基于J-Net Dynamic与函数型克里金的Playa Salguero海岸侵蚀与淤积估算

《Science of Remote Sensing》：Functional data-based estimation of coastal erosion and accretion at Playa Salguero using J-Net Dynamic

　　

研究人员采用J-Net Dynamic算法进行函数型海岸线建模（Functional shoreline modelling）；利用Planet NICFI影像实现高分辨率海岸线提取（High-resolution coastline extraction）；通过集成滤波处理（Integration of filtering）改善了海岸线检测精度；识别了Playa Salguero海岸侵蚀与淤积的空间变异性；所提出的框架适用于数据稀缺的沿海地区。

海岸侵蚀是自然过程与人类活动共同作用下导致的海岸带沉积物损失，已成为全球沿海地区面临的严峻问题。在哥伦比亚加勒比海岸，约48.3%的岸段处于严重侵蚀状态，部分省份的年侵蚀速率可达?0.69 m yr^?1。传统的地形测量、岸线剖面观测和GNSS监测等手段虽然精度较高，但受成本、可达性和历史记录重建难度限制，难以在数据稀缺地区实现系统性监测。因此，基于多时相卫星遥感的海岸线重建成为替代方案。然而，已有的卫星岸线变化分析多基于离散断面（如DSAS），较少将整条岸线视为连续函数对象，并在预测中保留模型不确定性。针对这一空白，研究人员以Playa Salguero海滩为研究区，提出集成J-Net Dynamic岸线提取、DSAS指标和函数型克里金（universal functional kriging）的方法框架，评估2016—2023年及2023—2025年岸线变化，并尝试进行短期概率预测。

研究人员使用了Planet NICFI提供的58景PlanetScope光学卫星影像（2016—2025年），空间分辨率约3—5 m。研究人员提取近红外波段，应用双边滤波（参数σ₁=3.0，σ₂=3.0）抑制噪声并保持水陆边界；随后利用基于活动连接矩阵（Active Connection Matrix, ACM）的J-Net Dynamic算法提取岸线。基于提取的58条岸线，在EPSG:9377坐标系下设置244条间距5 m的断面，利用DSAS v6计算净岸线位移（Net Shoreline Movement, NSM）、岸线变化包络（Shoreline Change Envelope, SCE）、端点变化率（End Point Rate, EPR）和线性回归变化率（Linear Regression Rate, LRR）。在功能建模阶段，将岸线坐标X(t)和Y(t)在统一500点网格上插值，通过P样条/B样条平滑并利用AIC选择模型，使用通用函数克里金对时间演化进行建模，采用二次指数核函数，参数通过最大似然估计，并用留一日期交叉验证（Leave-One-Date-Out, LODO）评估内部误差。

在结果部分，按照原文小标题总结如下：

**2016–2023**：该时段绝大多数断面呈侵蚀趋势。NSM均值为?14.35 m，最大侵蚀位移?24.02 m，88.52%断面的NSM为负；EPR平均为?1.87 m yr^?1，LRR平均为?1.59 m yr^?1。这反映出丁坝建设前的强烈侵蚀状态。

**2023–2025**：该时段虽然仍有62.70%断面显示侵蚀，但37.30%断面转为淤积，NSM均值变为+2.01 m，最大淤积达33.36 m；EPR转为+0.92 m yr^?1，LRR转为+1.69 m yr^?1，侵蚀与淤积断面比例接近平衡。这表明2023年丁坝施工后岸线出现一定恢复，但侵蚀在部分区域仍然存在。

**Endpoint rates of change (EPR)**：EPR从2016—2023年的?1.87 m yr^?1转为2023—2025年的+0.92 m yr^?1，证实了短期趋势由侵蚀向淤积逆转。

**Linear Regression Rates (LRR)**：LRR同样由?1.59 m yr^?1转为+1.69 m yr^?1，进一步支持了侵蚀减缓乃至局部淤积的判断。在交叉验证中，LODO的RMSE在X方向平均为6.33 m，Y方向平均为3.70 m；其中2016-06-01误差最大（RMSE X=15.23 m，Y=9.79 m），2021-06-01误差最小（RMSE X=1.95 m，Y=1.12 m），说明模型内部时间拟合总体稳定。对2025年12月、2026年3月和2026年5月的预测显示，平均预测标准差从15.2增至19.6个单位，表明预测不确定性随预测时域延长而增大，未来岸线应视为短期概率情景而非确定性位置。一年期预测（2025年5月至2026年5月）显示，在远离丁坝的岸段侵蚀仍占主导，NSM平均为?0.50 m，其中67.48%断面表现为侵蚀。

研究讨论指出，2016—2023年的侵蚀速率与Santa Marta湾历史趋势一致，且研究区侵蚀断面比例高于哥伦比亚加勒比区域平均值，说明局地动力和沉积物供应不平衡加剧了侵蚀。2023—2025年丁坝建设后淤积增加，与已有丁坝工程的正面效果类似，但硬结构可能拦截沿岸输沙并将侵蚀压力转移到相邻岸段，因此研究结果在管理上应谨慎解读。功能克里金方法作为DSAS的补充，能够将岸线作为连续几何对象表示并传播模型不确定性，但未与其他统计方法进行定量基准比较；其不确定性只反映克里金模型，不包括影像配准、潮位、季节波动等引起的岸线提取误差。研究局限性包括缺乏逐日同步地面测量、未将水动力和沉积物变量作为协变量、后干预监测期仍较短。

研究结论表明，Playa Salguero在2016—2023年以侵蚀为主，2023—2025年出现向淤积转变的趋势，但短期预测仍显示空间不均，远离丁坝岸段侵蚀持续。研究方法框架将岸线提取、DSAS、功能表示和短期模型预测集成在一起，利用Planet NICFI密集时间序列重建了58条岸线，平均内部LODO重建误差为X方向6.33 m和Y方向3.70 m。未来研究应延长监测周期并整合地形-水深测量、波浪潮汐记录、河流流量和沉积物收支分析。管理上，建议持续开展多时相监测，将硬质结构评估与沉积物管理和海滩养护结合，并定期更新短期功能预测以支持适应性海岸管理。