巢子豪, 高一博, 謝宏全, 盧 霞

?

1984～2012年海州灣海岸線時(shí)空演變研究

巢子豪1, 2, 高一博1, 謝宏全1, 2, 盧 霞1, 2

(1. 淮海工學(xué)院 測繪工程學(xué)院, 江蘇 連云港 222005; 2. 海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266590)

以Landsat影像為數(shù)據(jù)源, 通過改進(jìn)歸一化水體指數(shù)、二值化、潮位校正模型提取海岸線, 使用數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)(Digital Shoreline Analysis System, DSAS),對(duì)1984~2012年海州灣海岸線的時(shí)空演變進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,1984~2012年間海州灣海岸線整體以4.29 m/a向海洋推進(jìn), 其中, 48%的海岸出現(xiàn)侵蝕, 侵蝕速率為22.83 m/a, 侵蝕現(xiàn)象主要出現(xiàn)在大堤修建前的部分粉砂淤泥質(zhì)海岸。52%的海岸出現(xiàn)淤積, 淤積速率為25.90 m/a, 淤積現(xiàn)象主要出現(xiàn)在人工海岸、河口海岸和受大堤影響的粉砂淤泥質(zhì)海岸。海岸線時(shí)空演變研究有利于科學(xué)地規(guī)劃、開發(fā)和管理海洋及其沿岸空間資源, 并保證其環(huán)境及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

海州灣; 海岸線; 時(shí)空演變; DSAS(Digital Shoreline Analysis System)

海州灣海岸線的時(shí)空演變特征研究不僅有利于科學(xué)地規(guī)劃、開發(fā)和管理海州灣及其沿岸空間資源, 還有助于相關(guān)環(huán)境政策的制定, 保證其環(huán)境及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展?；谶b感技術(shù)的海岸線提取和基于GIS的岸線分析為海州灣海岸線的時(shí)空演變分析提供了技術(shù)方法。國內(nèi)外專家學(xué)者通過多種技術(shù)手段與方法對(duì)海岸線的提取及演變進(jìn)行了研究。楊金中等[1]利用1982、1997、1998和2001年浙江東部穿山半島衛(wèi)星數(shù)據(jù), 結(jié)合該地區(qū)1987、1998年潮位信息和1: 50000地形圖, 提取了該半島北側(cè)海岸線。丁志磊等[2]采用面向?qū)ο蟮姆椒? 針對(duì)蘇北淤泥質(zhì)海岸地區(qū)2006年的T M影像, 建立了包括光譜變換信息和紋理特征信息的規(guī)則集, 并對(duì)影像進(jìn)行高精度分類, 進(jìn)而提取了海岸線。于彩霞等[3]分析指出了實(shí)地測量痕跡線法和遙感影像提取法在測量海岸線的缺陷, 并介紹了國外利用航空LiDAR數(shù)據(jù)提取海岸線的主要方法及其實(shí)現(xiàn)過程。栗云召等[4]以多期Landsat 影像為數(shù)據(jù)源, 對(duì)黃河三角洲30a的岸線及面積變化進(jìn)行了研究。楊偉等[5]以一般高潮線為海岸線, 研究了黃河三角洲河口段1976~2008年海岸線變遷及岸灘淤蝕面積的變化。賴志坤[6]利用海岸線變化的定量分析原理, 估算了古浮澳岸段的海岸線演變速率。劉鵬等[7]采用DSAS和岸線分形分析(FA), 以9期歷史地圖為數(shù)據(jù)源, 對(duì)1959~2002年黃河三角洲海岸線長度、形態(tài)及變化過程進(jìn)行了定量分析。Mahapatra等[8]通過DSAS分析了印度古吉拉特海岸南部的岸線變化情況。本文通過8期Landsat影像提取海州灣不同時(shí)刻的水邊線, 建立潮位校正模型, 借助潮位信息提取以國家高程基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的海岸線, 利用DSAS計(jì)算出1984~2012年海州灣海岸線各段的線性回歸率, 以評(píng)價(jià)其時(shí)空演變狀況。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

海州灣位于江蘇省東北部, 面臨黃海, 其岸線北起日照市與連云港市贛榆區(qū)交界的繡針河口(35°04′50″N, 119°18′03″E), 南至連云港市連云區(qū)高公島(34°42′19″N, 119°29′26″E), 全長約162.62 km。海州灣岸線類型多樣, 其中以粉砂淤泥質(zhì)海岸分布最長, 中部西墅至高公島以及北部嵐山頭一帶主要為基巖海岸和人工海岸。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本文選用海州灣地區(qū)1984~2012年8期Landsat遙感影像作為海岸線提取的數(shù)據(jù)源, 數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(http: //landsat.usgs.gov/)。Landsat衛(wèi)星可提供研究時(shí)間內(nèi)的遙感影像, 且訪問周期及空間分辨率均符合研究要求。每年2期影像的成像日期間隔約為1個(gè)月, 以降低岸線侵蝕淤積或人類活動(dòng)對(duì)岸線提取精度造成的影響。潮位高度數(shù)據(jù)由擬合連云港海洋環(huán)境監(jiān)測站的日監(jiān)測數(shù)據(jù)而得。潮位高度基準(zhǔn)面海拔為–2.9 m, 在進(jìn)行潮位校正時(shí), 應(yīng)使用海平面的海拔高度, 即潮位高度減去2.9 m。影像及對(duì)應(yīng)潮位的相關(guān)信息見表1。

表1 遙感影像及潮位信息

Tab.1 Basic remote sensing data and tide level data

衛(wèi)星編號(hào)列號(hào)/行號(hào)成像日期(年-月-日)衛(wèi)星過頂時(shí)刻(時(shí): 分: 秒)潮位高度(m)海拔高度(m) Landsat 4120/361984-03-2810: 02: 054.451.55 Landsat 4120/361984-04-1310: 02: 053.640.74 Landsat 5120/361991-07-3010: 00: 161.94–0.96 Landsat 5120/361991-08-3110: 00: 022.940.04 Landsat 7120/362000-05-1110: 28: 284.902.00 Landsat 7120/362000-06-1210: 28: 123.640.74 Landsat 7120/362012-04-2610: 30: 404.531.63 Landsat 7120/362012-05-2810: 30: 004.831.93

研究使用影像均為美國航空航天局(NASA)發(fā)布的L1G級(jí)別影像, 已經(jīng)過輻射校正與幾何校正。由于Landsat 7 ETM+機(jī)載掃描行校正器故障, 導(dǎo)致2003年5月31日之后的圖像出現(xiàn)數(shù)據(jù)條帶丟失, 因此本文采用“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站(http: //www.gscloud.cn/)中的條帶修復(fù)模型, 對(duì)2012年兩期遙感影像進(jìn)行在線條帶修復(fù)。同時(shí), 為避免不同影像校正精度的差異, 將其余7期影像配準(zhǔn)至2012年5月28日的影像。

2 海岸線提取

2.1 海州灣水邊線提取

目前, 提取水邊線的方法主要有邊緣檢測法、閾值分割法、區(qū)域生長提取法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法、主動(dòng)輪廓模型法等[9]。本文使用改進(jìn)歸一化水體指數(shù)法(MNDWI)對(duì)遙感影像進(jìn)行處理。MNDWI[10]是徐涵秋在McFeeters提出的NDWI[11]的基礎(chǔ)上改進(jìn)的結(jié)果, 以中紅外波段代替了近紅外波段, 解決了提取的水體信息中混有非水體信息的問題。經(jīng)過處理可獲得研究區(qū)1991年、2000年、2012年的MNDWI影像。由于早期Landsat影像中不存在中紅外波段, 因此對(duì)于1984年的兩期影像, 仍使用NDWI進(jìn)行圖像處理。使用ENVI5.1軟件中的波段運(yùn)算工具, 運(yùn)算后可得到MNDWI及NDWI影像圖。在此基礎(chǔ)之上, 通過設(shè)定閾值來對(duì)其進(jìn)行二值化處理, 據(jù)此分離出水體與陸地。將二值化處理后所得到的柵格圖在ArcGIS10.1中進(jìn)行自動(dòng)矢量化, 并剔除假邊緣, 從而提取出各時(shí)期衛(wèi)星過境時(shí)的水邊線。

2.2 潮位校正與海岸線提取

目前, 多數(shù)學(xué)者將海岸線定義為海水大潮時(shí)連續(xù)多年的平均高潮位與陸地的交界線。張旭凱等[12]在多期瞬時(shí)水邊線的基礎(chǔ)上, 通過擬合潮位信息, 結(jié)合平均大潮高潮位以及海岸坡度, 確定岸線位置。雖然, 通過驗(yàn)潮資料和海岸帶地形資料可以得出多年大潮平均高潮位時(shí)的海陸分界線, 但研究區(qū)內(nèi)大潮高潮線所在位置人類活動(dòng)對(duì)岸線的影響顯著, 而高程基準(zhǔn)面與陸地的交線主要受到海洋動(dòng)力的影響, 受人為影響相對(duì)較小, 因此選擇高程基準(zhǔn)面與陸地的交線作為海岸線能夠盡可能地規(guī)避人類活動(dòng)的影響。本文將國家高程基準(zhǔn)面與陸地的交線作為海岸線, 避免了不同海岸人類活動(dòng)差異所造成的海岸線提取誤差, 定義了新的海岸線標(biāo)準(zhǔn), 為之后多期的海岸線時(shí)空演變研究奠定基礎(chǔ)。同時(shí), 文中需借助潮位校正模型和DSAS確定海州灣海岸線的位置。

由于同年兩期水邊線時(shí)刻相距較短, 因此可忽略由自然、人為因素造成的地形變化。圖1近似表達(dá)了局部海岸地形, 圖中1、2、3和1、2、3分別為3條相鄰垂線與2條水邊線的交點(diǎn),1、2、3和1、2、3為交點(diǎn)在國家高程基準(zhǔn)面上的對(duì)應(yīng)投影,1、2、3分別為3條垂線與國家高程基準(zhǔn)面的交點(diǎn)。

以1點(diǎn)為例簡要說明求算其坐標(biāo)的過程。由相似三角形邊長之間的關(guān)系可知:

設(shè)衛(wèi)星過境時(shí)2期影像對(duì)應(yīng)的潮高為1和2, 即111、112, 設(shè)11長度為。則式(1)可表示為:

式中1、2及均已知, 即可得到唯一的1坐標(biāo)。1、2、3均位于國家高程基準(zhǔn)面內(nèi), 潮高均為0 m, 依次連接1、2、3即可得到本文所定義的海岸線。基巖海岸及人工海岸受潮差影響小, 其水邊線差異更多是由像元及解譯技術(shù)限制而造成的, 因此無需進(jìn)行校正。海州灣海域各時(shí)期海岸線見圖2。雖然本文對(duì)海岸線的定義, 使得難以通過測繪的方式對(duì)海岸線的提取精度進(jìn)行驗(yàn)證, 但提取的結(jié)果表明海岸線的走向及長度均反映了海州灣海岸線的真實(shí)情況, 且海岸線的提取基于同一基準(zhǔn), 使用了相同的技術(shù)方法, 因此, 可以作為海州灣海岸線時(shí)空演變研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 海岸線演變分析

3.1 海岸線時(shí)空演變?cè)u(píng)價(jià)方法

目前, 海岸線演變的分析方法有動(dòng)態(tài)分割法、基線法、緩沖區(qū)覆蓋法及面積法等[13], 且常使用結(jié)束點(diǎn)率(End Point Rate, EPR)量化時(shí)空演變特征。陳曉英等[14]綜合使用基線法和面積法, 通過GIS和DSAS定量獲取了海州灣岸線變化速率及陸域變遷面積, 進(jìn)行海岸線時(shí)空變化特征分析。線性回歸法是公認(rèn)的統(tǒng)計(jì)概念, 常被用于對(duì)時(shí)空演變特征進(jìn)行評(píng)價(jià)[15]。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn), 相較于結(jié)束點(diǎn)率, 線性回歸率能更好地反映岸線的長期變化。因此, 本文以基線法為基礎(chǔ), 使用DSAS和線性回歸法研究海州灣海岸線演變, 即根據(jù)已經(jīng)得到的海岸線數(shù)據(jù), 通過線性擬合, 可確定一條基于斷面上海岸線點(diǎn)與基線的距離、斷面上各岸線時(shí)間差的線性回歸直線, 線性回歸率(Linear Regression Rate, LRR)就是線性回歸直線的斜率, 從而量化海岸線的時(shí)空變化。

3.2 海岸線演變特征分析

演變特征分析基于由DSAS建立的799個(gè)斷面進(jìn)行, 連島由于地理位置特殊, 單獨(dú)建立了123個(gè)斷面。當(dāng)出現(xiàn)一條斷面與同一期海岸線有兩個(gè)及以上交點(diǎn)的情況時(shí), 為確保海岸線分析的準(zhǔn)確度, 將距離基線較遠(yuǎn)的點(diǎn)拾取為斷面上的海岸線點(diǎn)。海州灣基線與垂線圖見圖3。

由拾取的海岸線點(diǎn)距基線距離及其對(duì)應(yīng)時(shí)間擬合可得其線性回歸方程, 統(tǒng)計(jì)各斷面上海岸線點(diǎn)變化的線性回歸率。各斷面線性回歸率見圖4。結(jié)果表明, 海州灣地區(qū)海岸線整體上向海推進(jìn), 整體呈淤積狀態(tài)。其中, “離群值”是由海岸線點(diǎn)拾取規(guī)則決定的, 在部分地區(qū), 人工海岸(如港口)會(huì)以長條狀伸入海中, 與斷面相交時(shí)會(huì)拾取距離基線較遠(yuǎn)的交點(diǎn)。由于海州灣地區(qū)水系發(fā)達(dá), 海洋動(dòng)力豐富, 且海岸線類型多樣, 需要針對(duì)不同的海岸線類型進(jìn)行分析。海州灣1984~2012年各段海岸線的變化情況見表2。