《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》：Deriving China’s beach slopes at a national scale: An automated and transferable Fourier-based framework using ICESat-2 data
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为应对高分辨率、全国尺度海滩坡度数据缺失的挑战，本研究开发了一种基于ICESat-2 ATL03光子数据的自动化、可迁移框架，首次系统性地生成了中国沙滩坡度数据集。该方法整合了轨道校正、OPTICS去噪和Fourier多项式前滨提取等关键技术，生成了覆盖243个沙滩的688条剖面数据。验证显示其结果与高精度参考数据高度一致（R2= 0.89，RMSE = 0.012）。该成果揭示了我国海岸坡度自北向南递减的空间格局，为风暴潮模拟、海岸侵蚀评估和可持续海岸管理提供了关键参数。
沙滩，作为陆地与海洋之间那抹迷人的金色纽带，不仅是人们休闲度假的天堂，更是守护海岸线免受风暴侵袭的天然屏障。沙滩的坡度，这个看似简单的几何参数，实则是控制波浪消能、泥沙输运和岸线稳定性的核心钥匙，直接关系到海岸灾害预测、海堤设计等关键工程与管理的精度。然而，长期以来，由于传统监测技术（如RTK-GPS、机载LiDAR）成本高昂、覆盖范围有限，我国一直缺乏一套高分辨率、全国统一的海滩坡度数据集。这如同在绘制国家海岸防御蓝图时，缺失了最关键的地形底图，制约了精准化、科学化的海岸带管理。与此同时，气候变化导致的全球海平面上升，以及日益频发的极端天气事件，正对我国漫长而宝贵的海岸线构成严峻威胁。据统计，我国约49.5%的沙质海岸正遭受侵蚀，而台风等灾害造成的经济损失动辄达数百亿元。在此背景下，如何大范围、高精度、低成本地获取海滩坡度信息，成为海岸科学研究与风险管理中一个亟待解决的难题。
转机出现在2018年。随着美国NASA的ICESat-2（冰、云和陆地高程卫星-2）成功发射，其搭载的ATLAS（先进地形激光测高系统）为我们送来了一双能从太空进行“毫米级”观测的“慧眼”。ICESat-2能够提供沿轨迹间隔约0.7米、高程精度达分米级的光子数据，为从太空直接测量海岸地形带来了前所未有的机遇。但是，如何从海量、嘈杂的光子信号中，自动、准确地筛选出代表沙滩表面的光子，并从中反演出可靠的坡度，仍是一个充满挑战的科学问题。此前的研究多采用固定高程阈值或二次多项式拟合等方法，在复杂动态的潮间带地形前往往显得力不从心，容易导致坡度估算偏差。
为此，以河海大学地球科学与工程学院郝徐等人为首的研究团队，迎难而上，在《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》上发表了一项开创性研究。他们成功开发了一套全新的自动化、可迁移框架，首次利用ICESat-2的ATL03级光子数据，绘制出中国全境沙滩坡度的“首张高清图谱”。
研究人员为完成这项全国尺度的制图工程，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，他们以OpenStreetMap（OSM）开源地图中提取的中国1648个沙滩多边形为空间约束，筛选了2018年10月至2024年1月间所有可用的ICESat-2 ATL03数据，最终得到覆盖243个沙滩的688条有效轨迹。核心方法包括三步流程化的处理：1）数据预处理：对ICESat-2地面轨迹进行垂直岸线方向的几何校正，将高程统一至EGM2008基准，并基于“平均海平面+3倍标准差”的阈值剔除残留的海面光子。2）光子精确去噪：采用基于密度的OPTICS（通过排序点来识别聚类结构）聚类算法，结合一个沿轨迹移动窗口过滤器，自适应地提取高置信度的沙滩光子，有效去除噪声和非沙滩信号。3）前滨提取与坡度反演：这是本研究的方法学创新核心。区别于以往常用的二次多项式，团队引入了低阶Fourier（傅里叶）多项式来拟合光子高程剖面。Fourier多项式能更灵活地刻画沙滩前滨（从平均低水位线至滩肩或沙丘脚部）可能存在的多坡折、不对称等复杂形态。通过对Fourier拟合曲线求导分析，可以更准确地界定前滨范围，进而仅在该范围内使用稳健线性回归计算坡度。整个过程实现了高度自动化，确保了大规模数据处理的效率和一致性。
研究结果丰富而系统，主要发现如下：
4.1. 海滩坡度估算结果的性能评估
通过将ICESat-2反演的坡度与33个站点的高精度参考数据（包括RTK-GNSS实测和已发表DEM数据）进行对比验证，结果显示两者具有高度一致性。其确定系数R2高达0.894，均方根误差RMSE为0.012，相对误差RE为18.32%，偏差Bias近乎为零（-0.0001）。验证点紧密分布在1:1线附近，证明了本方法在不同地貌环境下反演坡度的可靠性。
4.2. 不同海滩坡度估算方法的比较
研究重点比较了新型Fourier多项式与传统二次多项式在前滨提取和坡度反演上的性能。通过对中国沿海四个代表性站点（如辽宁金石滩、福建金门后湖海滩等）的剖面分析发现，在形态复杂的海滩，二次多项式容易产生过度平滑，掩盖局部地形变化。而Fourier多项式则能更好地捕捉前滨的曲率转折和多坡折特征，从而更真实地还原地形。统计检验表明，Fourier方法的绝对误差显著低于二次多项式，约67.9%的验证样本表现更优，证明了其在处理复杂海岸地形时的优越性和鲁棒性。
4.3. 中国海岸海滩坡度的空间分布
本研究首次揭示了全国尺度下沙滩坡度的宏观空间格局。总体而言，中国沙滩的平均坡度约为0.102（约5.8度），大部分坡度集中在0.02至0.10之间。空间上呈现出显著的“北陡南缓”的衰减模式：北方温带海岸（如辽宁、河北）坡度更陡、变异性更大；而南方热带海岸（如广东、广西、海南）坡度则更为平缓、均匀。例如，辽宁和河北的平均坡度分别达到0.17和0.16，而广东、广西、海南的平均坡度均低于0.09。这种分布格局与我国沿岸沉积物粒度“北粗南细”、水动力条件以及海滩地貌动力状态的南北差异是相符的。从省级尺度看，坡度分布也具有明显的异质性，北方省份坡度范围更宽，南方省份则更为集中。
在讨论部分，论文深入分析了反演结果的不确定性来源及应用前景。误差主要来自两个方面：数据处理伪影和潮位阶段变异性。残留的海面光子或过于严格的沙滩边界掩膜会导致坡度被低估；而更重要的是，ICESat-2过境时的瞬时潮位高低，决定了卫星能“看到”多少前滨区域。高潮时，下部前滨被淹没，反演的坡度会偏小；低潮时，能获得更完整的剖面，坡度更准确。敏感性分析表明，潮位升高会导致反演坡度系统性降低。此外，ICESat-2数据在海滩尺度上的空间覆盖分析显示，由于卫星轨道间隔（约3.3公里）的限制，当前方法更倾向于捕捉到面积较大、连续性较好的沙滩，而对小型、曲折的海滩存在采样偏差。这反映了星载激光测高在大尺度制图中的固有特点。
尽管存在上述局限，但这项研究产生的首个全国尺度海滩坡度数据集具有深远的潜在应用价值。它可为风暴潮漫滩模拟、海岸侵蚀评估、海平面上升淹没风险制图提供高精度的地形输入参数，极大提升海岸灾害预警的可靠性。在海岸工程领域，它为海堤、护岸等防护设施的设计以及沙滩养护工程的规划提供了关键的科学依据。此外，该数据集还能支持沉积动力学研究、栖息地保护评估和海洋数值模型的边界条件设定，服务于海岸带可持续发展与气候变化适应的多项决策。
综上所述，这项研究成功构建了基于ICESat-2光子数据的自动化海滩坡度反演框架，并首次绘制了中国全国范围的沙滩坡度数据集。该方法创新性地采用Fourier多项式进行前滨提取，显著提升了复杂地形下的反演精度和鲁棒性。验证结果证实了数据的高可靠性，空间分析则揭示了我国海岸坡度“北陡南缓”的宏观规律。该成果不仅填补了我国在该基础地理信息领域的空白，其提出的可迁移框架也为全球其他海岸带的类似监测提供了可扩展的解决方案。随着海岸带面临的压力日益加剧，这套高分辨率、标准化的坡度数据，必将成为科学家、管理者和规划者手中一份不可或缺的“数字海图”，为守护我们的蓝色家园贡献关键的数据力量。
