基于遙感的環渤海地區海岸線變化及驅動力分析＊

吳春生，黃翀，劉高煥，褚琳，劉慶生，趙軍

（1.中國科學院地理科學與資源研究所 資源與環境信息系統國家重點實驗室 北京 100101；2.中國科學院大學 北京100049；3.東營市人民政府辦公室電子政務中心 東營 257091）

1 引言

海岸線位于大陸與海洋的交匯處，我國將其定義為“海岸線是海陸分界線，系指多年大潮高潮位時的海陸界線。”海岸線不單是一條分界曲線，同時附有一定的生態環境信息，隨著自然變化和人工影響，海岸線長度和位置不斷變化，海岸線兩側海陸生態環境處于非平衡狀態，對沿海生物的生存和生活產生影響［1－3］。

自然條件變化和人類活動與海岸帶生態環境之間長期相互影響，引起了國內外學者極大興趣，海岸線作為水陸分界同樣受到關注，在其類型確定和空間變化方面研究較廣。在國內，馬小峰根據不同海岸線地貌特點，利用IDL語言實現了Canny算子、中值濾波器和腐蝕算子，對大連和營口地區海岸線做了自動提取［4］；馮蘭娣利用小波變換的圖像邊緣檢測方法對黃河三角洲海岸線進行了提取［5］；姜義將歷史資料和遙感影像結合獲取了渤海灣西岸海岸線近百年來的變遷［6］；常軍等采用平均高潮線法來確定黃河口周邊潮灘岸線的位置［7］；同時在海岸線變化所引起的生態環境問題方面也做了深入研究［8－12］。國外對海岸線的研究也較廣，如利用閾值法提取海岸線位置［13－14］；利用合成孔徑雷達的后向散射和紋理特征確定水陸交界線［15］；利用多時相多光譜遙感影像對海岸線變化進行監測［16］；利用激光探測獲取海岸DEM數據來提取海岸線［17］等。以上提取海岸線位置的技術為本文開展研究提供了方法依據。

環渤海地區港口密集，發展潛力大，是實現我國經濟突破的重點區域［18］，國家和地方也頒布了多個發展渤海海洋經濟的條例［19］；同時環渤海沿岸具有重要的生態功能，是大量鳥類和魚類的棲息地，華北和東北地區南部重要的生態屏障，為區域可持續發展提供了基礎；由于人類活動頻繁，生態環境脆弱，該地區生態平衡受到嚴重威脅［20］。因此對該地區海岸線變化進行探測，及時掌握沿海開發狀況，對合理控制規劃沿岸土地利用和生態環境保護具有重要的現實意義。前期對該地區集中于渤海灣和黃河三角洲海岸帶整體研究，而對渤海沿岸海岸線研究較少，對海岸線也未做具體分類，基于此，本文利用多期遙感影像對環渤海岸線進行位置提取，并做詳細分類和分區統計各類型海岸線長度，通過總結各類型岸線長度變化強度和整體岸線分維數來展現其時空變化狀況，結合社會經濟資料，從自然和人工因素兩方面對環渤海海岸線的變化做驅動力分析。

2 數據源和研究方法

2.1 研究區

本文以環渤海海岸作為研究區，起始端為黃海和渤海分界線兩端，即大連市老鐵山頭（38°43′34.02″N，121°07′58.92″E）和蓬萊市蓬萊角（37°49′56.27″N，120°44′37.18″E）。涉及遼寧省、天津市、河北省和山東省，相關地市有大連、營口、盤錦、錦州、葫蘆島、秦皇島、唐山、天津、滄州、濱州、東營、濰坊和煙臺（圖1）。

圖1 研究范圍

2.2 數據源的獲取和預處理

本文所用數據源如下。

（1）主要研究數據：研究區3期TM影像，時相為2000年、2005年和2010年6－10月，分辨率為30 m×30 m，云量小于10%，每期共7景影像覆蓋，合計21景（表1）。

表1 TM數據列表

續表

（2）輔助數據：包括2010年環境1號衛星多光譜數據、2009－2010年CBERS02b高分辨率全色波段數據，以及部分地區2009年SPOT5和ALOS數據，主要是輔助TM影像解譯。

（3）調查數據：環渤海地區海岸線野外調查數據和統計數據，為海岸線和圍填海類型解譯精度評價提供支持。

對各遙感數據進行預處理，包括幾何精校正、彩色增強、投影變換、圖像融合，拼接與裁剪等；統計數據前期處理包括數據空間化和空間統計分析等。

2.3 海岸線分類與遙感識別

海岸線并非現實存在的一條曲線，而是人們對海陸交界的一種虛擬表示，其類型則根據海岸物質組成或用途進行定義。海岸線類型劃分主要依據前期研究積累，結合本研究目的和研究區實際，綜合海岸線物質組成及開發特點，將海岸線分為自然岸線和人工岸線；自然岸線根據位置和物質組成又分為河口岸線、淤泥質岸線、砂礫質岸線和基巖岸線；人工岸線根據開發目的分為建設圍堤、養殖圍堤、農田圍堤和鹽田圍堤；對圍填海主要根據海域圈圍目的和現狀進行分類，共3類，圍海、填海和圍海養殖。

各類型岸線的影像特征不同，本研究依據TM2、3、4和5波段組合進行提取?；鶐r岸線質地為巖石，波浪與巖石碰撞使岸線在影像中顏色較淺，形狀多凹凸和彎曲，自然條件下多期影像無太大變化，岸線位置定于白色邊界向海一側［4，21］；河口岸線位于河道與海水相接處，根據水體顏色變化及河道寬度的改變來確定其位置，一般將河流入?？谕蝗蛔儗捥幒涌趦砂哆B線作為河口岸線［22］。淤泥質岸線位于河口周邊，由河流攜帶泥沙淤積形成，岸線提取較難，本文采用常軍的平均高潮線法來確定位置［7］；砂礫質岸線在影像上比較平滑，具有一定弧度，其紋理特征是判斷的主要依據，亮度較大［4］。人工岸線的人工信息明顯；養殖圍堤位于淤泥質或沙礫質海岸上，基巖岸線外圍也有分布，養殖池呈多排長方形并列狀，顏色與海水相近，養殖圍堤平直，一般無弧度；鹽田圍堤位于淤泥質海岸上，一般為方形且面積較大，蒸發池顏色較深，與養殖池主要從形狀上區分，結晶池顏色較亮，多為白色，鹽田圍堤也較平直，無弧度；農田圍堤內部地塊排列密集，與海域分界明顯；建設圍堤主要是港口和碼頭向海一側岸線，一般伸向海域，建設特征明顯，有船舶停靠或進出，無固定形狀。圍海和填海根據圈圍海域是否已經填充進行區分，未填充為圍海，已開始填充則為填海，而圍海和圍海養殖以是否具有養殖池作為區分依據。

首先對2010年TM影像進行解譯，劃分各岸線類型，并參考高分影像對分類結果進行修改。由于野外調查數據時間為2012年10月，故先將其與google earth中2010年和2012年岸線對比，提取未發生改變部分并對變化部分進行修改使其代表2010年野外數據；然后進行分類精度檢驗，得出海岸線總體分類精度為89.3%，滿足本文要求。以2010年岸線類型為基準，參照2005年和2000年TM影像對產生變化的岸線做修改，獲取2005年和2000年海岸線，避免3期影像獨立解譯產生的人為錯誤。

2.4 分維數計算方法

海岸線時空變化不正體現在長度和空間位置的變動，其形狀結構變化也是一種表現方式，作為海岸線分形理論中常用的定量指數，分維數的大小可表達海岸線形狀復雜程度，值越大，海岸線形狀越復雜［2］。本文分維數計算采用網格法，用不同尺度網格覆蓋海岸線，不同尺度對應不同網格總數，取網格數的對數與網格尺度的對數的斜率的絕對值作為海岸線的分維數［23－24］。網格尺度的選取參照文獻［25］。分維數計算公式如下

式中：A為待定常數截距；ε為網格邊長；N（ε）為邊長為ε的網格數；－D為斜率；D即為分維數。

3 結果與分析

3.1 環渤海地區海岸線空間分布特征

根據解譯結果，統計各類型岸線3期長度和空間分布（表2）。2010年岸線總長度為3 049.7 km，自然岸線和人工岸線分別為682.3 km和2 367.4 km；基巖岸線和沙礫質岸線為主要的自然岸線，長度分別為241.0 km和234.4 km，基巖岸線集中分布于遼東半島沿岸，砂礫質岸線在萊州灣東部、秦皇島和葫蘆島沿岸較多；其次是淤泥質岸線，主要位于黃河口周邊，長度為179.4 km；河口岸線占比較少，不到1%；建設圍堤和養殖圍堤分別為1 145.9 km和1 108.4 km，農田圍堤和鹽田圍堤長度較小。2005年海岸線總長度2 666.8 km，自然岸線和人工岸線比例各占29.0%和71.0%；自然岸線中砂礫質岸線最多，長度為269.9 km，其次為基巖岸線，長度為243.5 km，淤泥質岸線較2010年長，為234.0 km，河口岸線依然最少；建設圍堤明顯少于2010年，為635.6 km，養殖圍堤變化不大。2000年岸線總長度為2 455.8 km，自然岸線和人工岸線分別為921.2 km和1 534.6 km；砂礫質岸線和淤泥質岸線較其他類型長，分別為348.9 km和287.0 km，基巖岸線長度為249.5 km，養殖圍堤最長為1 111.3 km。

不同時期各省區海岸線總長度如表3所示，為表達方便，將河北省和天津市海岸線合并統計。遼寧省海岸線長度和比例始終大于其他地區，2010年各省區海岸線均達到最長，遼寧省為1 404.5 km，津冀地區為792.7 km，山東省為852.5 km，分別占當年海岸線總長度的46.0%、 26.0%和28.0%。

表2 2000年、2005年和2010年不同海岸線類型長度和比例

表3 2000年、2005年和2010年不同省區海岸線長度和比例

3.2 近10年環渤海海岸線變化特征

3.2.1 長度變化

2000年、2005年和2010年岸線逐漸增加，自然岸線減少，人工岸線增長明顯。為比較清晰地對比各時段范圍內變化差異，利用主要海岸線的年均變化百分比表示其變化強度（圖2）。

圖2 2000年、2005年和2010年間各類型海岸線變化強度

2005－2010年岸線變化強度高于2000－2005年，分別為2.9%和1.7%。10年間岸線共增長593.9 km，增加率為24.2%，前5年和后5年分別增加211.0 km和382.9 km。人工岸線前后5年變化強度分別為4.7%和5.0%，10年間增加832.8 km，增加率達54.3%，前后5年分別增加357.6 km和475.2 km。人工岸線高強度變化依賴于建設圍堤增加，2000－2010年建設圍堤變化強度為20.6%，長度增加771.3 km，前后5年分別增加261.1 km和510.2 km，遠超其他岸線。自然岸線前后5年變化強度為－3.2%和－2.4%，10 年間 減 少 238.9 km，損 失 率 為25.9%，長度變化最大的為砂礫質岸線，減少114.5 km，其次為淤泥質岸線107.6 km，其他自然岸線減少量較小。

各省區岸線長度均呈逐年增長趨勢，遼寧省前后5年變化強度分別為0.8%和3.2%，增長集中于2005－2010年，增加長度194.9 km；津冀地區各時間段內海岸線變化強度大于其他地區，前后5年分別為4.6%和3.4%，增加集中于2000－2005年，增加長度為125.8 km；山東省海岸線變化強度則相對較為平穩，10年間共增加113.3 km。

3.2.2 形狀變化

對3期岸線按照不同尺度進行網格分割，獲取各期岸線網格總數，并分省統計，得到2000年、2005年和2010年整體海岸線的分維數分別為1.078 3、1.086和1.103 6，分維數逐年增加，海岸線形狀越來越復雜，局部地區海岸線的彎曲度增加，分維數大小的變化也反映出對原有岸線空間和長度上的改變程度（表4）。

表4 2000年、2005年和2010年環渤海地區海岸線分維數

各地區分維數與整體岸線趨勢相同，呈增長態勢，岸線長度和形狀復雜度越來越大；山東省岸線分維數變化較小，2010年萊州灣南部岸線向海凸出，增加了局部岸線復雜度；津冀地區海岸線變化最為劇烈，海岸線向海域延伸頻度增大，空間變廣，極大增加了海岸線彎曲迂回程度。遼寧省海岸線分維數大于山東省和津冀地區，與其自身海岸形狀有關，且遼寧海岸多基巖岸線分布，養殖圍堤也較多，增加了整體岸線復雜度。

3.3 海岸線變化驅動力分析

本文從自然和人工因素對海岸線變化進行驅動力分析，自然因素無規律，具有偶然性，主要影響自然岸線；人工因素主要是經濟建設活動，可能會完全改變原有自然或人工岸線的類型和空間位置。

3.3.1 自然蝕淤

淤積和蝕退是導致海岸線變化的主要自然因素；自然淤積是河流入海攜帶的泥沙在入?？谥苓叧练e形成淤泥質岸線或沙礫質岸線，同時改變自然岸線的位置和長度；自然蝕退受海潮影響較重，遭侵蝕岸線主要為淤泥質、砂礫質和河口岸線，部分人工岸線也會受影響。據前人研究成果和相關部門的統計分析，黃渤海每年多達60次不同強度的風暴潮對環渤海岸線及海岸生態環境帶來嚴重威脅，尤其是山東沿海。對比各地區岸線受自然因素影響程度，山東省最重，經現場調查和遙感分析可知，各時間段海岸蝕退大于淤積（表5和圖3）。

表5 山東省渤海海岸蝕淤狀況 km2

圖3 山東省渤海海岸蝕淤分布

2000－2010年山東省海岸蝕退159.5 km2，淤積42.0 km2，海岸的蝕退和淤積造成海岸線在空間上向陸地后撤或向海域突進，最長距離分別為6.8 km和7.3 km，自然岸線增加113.27 km，變化的主要是淤泥質岸線；2000－2005年間渤海灣發生強風暴潮的次數增多，強度變大，5年間海岸蝕退117.8 km2，導致自然岸線后撤，而總長度卻增加40.98 km；除此之外，北部刁口河河口自1976年黃河改道后，斷絕了泥沙和河水補給，造成海水倒灌，海岸侵蝕嚴重，現黃河唇形入?？谀喜繀^域遭侵蝕原因相同，而北部由于黃河繼續挾帶泥沙如海，河口出現淤積；2005－2010年，海洋災害減弱，黃河口和萊州灣南部河流入海泥沙沉積增加，被侵蝕海岸出現淤積，淤積面積增至57.7 km2，海岸線呈向海推進；2005年以來，國務院和黃委會商討將刁口河作為黃河備用流路，于2009年7月借助黃河調水調沙工程進行注水試驗，保持入海水量和泥沙量，有效阻止海水的進一步侵蝕。渤海沿岸其他河流如海河和遼河入海處以及淤泥質岸線分布區均存在蝕退和淤積狀況，但面積和范圍都較黃河三角洲地區小，且近些年其流路并未發生變化，所受自然因素影響明顯小于人工因素，蝕退和淤積量較少，故未做詳細分析。

3.3.2 圍填海影響

隨著人口增多，土地資源優勢已不明顯，經濟發展壓力及國家和地區政策的實施迫使沿海地區加大近海開發，海岸帶人類活動頻繁，尤其工業建設帶來的近海格局變化導致海岸線類型和區位發生改變，圍填海作為人類對海岸開發的外在表現，能夠從定量角度展示岸線變化程度。

通過解譯，獲取研究區圍填海面積和空間分布信息（圖4），2000－2010年圍填海面積達1 558.7 km2，圍海、填海和圍海養殖分別為410.0 km2、656.3 km2和486.2 km2；圍填海空間上多分布于平直海岸，港口和碼頭建設用圍海和填海向海域延伸較長；填海多出現在原有養殖圍堤和建設圍堤向海一側，對自然岸線影響不明顯，而圍海和圍海養殖在原自然和人工岸線上均有分布，尤其是對自然岸線中的砂質岸線和淤泥質岸線的占用，使兩者在10年間連續減少，且減少長度較大，同時自然岸線大量縮短，人工岸線明顯增加，而養殖圍堤長度有增有減，整體長度未發生太大變化，建設圍堤增加771.3 km。從表1中各類型岸線解譯標志可知，建設圍堤形狀復雜度明顯大于其他岸線，建設圍堤的大量增加導致岸線分維數逐步變大。

從區位上看，填海主要分布在津冀地區，圍海和圍海養殖則在遼寧和山東海岸較多，這與國家和地區發展規劃有關，津冀地區尤其是天津海岸港口經濟是區域發展的重點，10年間新建港口有曹妃甸港、漢沽港、天津港、天津大港和黃驊港，建設圍堤增長341.2 km，增加了近2.5倍。而遼寧和山東沿海則以海水養殖、海洋旅游以及鹽化工為主，并未把港口建設作為重點建設項目，位于研究區內的港口規模較小；2005－2010年，因濰坊濱海生態旅游度假區建設開工，圈圍大面積海域，造成此時間段內山東岸段圍海面積陡增以及建設圍堤突然變長，但沿海其他區域并未發生太大變化。后5年圍填海總面積比前5年多703.0 km2，填海增加372.2 km2，圍海增加347.9 km2，圍海養殖減少17.2 km2；圍海和填海面積增加反映海岸開發活動激烈程度加大，建設圍堤長度后5年增加量超過前5年，分別為510.2 km和261.1 km。填海增加主要來自津冀地區港口建設，圍海在遼東灣北部和萊州灣南部增加明顯，而圍海養殖在整個研究區內小幅減少。

圖4 環渤海地區圍填海面積統計

4 結論

本文利用遙感方法提取了不同類型海岸線和圍填海分布，從自然因素和人工因素兩方面對海岸線變化做了驅動力分析，主要結論有：

環渤海地區海岸線逐年增長，2000年、2005年和2010年總長度分別為2 455.8 km、2 666.8 km和3 049.7 km，自然岸線大量減少，人工岸線顯著增加；建設圍堤變化強度最高；整體海岸線分維數逐年變大，海岸線形狀越來越復雜，特別是津冀地區復雜度最高。

海潮侵蝕和河流入海泥沙淤積對自然岸線空間分布影響較大，現黃河入?？诤凸实廊牒Ｌ幱俜e和侵蝕對比較為明顯，海岸線突進和后撤最大距離分別為7.3 km和6.8 km，致使自然岸線增加。受人口增加和土地資源緊缺的壓力，各地區對海洋開發加快，使圍填海10年間總面積變化較大，后5年開發建設較前5年更為激烈。2000－2005年間以圍海養殖為主，面積為238.1 km2，填海和圍海面積較?。?005－2010年間各地區加大開發力度，以填海類型為主，面積為501.7 km2，港口、碼頭和城鎮建設等已具有一定規模，圍海養殖面積較前5年小，圍海面積較前5年大，即未來建設活動還將進一步增多。

津冀地區港口和碼頭建設最頻繁，岸線和圍填海變化最大，港口面積成倍增加；遼寧岸線最長，根據當地海洋經濟發展規劃，人工岸線以養殖圍堤為主，并逐年增長，部分岸段存在港口建設，但規模較小；山東海岸受岸線性質和穩定性因素影響，開發力度較其他兩地區小，岸線變化主要由自然因素導致，用于保護油氣資源開發而建設的堤壩較多，致使建設圍堤有所增長，圍填海類型主要為圍海養殖。

［1］高義，王輝，蘇奮振，等 .中國大陸海岸線近30a的時空變化分析［J］.海洋學報，2013，35（6）：31－42.

［2］徐進勇，張增祥，趙曉麗，等.2000－2012年中國北方海岸線時空變化分析［J］.地理學報，2013，68（5）：651－660.

［3］姚曉靜，高義，杜云艷，等 .基于遙感技術的近30a海南島海岸線時空變化［J］.自然資源學報，2013，28（1）：114－125.

［4］馬小峰，趙冬至，邢小罡，等 .海岸線衛星遙感提取方法研究［J］.海洋環境科學，2007，26（2）：185－189.

［5］馮蘭娣，孫效功，胥可輝 .利用海岸帶遙感圖像提取岸線的小波變換方法［J］.青島海洋大學學報，2002，32（5）：777－781.

［6］姜義，李建芬，康慧，等 .渤海灣西岸近百年來海岸線變遷遙感分析［J］.國土資源遙感，2003（58）：54－58.

［7］常軍，劉高煥，劉慶生 .黃河三角洲海岸線遙感動態監測［J］.地球信息科學，2004，6（1）：94－98.

［8］雷坤，孟偉，鄭丙輝，等 .渤海灣海岸帶生境退化診斷方法［J］.環境科學研究，2009，22（12）：1361－1365.

［9］聶紅濤，陶建華 .渤海灣海岸帶開發對近海水環境影響分析［J］.海洋工程，2008，26（3）：44－50.

［10］秦延文，鄭丙輝，李小寶，等 .渤海灣海岸帶開發對近岸沉積物重金屬的影響［J］.環境科學，2012，33（7）：2359－2367.

［11］索安寧，張明慧，于永海，等 .曹妃甸圍填海工程的環境影響回顧性評價［J］.中國環境監測，2012，28（2）：105－110.

［12］趙鑫，孫群，魏皓 .圍填海工程對渤海灣風浪場的影響［J］.海洋科學，2013，37（1）：7－15.

［13］CHEN L C ，RAN J Y.Detection of shoreline changes for tide-land areas using multi-temporal satellite images［J］.Remote Sensing，1998，19（17）：3383－3397.

［14］PTATT W K.Digital image processing［M］.New York：John Wiley ＆Sons Inc，2001：551－581.

［15］PALMER P L，PETROU M.Locating boundaries of textured regions［J］.IEEE Transactions on Geosicience and Remote Sensing，1997，35（5）：1367－1371.

［16］EKERCIN S.Coastline change assessment at the aegean sea coasts in turkey using multitemporal landsat imagery［J］.Journal of Coastal Research，2009，23（3）：691－698.

［17］WHITE S A，WANG Y.Utilizing dems derived from LIDAR data to analyze morphologic change in the Carolina coastline［J］.Remote Sensing of Environment，2003，85（1）：39－47.

［18］田東娜，馮筱婧，江海旭 .環渤海地區海洋旅游發展研究［J］.海洋開發與管理，2014，31（2）：111.

［19］黃盛 .環渤海地區海洋產業結構調整優化研究［D］.青島：中國海洋大學，2013.

［20］索安寧，于永海，苗麗娟 .渤海海域生態系統功能服務價值評價［J］.海洋經濟，2011，1（4）：42－47.

［21］孫偉富，馬毅，張杰，等 .不同類型海岸線遙感解譯標志建立與提取方法研究［J］.測繪通報，2011（3）：41－44.

［22］馬小峰，趙冬至，張豐收，等 .海岸線衛星遙感提取方法研究進展［J］.遙感技術與應用，2007，22（4）：575－580.

［23］Grassberger P.On efficient box counting algorithms［J］.International Journal of Modern Physics C，1983，4（3）：515－523.

［24］韓雪培，傅小毛，湯景燕，等 .圖上曲線長度量算的分維糾正法［J］.華東師范大學學報，2006（6）：34－40.

［25］高義，蘇奮振，周成虎，等 .基于分形的總過大陸海岸線尺度效應研究［J］.地理學報，2011，66（3）：331－339.