以莫罗湾为例，利用高精度地形高程模型应对海岸环境变化

Posted 2023-02-03 xiaokcehui

Morro Bay是位于加州 San Luis Obispo附近的浅海河口区，存在大量野生动物，也是人们户外活动的好去处。但是沉积变化和鳗草（大叶藻）的大量消失对河口景观产生了不利影响。为了更好地认识环境改变的路径并提取修复对策，Morro Bay管委会和NOAA海岸管理部门联合制作了Morro Bay的水深地形高程模型。

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Morro Bay是一处自然宝藏，占地2300英亩(9.3平方公里)，以盐沼和泥滩为主，是250多种陆地、海洋和鸟类以及包括游隼在内的数十种濒危物种的家园。它还吸引了大量其他野生动物，从海獭到贝类，以及为这些动物提供栖息地和净化水质的水生植被。Morro Bay也是一个充满活力的沿海休闲区，居民和游客可以在天然的海滩上划独木舟、钓鱼、远足、观鸟和享受大自然。

然而，像许多地区一样，Morro Bay正在经历显著的环境变化。历史沉积和原生鳗草的损失，加上其他因素，正在影响它的景观，很可能成为永远改变河口独特的生态系统的罪魁祸首。为了更好地查清环境是如何变化的，并提取修复对策，Morro Bay管委会和NOAA海岸管理部门已经联手。第一步是绘制水上水下一体化地形图，并利用最先进的技术创建一个水深地形高程模型。

沉积物大量流失

Morro Bay由半封闭的潮间带和潮下带组成，在它的西面一个四英里长植被覆盖的天然沙嘴，将它与太平洋隔开。Morro Bay的淡水来源于河流Chorro Creek和Los Osos Creek以及Los Osos地区的地下水。Chorro Creek周围有牧场、国家森林、生态保护区和国民警卫队基地，Los Osos沿岸还包括作物农业和商业绿色大棚。人类的活动可能会影响Morro Bay的水质。

面临的最大挑战是沉积物的大量流失，而有助于稳定沉积物并保持水中含氧量的鳗草消失加剧了趋势。联合工作组想要找到造成沉积物运动和地形地貌变化的因素。这催生了本项目，即利用最先进的航空测深激光雷达技术，结合船基相干声纳和水文观测站获取Morro Bay地形特征。调查数据能为海岸管理部门、河流管理部门和其它相关部门的决策过程提供支撑，例如水动力建模。

激光雷达和声纳的结合

首先，项目组需要掌握潮汐规律和水的透明以确定数据采集的最佳时间。观察到潮差有6英尺以后，他们选择一架配备有RIEGL 880-G2激光雷达传感器系统的飞机在低潮期进行数据采集，测量浅水地形。该系统带有穿透水体的绿色激光，能测量沿海和沼泽地区水深达2.5米的区域。
激光雷达能测量大部分岸滩区，仅剩下海湾中部的深水区域无法探测，面积约1.4平方公里，由相干声纳扫测。

尽管面临流沙、疏浚活动以及激光雷达和声纳无法穿透的鳗草的挑战，本项目仍然显示出激光雷达和相干声纳结合的优势，为整个Morro Bay创建了一个高分辨率无缝的陆海一体高程模型。

数字高程模型为Morro Bay提供了详细的地理信息。数据垂直精度优于NOAA激光雷达测量规范要求的±30cm。95%置信区间下，陆地地形垂直精度为5cm，水深地形为10cm。另外，测深激光雷达能覆盖传统声学测量系统由于水浅无法测量的近岸、河口和海湾区域。

为修复工作提取有价值的信息

采集的数据能为Morro Bay地形地貌变化提供有价值的信息。在2019水深地形高程模型的基础上，调查数据能帮助管理部门认识沉积物迁移规律，辅助修复工作，改善水质和岸线恢复。

利用调查数据进行研究的最突出的项目之一可能是Morro Bay本地鳗草生境的研究和再造。随着气候改变带来的不利影响，海草损失已经是全球性的问题。Morro Bay的鳗草生长历史悠久，直到2007年才开始大规模下降，在5年内鳗草床从1.4平方公里减少到0.06平方公里，下降了95%以上。

鳗草急剧减少带来很大的问题，因为它在环境中承担许多功能，更是迁徙黒雁的直接食物。通过光合作用，鳗草提供水中的氧气，它的根能固定沉积物，改善了水的透明度，并防止侵蚀。鳗草的漂浮结果抑制了波浪的作用，使得水更加清澈利于光线射入，也可作为野生动物躲避猎食者的遮掩物。

加州州立理工大学圣路易斯奥比斯波分校的研究人员和他们的合作伙伴确定了鳗草损失和侵蚀之间的关系。他们的研究显示大叶藻损失严重的地方经历了严重的侵蚀，而大叶藻无损失的地方则没有。此前的一项研究表明，大叶藻灭绝的水质条件(主要在海湾南部和后部)是更高的温度和盐度、更低的含氧量和更高的限制管线穿透的浊度。这些地区也经历了一定的冲刷，与大叶藻生成良好地区相比，滞水的时间更长。在受海洋潮汐强烈影响的海湾口，水更冷、更清、含氧更多，更利于鳗草健康成长。

根据加州州立理工大学的研究结果以及高程建模过程中收集的激光雷达和声纳数据，Morro Bay 管委会能够圈定深度最佳和其它条件也较好的地方恢复鳗草。此外，海湾中的水质监测站(如加利福尼亚中北部海洋观测系统)收集的数据提供了长期的水动力学、沉积和水质等影响生境恢复的信息。

水深地形和海平面的研究已经帮助研究团队成功地恢复了鳗草床，为湾区生态修复打下了良好的基础，有可能成为全球海草保护战略的典型案例。然而，地理数据和高程模型最终可能会产生更大的影响。Morro Bay的数据采集方法可以作为其他人更好地认识影响岸线修复的因素的模板，不仅辅助提供了良好的对策措施促进健康的自然生态系统，而且确保我们的岸线、河口和海湾仍然是国家宝贵的财富。

小结

本文所讲的内容与当前国内红红火火的生态修复比较契合，借此我们可以一窥国外生态修复的一些进展。单位此前做了一个海湾的生态修复的项目，除了采用无人船测深以外，大部分还是采用传统的测量手段，因此，采集的数据做不出本文那么漂亮的模型。

以本文模型为基础，加上水体和一些生物模型组成的三维实景场景，不仅是一个展示当地美丽风景的窗口，一个不用亲临也能体验的虚拟世界VR素材，更是一个包含地形地貌、生物化学、底质沉积的信息综合体，一个可供管理部门进行治理决策的基础平台。

本文也许能给一些海湾、河口的管理部门带来一些启发。

参考文献

https://www.gim-international.com/content/news/addressing-change-in-coastal-environments-with-lidar-and-sonar

https://www.hydro-international.com/content/article/addressing-change-in-coastal-environments-with-advanced-topobathymetric-elevation-modelling