基于無人機SfM 攝影測量的潮間帶牡蠣礁地貌調查

莊佳銓，羅科，彭雲，樊一陽，林杭杰，王韞瑋，于謙

1.南京大學地理與海洋科學學院，海岸與海島開發教育部重點實驗室，南京 210023

2.四川省交通勘察設計研究院有限公司，成都 610017

3.南京師范大學海洋科學與工程學院，南京 210023

牡蠣礁是牡蠣群體附著生長在礫石或貝殼碎屑等堅硬底質上的生物礁體，廣泛分布于溫帶潮控海岸的潮間帶和潮下帶[1]。牡蠣不僅具有食用價值，還能通過濾食作用改善水質。牡蠣礁提供了復雜的三維生境，為底棲和自游生物提供棲息地和避難所[2-3]；并能通過促進沉積物沉降、減弱波浪沖擊、穩定海岸線，為海草床和濕地的發育創造條件，進而提高海岸生態系統的多樣性和穩定性，發揮重要的生態服務功能[4-5]。因此，牡蠣礁也被稱為“生態系統工程師”[6]。然而，近一個世紀以來，全球牡蠣礁面積減少了約85%，牡蠣礁面臨功能性滅絕的危險[7]。牡蠣礁緩沖帶的消失導致近岸生態系統面臨諸多生態環境問題，如赤潮頻發、水質惡化、漁業資源減少和海岸帶退化等[8-9]。

在自然條件下，牡蠣礁會形成不同的空間分布格局，有連片狀、環狀、條帶狀、斑塊狀和邊緣狀等[10-15]。自然發育形成的條帶狀牡蠣礁通常垂直于潮流主流向，往往呈韻律狀平行分布，礁體寬度和間距大致保持一致，礁體之間為高程更低的沉積物底床[16-17]。這種非隨機空間分布模式，在貽貝床也被觀測到，并且得到特別研究，一般被認為與物種生存競爭，以及生物與流體動力學之間的反饋機制有關，進而形成的一種自組織形式[12,18-21]。邊緣牡蠣礁礁體存在于潮溝邊緣和潮灘交界處水深突變的地方，其走向大致平行于水流。斑塊狀牡蠣礁面積較小，形狀不規則，被認為是由其他形態的牡蠣礁退化而成[10-11,15]。環狀牡蠣礁是連片牡蠣礁退化的產物，隨著礁塘面積的不斷擴大，礁塘周圍的礁體開口越多，環狀牡蠣礁體最終也會形成條帶狀礁體和斑塊狀礁體[10-11]。因此，準確獲取牡蠣礁的幾何形態對于估計其健康狀況和生態功能非常重要[22-23]。具體的監測指標，如礁體面積、高度和形態，已被認為是反映牡蠣礁健康和生長的關鍵指標[10-11,24]。同時，營固著生長的底床生物形成的礁體（如珊瑚和牡蠣等）會對周圍的水動力和沉積動力過程產生直接影響[12]。且牡蠣往往生存于一定的懸沙濃度范圍內，而區域水動力和沉積動力過程的改變會影響牡蠣礁體周圍的懸沙濃度，進而反作用于牡蠣礁體自身的生長發育[25-27]。因此，牡蠣礁體的不同空間分布特征，與其周圍的水動力和沉積動力過程密切相關并相互影響。

潮間帶牡蠣礁通常只在大潮低潮位時出露，單個潮周期中可觀測的時間有限。傳統監測方法通過GNSS-RTK 可以對具體的礁體進行連續坐標點采集，以獲取面積和高程等信息[28-29]。但是該方法通常是時間和勞動密集型，極大限制了獲取大區域和細節信息的能力[30-31]。衛星遙感和傳統航空攝影，可以在許多情況下近似地確定牡蠣礁的大小。然而，該方法中影像獲取的時間滯后性和低分辨率會影響監測效果[30]。機載激光雷達能獲取潮間帶礁體高分辨率垂直高度、高程和形態，但是成本高昂，且同樣耗費時間[31-32]。隨著無人機技術的發展，搭載高像素相機的無人機可以快速獲取高分辨率圖像，同時基于運動恢復結構（SfM，Structure from Motion）攝影測量方法，可從二維圖像組中重建出正射影像和數字高程模型（DEM），分辨率與精度可達厘米級。利用無人機對潮間帶大范圍牡蠣礁進行地貌觀測，以其成本低、可重復性高、快速和準確性高的優勢逐漸被采用[28,33]。

位于江蘇省海門市潮間帶的蠣蚜山牡蠣礁，分布有大面積牡蠣礁礁體。但近年來該區域許多天然礁體被泥沙掩蓋，活體牡蠣大量死亡，礁體面積大幅度縮小，快速的泥沙沉積和人為過度捕撈被推測是自然牡蠣礁退化或喪失的主要原因[10-11,34]，并被認為和區域水動力學背景[35]和礁體邊界層水動力過程[36]有關。蠣蚜山牡蠣礁為研究天然牡蠣礁的退化機制提供了一個絕佳的范例。

本研究的目的是：（1）利用無人機航拍，基于SfM 攝影測量獲得蠣蚜山牡蠣礁東部的高分辨率三維模型；（2）解譯航拍區域的礁體空間分布格局，為后續研究周圍水動力和沉積動力過程奠定基礎；（3）探究航拍區域的礁體演化過程。

1 研究區域

本文研究對象——蠣蚜山牡蠣礁（32.139 6°～32.157 2°N、121.542 6°～121.556 3°E），位于江蘇省海門市東灶港外輻射沙洲南翼潮間帶，小廟洪水道西端南側，距離海堤約3 海里[10,37]（圖1）。蠣蚜山牡蠣礁總面積達3.56 km2，區內礁體規模不同且分布不均勻[11]。在中潮汛和大潮汛時，礁體平均出露時長分別為每潮周期2～4、4～6 h。而在小潮汛期間，礁體會有1～2 d 不出露[37]。全為民等[34]于2013—2014 年間的生態調查結果顯示，該研究區域中許多天然礁體被沉積物覆蓋，礁體面積大幅度縮小，活體牡蠣的平均蓋度約為66%。而在本研究現場觀測期間，未見到活體牡蠣。研究區靠近呂四海域，為不規則半日潮，潮差較大，小潮約2.5 m，大潮約6 m。漲落潮主要為往復流，但也呈現一點旋轉流特征。本海區多年平均波高僅為0.3 m，無浪天數占50%，有浪期間的平均有效波高為0.53 m，波浪作用不顯著[38]。

2 研究方法

2.1 野外觀測

為了獲取海門蠣蚜山牡蠣礁地貌信息，在2022 年6 月17—18 日低潮位期間（中潮汛，潮差約5.5 m）對主礁區東部進行航拍（圖1b、c）。

無人機機型為集成了RTK 模塊的DJI PHANTOM 4 RTK（2 臺），能夠提供實時厘米級差分定位數據以及增強像元的絕對精度。為能在漲潮前完成規劃區域的航拍任務，同時保證航拍結果的質量，將兩臺無人機參數設置一致，飛行高度設置為100 m，航向和旁向重疊分別設置為80%和70%，開啟白平衡與畸變校正，最終航拍高分辨率照片1 581 張。

由于研究區域信號不穩定，無人機使用的網絡RTK 常出現中斷，導致無人機拍攝位置與實際存在一定的偏差。因此，在航測區域內設置了10 個地面控制點（圖1c），標志物為邊長1 m 的正方形相控布，這有助于提升后續制圖精度[39]以及對正射影像的水平精度進行評估。使用中海達V60 GPS RTK測量了相控布標志點的坐標，水平精度為1 cm，垂直精度為2 cm。RTK 選用CGCS2000 坐標系，與PHANTOM 4 RTK 自帶的實時差分坐標系一致。由于作業時間限制，共測量了3 條短剖面（S1-S3），以評估DEM 精度，每條剖面包含17～22 個驗證點，位于航測區域東側的環狀牡蠣礁，從兩側礁體跨越礁塘測量（圖2a）。

圖2 驗證點分布情況及精度對比a：驗證點分布；b-d：RTK 實測高程（CGCS2000 高程）同無控制點校正的DEM 高程和有控制點校正的DEM 高程對比；e：無控制點校正的DEM 高程與RTK 實測高程的相關性；f：有控制點校正的DEM 高程與RTK 實測高程的相關性。Fig.2 Distribution of validation points and comparison of accuracy a: distribution of validation points; b-d: comparison of RTK-measured elevation (CGCS2000 elevation) with DEM (digital elevation model) elevation without correction and the DEM elevation corrected against control points; e: correlation between the DEM elevation without correction and the RTK-measured elevation; f: correlation between the DEM elevation corrected against control points and the RTK measured elevation.

2.2 SfM 三維重建及精度評估

本文采用Agisoft Metashape Professional 軟件對無人機航拍照片進行處理。該軟件通過運動恢復結構SfM（Structure form Motion）算法和MVS（Multi-View Stereo）算法處理圖像，從而對研究區域實現三維重建，得到正射影像（圖1c）和DEM（圖3）。為方便后續分析，基于現場觀測數據將CGCS2000 高程的DEM 轉換為85 高程的DEM，而原始的DEM（CGCS2000 高程）只用于精度評估（圖3）。三維重建流程的相關細節可參考相關文獻[40-41]。

圖3 無人機航拍區域對應的DEM（85 高程）a：拉伸效果顯示的DEM，L1-L7 為跨越多條平行分布的條帶狀牡蠣礁的剖面線；b：Jenks 自然間斷點法劃分的DEM，共分為5 類。Fig.3 DEM (1985 national elevation) corresponding to the UAV photography area a: DEM (digital elevation model) with a stretched effect, where L1-L7 are profile lines across multiple parallel “string” oyster reefs; b: 5 categories of DEM classified by Jenks natural break method.

由于航拍區域東側分布大面積水體，水體深度和渾濁程度對攝影測量的精度會造成極大的影響，并且水體影像特征點較少，往往導致重建模型質量欠佳[28,42]。因此，將航測區域東部大面積水體對應的密集點云進行刪減，同時過濾掉其他低置信度密集點云。無人機航片重建點云密度為326 pts/m2，在地面控制點優化下，基于密集點云生成的正射影像分辨率為2.77 cm/pix，DEM 分辨率為5.54 cm/pix。

通 過 直 接 使 用Agisoft Metashape Professional 中的測量工具，共測量了正射影像中10 處（圖1c）地面控制點的相控布邊長，結果為1 ± 0.03 m，正射影像的水平精度達到了厘米級別。通過驗證點對DEM進行精度評估，并與無地面控制點優化的DEM 精度進行對比（圖2b-f）。無控制點優化的DEM 高程明顯高于RTK 高程，均方根誤差（RMSE，root mean squared error）高達4.18 m，R2僅為0.617。而有控制點優化的DEM 高程和RTK 高程基本一致，RMSE僅為7 cm，R2為0.943。有控制點優化的DEM 更準確地反映了測量區域的實際高程，以及地形相對變化，垂向精度同樣達到了厘米級別。

2.3 無人機航測區域地貌分析

本文利用航拍區域正射影像的顏色、形態和紋理等信息，在ArcMap 中進行目視解譯和手動提取幾何參數，并用Jenks 自然間斷點分級法將航拍區域的高程劃分為5 個級別（圖3b），進而分析該區域的主要牡蠣礁類型及其宏觀分布格局。為分析和對比貝殼堤彎口內和潮水灣南側平行分布的條帶狀牡蠣礁分布規律（圖1c），在目視解譯的基礎上，手動提取了7 條剖面，剖面整體上垂直于平行分布的條帶狀礁體脊線（圖3a）。同時，選取了航拍區域內具有代表性的不同退化特征的礁體正射影像（圖4），以分析該區域牡蠣礁體的演化過程。

圖4 不同演化階段的牡蠣礁體a：礁體表面坑洼，b：坑洼擴張和延伸，c：溶槽分隔礁體，d：次生礁坪，e：礁塊分解和掩埋，f：原生礁坪。Fig.4 Oyster reefs at different stages of evolution a: potholes on the surface of reef, b: expansion and extension of potholes, c: grooves separating the reef, d: secondary reef flat, e: breakup and burial of reef mass, f: proto-reef flat.

3 結果

3.1 航拍區域牡蠣礁的分布格局

根據航拍區域的正射影像（圖1c）和DEM（圖3），牡蠣礁主要分布在區域東側，礁體大致分為3 種形態：斑塊狀、條帶狀和環狀（圖5），條帶狀礁體的礁脊整體上呈南北走向。此外，現場調查未見礁體上有鮮活牡蠣附著。

圖5 航拍區域內牡蠣礁的主要形態紅色標記線代表條帶狀牡蠣礁，黃色標記線代表斑塊狀牡蠣礁，藍色標記線代表環狀牡蠣礁。Fig.5 Main morphologies of oyster reefs in the aerial photography area Red lines indicate “string” oyster reefs, yellow lines indicate “patch” oyster reefs, and blue lines indicate “ring” oyster reefs.

航拍區域東北角發育貝殼堤（圖1c），堤體彎曲，彎口朝向西南方向，面積約3.3×104m2，堤上東側覆蓋有牡蠣礁，沿靠海側邊緣呈條帶狀分布。貝殼堤彎口內，為條帶狀牡蠣礁密集區，條帶狀礁體整體呈平行分布，礁體受沉積物掩埋較為嚴重。同時，伴有零星分布的斑塊狀牡蠣礁，整體上沿著條帶狀牡蠣礁礁脊方向分布。彎口內條帶狀礁體的沿脊方向的長度為10～70 m，垂直于脊方向的寬度為1～4 m。該區域的牡蠣礁面積最大約為850 m2，位于貝殼堤堤體的南側，面積最小的不到1 m2。

航拍區域東側潮水灣以南（圖1c），以條帶狀牡蠣礁和斑塊狀牡蠣礁為主。區域內條帶狀礁體的沿脊方向的長度為10～170 m，垂直于脊方向的寬度為1～15 m。同時，該區域的條帶狀礁體形狀較不規則，分布錯綜復雜。斑塊狀礁體零星分布于條帶狀礁體周圍。此外，潮水灣南側存在整個航拍區域中的唯一一塊環狀牡蠣礁，位于航拍區域東側的中間位置（圖1c，圖5），礁塘內明顯可見積水。該區域面積最大的牡蠣礁為環狀牡蠣礁，面積約5 600 m2，也是整個航拍區域面積最大的礁體，而面積最小的為斑塊狀礁體，同樣不超過1 m2。航拍區域的西側則幾乎沒有礁體存在。

對圖3a 中標出的7 條代表性地貌剖面，根據高程結果結合對正射影像（圖1c）的目視解譯，剖面中的峰值對應礁頂高程，沿剖面線的礁體高度定義為礁頂與礁體兩側邊緣處的高差的平均值，結果如圖6。值得注意的是，礁體兩側邊緣處并不是剛好位于剖面的坡折處，而是位于坡折處之上一段距離（圖6）。結合現場觀測，坡折處與礁體邊緣處之間主要覆蓋著粉砂淤泥質沉積物，指示著細顆粒沉積物在礁體兩側的堆積。由于手動操作和DEM 存在誤差，以5 cm 為間隔統計礁體高度。同時為方便統計，忽略小于1 m 的礁體間距變化?？梢钥吹?，貝殼堤彎口內的剖面結果（圖6a-d）中，除L4 剖面（圖6d）中有一處礁體間距相對較大，為42 m，其余相鄰礁體間距為10～24 m，且同一剖面中的相鄰礁體間距較為接近，相差不超過6 m。而潮水灣南側的剖面結果（圖6e-g）顯示，相鄰礁體間距整體較大，為20～140 m，同一剖面中相鄰礁體的間距也存在較大差異，最小相差35 m，最大相差120 m。此外，貝殼堤彎口內的條帶狀牡蠣礁高度整體上小于潮水灣南側的條帶狀牡蠣礁高度，前者的礁體高度分布為10～40 cm，平均為20 cm，后者的礁體高度分布為 30～60 cm，平均為45 cm。

圖6 跨越平行分布的條帶狀牡蠣礁的剖面結果（85 高程）波峰上的尺寸表示礁體高度，箭頭線之間的尺寸表示相鄰條帶狀礁體的間距，箭頭處為手動提取的礁體邊緣位置。a-d: 分別對應貝殼堤彎口內的L1-L4 剖面，e-g: 分別對應潮水灣南側的L5-L7 剖面。Fig.6 Results of profile lines across parallel-distributed “string” oyster reefs (against the 1985 national elevation datum point of China)Numbers on the crests indicate the height of the reefs.Numbers next to the arrow lines are the spacing between adjacent "string" reefs.Arrows indicate the manually extracted positions of the reef edges.a-d: correspond to L1-L4 profiles inside the shell embankment; e-g: correspond to L5-L7 profiles on the south of the tidal bay.

3.2 航拍區域牡蠣礁的高程分布

礁區地勢最高處位于東北角貝殼堤，最高高程可達0.5 m（85 高程，下同），整個貝殼堤的高差約3 m。貝殼堤彎口內的平行條帶狀牡蠣礁密集區，以及航拍區域西北部的邊緣地勢也比較高，該區域高程分布為-2.2～-1.1 m，個別礁體頂部高程超過-1.1 m。上述區域之外的其他區域高程整體相對較低，但地形起伏大，尤其是東側牡蠣礁密集區域，地形尤為復雜，整體高程分布為-4.7～-2.2 m，個別礁體頂部高程分布為-2.2～-1.1 m。地勢最低處主要位于航拍區域東南角和西南角，高程分布為-4.7～-3.4 m。

整體而言，航拍區域的地貌面不是一個水平面，地形起伏相對較大，高差可達5 m 以上。同時，除了貝殼堤的部分較高區域，其余航拍區域的高程均在0 m（85 高程基準）以下。

3.3 航拍區域牡蠣礁的演化特征

結合現場調查，可以認定航拍區域的牡蠣礁體整體仍處在退化過程中。由于沒有活體牡蠣在礁體表面附著，礁體表面在浪流作用和溶蝕作用下形成坑洼（圖4a）。隨著坑洼擴大或向周圍延伸（圖4b），逐漸穿透礁體形成溶槽（圖4c）。而隨著溶槽繼續侵蝕擴大，礁體最終被分隔開，呈密集的斑塊狀（圖4c）。礁體在浪流侵蝕及溶蝕作用下破碎，這些破碎的介殼可同沉積物共同形成次生礁坪（圖4d）。同時，隨著礁塊的分解和沉積物的掩埋（圖4e），原本的礁體向原生礁坪演化（圖4f）。

4 討論

4.1 無人機SfM 攝影測量在潮間帶牡蠣礁地貌觀測上的應用

無人機SfM 攝影測量方法極大促進了對潮間帶牡蠣礁的地貌研究，本研究在低潮位期間約2.5 h內完成約1 km2區域的無人機飛行作業、地面控制點測量工作和驗證點的測量工作，以厘米級別的分辨率和精度重建航拍區域的三維模型。相較于傳統GPS 測量、衛星遙感、機載激光雷達和傳統航空攝影等方法，SfM 攝影測量方法整體突出可重復性高、成本低、分辨率高和精度高的優勢[28]。

需要指出的是，在潮間帶牡蠣礁內作業是一件具備挑戰的工作。蠣蚜山牡蠣礁只在中潮汛和大潮汛的低潮位期間出露水面，礁區與海岸隔離，進入現場需要涉水。礁區網絡RTK 信號不穩定，影響了無人機獲取照片地理信息的準確性。因此，需要地面控制點用于校正，而地面控制點的數量同樣影響最終校正的結果[43]，也影響到現場作業的工作量和勞動力需求。潮間帶的積水也是影響攝影測量的重要因素，水氣界面對于光折射的影響和水體特征點的不足導致點云的移位都會降低高程數據的準確性[28,42]。雖然在三維重建過程中會對大面積水體對應的密集點云進行過濾和刪減，但由于缺失被刪減點云對應位置的相關信息，最終還是會對重建模型的精度有所影響。

手動提取礁體的幾何參數是一項非常耗時的工作。隨著深度學習的發展，圖像語義分割能對圖像進行檢測和分類，達到自動提取目標對象的效果，已有研究者用于牡蠣礁的識別[44]。SfM 攝影測量技術融合礁體自動提取技術，能夠幫助相關科研工作者更高效地完成牡蠣礁檢測工作。

本研究只對剖面線（圖6）上的礁體高度進行描述，這是由于手動提取的方式無法獲取礁體完整的高度。礁體的高度實際上影響著牡蠣的生長發育和周圍的水動力過程，通過影響流速和沉積物沉積而改變流場環境，流場環境的變化又影響了礁上牡蠣的生長和存活。Lenihan 等[18]研究發現牡蠣生長生存多發生在高大礁（大于1 m）的礁頂，主要是由于礁頂流速更快，減少了沉積物沉積，增加了顆粒通量，而沉積物沉積和牡蠣死亡多發生在低矮的礁體上（0.1 m）。Morris 等[45]發現礁頂高度還是影響波浪衰減的關鍵因素。因此，在SfM 攝影測量技術的基礎上，探究更高效的礁體高度獲取方式，以繪制更全面的區域礁體高度圖，對后續研究牡蠣礁與水動力過程的反饋機制具有重要意義。

4.2 牡蠣礁空間分布格局和演化過程

整個航拍區域的牡蠣礁集中在東部，主要礁體類型為條帶狀、斑塊狀和環狀，這可能是由于東部緊靠小廟洪水道，海水交換活躍，牡蠣生長發育更好，礁體較西部密集。條帶狀礁體整體呈南北走向，可能與該區域的水流方向有關[35,16-17]。在張忍順等[11]于2003 年6 月16—18 日現場調查期間，潮水灣南側還是環狀牡蠣礁的密集區域，但礁體在化學溶蝕與浪流侵蝕作用下，已經處于退化階段。而在本研究中，該區域只剩下唯一一塊環狀礁體，且礁面無鮮活牡蠣。結合本研究中對正射影像的解譯，其演化過程主要為：礁體表面出現坑洼→坑洼進一步擴張、延伸→形成溶槽→礁體分隔、分解。結合現場調查，沉積物對礁體的掩埋伴隨著整個演化過程?？梢?，潮水灣南側的大部分條帶狀牡蠣礁和斑塊狀牡蠣礁由環狀牡蠣礁退化形成，且最終向礁坪演化。

貝殼堤（圖1c）彎口內的條帶狀牡蠣礁在分布上明顯具備一定規律，相鄰條帶狀礁體之間的間隔較為接近，垂直于脊方向的礁體寬度也基本一致。結合全為民等[34]于2013—2014 年間對蠣蚜山牡蠣礁的無人機航拍解譯結果，貝殼堤彎口內呈韻律狀分布的條帶狀牡蠣礁比現在更密集，這種分布形式在貽貝床中也存在[19-20]。而潮水灣南側的條帶狀牡蠣礁之間的間隔則無明顯規律，垂直于脊方向的礁體寬度差異也較大。因此，貝殼堤彎口內的條帶狀牡蠣礁分布形式，可能由牡蠣的自組織過程形成[12,18,21]，有別于潮水灣南側由環狀牡蠣礁退化形成的條帶狀牡蠣礁。此外，貝殼堤彎口內的條帶狀牡蠣礁高度整體上小于潮水灣南側的條帶狀牡蠣礁高度，結合對正射影像的解譯，貝殼堤彎口內的礁體受沉積物掩埋更加嚴重。這種分布差異可能反映了潮水灣南北兩側不同的水動力和沉積動力條件，有待后續進一步研究。

5 結論

（1）SfM 攝影測量重建的三維模型具備較高的分辨率和精度，能滿足對牡蠣礁地貌的有關研究。該方法兼具高效、高精度和低成本等優點，適用于難以通行的區域，同時滿足不同時間尺度的研究需求（如月度、季度和年際變化等）。

（2）蠣蚜山牡蠣礁的東部礁區，礁體分布較不均勻，主要有斑塊狀、條帶狀和環狀三種形態，條帶狀礁體整體呈南北走向。區域地形整體起伏較大，高差可達5 m 以上，地勢最高處高程為0.5 m（85 高程，下同），最低處高程為-4.7 m。貝殼堤內的條帶狀牡蠣礁很可能由牡蠣的自組織過程形成，而潮水灣南側的條帶狀牡蠣礁主要由環狀牡蠣礁退化形成。整個區域內的斑塊狀牡蠣礁，主要由環狀和條帶狀牡蠣礁退化而成。

（3）當前蠣蚜山牡蠣礁東部的礁體仍處于退化階段，受化學溶蝕與浪流侵蝕共同作用，其演化過程主要為：礁體表面出現坑洼→坑洼進一步擴張、延伸→形成溶槽→礁體分隔、分解等過程，同時伴有沉積物對礁體的掩埋。