最新,深圳大学 李清泉院士团队在遥感领域顶刊发文:中国沙滩坡度反演:一种基于ICESat-2和傅里叶分析的可迁移自动化框架

标题：Deriving China’s beach slopes at a national scale: An automated and transferable Fourier-based framework using ICESat-2 data

作者：徐豪，徐南*，辛会超，马跃，倪鸣，王勇智，李高聪，钟小菁，于鹏，袁帅，李元，迟善航，张弛，李清泉

期刊：International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation（影响因子8.6、中科院1区TOP期刊）

深圳大学李清泉院士团队在遥感领域顶刊International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation发表了题为“Deriving China’s beach slopes at a national scale: An automated and transferable Fourier-based framework using ICESat-2 data”的研究论文。该研究针对我国长期缺乏全国尺度高分辨率沙滩坡度数据的现状，提出了一套自动化、可迁移的ICESat-2 ATL03光子级沙滩坡度反演框架。该框架在轨道垂岸校正、高程基准统一和高置信度光子筛选的基础上，融合OPTICS自适应聚类去噪、傅里叶低阶多项式前滨分段识别与鲁棒线性回归等方法，系统构建了覆盖全国243个沙质海滩的沿轨坡度数据集。经RTK-GPS实测数据与现有文献提供的坡度数据验证，该数据集取得了RMSE=0.012、R²=0.89的较高精度，并在全国尺度上首次定量揭示了我国沙滩坡度“北陡南缓”的空间分布特征。该成果为我国海岸带风险评估、灾害防控与可持续管理提供了重要的基础数据支撑。论文第一作者为河海大学硕士研究生徐豪，通讯作者为深圳大学徐南副教授，深圳大学李清泉院士为论文主要合作者。

沙滩坡度是调控波浪耗散、越浪与漫顶过程、岸线稳定性及侵蚀演变的关键地貌参数，也是风暴潮淹没评估、海岸工程设计以及海岸脆弱性评价中的重要指标。然而，受限于RTK-GPS与机载LiDAR等高精度测量手段的高成本与有限覆盖，中国长期缺乏一套具有高分辨率、统一标准、适用于全国尺度管理与模型构建的沙滩坡度数据集。ICESat-2卫星以其约0.7米的沿轨采样密度与较高的垂直精度，为实现大范围坡度反演提供了新的技术路径。但是，潮间带环境动态多变，加之海水光子残留、复杂剖面形态（如多坡段与不规则起伏）等因素，对坡度反演的稳健性构成严重干扰，亟需发展更具适应性的沙滩坡度自动化反演框架。

图1展示了本研究所提出沙滩坡度反演方法的流程图，共包含ICESat-2数据预处理、基于OPTICS聚类与连续性窗口的精细去噪、低阶傅里叶拟合的前滨自适应分段与鲁棒坡度回归以及精度验证四个步骤，详述如下：

本研究以ICESat-2 ATLAS的ATL03光子级数据（Release 006）为核心数据源，收集了2018年10月15日至2024年1月1日期间的可用轨道，共提取688条有效沿轨剖面，覆盖中国沿海243处沙质沙滩，并用于坡度反演。为保障不同轨道与区域间结果的可比性，研究首先使用PhoREAL工具将所有WGS84椭球高统一转换至EGM2008正高基准；同时，仅保留光子置信度≥2的有效回波，以抑制背景噪声与无效光子对后续分析的干扰。此外，基于OSM海岸线数据，本研究计算了轨道与岸线夹角，并对沿轨距离进行了正交化校正，从而避免因轨迹斜切沙滩而导致坡度估算出现系统性偏差。

针对海岸带云雾、近岸水面及人工构筑物等因素引入的离群光子，本研究在初步筛选的基础上，引入了基于OPTICS算法的自适应聚类去噪方法，并结合移动窗口连续性筛查进行精细处理。该策略强调“沿轨连续的真实沙滩形态”应在空间上具备连贯性，从而能够在港池、航道等造成的“水体间断”场景下，有效区分属于同一沙滩的连续段与离散的非沙滩噪声点。具体实现中，通过设置“垂向高差阈值（1 m）与归一化窗口长度（剖面总长的1/5）”双重条件进行迭代扩展，优先保留具有空间连续性的真实地貌段落，进而有效抑制了高程突变点和孤立噪声簇对最终坡度估计的干扰。

本研究将“沙滩坡度”严格定义为前滨坡度，即从平均低潮线（MLWL）延伸至滩顶脊或沙丘趾的向海倾斜地表段。通过将坡度回归约束于这一地貌动力最活跃的区间，可有效避免后滨沙丘、护岸等非前滨要素引入的系统偏差。在剖面分段识别中，首先采用低阶截断傅里叶级数（K≤3）对沿轨高程进行低通拟合，利用其低阶项捕捉主导形态趋势与曲率过渡，同时过滤高频噪声，从而适配非对称、多坡段的复杂剖面。随后，基于拟合曲线的一阶与二阶导数，分别定位靠近MLWL的下部断点（沙滩趾）和表征滩顶的上部断点（滩顶脊或沙丘趾）。坡度计算被严格约束于这两断点间的“物理意义最强”区间，并采用鲁棒线性回归求得代表性坡度值。最后，引入光子密度（>1 photon m⁻¹）与最小坡度阈值（0.001）等质量控制步骤，以剔除因采样不足或地形近似平坦导致的不可靠结果。

为验证产品精度，本研究系统整合了两类独立参考数据：一是来自典型海岸带已发表文献的高精度剖面与坡度资料（构成30个验证样本），二是在山东与海南开展的RTK-GNSS实测数据（补充3个样本）。两类数据共同组成包含33个样本的验证集，覆盖多种区域与地貌类型，确保了验证的广泛代表性。精度评价采用RMSE、R²、相对误差（RE）及Bias等指标，以保证不同数据源之间比较的一致性与客观性。

在33个验证沙滩上，ICESat-2反演坡度与参考数据吻合良好。验证结果表明：R²=0.894，RMSE=0.012，RE=18.32%，Bias≈−0.0001，回归线接近1:1线，且双方平均坡度值完全相同，这印证了该框架在不同环境下的稳定泛化能力。此外，出现的少量离群点，主要源于局部地貌复杂性或ICESat-2过境时刻与实地测量存在时间差。

在方法对比中，传统二次多项式在应对台阶状前滨、显著坡折或局部起伏等复杂剖面时，易出现过度平滑与欠拟合，导致前滨边界识别产生偏移（图3）。与之相比，傅里叶多项式因引入不同频率的正余弦项，能更好地表征局部非线性与细微起伏，从而在前滨提取与坡度估算中表现出更高的准确性与稳定性（图4）。统计检验亦支持这一结论：傅里叶方法的绝对误差显著更低（Wilcoxon signed-rank test, p=0.00923），误差分布更趋近于零，体现了其更优的噪声鲁棒性与复杂地貌适应性。

图3. 二次多项式拟合与傅里叶拟合剖面效果对比图

图4. 二次多项式拟合与傅里叶拟合剖面精度对比图

根据OSM数据集，中国沿海共有1648个沙滩，总长约3036.46 km。本研究共涵盖243个沙滩（约占总数的14.75%，覆盖总长度的42.72%，约1297.30 km），并进行坡度反演（图5）。全国尺度分析结果显示，沙滩坡度总体均值为0.102，标准差为0.130，多数样本集中在0.02–0.10之间，表明我国沙滩整体以缓坡至中等坡度为主。从空间分布上看，较陡坡度（>0.15）主要出现在北方及中东部省份，而南方海岸则以更缓坡度（<0.08）为主。如图6所示，在纬度方向上，沙滩坡度均值呈现由北向南递减的趋势（注：仅考虑有ICESat-2数据覆盖沙滩的省级行政区）。

图6.基于ICESat-2数据的沙滩坡度的省份尺度分布情况

本研究提出一套面向潮间带复杂环境的ICESat-2光子级自动化可迁移沙滩坡度反演框架，核心流程为OPTICS自适应去噪、基于低阶傅里叶的前滩分段识别、鲁棒回归坡度估算，实现了对复杂剖面形态的稳定提取与抗噪拟合。基于该框架，研究构建了首个中国国家尺度的沿海沙滩坡度数据集（共包含688条沿轨剖面、243个沙滩），并通过RTK-GPS实测数据与现有文献提供的坡度数据开展系统外部验证，整体精度达到RMSE=0.012、R²=0.894、Bias≈0，证明所构建产品具备较高的精度。进一步分析显示，中国沙滩坡度在全国范围内呈现明显的空间分异特征，整体位于0.02–0.10之间，表现为“北陡南缓”的趋势。该研究为风暴潮与波浪越浪模拟、海岸侵蚀风险评估以及综合海岸管理提供了统一、可靠的地形参数支撑，具有重要的科学与应用价值。

从应用层面看，全国尺度沙滩坡度产品克服了传统实测与机载LiDAR在覆盖范围与成本方面的局限，可广泛应用于海岸带风险评估、岸线演变分析及沿海国土资源规划等多个场景。在方法层面，研究指出潮位相位差异与轨道采样几何（如轨迹与岸线夹角）会引入系统性误差，未来通过加强潮位约束并结合多源数据融合，有望进一步提升结果的时空连续性与稳健性。此外，由于ICESat-2数据开放获取且本框架具备可迁移性，该方法可推广至全球不同潮汐条件与海岸类型区域，为更大范围的海岸脆弱性评估与地貌过程研究提供重要支撑。