基于地面激光扫描的崇明东滩潮滩地形构建及冲淤演变分析

论文摘要

本文以长江河口崇明东滩为主要研究对象,分别于2014年10月、2016年9月使用地面三维扫描技术（Terreatrial Laser Scanner,TLS）获取了东滩潮滩地貌高精度点云数据,针对高盖度盐沼植被覆盖区域,以去除TLS点云数据中的植被信息为目标,探究植被属性与激光点云属性的关系、构建植被滤波算法、TLS反演不同盐沼植被的精度、激光点云穿透深度与距离的关系及植被误差的去除,分析TLS在高盖度盐沼区域使用的适用性等问题;通过构建潮滩地貌三维高程模型,并结合IKONOS高分卫星影像、资源1号2c高分卫星影像和SPOT 7高分卫星影像分析东滩光滩年际冲淤时空变化、盐沼植被种群年际演替及潮沟平面形态对互花米草生态治理工程的响应规律,探讨崇明东滩动力沉积地貌的影响因子。经研究取得以下主要结果:（1）植被密度与激光脉冲的回光属性呈高度线性相关,而株高、生物量与回光属性关系不明显;盐沼植被盖度越高,地形反演精度越低,两者呈现负相关关系。植被样方实验表明:株高、生物量与点云振幅不是显著线性关系;密度（株数）与点云振幅属性有着高度线性相关。盐沼植被盖度越高,地形反演精度越低,两者呈现负相关关系;不同植被的激光穿透能力不同:盖度>50%时,激光无法穿透原始盖度分别为70%、65%、65%的白茅群落（Imperata cylindrica）、互花米草群落（Spartina alterniflora）、海三棱藨草群落（Scirpus mariqueter）,均方根误差（root-mean-square error,RMSE）分别为22.0、22.0、8.6 cm;盖度=50%时,白茅群落、海三棱藨草群落、芦苇群落（Phragmites australis）和互花米草群落的RMSE分别为16.0、6.6、4.5、5.7 cm;盖度<50%时,芦苇群落、互花米草群落、海三棱藨草群落地形反演精度小幅度提高,白茅群落地形反演精度提升较为明显。（2）高盖度的盐沼植被,激光穿透能力整体上随着距离的增加呈现逐渐减弱的趋势;低潮滩低盖度的海三棱藨草区域,TLS反演地形效果较好,精度在2cm以内。针对激光“盲区”,使用穿透深度变量与修正因子尝试去除植被误差精度较差。高盖度盐沼植被区域,激光穿透能力整体上随着距离的增加呈现逐渐减弱的趋势。提升仪器高度虽对提升反演地形精度有帮助,但两条样线的整体平均穿透深度仅提高4.68 cm、3.83 cm,增幅较小。而针对低潮滩低盖度的海三棱藨草区域,TLS反演地形效果较好,精度在2 cm以内。使用穿透深度反演地形两条样线的RMSE高达1.58 m、2.22 m,修正因子法在反演芦苇与白茅群落的地形RMSE分别为0.2998 m、0.2427 m;0.1500 m、0.1426 m。主动激光遥感虽然在林木与植被高度测量上具有其它遥感手段不可比拟的优势,但对于高盖度植被区域,其反演地形的方法和精度有待进一步研究。（3）互花米草生态治理围垦大堤筑造2年后（2014-2016年）,崇明东滩的北部、中部、南部潮滩对工程的响应差异明显。水平变化:工程前,北部、南部2 m等高线向海推进速率分别为26.0 m/a、9.0 m/a,工程后,北部、南部2.5 m等高线向海推进速率分别为32.5 m/a、8.1 m/a,北部2 m等高线向海推进速率稍有提升,这可能是受工程的影响,南部依然保持着自然发育状态。工程前,北部、中部、南部2.5 m等高线向海推进速率分别为16.7 m/a、60.0 m/a、30.0 m/a,工程后,北部、中部、南部2.5 m等高线向海推进速率分别为68.5 m/a、98.0 m/a、25.2 m/a,北部2.5 m等高线推进速率提升明显,中部2.5 m等高线推进速率稍有提升,南部2.5 m等高线推进速率稍有下降。2014-2016年,整体水平变化速率:中部>北部>南部。垂向变化:无论是南、中、北部,潮间带分带近岸淤积速率均大于靠海处淤积速率,整体淤积速率:中部>北部>南部。而工程前,整体水平变化速率:中部>南部>北部,整体淤积速率:中部>北部>南部。互花米草生态治理围垦工程改变了东滩冲淤速率。剖面形态:南部断面N1、N2、N3自南向北剖面形态曲率不断减小,坡降不断减缓。中部断面Z1剖面形态相对较为复杂,2014-2016年剖面曲率增大,坡降变陡。北部区域主要为围垦区外,整体来说,2016年近岸处淤积较多,坡度较大,围垦后,已有的沉积物堆积峰发生迁移,发育成新的潮滩剖面。（4）互花米草生态治理围垦大堤筑造2年后,中部和南部的盐沼种群年际演替变化明显。2013年开始实施互花米草生态工程治理围垦工程后,由于人为清除、控制措施,中部盐沼潮滩的互花米草面积减少较为明显,2014-2016年减少204.87 ha;芦苇面积增加了115.87 ha,增加的区域主要为东滩中部区域;海三棱藨草/藨草群落从2014年的246.08 ha微升至2016年的259.93 ha,整体上,中部和南部盐沼面积略微减小。2014-2016年植被光滩分界线的向海推进速率为41.69 m/a,与工程前2005-2011年30-50 m/a类似,与1982-1990年250 m/a推进速度相比大幅降低。靠近98大堤的盐沼区域,基本上没出现“淤积”与“侵蚀”异常的情况,该区域冲淤较为稳定,靠海侧则出现“淤积”增大的现象。中部区域,有大片区域发生“侵蚀”现象。（5）北部潮沟被围堤截断,虽然中部和南部潮沟仍在缓慢发育,但潮沟各项平面参数在2014-2016年（工程后）平均增长率相比于2013-2014年（工程前）的增长率出现不同程度的降低;2013-2014年中部和南部潮沟重心振荡不大,2016年重心相较于2013与2014年向东南方向偏移较大距离;东滩南部两条大潮沟中轴线并未发生大偏移。2013-2014年东滩生态治理围垦工程实施后,北部潮沟被堤坝截断,停止发育。虽然潮沟各项平面参数的增加表明2014-2016年（工程后）东滩中部和南部潮沟继续在缓慢发育,然而潮沟长度、集水面积、密度、分汊率、分维值在工程后的平均增长率相比于2013-2014年（工程前）的增长率出现不同程度的降低,这可能是受围垦工程的影响。互花米草生态治理围垦工程的实施,中部和南部潮沟重心向东南方向偏移明显;东滩南部1#和2#大潮沟整体表现稳定,并未出现大偏移,2#潮沟口出现了较大的偏移。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 潮滩测量研究进展

1.2.2 激光点云滤波算法研究进展

1.2.3 潮滩地貌演化研究进展

1.2.4 潮沟形态与盐沼时空变化研究进展

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.3 技术路线

第二章研究区域概况及数据采集与处理

2.1 位置与自然地理特征

2.2 植被状况

2.3 人类活动

2.4 数据采集及处理

2.4.1 TLS系统及工作原理

2.4.2 数据采集与处理

第三章地面激光扫描仪在潮滩植被区域的应用实验

3.1 引言

3.2 激光点云滤波算法构建及典型盐沼地形反演

3.2.1 植被滤波算法的意义

3.2.2 植被属性与点云振幅关系探究

3.2.3 滤波算法构建及样方反演

3.3 TLS激光点云穿透深度与距离的关系

3.4 植被误差去除尝试

3.4.1 穿透深度法植被误差去除

3.4.2 修正因子法植被误差去除

3.5 本章小结

第四章互花米草生态治理工程影响下崇明东滩地貌演变

4.1 引言

4.2 光滩年际冲淤时空变化

4.2.1 特征等高线年际变化

4.2.2 潮滩各分带年际变化

4.2.3 典型剖面高程变化

4.2.4 冲淤演变年际影响因子分析

4.3 盐沼植被种群年际演替

4.3.1 盐沼空间分布及时空变化

4.3.2 盐沼光滩分界线

4.3.3 盐沼潮滩表层模型构建及冲淤演变分析

4.4 潮沟形态对生态治理工程的响应

4.4.1 高分影像提取潮沟平面形态参数

4.4.2 潮沟平面形态参数年际变化

4.4.3 潮沟重心年际变化

4.4.4 主潮沟的年际摆动

4.5 本章小结

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 不足与展望

参考文献

附录

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 魏伟

导师: 周云轩,田波

关键词: 盐沼光滩,地形构建,冲淤演变,地面三维激光扫描仪,崇明东滩

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学,海洋学

单位: 华东师范大学

分类号: P748;P714

总页数: 149

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