基于高空間分辨率衛星遙感影像的砂質海岸空間整治效果分析
——以營口月亮灣為例

張明慧，孫昭晨，梁書秀，孫家文，索安寧

（1.大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，大連116024；2.大連海洋大學海洋與土木工程學院，大連116023；3.國家海洋環境監測中心，大連116023）

基于高空間分辨率衛星遙感影像的砂質海岸空間整治效果分析
——以營口月亮灣為例

張明慧1，2，孫昭晨1，梁書秀1，孫家文3，索安寧3

（1.大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室，大連116024；2.大連海洋大學海洋與土木工程學院，大連116023；3.國家海洋環境監測中心，大連116023）

采用2005年采集的SPORT5衛星遙感影像和2015年采集的GF-1衛星遙感影像，分別對2006-2014年之間營口月亮灣海岸空間整治項目實施前后的海岸景觀格局進行監測，在此基礎上構建了沙灘面積系數、適宜游樂水域指數、主體功能度指數、景觀多樣性系數、景觀變化指數等評估指標，評估了營口月亮灣海岸空間整治效果。結果表明：營口月亮灣沙灘養護工程實施后沙灘面積大幅增加，沙灘面積系數為2.44，適宜游泳嬉水娛樂區面積略有增加，適宜游樂區指數為1.10。海岸空間整理工程實施使月亮灣海岸游樂功能分區明顯，月亮湖公園、高爾夫休閑區、山海廣場區、農業生態旅游度假區和濱海嬉水觀光區主體功能度指數分別達到0.89、0.76、0.68、0.65和0.77。海岸景觀美化工程整體改變了海岸景觀格局，使各功能分區海岸景觀多樣性提高，海岸景觀格局更為優化，總體景觀多樣性系數達到1.13，景觀變化指數達到0.30。

海岸空間整治，效果評估，高空間分辨率衛星遙感影像，砂質海岸，景觀格局

海岸帶是海洋生態空間向陸地生態空間的過渡帶，生態系統結構復雜、功能多樣，極具開發利用價值，是當前全球人類集聚、資源開發、社會經濟快速發展的沿海經濟帶（彭建等，2003）。我國海岸帶經歷了近60年的高強度開發，在為沿海地區經濟建設、食物生產和人口增長提供了發展和生存空間的同時，也帶來了生態退化、資源衰退等問題（張～光等，2010；洪華生等，2003）。這些問題已威脅到我國海岸帶資源的質量品位與可持續利用，對國家發展戰略的部署與實施產生了不利影響。為此，國家和地方政府近年來支持開展了一批海岸空間整治修復項目，這些項目的實施，對改善和修復海岸環境、美化海岸景觀、提高海岸資源的開發利用價值，起到很好的促進作用。由于海岸整治修復項目類型多樣，目標不一，如何科學地評估海岸整治修復項目的實施效果，是目前海岸整治修復工作管理面臨的主要技術問題之一。

衛星遙感技術是當前對地表空間觀測的主要技術，尤其是空間分辨率優于5 m的高空間分辨率衛星遙感技術已經成功應用于多個領域地表空間觀測，取得了顯著的社會經濟效果（Cleve et al，2000；Jin et al，2005；Awoyo et al，2006，劉書含等，2014）。砂質海岸灘平沙細，水清浪靜，是重要的海岸休閑旅游娛樂資源。砂質海岸整治修復項目以沙灘養護、海岸空間整理、海岸景觀美化、潟湖沙壩地貌景觀恢復等為主，以改善砂質海岸自然景觀資源價值，提升砂質海岸旅游休閑娛樂功能。高空間分辨率衛星遙感影像可詳細的反映砂質海岸空間整治項目實施前后的海岸景觀格局精細特征，對比分析海岸空間整治項目實施在沙灘養護、海岸空間整理、海岸景觀美化、旅游基礎設施建設方面的整體效果，在砂質海岸空間整治項目效果評估工作中具有重要的應用價值。

為探索應用高空間分辨率衛星遙感影像開展砂質海岸空間整治效果評估，本文選取2006-2014年之間實施的營口月亮灣海岸整治區域為例，采用2005年6月份采集的SPOT5衛星遙感影像和2015年8月份采集的GF-1衛星遙感影像分別監測海岸空間整治前、后的海岸景觀格局，對比分析海岸空間整治項目實施前、后海岸景觀格局變化，遴選以海岸旅游娛樂開發為導向的海岸空間整治項目效果評估指標，以期為砂質海岸整治效果評估提供技術方法。

1 研究區概況

營口市月亮灣海岸位于遼東灣東岸的營口鲅魚圈經濟技術開發區南部，北起鲅魚圈港口區南大堤，南至熊岳河，海面以鲅魚公主雕像所在礁石為界，陸地以遼寧沿海濱海路為界，地理位置東經122°03憶-122°06憶，北緯40°12憶-40°15憶（圖1）。月亮灣是遼東灣東岸典型的岬灣型砂質海岸，沙質細軟，以細砂、粉砂為主，是遼東半島著名的沙灘浴場之一，也是公眾觀海、親海的樂園。由于鲅魚圈港口建設、熊岳河入海泥沙減少等原因，月亮灣砂質海岸岸灘侵蝕問題比較突出。為了將月亮灣海岸打造成集海水浴場、海面踏浪、海岸休閑于一體的濱海休閑娛樂帶，營口市政府結合國家海岸整治修復工程，自2006年起在月亮灣海岸實施沙灘養護、海岸景觀美化、海岸空間整理、旅游基礎設施建設等整治修復工程，全面改善了月亮灣海岸景觀格局特征。

圖1 研究區位置圖

2 海岸空間信息遙感影像提取方法

2.1 數據源及其預處理

本文收集到覆蓋研究區域的2015年6月份采集的GF-1衛星遙感影像和2005年8月份采集的SPOT5衛星遙感影像。GF-1衛星遙感影像具有B、G、R、NIR 4個多光譜和一個全色波段，全色波段空間分辨率2.0 m，多光譜波段空間分辨率為8.0 m。SPOT5衛星遙感影像也具B、G、R、NIR 4個多光譜和一個全色波段，全色波段空間分辨率2.5 m，多光譜波段空間分辨率10.0 m。參考數據有1頤10 000數字地形圖。

由于影像數據已在衛星地面接收站進行了大氣校正和輻射校正處理，本文的數據預處理主要進行幾何精校正和數據融合。在覆蓋研究區域的衛星遙感影像上均勻布設地面控制點25個，采用高精度信標機在現場實測每一地面控制點的地理坐標。采用二元三次多項式對GF-1衛星遙感影像和SPOT5衛星遙感影像進行幾何精校正。采用HIS變換法分別對GF-1衛星遙感影像和SPOT5衛星遙感影像的全色波段和多光譜波段進行波段融合，形成彩色融合影像。為了便于對比分析，采用三次卷積法對GF-1衛星遙感影像和SPOT5衛星遙感影像進行重采樣，得到空間分辨率統一為2.50 m的高空間分辨率衛星遙感影像（李成范等，2011；蘇奮振，2015）。

2.2 面向對象的海岸空間信息提取方法

在全面對月亮灣海岸景觀特征進行地面定位勘查基礎上，結合海岸空間整治項目實施前后的影像地物特征，本文將研究區地表景觀類型劃分為沙灘、海洋水面、養殖池塘、林地、草地、灌叢、旅游基礎設施、道路、湖泊、農田等15種類型。

采用面向對象的衛星遙感影像分類提取技術，在eCognition8.0軟件平臺上進行衛星遙感影像的海岸景觀信息分類提取。首先，對GF-1衛星遙感影像和SPOT5衛星遙感影像進行尺度分割，尺度分割算法是一種依據優化功能融合異質性最小對象的技術，算法公式（陶超等，2010）如下：

式中，nb表示波段數量，滓b表示波段b的內部方差，l表示地物邊界長度，np表示像元數量，lr表示像元大小，光譜參數Wsp是同質光譜與目標形狀的比值，緊密度異質性Wcp是緊密度與光滑度的比值。

其次，綜合應用各類海岸景觀類型的光譜特征、空間形狀、空間位置排列等建立海岸景觀類型影像特征庫。最后，根據影像特征庫定義樣本對象，插入分類器對尺度分割后的影像進行面向對象分類，分別形成2005年和2015年研究區海岸景觀格局矢量數據。采用路線驗證法和地形圖對比法，校驗海岸景觀格局分類的準確性。線路驗證過程采用車載GPS定位，現場記錄并拍攝照片，重點對遙感影像上的復雜類型和疑點疑區地面情況進行地面驗證核實（吳濤等，2011）。經驗證分析，2005年和2015年海岸景觀格局矢量數據分類準確率分別達到95%和92%。月亮灣海岸空間整治實施前、后的景觀格局見圖2。

2.3 海岸整治修復效果評估

（1）沙灘養護效果評估

沙灘是砂質海岸旅游娛樂產業發展的核心資源，沙灘的長度和寬度是砂質海岸游客承載力的基本評價因素，尤其是沙灘長度（保繼剛等，1991）。根據實際調查，游客休憩于沙灘主要是下海游泳和觀賞海面景色，所以基本上都集中于沙灘水邊線200m以內，在200m以外沙灘休憩的游客極少。所以本文以沙灘200 m寬度作為沙灘評價的上限，200 m以上寬度等同于200 m寬度。采用沙灘長度與沙灘寬度的乘積作為沙灘評價的基本因素。采用沙灘面積系數評價沙灘養護工程對沙灘面積的改善效果，沙灘面積系數計算方法如下：

圖2 月亮灣海岸空間整治實施前、后景觀格局圖

式中，CSand為沙灘面積系數，ai0為沙灘養護前第i段沙灘的長度，bi0為沙灘養護前第i段沙灘的寬度，aj為沙灘養護后第j段沙灘的長度，bj為沙灘養護后第j段沙灘的寬度。沙灘面積系數CSand逸1.0，說明沙灘養護工程實施擴大了沙灘面積，其值越大，沙灘面積擴大越大，反之，擴大越小；CSand<1.0，說明沙灘養護工程實施減少了沙灘面積，其值越小，減少面積越大。

適宜游樂水域面積是砂質海岸旅游娛樂的另一重要資源，對于岬灣型砂質海岸，底質一般為細軟砂質，因此水深是適宜游泳娛樂的重要指標，在適宜水深范圍內的海域面積越大，尤其是臨岸適宜游泳娛樂水域面積越大，游客承載力越高。根據現場調查，月亮灣海水浴場游泳娛樂活動主要集中于近岸500 m范圍內的2 m以淺海域。因此，本文以離岸500 m范圍內等深線2 m以淺的海域作為適宜游泳娛樂區。采用適宜游樂區系數評價沙灘養護工程對海洋游泳娛樂功能的改善效果。適宜游樂區系數計算方法如下：

式中，CB為適宜游樂區系數，Aio為沙灘養護工程實施前第i適宜游樂區水域面積，Aj為沙灘養護工程實施后第j適宜游樂區水域面積，n為沙灘養護工程實施前的適宜游樂區域個數，m為沙灘養護工程實施后的適宜游樂區域個數。適宜游樂區系數CB逸1.0，說明沙灘養護工程實施擴大了適宜游泳娛樂水域面積，其值越大，適宜游泳娛樂水域面積擴大越大，反之，擴大越小；CB<1.0，說明沙灘養護工程實施減少了適宜游泳娛樂水域面積，其值越小，減少面積越大。

（2）海岸空間整理效果評估

海岸空間整理是為實現海岸某種生態、生產、生活功能而對海岸空間開發利用方向進行調整，使海岸空間用途與管理目標相一致。月亮灣海岸空間整理工程是按照月亮灣海岸旅游休閑娛樂產業發展規劃，為實現海岸旅游休閑娛樂功能，將海岸空間劃分為月亮湖公園，高爾夫休閑區、山海廣場區、農業生態旅游度假區及濱海嬉水觀景區，進行分區整理。為客觀評價海岸空間整理工程實施效果，本文通過分析各個功能分區空間利用結構，構建了主體功能度指數，用以描述各個功能分區空間開發利用方向與主體功能的一致性程度。主體功能度指數計算方法如下：

式中，MF為主體功能度指數，S為功能分區總面積，ai為與主體功能相一致的第i開發利用空間斑塊面積，n為與主體功能相一致的開發利用斑塊總數量。0

（3）海岸景觀格局美化效果評估

海岸景觀格局美化是在海岸原有景觀格局的基礎上，根據旅游休閑娛樂產業發展的需要，對原有景觀類型和景觀格局進行美化，是海岸景觀格局更具景觀觀賞、休閑娛樂價值。海岸景觀格局美化包括植被景觀的改造和整飾、人工景觀的塑造、海岸景觀質量的改善、景觀格局的優化等。為了客觀評估海岸景觀美化效果，本文借用景觀生態學中的景觀多樣性指數和景觀變化指數分析海岸景觀格局美化工程實施前、后各個功能分區的景觀多樣性變化和景觀類型及其面積變化（肖篤寧，2010）。采用景觀多樣性系數和景觀變化指數評價海岸景觀格局美化工程的實施效果，計算方法如下：

表1 海岸景觀類型與主體功能區一致性判斷表

式中，H為景觀多樣性指數，Pi為景觀類型i所占功能分區景觀總面積的比例，n為功能分區內景觀類型數量。HX為景觀多樣性系數，Hh為海岸景觀格局美化工程實施后的景觀多樣性指數，Hq為海岸景觀格局美化工程實施前的景觀多樣性指數。LB為景觀變化指數，S為功能分區總面積，bi為景觀美化工程實施新改變的景觀斑塊面積，m為景觀美化工程實施新改變的景觀斑塊數量。景觀多樣性系數HX逸1.0，說明海岸景觀美化工程實施提高了海岸景觀多樣性，其值越大，海岸景觀多樣性提高越大，反之，提高越小；0≤HX<1.0，說明海岸景觀美化工程實施降低了海岸景觀多樣性，其值越小，降低越大。0≤LB≤1.0，其值越大，說明海岸景觀美化工程實施改變的海岸景觀面積比例越高，其值越小，改變的海岸景觀面積比例越低。

3 結果分析

3.1 沙灘養護效果分析

2005年海岸沙灘養護工程前，月亮灣海岸沙灘從熊岳河口到月亮湖公園，長度為2 830 m，沙灘平均寬度89.79 m，總沙灘面積為25.41 hm2，沙灘分布破碎，總共為6個岸段，在熊岳河口分布有河口沙壩，長度為490 m。海岸沙灘養護工程實施時，在熊岳河口填海造地工程內灣新喂養沙灘，在月亮灣公園海岸填海造地建設游艇基地，基地北部海岸改造成漁港。2015年海岸沙灘養護工程完成后，海岸沙灘從熊岳河口填海造地工程岬角沿內灣延伸至山海廣場觀景臺通道，再從山海廣場觀景臺通道延伸到游艇基地通道，總長度達到5300m，平均寬度116.83 m，海岸沙塘面積增加為61.92 hm2，沙灘面積系數為2.44。

填海造地、海岸沙灘養護等海岸工程占用了部分海岸沙灘的同時，也占用了部分適宜游泳嬉水水面。2005年月亮灣適宜游泳嬉水水域面積為134.67 hm2，2015年海岸整治修復工程實施后，月亮灣適宜游泳嬉水水域面積增加為148.48 hm2，適宜游泳嬉水水域面積了13.81 hm2，適宜游樂區系數為1.10。

3.2 海岸空間整理效果分析

月亮灣海岸空間功能分區整理工程實施前的2005年，月亮灣海岸以海面水域、海岸防護林、農田景觀為主，5個旅游休閑娛樂功能分區特點不明顯。月亮灣海岸空間整理工程實施后，2015年月亮湖公園、高爾夫休閑區、山海廣場區、農業生態旅游度假區和濱海嬉水觀景區功能分區特點明晰。各功能分區主要利用方向和主體功能度指數見表2。

月亮灣海岸空間整理工程實施后，月亮灣旅游休閑娛樂區主要利用方向為景觀廣場、沙灘、海面、綠地、園林、旅游基礎設施及道路，總體主體功能度指數為0.74。在5個功能分區中，月亮湖公園以月亮湖水面、喬木綠地及兒童游樂設施區為主要利用方向，與水上游樂公園利用方向較為一致，主體功能度指數最高，為0.89；濱海嬉水觀光區受填海造地、游艇基地建設、漁港設置等工程建設影響，海面空間比例有所降低，主要利用方向為海面、沙灘、嬉水潮灘，與功能分區主體功能也較為一致，主體功能度指數為0.77；高爾夫休閑區以高爾夫球場綠地利用為主，主體功能度指數為0.76；山海廣場主要利用方向為景觀廣場、旅游場館、綠地和農田，由于還有一定比例的農田區域美化工程尚未完成，這與旅游景觀廣場區的主體功能不一致，主體功能度指數為0.68。農業生態旅游度假區主要利用包括農田、園林、草地、養殖池塘、道路等，草地為荒草地，養殖池塘為廢棄的水產養殖池塘，這些利用方向與農業生態旅游度假主體功能不一致，主體功能度指數最小，為0.65。

表2 月亮灣旅游休閑娛樂區各功能分區利用方向和主體功能度指數

3.3 海岸景觀格局美化效果分析

月亮灣海岸景觀格局美化工程實施前的2005年，月亮灣海岸景觀類型為13種，景觀多樣性指數為56.31。在5個功能區分區中，高爾夫休閑區景觀多樣性指數最高，為17.96，依次為濱海嬉水觀光區15.86，山海廣場區10.65，農業生態旅游度假區9.47，月亮湖公園景觀多樣性指數最小，僅為1.85。月亮灣海岸景觀格局美化工程實施后的2015年，月亮灣海岸景觀多樣性指數總體為63.54。5個功能分區的景觀多樣性指數都有較大提高，濱海嬉水觀光區景觀多樣性指數最高，為35.21，其次為高爾夫休閑區和農業生態旅游度假區，景觀多樣性指數分別為26.93和25.15，山海廣場區景觀多樣性指數為17.01，以前景觀多樣性指數最小的月亮湖公園也提高到13.16。

對比分析月亮灣海岸景觀格局美化前、后的景觀多樣性系數（圖3）。月亮灣旅游休閑娛樂區總體景觀多樣性系數為1.13，說明海岸空間整治整體提高了海岸景觀多樣性，但5個功能分區各有差異。月亮湖公園的景觀多樣性改善效果最好，景觀多樣性系數高達7.10；農業生態旅游度假區景觀多樣性改善效果次之，景觀多樣性系數為2.66；濱海嬉水觀光區景觀多樣性改善效果也較好，景觀多樣性系數為2.22；山海廣場區和高爾夫休閑區景觀多樣性改善效果最小，景觀多樣性系數分別為1.60和1.50。

圖3 各功能分區景觀多樣性系數

對比分析月亮灣景觀格局美化前、后的景觀變化指數（圖4）。月亮灣旅游休閑娛樂區總體景觀變化指數為0.32，說明景觀格局美化工程改變了32%的原有景觀。在各個功能分區中，高爾夫休閑區景觀變化最大，景觀變化指數為0.46，表明景觀美化工程改變了46%的原有景觀面積；山海廣場區和農業生態旅游度假區景觀變化指數都為0.42，表明景觀美化工程分別改變了這兩個功能區42%的原有景觀面積；月亮湖公園和濱海嬉水觀光區景觀變化指數相對較小，分別為0.32和0.23，這主要是因為月亮湖公園在2005年就初具形態，2005年以后景觀美化工程主要是優化部份景觀類型及格局，所以總體改變面積較小；對于濱海嬉水觀光區，主要是在熊岳河口和月亮湖公園外海域實施了部份填海造地，改變了海域自然景觀類型，其他景觀改變不大，所以景觀變化指數最小。

圖4 各功能分區景觀變化指數

4 結論

海岸空間整治項目效果評估是海岸空間整治項目管理的重要技術環節。由于海岸空間整治項目涉及內容多，技術繁雜，如何評估海岸空間整治項目效果是目前海岸空間整治工作面臨的主要技術難題。本文針對砂質海岸以旅游休閑娛樂為導向的空間整治項目實施目標，以營口月亮灣為例，采用海岸空間整治項目實施前、后高空間分辨率衛星遙感影像監測，結合海岸實地勘察測量方法，構建了砂質海岸空間整治項目效果評估指標，并開展了營口月亮灣海岸空間整治效果實證分析評估。結果表明高空間分辨率衛星遙感影像可以較為清晰地反映海岸空間整治實施對海岸景觀格局的改變程度，以此為基礎構建的海岸空間整治效果評估指標是揭示海岸空間整治項目實施效果的有用方法，可為砂質海岸空間整治項目效果評估提供技術參考。

Arroyo L A,Healey S P,Cohen W B,et al.Using Object-oriented classification and high-resolution imagery to map fuel types in a Mediterraneanregion.JournalofGeophysicalResearch-Biogeosciences，2006,11:11-19.

Cleve C,Kelly M,Kearns F R,et al,2008.Classification of the wild landurbaninterface:Acomparisonofpixelandobject-based classification using high-resolution aerial photography.Computers,Environment and Urban Systems,32(4):317-326.

Jin X,Davis C H,2005.Automated building extracting from Highresolutionsatelliteimageryinurbanareausingstructural，contextual and spectral information.Journal of Applied Signal Processing,14:2 196-2 206.

保繼剛，梁飛勇.濱海沙灘旅游資源開發的空間競爭分析：以茂名市沙灘開發為例.經濟地理，1991，2：89-93.

洪華生，丁原紅，洪麗玉，等，2003.我國生態環境問題及調控對策.環境污染治理技術與設備，4（1）：89-94.

李成范，尹京苑，趙俊娟，2011.一種面向對象的遙感影像城市綠地提取方法.測繪科學，36（5）：112-120.

劉書含，顧行發，余濤，等，2014.高分一號多光譜遙感數據的面向對象分類.測繪科學，39（12）：91-103.

彭建，王仰麟，劉松，等，2003.海岸帶土地持續利用景觀生態評價.地理學報，58（3）：363-371.

蘇奮振，2015.海岸帶遙感評估.北京：科學出版社.

陶超，譚°華，蔡華杰，等，2010.面向對象的高分辨率遙感影像城區建筑物分級提取方法.測繪學報，39（1）：39-45.

吳濤，趙冬至，張豐收，等，2011.基于高分辨率遙感影像的大洋河河口濕地景觀格局變化.應用生態學報，22（7）：1 833-1 840.

肖篤寧，2010.景觀生態學.北京：科學出版社.

張～光，韓增林，劉鍇，等，2010.海岸帶利用結構與海岸帶海洋經濟區域差異-以遼寧省為例.地理研究，29（1）：24-32.

Analysis of sandy coast regulation effects based on high resolution satellite remote sensing images:a case in Yueliangwan of Yingkou

ZHANG Ming-hui1,2,SUN Zhao-cheng1,LIANG Shu-xiu1,SUN Jia-wen3,SUO An-ning3

（1.State KeyLaboratory of Coastal and Offshore Engineer,Dalian University of Technology,Dalian,116024;2.College of Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian,116023;3.National Marine Environment Monitoring Center,Dalian,116023,China)

Aimed to evaluate the effects of sandy coast regulation,satellite remote sensing images of GF-1 and Spot 5 were employed to monitor landscape pattern of Yueliangwan before and after coastal regulation.Some evaluation indices such as beach index,bathing region index,dominant index,landscape biodiversity index and landscape change index were established to evaluate effects of sandy coast regulation.The results showed that the beach area increased after protectingshoal project and the beach index was 2.44.The bathing and recreation water area shows small increase with suitable bathing region index 1.10.The functional region was divided into YueliangLake park,gulf recreation sub-region,Shanhai square sub-region,agricultural eco tourism resort and coastal leisure sub-region,and their dominant index added obviously after coastal spatial arrangement.The landscape pattern changed and landscape biodiversity enhanced after coastal landscaped,companying with the landscape index of 1.13 and landscape change index of 0.30.

coastal regulation;effect evaluation;high resolution satellite remote sensing images;sandy coast;landscape pattern

X87

A

1001原6932（圓園17）05原園594原07

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.05.016

2016-07-05；

2016-09-12

國家海洋行業公益性科研專項（201405025）。

張明慧（1978-），碩士，講師，主要從事海岸工程的資源環境影響教學與科研工作，電子郵箱：zhangmh@dlou.edu.cn。

索安寧，博士，研究員，主要從事海岸環境遙感監測與評價方法研究與業務技術支撐，電子郵箱：san720@sina.com。

（本文編輯：袁澤軼）