shù)設(shè)置[34]?？紤]到飛行時間的限制，同時保證航測結(jié)果的高分辨率，飛行高度設(shè)置為100 m，航向重疊和旁向重疊分別設(shè)置為80%和70%，地面采樣分辨率為2.74 cm。由于潮時限制和野外現(xiàn)場工作情況復(fù)雜，兩次飛行區(qū)域略有不同（圖1b），分別獲得598 張和1 003 張照片，照片位置如圖2。

圖2 2020 年9 月（a）和2021 年3 月（b）航測獲得的照片位置Fig.2 Allocation of images acquired during September 2020 (a)and March 2021 (b)

由于研究區(qū)域較為偏遠，不穩(wěn)定的信號導(dǎo)致無人機使用的網(wǎng)絡(luò)RTK 定位易出現(xiàn)中斷，無人機記錄的照片拍攝位置可能存在偏差，因此設(shè)置地面控制點和檢查點是必不可少的[35–36]。在地面上放置了人工標志物（圖1c，圖1d）作為地面控制點或檢查點，其分布情況如圖1b[37]。使用中海達V60 GNSS RTK 測量標志點的坐標，水平精度為1 cm，高程精度為2 cm。同時，還測量了一定數(shù)量的地面驗證點（未布置標志物），對DSM 精度進行補充評估，其分布情況如圖3a：2020 年9 月，垂直于鹽沼前緣，測量了5 條短剖面（S1–S5），每條剖面包含了9～12 個驗證點；2021 年3 月，自北向南沿著鹽沼前緣，測量了12 個驗證點（P1_1–P1_12）。

圖3 驗證點分布情況（背景為2021 年3 月正射影像）（a）、RTK 地面高程同地表高程模型對比（b?g）和S1–S5 短剖面上驗證點的詳細分布（底圖為2020 年9 月正射影像）（h?l）Fig.3 Distribution of validation points (background is the March 2021 orthomosaic) (a),RTK elevation is compared with digital surface model (b?g) and the detailed distribution of validation points on the S1–S5 short profiles (background is the September 2020 orthomosaic) (h?l)

3.1.2 SfM 攝影測量及精度驗證

采用Agisoft Metashape Professional 軟件對無人機航拍影像進行SfM 攝影測量處理。該軟件是一款專業(yè)的攝影測量軟件，通過SfM 和MVS（Multi-View Stereo）算法，使用無人機采集的圖像重建研究區(qū)域的三維形態(tài)。攝影測量模型重建過程的相關(guān)細節(jié)見文獻[20,22,38–39]。在地面控制點的控制優(yōu)化下，將無人機拍攝的照片重建為三維攝影測量模型，并生成正射影像和DSM[20]。通過比較三維模型的檢查點坐標和實際測量坐標評估建模精度，如表1。

表1 SfM 攝影測量建模質(zhì)量及精度Table 1 Quality assessment and geometric accuracy of SfM photogrammetry

此外還通過驗證點對得到的DSM 進行精度驗證。逐點比較RTK 高程和DSM 高程，圖3 展示了驗證點分布和高程對比。剖面S1–S5 中位于鹽沼的驗證點，DSM 高程明顯超過RTK 高程，RMSE 為18.35 cm?？莶萜谟^測的驗證點P1_1–P1_12 也位于鹽沼，上覆植被矮且稀疏，RMSE 為4.10 cm。攝影測量結(jié)果受植被影響，導(dǎo)致高程偏高[40]。S1、S3、S5 剖面中位于光灘的驗證點DSM 高程明顯大于RTK 高程，RMSE 為8.92 cm，而S2 和S4 剖面位于光灘的驗證點以及S3 剖面鹽沼內(nèi)但地面裸露的1～3 號驗證點DSM 和RTK 高程一致，RMSE 僅為1.16 cm。對比正射影像（圖3h 至圖3l），發(fā)現(xiàn)S1、S3、S5 剖面的光灘存在積水，而S2、S4 剖面的光灘和S3 的1～3 號驗證點無明顯積水，底床裸露。此外S1、S3、S5 剖面光灘的情況也存在差異，S5 剖面相較其他兩個剖面積水較淺，高程差異較小，RMSE 為2.81 cm。潮灘積水的深度、渾濁程度以及光在水氣界面的折射對攝影測量的精度會造成很大的影響[39]。

由于植被和積水的影響，無人機航測得到的DSM和實際地表高程之間的誤差難以準確估計，因此鹽沼區(qū)域的DSM 無法用來分析地貌變化。而在地面裸露且積水較少的區(qū)域（通過檢查正射影像，主要為過渡前緣處的光灘和鹽沼內(nèi)無植被覆蓋且積水較少的區(qū)域），能夠獲得厘米級的高程精度。

綜合以上精度驗證，獲得的高分辨率正射影像和DSM 能夠確定詳細鹽沼前緣位置，不同時期DSM 之間的差異能夠表現(xiàn)鹽沼過渡前緣的地形變化。

3.2 鹽沼前緣形態(tài)分析

3.2.1 前緣位置確定以及變化速率計算

鹽沼前緣形態(tài)變化會導(dǎo)致前緣位置出現(xiàn)前進和后退。本文中鹽沼前緣位置定義為從有植被覆蓋過渡到無植被覆蓋的分界點。近年，基于亞米級高分辨率正射影像和數(shù)字高程模型的鹽沼前緣自動識別方法快速發(fā)展，誤差控制在60～70 cm[41–42]。但是本文采集的數(shù)據(jù)分辨率高，時間間隔短，現(xiàn)有的自動識別方法難以為獲取前緣形態(tài)精細變化提供支持，因此采取手動矢量化提取前緣位置[43]。為了兼顧減少手動操作誤差和獲取足夠的周圍環(huán)境信息，將正射影像調(diào)整為1∶25 的比例，進行手動矢量化。由于正射影像和手動操作存在誤差，忽略小于25 cm 的位置變化[16]。

使用數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)（DSAS）計算前緣的位置變化[44]。DSAS 是用于估計海岸線變化的Arc-GIS 擴展包。使用DSAS 沿著基線（2020 年9 月前緣位置）以1 m 等間隔投射出橫斷面，并手動去除一些由于基線曲折復(fù)雜出現(xiàn)的錯誤橫斷面，計算橫斷面在兩個不同時期位置之間長度以估計鹽沼前緣的位置變化。

3.2.2 前緣類型劃分

野外實地觀測和分析無人機航拍結(jié)果顯示鹽沼前緣呈現(xiàn)出有限數(shù)量的特征形態(tài)，這同在其他區(qū)域觀測情況類似[1,28]。依據(jù)正射影像，本研究將前緣類型劃分為3 類：光滑前緣（Smooth）、過渡前緣（Transition）、陡坎前緣（Cliff）（圖4c 至圖4e）[1,16,45]。光滑前緣表現(xiàn)為從鹽沼過渡到光灘高程連續(xù)無明顯突變，前緣坡度平緩，無次一級的地形變化。陡坎前緣為從鹽沼到光灘出現(xiàn)高程突變，表現(xiàn)出近乎垂直的懸崖地貌，高度普遍超過40 cm。過渡前緣是介于陡坎前緣和光滑前緣之間的形態(tài)，整體坡度介于前兩型邊緣之間，前緣出現(xiàn)復(fù)雜的次一級地形變化，存在沉積物堆積，出現(xiàn)明顯的斜坡或階地，斜坡和前方可能存在米草斑塊。

3.2.3 分形維數(shù)計算

分形維數(shù)常用于量化海岸形態(tài)曲折程度[15,46]。本文采取計盒維數(shù)法計算分形維數(shù)，通過計算測量長度隨測量尺度變化的速度來評估鹽沼前緣平面輪廓的復(fù)雜程度，分形維數(shù)越大代表平面輪廓越復(fù)雜，分形維數(shù)越小則代表平面輪廓越平直[47]。分形維數(shù)DB的計算方法為

式中，s為前緣邊界的長度；N(r)為能夠完全覆蓋邊界的邊長為r的立方體的最少數(shù)目；1/r是比例系數(shù)。使用最小二乘法去擬合不同邊長r下 lnN(r)和 ln(1/r)，得到的斜率近似為分形維數(shù)DB。本文通過MATLAB 中的FracLab 工具箱計算鹽沼前緣平面輪廓的分形維數(shù)（DB）。

4 結(jié)果

4.1 前緣類型分布

鹽沼前緣各類型分布情況（圖4a，圖4b）和各類型前緣長度（表2）顯示，光滑前緣占比最高，分別為75.79%（2020 年9 月）和68.07%（2021 年3 月）；其次為陡坎前緣，分別為14.28%（2020 年9 月）和22.08%（2021 年3 月）；占比最低的是過渡前緣，分別為9.93%（2020 年9 月）和9.85%（2021 年3 月）。類型轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在研究區(qū)域的南部，有超過220 m 光滑前緣轉(zhuǎn)變成了陡坎前緣。如圖5a，2020 年9 月鹽沼前緣同前部光灘過渡連續(xù)，符合光滑前緣特征，而圖5b顯示2021 年3 月該處前緣出現(xiàn)了明顯的陡坎。過渡前緣占比較低，可能因為這種前緣是介于陡坎前緣和光滑前緣的一種中間形態(tài)，并不是前緣形態(tài)動態(tài)變化中的穩(wěn)定狀態(tài)。相比之下，陡坎前緣和光滑前緣較大的占比表明了這兩種前緣是相對穩(wěn)定的類型。

圖5 發(fā)生類型轉(zhuǎn)換的鹽沼前緣Fig.5 The salt marsh margins where the type conversion took place

表2 不同類型鹽沼前緣的長度Table 2 Length of different types of salt marsh margins

圖4 不同類型鹽沼前緣分布情況Fig.4 Distribution of the marginal classification of the salt marsh area

4.2 前緣位置變化

比較兩次觀測的鹽沼前緣位置，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)的鹽沼前緣總體呈現(xiàn)侵蝕后退，其中光滑前緣位置變化不明顯（小于25 cm）。后退超過25 cm 集中在圖6a的紅框區(qū)域，此區(qū)域以陡坎前緣和過渡前緣為主（圖4a，圖4b），過渡前緣位置的后退幅度超過陡坎前緣，極大值達到2.93 m。不同鹽沼類型的分形維數(shù)（表3）顯示，兩期觀測之間變化不大，陡坎前緣和過渡前緣的分形維數(shù)約為1.14，光滑前緣的分形維數(shù)約為1.2，陡坎前緣和過渡前緣的分形維數(shù)要小于光滑前緣的分形維數(shù)。鹽沼前緣邊界形狀同侵蝕速率存在相關(guān)關(guān)系，侵蝕速率高的鹽沼前緣形狀往往比較平直，分形維數(shù)低于侵蝕速率低的前緣[15]。

表3 不同類型鹽沼前緣的分形維數(shù)Table 3 Fractal dimension of different types of salt marsh margins

4.3 過渡前緣地貌變化

過渡前緣作為光滑前緣和陡坎前緣之間的中間形態(tài)，其地形演化對于鹽沼前緣類型轉(zhuǎn)換非常重要。通過3.2 節(jié)的精度驗證，過渡前緣處的DSM 具有厘米級的高程精度，能有效反映微地形尺度上的地形變化。兩次觀測期間，過渡前緣發(fā)生沉積物虧損，鹽沼前緣和向海側(cè)斜坡都出現(xiàn)不同程度的侵蝕后退。為便于說明，根據(jù)過渡前緣的分布，在圖4 和圖6 中紅框區(qū)域內(nèi)進一步劃分了3 個子區(qū)域，分別命名為區(qū)域1、區(qū)域2 和區(qū)域3，在每個區(qū)域內(nèi)各提取了一條剖面（A–A'、B–B'、C–C'）的DSM 高程來對比不同子區(qū)域地貌變化（圖7）。

圖6 2021 年3 月的正射影像（a）、2020 年9 月和2021 年3 月間紅色矩形區(qū)域內(nèi)前緣侵蝕速率的空間分布（b）和圖b 藍色矩形區(qū)域的特寫（c?e）Fig.6 Orthomosaic in March 2021 (a),spatial distribution of erosion rates between September 2020 and March 2021 in the red rectangle area (b) and close-up views of the blue rectangular areas of the figure b (c?e)

過渡前緣向光灘一側(cè)存在沉積物堆積，形成了坡度介于另外兩種前緣之間的斜坡。斜坡坡腳可能存在陡坎，加上植被的影響，導(dǎo)致過渡前緣在跨岸方向上的地形剖面往往出現(xiàn)多次高程突變。因此坡度圖（圖7b 至圖7g）能清楚顯示過渡前緣的位置以及斜坡坡底的位置。

各子區(qū)域表現(xiàn)出不同的地貌特點。區(qū)域1 過渡前緣的斜坡自陸向海寬度最大，坡度較小，坡底存在陡坎。兩次觀測期間，前緣位置未發(fā)生明顯變化，坡腳出現(xiàn)顯著后退（圖7b，圖7c）。以A–A'剖面為例（圖7h），兩次觀測期間，前緣處的斜坡平均寬度約為13.5 m，斜坡平均高度降低約0.11 m，坡腳后退約2.3 m，沉積物虧損主要發(fā)生在坡底。

區(qū)域2 前緣的斜坡上部陡峭，向海坡度逐漸變小，坡底無陡坎，無法確定坡腳位置，前緣位置大幅度后退（圖7d，圖7e）。以B–B'剖面為例（圖7i），兩次觀測期間，斜坡平均寬度約為10.1 m，前緣位置后退約1.7 m，斜坡平均高度降低約0.14 m，坡腳無明顯后退，坡頂處坡度增大，近乎垂直。沉積物虧損主要發(fā)生在坡頂，表現(xiàn)出陡坎前緣的雛形（圖8）。

區(qū)域3 前緣處的地形斜坡自陸向海表現(xiàn)為先陡后變緩，再變陡，坡底出現(xiàn)陡坎，但高度較區(qū)域1 更小。前緣位置和斜坡坡腳均出現(xiàn)后退（圖7f，圖7g）。以C–C'剖面為例（圖7j），兩次觀測期間，斜坡的平均寬度約為4.7 m，前緣位置后退約1 m，斜坡平均高度降低約0.15 m，坡底后退約1.1 m，坡頂和坡底均發(fā)生明顯沉積物虧損。

由于各區(qū)域間距離近，其前緣形態(tài)演化過程存在著相似性。區(qū)域1 前緣的斜坡進一步侵蝕，地形會逐漸接近區(qū)域2 和區(qū)域3。區(qū)域3 的斜坡繼續(xù)侵蝕，可能會類似區(qū)域2。航拍相片（圖8）和DSM 均顯示區(qū)域2 已經(jīng)表現(xiàn)出陡坎前緣的雛形。

圖7 鹽沼前緣位置明顯后退的區(qū)域特寫（a）；區(qū)域1、區(qū)域2 及區(qū)域3 在2020 年9 月的坡度圖（b，d，f）；區(qū)域1、區(qū)域2 及區(qū)域3 在2021 年3 月的坡度圖（c，e，g）；A–A'、B–B'和C–C' 剖面在2020 年9 月到2021 年3 月的DSM 高程變化（h?j）Fig.7 The close-up view of an area where the salt marsh margin is receding (a);slope maps for areas 1,2 and 3 in September 2020(b,d,f);slope maps for areas 1,2 and 3 in March 2021 (c,e,g);DSM elevation changes for A–A',B–B' and C–C' profiles between September 2020 and March 2021 (h?j)

圖8 圖7 中星標位置的航拍照片，過渡前緣出現(xiàn)了陡坎前緣的雛形Fig.8 The aerial photographs at the starred locations in Fig.7,the transition margin appears to have the beginnings of the cliff margin

此外向海方向上米草斑塊可能影響過渡前緣的侵蝕后退。如圖7a，藍色箭頭指示了互花米草斑塊之間的通道，鹽沼或堆積體侵蝕較為劇烈的區(qū)域與互花米草斑塊間的通道存在一致性?；セ撞莅邏K會阻礙水流，導(dǎo)致水流集中在斑塊之間的通道處，加劇了對前緣的沖刷[48]。

5 討論

5.1 無人機SfM 攝影測量在監(jiān)測鹽沼?潮灘地貌形態(tài)上的優(yōu)勢和限制

基于無人機SfM 攝影測量方法極大促進了海岸地貌研究，尤其是鹽沼–潮灘研究[22,49]。隨著無人機技術(shù)不斷完善，無人機具有低成本、調(diào)查的普適性和可重復(fù)性的特點逐漸得到研究者的認可。通過3.1 節(jié)介紹的方法，我們能夠以厘米級的分辨率重建鹽沼前緣的三維地貌形態(tài)，結(jié)合不同時期的重復(fù)觀測，能夠獲取大量前緣地貌數(shù)據(jù)，促進短時間尺度下前緣地貌研究。通過檢查點對攝影測量模型進行精度評估，證實了正射影像具有厘米級精度，水平誤差小于8 cm。隨后引入無地面標志物的驗證點有助于評估DSM 的精度，在裸露潮灘上精度小于2 cm。這些結(jié)果與先前研究的結(jié)果類似[20,22]。我們的分析表明，這種方法能夠準確地獲得鹽沼前緣的地貌形態(tài)。相較于衛(wèi)星遙感、機載激光雷達和傳統(tǒng)航空攝影測量，該方法在觀測的可重復(fù)性、分辨率和精度上具有很大的優(yōu)勢，并且成本更加經(jīng)濟，能夠滿足監(jiān)測月際尺度鹽沼前緣地形變化的需要。相較于基于點的傳統(tǒng)調(diào)查方法，通過

本次研究的方法能夠在保證鹽沼前緣最大限度出露的情況下，在一個低潮期內(nèi)，完成監(jiān)測直線距離約2 km 的鹽沼前緣所需的地面控制點布置測量工作和無人機飛行作業(yè)，觀測效率大幅提升[19]。

需要指出的是，在鹽沼–潮灘區(qū)域內(nèi)布置和測量標志點是一件具有挑戰(zhàn)的工作。不同于對整片鹽沼或潮灘進行監(jiān)測需要將地面控制點均勻布置在整塊區(qū)域，本次研究中所需控制點的分布集中于鹽沼前緣這塊狹長的區(qū)域內(nèi)。由于鹽沼前緣是鹽沼同光灘過渡地帶，上面覆蓋有植被使得基底更為堅硬，且上覆植被相較于整片鹽沼區(qū)域中更為矮小稀疏，便于通行，減少了時間和精力的消耗。本次研究中采取的DJI Phantom 4 RTK 無人機集成了RTK 和PPK 兩種定位模式，受限于不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)RTK 信號，RTK 定位無法穩(wěn)定工作。不少研究者對PPK 方案的無人機攝影測量在各類型地貌研究上的應(yīng)用進行探究，證實能夠減少地面控制點的數(shù)量，但并無法免去對于地面控制點的需求[50–51]。

對于攝影測量而言，植被的覆蓋和潮灘的積水是一個嚴重的問題。茂密的植被會阻礙光線導(dǎo)致高程數(shù)據(jù)偏高。潮灘上的渾濁積水以及水–氣界面對于折射率的影響都會降低高程數(shù)據(jù)的準確性[52]。激光雷達和地面激光掃描技術(shù)可能是解決植被對于監(jiān)測鹽沼地形影響的解決方案，但這些方法在植被密度較低的情況表現(xiàn)更為優(yōu)秀，對于茂密植被覆蓋的鹽沼仍無法提供可靠結(jié)果[17,53]。

此外，通過手動提取鹽沼前緣位置和區(qū)分前緣類型是本次研究中一項極為耗時的工作。為了使整個監(jiān)測流程更為自動化，這項工作未來可以通過自動化的方法開展。由于植被和各類邊緣形態(tài)的存在，鹽沼前緣往往存在著高程的突然變化，有研究者提出可以通過高程數(shù)據(jù)自動提取鹽沼前緣位置[41–42]。此外，還可以通過圖像分類技術(shù)對正射影像和高程數(shù)據(jù)進行邊緣檢測來確定鹽沼前緣位置[42,54]。通過遙感高程數(shù)據(jù)，還可以通過定量方法實現(xiàn)鹽沼前緣類型的分離[16]。基于無人機SfM 攝影測量技術(shù)為自動提取前緣位置和前緣類型分類提供高分辨率、大面積、可重復(fù)的數(shù)據(jù)支持，融合以上技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速監(jiān)測鹽沼前緣位置和類型變化。

5.2 鹽沼前緣形態(tài)變化過程

研究區(qū)域內(nèi)的鹽沼前緣類型分布并不均勻，陡坎前緣和光滑前緣是最常見的類型，過渡前緣相對較少。由于過渡前緣存在沉積物堆積體和鹽沼斑塊的遮蔽，導(dǎo)致其地形較為復(fù)雜，此類型往往不會在鹽沼持續(xù)存在[48]。觀測結(jié)果也證明了這一點，過渡前緣在6 個月內(nèi)發(fā)生了大幅度侵蝕，地形變化劇烈，并出現(xiàn)了向陡坎前緣轉(zhuǎn)變的趨勢。因此，過渡前緣可能并不是一種穩(wěn)定的前緣類型。相比之下，光滑前緣和陡坎前緣的優(yōu)勢表明，這是兩種相對穩(wěn)定的前緣類型。盡管陡坎前緣也出現(xiàn)侵蝕后退，但在過程中保持了類型的穩(wěn)定，這可能與陡坎前緣侵蝕機制有關(guān)。

幾乎所有的光滑前緣都沒有鹽沼斑塊遮蔽，處于暴露環(huán)境中，其位置并未發(fā)生明顯變化。而過渡前緣都處于遮蔽環(huán)境中，其位置變化劇烈。兩種環(huán)境之間的地形差異很可能是由于背景地形（暴露環(huán)境中前緣處是寬而平的潮灘而遮蔽環(huán)境下前緣處存在鹽沼斑塊和復(fù)雜的潮溝）導(dǎo)致的水動力差異。鹽沼前緣的形態(tài)變化受到了地形演化自組織過程和外界的共同影響[14]。

這項研究證實了鹽沼前緣類型同平面輪廓復(fù)雜程度以及前緣侵蝕速率存在關(guān)系。平面輪廓較為曲折的陡坎邊緣和過渡邊緣侵蝕速率遠超過平面輪廓較為平順的光滑邊緣。我們的結(jié)果在更小的時空尺度上支持了Leonardi 等[15]提出的觀點，這為快速評估鹽沼前緣的脆弱程度提供了支持。

過渡前緣作為前緣的中間形態(tài)，其劇烈變化引起了我們的關(guān)注。通過觀測短時間尺度上過渡前緣的三維形態(tài)變化，我們發(fā)現(xiàn)過渡前緣表現(xiàn)出不同的地形變化特征。由于發(fā)生不同變化的幾處過渡前緣位置接近，外界條件類似，其地貌演化過程應(yīng)當存在關(guān)聯(lián)性。這里我們提出一種過渡前緣形態(tài)變化過程：當過渡前緣地形表現(xiàn)為上部斜坡下部陡坎（區(qū)域1），水位在下部陡坎頂部和光灘之間，波浪能量對于前緣的作用集中于下部的陡坎，而一旦水面超過下部陡坎位置，波浪對于沖擊會迅速減少，潮流能量會大量耗散在較長的斜坡上，植被邊界受到的沖擊較弱[55–56]，因此出現(xiàn)下部陡坎快速侵蝕后退，上部斜坡蝕低，植被邊界無明顯后退；當下部陡坎持續(xù)后退，沉積物支撐能力有限，過高的陡坎高度和波浪沖擊共同影響下，下部陡坎會出現(xiàn)崩塌，產(chǎn)生的塊體會堆積在前緣處[57]，斜坡長度縮短，較短的斜坡只能耗散小部分波浪，鹽沼植被受到持續(xù)沖擊，因此在斜坡出現(xiàn)下蝕后退的同時，植被邊界也出現(xiàn)了后退（區(qū)域3）；由于鹽沼植物的根系能增加沉積物抵抗沖擊的能力，當斜坡接近植被邊界，易受侵蝕能力的差異導(dǎo)致斜坡侵蝕速度大于鹽沼，前緣地貌出現(xiàn)陡坎前緣的雛形（區(qū)域2）。鹽沼邊緣形態(tài)轉(zhuǎn)換是復(fù)雜過程，但在較小的時間或者空間尺度下，可能受到單一過程的控制。本文提出的模型可能代表了過渡前緣向陡坎前緣轉(zhuǎn)換的一種潛在過程。

6 結(jié)論

（1）通過精度驗證，證實了無人機SfM 攝影測量重建的鹽沼前緣高分辨率的正射影像和DSM 具有厘米級的水平和垂向精度。這一方法兼具了使用全站儀和GNSS-RTK 的基于點的傳統(tǒng)地形調(diào)查的可重復(fù)性和激光雷達的高分辨率，同時效率高于前者，成本遠低于后者，適用于難以通行的區(qū)域，能夠監(jiān)測鹽沼前緣在不同時間尺度（如大小潮、月季、季節(jié)性、年際等）下的形態(tài)變化，顯示了以厘米級的精度快速獲取區(qū)域地貌的巨大潛力。

（2）在江蘇省鹽城市大豐區(qū)海岸鹽沼開展兩次無人機調(diào)查數(shù)據(jù)，用于確定鹽沼前緣位置、劃分前緣類型、定量刻畫地形變化。研究發(fā)現(xiàn)：光滑和陡坎前緣占優(yōu)勢，形態(tài)穩(wěn)定；光滑前緣平面輪廓復(fù)雜，后退速率小，過渡和陡坎前緣輪廓平直，后退明顯；過渡前緣地形變化劇烈，向陡坎前緣轉(zhuǎn)變。

（3）該方法還有助于精確表征鹽沼–潮灘系統(tǒng)小尺度的表面特征（如潮溝、鹽沼斑塊、鹽沼輪廓、植被疏密、積水塘、動物擾動等）的時空分布，對于潮灘–鹽沼系統(tǒng)發(fā)育演化過程研究具有重要意義。這些小尺度的數(shù)據(jù)可以融合到更大尺度的數(shù)據(jù)（如衛(wèi)星遙感、傳統(tǒng)航空攝影測量等）中以解決鹽沼–潮灘系統(tǒng)形態(tài)特征空間分布的精細表征和可靠放大，有助于在多尺度上認識鹽沼演化過程。