基于多時(shí)相遙感影像的海岸線變化監(jiān)測(cè)研究

安 龍

（三和數(shù)碼測(cè)繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000）

海岸線作為海陸分界線，在潮汐作用下必然會(huì)處于實(shí)時(shí)變化狀態(tài)，由此，當(dāng)前各國(guó)對(duì)海岸線的定義為多年平均大潮高潮面所形成的實(shí)際痕跡線。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提升，沿海地區(qū)鹽業(yè)、港口運(yùn)輸?shù)劝l(fā)展迅猛，雖然在一定程度上拉動(dòng)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，但是過(guò)度海水養(yǎng)殖、廢氣閑置鹽田等也造成大量資源浪費(fèi)與海洋污染[1]。同時(shí)，為了緩解沿海地區(qū)土地資源的不足，人為地進(jìn)行圍填海工程，雖然這種方式創(chuàng)造了相應(yīng)的價(jià)值，但是也改變了沿海地區(qū)的海岸線，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了一定影響，使得海洋生態(tài)系統(tǒng)失衡，從而可能引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境災(zāi)害[2]。因此，對(duì)海岸線變化情況進(jìn)行分析具有重要意義。遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中呈現(xiàn)出范圍廣、周期短、客觀性強(qiáng)且測(cè)算精準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，可以有效彌補(bǔ)常規(guī)海岸線監(jiān)測(cè)短板，同時(shí)可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)海岸線進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，協(xié)助工作人員及時(shí)掌握海岸線開發(fā)利用以及時(shí)空變化情況。該技術(shù)在海岸線監(jiān)測(cè)工作中得到廣泛應(yīng)用，針對(duì)此方面的研究也是學(xué)者的主要工作內(nèi)容。

1 多時(shí)相遙感影像技術(shù)概述

遙感技術(shù)，尤其是衛(wèi)星遙感在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具備依照固定周期對(duì)地球進(jìn)行重復(fù)覆蓋的功能，其實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以獲取不同時(shí)間分辨率的多時(shí)相遙感影像，進(jìn)而為研究者開展動(dòng)態(tài)分析提供有利條件支持[3-4]。研究界內(nèi)對(duì)于多時(shí)相遙感影像資料的要求需要依照分析對(duì)象動(dòng)態(tài)變化速度以及過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短進(jìn)行界定[5-6]。以臺(tái)風(fēng)發(fā)展過(guò)程中對(duì)比分析為例，在實(shí)際進(jìn)行分析過(guò)程中要求以12 h為間隔，連續(xù)開展十余天的多時(shí)相衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)。同時(shí)對(duì)沙漠化速率以及范圍的分析同樣可利用多時(shí)相遙感影像，此方面內(nèi)容研究只要求不同年份的多時(shí)相資料[7-8]。從技術(shù)角度分析，多時(shí)相遙感資料對(duì)比以及綜合分析是對(duì)自然歷史演變軌跡、監(jiān)測(cè)環(huán)境及資源動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行跟蹤研究的重要手段。

2 海岸線多時(shí)相遙感信息提取

2.1 數(shù)據(jù)源選取及預(yù)處理

為詳細(xì)說(shuō)明基于多時(shí)相遙感影像的海岸線監(jiān)測(cè)，本文以某沿海城市為例，對(duì)其海岸線變化情況進(jìn)行研究，選取該市在2003—2015年間測(cè)定的6個(gè)高分遙感影像數(shù)據(jù)、2009年度海岸線航拍影像與2011—2015年間測(cè)定的3個(gè)Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，以及該市土地利用現(xiàn)狀、圍填海等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為本次對(duì)比分析研究的數(shù)據(jù)源。其中，精度驗(yàn)證參考依據(jù)為2011年遙感影像數(shù)據(jù)。

在實(shí)際開展對(duì)比分析之前，筆者在對(duì)2003—2015年間不同時(shí)期遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行收集的同時(shí)，分別對(duì)2個(gè)不同時(shí)期中的Landsat數(shù)據(jù)開展預(yù)處理工作，主要包括輻射校正、大氣校正和幾何校正等，與此同時(shí)，對(duì)高空間分辨率的影像也進(jìn)行幾何和輻射校正，并對(duì)不同影像進(jìn)行影像鑲嵌和裁切處理。除此以外，為確保對(duì)比分析精準(zhǔn)性，本文利用坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換方法對(duì)不同時(shí)期測(cè)定的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得不同影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為該市獨(dú)立坐標(biāo)。

2.2 海岸線提取

本文在實(shí)際工作過(guò)程中依據(jù)遙感影像以及已測(cè)定海岸線矢量數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果，對(duì)Landsat數(shù)據(jù)以及高空間分辨率影像分別建立相應(yīng)的海岸線提取方式，有效提取出該市在8個(gè)不同時(shí)期的海岸線。采用人機(jī)交互的方式對(duì)Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行海岸線提取，首先通過(guò)相應(yīng)算法獲取影像中水域部分的水邊線，然后結(jié)合已有的海岸線成果，對(duì)自動(dòng)提取的水邊線進(jìn)行人工核查和修正，得到精度較高的海岸線成果。

3 對(duì)比分析結(jié)果

3.1 海岸線總體變遷分析

依據(jù)多時(shí)相遙感影像對(duì)該市海岸線進(jìn)行提取，可以 獲 取 該 市 在2003、2005、2007、2009、2011、2013、2014、2015年8個(gè)年份中的海岸線分布情況。通過(guò)利用此方法提取的海岸線與該市所在省廳發(fā)布的2011年海岸線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，二者之間的誤差值以及標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.03 m和9.89 m。考慮到遙感影像空間分辨率為4.16 m，本方法誤差處于可接受范圍內(nèi)，可以應(yīng)用于海岸線變遷研究之中。

從實(shí)際比對(duì)結(jié)果分析可知，在研究時(shí)間范圍內(nèi)，該市海岸線總長(zhǎng)度變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出先減后增特征，此變化趨勢(shì)分別以2009年以及2014年為節(jié)點(diǎn)，在2003—2009年區(qū)間范圍內(nèi)該市海岸線長(zhǎng)度呈現(xiàn)出逐年下降趨勢(shì)，由1 517.66 km依照5.89 km/a的頻率下降至1 482.32 km。在2011年，其長(zhǎng)度有較大幅度的增長(zhǎng)，總長(zhǎng)度增長(zhǎng)至1 499.5 km，并在一段時(shí)間內(nèi)保持平穩(wěn)局面，至2014年，該市海岸線又開始呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，至2015年海岸線總長(zhǎng)度增長(zhǎng)至1 512.13 km，1年內(nèi)增長(zhǎng)近19 km。由上述數(shù)據(jù)可以看出，該市海岸線變化明顯的時(shí)間段為2009—2011年和2014—2015年，且其年均變化幅度均在6 km以上。

在實(shí)際研究中，主要是通過(guò)分析海岸線前進(jìn)或后退度，從而對(duì)海岸線方向變化趨勢(shì)進(jìn)行估測(cè)。在實(shí)際進(jìn)行對(duì)比研究過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，在此次研究涉及的2003—2015年期間，僅2013—2014年間海岸線存在小幅度后退趨勢(shì)，在其他年份中均呈現(xiàn)出推進(jìn)狀態(tài)，其中變化最為顯著的為2014—2015年。通過(guò)對(duì)2005—2007年間海岸線變化情況進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)期范圍內(nèi)海岸線雖然呈現(xiàn)出推進(jìn)趨勢(shì)，但是變化幅度相對(duì)較小，這種情況反映出此時(shí)期內(nèi)人工岸線截彎取直現(xiàn)象較為顯著。

通過(guò)分析海岸線分形維數(shù)可知，海岸線長(zhǎng)度變化與維數(shù)變化呈正相關(guān)。該維數(shù)可以有效反映出海岸線結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，一定程度上可以受到人為因素影響。分析二者之間的關(guān)系，可以得出如下結(jié)論：第一，海岸線結(jié)構(gòu)復(fù)雜度主要受分形維數(shù)影響，人為因素影響較小，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，說(shuō)明分形維數(shù)越大；第二，海岸線長(zhǎng)度越長(zhǎng)，說(shuō)明分形維數(shù)越大。因此，通過(guò)對(duì)該市的分形維數(shù)和海岸線長(zhǎng)度進(jìn)行比較分析，可知影響分形維數(shù)的最主要的一個(gè)因素是海岸線長(zhǎng)度。

3.2 海岸線類型變遷分析

由于該市海岸線類型較為豐富，在研究過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際需求以及資料獲取難度，在結(jié)合該市海岸線普查結(jié)果的基礎(chǔ)上將其分為6個(gè)類型，提取其在8個(gè)時(shí)期內(nèi)的海岸線數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型海岸線變化趨勢(shì)、規(guī)律以及各類型海岸線之間轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行研究，具體情況見表1。

由表1可知，基巖岸線在2003—2015年間始終處于逐年下降趨勢(shì)，除2009—2011年外，其他年份均下降幅度顯著；人工岸線在2005—2009年間呈現(xiàn)出小幅度的減少態(tài)勢(shì)，在其他年份則始終保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，尤其是在2013—2015年間，增長(zhǎng)最為顯著。其他類型岸線在研究區(qū)間范圍內(nèi)呈現(xiàn)出增減反復(fù)的態(tài)勢(shì)，且變化幅度有限，僅生物岸線在2007—2009年間出現(xiàn)一定幅度的增長(zhǎng)。

表1 該市各時(shí)期不同類型海岸線長(zhǎng)度及其占比 km

4 海岸線變遷原因探究

4.1 自然因素影響

該市境內(nèi)灣港數(shù)量較多，受此情況影響，大量泥沙隨著水流融入該市海安新港，進(jìn)而使得其砂質(zhì)岸線變化幅度顯著。長(zhǎng)江水平?jīng)_擊以及泥沙淤積此類自然因素使得該市海岸線變化較為明顯，導(dǎo)致的直接結(jié)果即砂質(zhì)岸線以及淤泥岸線改變幅度較為明顯。同時(shí)海岸線變換也受到其他一些因素影響，如海浪、潮汐和海水侵蝕等。除此以外，該地區(qū)處于臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)域，災(zāi)害性天氣在一定程度上也會(huì)提升海岸線演變進(jìn)程。

4.2 人為因素影響

從實(shí)際發(fā)展角度分析，圍墾、圍填海等人工活動(dòng)會(huì)使海岸線在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生顯著變化，尤其是圍填海工程，海岸線長(zhǎng)度會(huì)隨著圍填海工程規(guī)模提升而提升，且圍填海工程類型不同，對(duì)海岸線變遷帶來(lái)的影響也并不相同。

圍填海工程的用途主要在于圍塘養(yǎng)殖以及圍墾等活動(dòng)。表2統(tǒng)計(jì)了該市圍填海工程主要的用途，由表2可知，該市在2003、2005、2007、2009年存在較大規(guī)模的圍墾活動(dòng)，而漁業(yè)活動(dòng)用地除2014年外均有加大幅度的變化。在建設(shè)用地方面，以2009年為節(jié)點(diǎn)，其規(guī)模變動(dòng)幅度開始減緩。同時(shí)從2015年已圍待利用區(qū)數(shù)據(jù)可以分析出當(dāng)年度該市政府依然啟動(dòng)一定規(guī)模的圍填海工程，而其他年份代理用區(qū)域大部分得到利用。大量違法用地主要出現(xiàn)在2009年，其后幾年違法用地情況得到了有效控制。

表2 各類型用地分年份統(tǒng)計(jì) hm2

通過(guò)對(duì)該市各縣圍填海工程情況進(jìn)行調(diào)查分析，可得出圍填海面積統(tǒng)計(jì)圖，如圖1所示，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行更加深入地分析可知，其中圍填海區(qū)域主要用于農(nóng)業(yè)以及漁業(yè)活動(dòng)，由此，得出漁業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是區(qū)域海岸線變化的主要類型。

圖1 該市各縣圍填海面積統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本次基于多時(shí)相遙感影響對(duì)海岸線變化檢測(cè)的研究中，通過(guò)對(duì)案例城市2003—2015年間選取8個(gè)時(shí)期遙感影像對(duì)該市海岸線空間數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，同時(shí)從海岸線變遷方向、總長(zhǎng)度變化、海岸線類型以及分形維數(shù)的角度對(duì)其海岸線變遷情況進(jìn)行分析。依據(jù)實(shí)際研究結(jié)果顯示，該市在研究區(qū)間范圍內(nèi)海岸線總長(zhǎng)度變化趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯的先減后增趨勢(shì)，海岸線變遷方向整體呈現(xiàn)向海洋推進(jìn)態(tài)勢(shì)，同時(shí)人工岸線長(zhǎng)度呈現(xiàn)明顯的提升態(tài)勢(shì)。依據(jù)此次對(duì)比研究初步結(jié)果，海岸線演變驅(qū)動(dòng)力為自然以及人為兩大因素，其中自然因素為泥沙淤積以及臺(tái)風(fēng)等災(zāi)難性天氣，而人為因素方面，圍填海工程、港口碼頭建設(shè)等是主要因素。