基于Landsat影像的日照市海岸線時空變化特征

摘要：海岸線作為銜接陸地和海洋的紐帶，具有重要的生態功能和資源價值，研究海岸線時空演變特征，對當地近海域空間資源的保護、開發、修復治理等方面具有重要指導意義。本文基于1990—2024年的長時間序列Landsat影像數據，采用目視解譯法，研究日照市海岸線時空演變特征，研究結果表明：海岸線呈現逐年增長的態勢，其中2005—2010年間增速最快，平均每年增速達4.03 km/a；自然岸線和人工岸線整體呈現出此消彼長的態勢，自然岸線保有率由1990年的62.10%下降至2024年的18.24%；海岸線整體空間格局呈現不穩定的態勢，向海一側推進速度遠超向大陸一側后退速度，其中日照港、嵐山港等局部地區變化最為劇烈；研究時段內海岸線多樣性程度較高，海岸線變化受人為作用的影響較大。

關鍵詞：Landsat；海岸線；時空變化；日照市

中圖分類號：TP79" " "文獻標識碼：A" " doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.12.002

引文格式：李忠涵，王惠，宋萍，等.基于Landsat影像的日照市海岸線時空變化特征［J］.山東國土資源，2024，40（12）：8-14. LI Zhonghan， WANG Hui，SONG Ping， et al. Spatiotemporal Variation Characteristics of the Coastline in Rizhao City Based on Landsat Imagery［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（12）：8-14.

0引言

海岸線作為海陸交互分界線，是重要的海岸地貌標志，同時作為銜接陸地和海洋的紐帶，具有重要的生態功能和資源價值，能夠客觀的反映社會經濟-資源-生態間的相互作用［1-4］。然而，隨著改革開放的進程推進，沿海地區的開發強度不斷加劇，海岸線已發生了不同程度的演變［5-8］。因此，分析海岸線的長時間序列空間變化特征，對當地近海域空間資源的保護、合理利用，促進當地生態文明建設具有重要指導意義。

以地面測量和航空攝影測量為主的傳統海岸線變化監測方法［9-10］，已無法滿足近海域自然資源管理、開發利用的需求。伴隨衛星遙感技術的發展，結合遙感監測范圍廣、時效性強、空間分辨率高、覆蓋頻次高等特點，使其已成為當前海岸線監測的有效手段。諸多學者也開展了相關研究，林彤等［11］利用Landsat系列衛星影像，采用目視解譯法，提取了高精度海岸線開展相關研究；王菡等［12］基于Landsat影像，從變化強度、多樣性和綜合利用程度等角度分析了海岸線時空變化特征；黃詩寧等［13］基于Landsat系列影像，研究了近30年來惠州市海岸線動態變化特征；劉朱婷等［14］對Landsat系列影像，采用MNDWI和目視解譯相結合的方法，分析了廣東省15年期間的海岸線動態變化特征。上述研究可見，遙感數據源以中高分辨率的Landsat系列影像為主，研究方法以目視解譯、指數法、閾值分割法為主，但相較而言，目視解譯法的高精度優勢更適用于小范圍的海岸線提取［11］。

日照市作為山東半島城市群、山東半島藍色經濟區、膠東經濟圈的重要組成部分，對其海岸線的時空演變特征研究存在一定的不足。因此，本文選取1990—2024年期間的Landsat影像，采用目視解譯法進行海岸線提取，利用海岸線變遷強度、海岸線多樣性指數、海岸線利用強度等指標分析日照市海岸線時空變化特征，以期為日照市近海區域生態保護和恢復提供科學依據，以期為日照市近海區域生態保護和恢復提供科學依據。

1研究區概況

日照市位于山東省東南部，東與黃海相臨，西與臨沂市接壤，南與江蘇省連云港市毗鄰，北與青島市、濰坊市接壤，隔海與韓國、日本相望，是魯南經濟帶對外開放前沿；從地形地貌來看，屬于魯東丘陵，山地、丘陵、平原相間分布；日照市海岸線長168.5 km，海域面積為6 000 km2，陸域面積為5 359 km2。

2數據與方法

2.1數據概況

本文采用Landsat系列遙感影像，空間分辨率30 m，重訪周期16 d，云量均低于10%，影像整體質量良好，滿足海岸線長時間序列動態監測需求，具體影像情況見表1。由于衛星在影像拍攝過程中，存在傳感器不穩定，地球曲率、大氣條件、光照變化、地形變化等系統與非系統因素造成的圖像幾何變形、失真、模糊、噪點等問題，會影響影像質量，本文通過ENVI5.6軟件對影像進行輻射定標、大氣校正、影像融合、影像裁剪等預處理，提高影像質量。

2.2研究方法

2.2.1海岸線提取方法

基于ArcMap 10.6軟件，采用目視解譯法，提取日照市1990—2024年間的八期海岸線數據。目視解譯法通常需要建立解譯標志，然后人工對影像進行判讀和解譯，其優點在于提取精度高［15］，主要適用于開展區域范圍較小的研究［11］，因此本文采取目視解譯法進行海岸線提取。

2.2.2日照市海岸線分類體系

本文基于《海岸線調查技術規范》（DB37/T 3588—2019）的海岸線分類體系、日照市大陸海岸地質地貌特點、相關學者研究基礎［16］以及受影像分辨率的限制，建立了適用于中高分辨率遙感監測的研究區海岸線分類體系。分類體系分為一級類和二級類，一級類海岸線分為自然岸線、人工岸線，二級類中自然岸線分為基巖岸線、砂質岸線、淤泥質岸線、河口岸線；人工岸線分為養殖圍堤岸線、港口碼頭岸線、建設圍堤岸線。

2.2.3海岸線變遷強度

海岸線變遷強度（Length Change Intensity， LCI）是指某一時段內海岸線長度年均變化百分比，用于對比分析不同時段海岸線的變化差異，變遷強度絕對值越大，海岸線變遷強度越明顯［17］。計算公式（1）如下：

式中：LCIij表示某一研究單元的第i年至第j年海岸線的變遷強度；Li和Lj分別表示第i年與第j年的海岸線長度。

2.2.4海岸線多樣性指數

海岸線多樣性指數（Index of Coastline Type Diversity， ICTD）用于表征海岸線開發利用方式的多樣性［12，18］，其公式（2）如下：

式中：Li表示i類型海岸線的長度；n表示海岸線類型的個數。ICTD取值范圍（0，1），越接近于0，岸線類型越簡單，多樣性越低；反之，越接近于1，岸線類型越復雜，多樣性越高。

2.2.5海岸線利用強度

海岸線利用強度指數（Index of coasline utilization degree， ICUD）表示海岸線受人為作用的影響程度［12，18］。參照土地利用程度綜合指數計算方法［19］，并結合本文建立的海岸線分類體系情況，根據人類活動對海岸線的干擾程度，對不同類型的海岸線賦予不同的利用程度強度指數［16］，如表2所示。

ICUD的計算公式（3）如下：

式中：n表示海岸線類型的個數；Ai表示第i種類型海岸線對應的人類作用強度指數；Ci表示第i種類型海岸線的長度百分比。ICUD值越大，表示海岸線受人為作用的影響越大。

3結果與分析

3.1海岸線結構變化分析

基于長時間序列的Landsat影像，采用目視解譯法，提取了日照市1990—2024年期間的海岸線動態演變過程。提取結果表明，在人類工程活動和自然因素的共同作用下，日照市海岸線向海一側快速推進。1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年、2024年研究區海岸線長度分別為99.73 km、103.25 km、109.86 km、114.02 km、117.13 km、137.26 km、156.22 km、168.59 km（表3）。由此可見，1990—2024年期間，研究區海岸線整體呈現增長趨勢，海岸線從99.73 km增長到168.59 km，增長了68.86 km，增長速度為2.03 km/a。其中在1990—2010年期間增速緩慢，1990—1995年、1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年增速分別為0.70 km/a、1.32 km/a、0.89 km/a、0.57 km/a；在2010—2015年間增長最快，平均每年按4.03 km/a的速度增長；2015—2024年期間增速逐漸放緩，2015—2020年、2020—2024年增長速度分別為3.79 km/a、2.47 km/a。

研究區海岸線以砂質岸線、港口碼頭岸線和養殖圍堤岸線為主，其次為建設圍堤岸線、淤泥質岸線、基巖岸線和河口岸線。研究時段內，砂質岸線占比降幅最大，從1990年的53.77%下降到2024年的14.28%；港口碼頭岸線占比增幅最大，從1990年的10.29%上升到2024年的55.69%；養殖圍堤岸線、淤泥質岸線的占比逐漸下降；建設圍堤岸線占比增幅逐漸增大；基巖岸線和河口岸線的占比略有下降（圖1）。

研究時段內，日照市海岸線自然岸線和人工岸線整體呈現此消彼長的態勢，自然岸線逐漸減少，累計減少31.18 km，其保有率由1990年的62.10%下降至2024年的18.24%；人工岸線逐漸增長，累計增長100.04 km。二級岸線類型研究結果表明，研究時段內基巖岸線、砂質岸線、淤泥質岸線均呈現減少趨勢，減少幅度分別為22.51%、55.11%、40.30%，主要受港口建設等人類工程活動的影響；養殖圍堤岸線呈現先增長后減少的趨勢，但總體變化幅度不大，相對穩定；港口碼頭岸線呈現逐年增長的趨勢，研究時段內共增長83.63 km，其中1990—2010年增速緩慢，2010—2015年增速最快，2015—2024年增速逐漸放緩；建設圍堤岸線呈現緩慢增長態勢，累計增長16.5 km（表3）。

1990—2024年間，日照市海岸線整體變化較大，人工岸線的變化超過了自然岸線，其整體海岸線變遷強度、自然岸線變遷強度、人工岸線變遷強度分別為2.03%、-1.48%、7.78%。針對不同類型海岸線來看，港口碼頭岸線變化最大，其余岸線變遷強度依次為建設圍堤岸線、砂質岸線、淤泥質岸線、河口岸線、基巖岸線、養殖圍堤岸線（表4）。

3.2海岸線空間格局變化分析

1990—2024年期間，日照市海岸線整體空間格局呈現逐漸向海一側擴張的態勢，向海一側推進速度遠超向大陸一側后退速度。具體表現為人工岸線逐漸增長，而自然岸線逐漸減少，其保有率逐漸降低。從空間分布來看，人工岸線主要以港口碼頭岸線、養殖圍堤岸線，分布于北部的養殖圍堤區、日照港、嵐山港等區域，自然岸線以砂質岸線和淤泥質岸線為主，整體呈現交錯分布，其中淤泥質岸線主要分布于河流入海口區域，砂質岸線則零散交錯分布（圖2）。研究時段內，日照市海岸線不斷增長，主要體現在人工岸線的不斷增長，尤其是在2005—2010年期間，日照市大力開展港口建設，日照港和嵐山港區的不斷建設，港口碼頭岸線的不斷增長，導致海岸線向海一側不斷推進，陸域面積也得到增大。自然岸線的不斷縮減主要在于人類工程活動對自然岸線的不斷開發利用，導致人工化率逐漸增大。

3.3海岸線多樣性和利用強度分析

1990—2024年期間，海岸線多樣性指數（ICTD）整體較高，平均值為0.68；呈現先增加（1990—2010年）后減少（2010—2024年）的趨勢，海岸線多樣性指數最高達0.74（表5）。表明研究區在研究時段內海岸線多樣性程度較高，在1990—2010年期間，海岸線類型逐漸復雜，多樣性程度逐漸變高；在2010—2024年期間，海岸線類型逐漸簡單，多樣性程度逐漸降低，且低于1990年。這也進一步表明人類對研究區范圍內海岸線的開發利用方式先多元化后逐漸單一，以港口碼頭岸線、建設圍堤岸線等人工岸線開發為主。

海岸線利用強度指數（ICUD）持續增加的趨勢，在2010—2015年期間，ICUD增加較快，2015—2024年期間增速明顯變緩（表5）。這表明研究區海岸線受人類活動的影響逐漸變大，尤其在2010—2015年階段，受到港口碼頭大力開發建設的影響，ICUD增加最快；但在2015年后，海岸線的保護開發、生態修復等工程的開展，ICUD的增速明顯放緩。因此，34年間，研究區海岸線變遷受人為作用的影響較大，但2015年后影響程度增大的增速有所放緩。

4結論通過目視解譯提取的日照市海岸線成果與崔妍等學者［16］較為一致，能夠滿足本文研究的需求。但由于本研究成果受到數據源分辨率的限制，與日照市海岸線真實狀況會存在一定偏差；同時也難以根據《海岸線調查技術規范》（DB37/T 3588—2019）劃分具有自然岸灘形態與生態功能的海岸線。

本文基于1990—2024年期間的長時間序列Landsat影像，通過目視解譯的方法，提取了8期日照市海岸線數據，并利用海岸線變遷強度、海岸線多樣性指數、海岸線利用綜合指數等指標進行時空特征變化分析。研究結果表明：（1）海岸線整體呈現逐年增長的態勢，從1990年的99.73 km增長至2024年的168.59 km；增速由緩到快再到緩3個階段，其中2005—2010年間增速最快，平均每年增速達4.03 km/a。

（2）海岸線內部結構變化來看，自然岸線和人工岸線整體呈現出此消彼長的態勢，自然岸線保有率由1990年的62.10%下降至2024年的18.24%。

（3）海岸線整體空間格局呈現不穩定的態勢，向海一側推進速度遠超向大陸一側后退速度，其中日照港、嵐山港等局部地區變化最為劇烈。

（4）研究區海岸線多樣性指數平均值為0.68，呈現先高后低的變化趨勢，但總體來看岸線多樣性程度較高；海岸線利用強度受港口碼頭建設等人為活動的影響較大，而且影響程度逐漸增大，但2015年后影響程度增大的速度有所放緩。

在后續的研究過程中，將通過獲取高分辨率影像數據，提取海岸線精細化成果，并從多角度分析海岸線變遷的驅動因素，從而更為全面的揭示日照市海岸線變遷情況。

參考文獻：

［1］郭玉，侯西勇.中國大陸海岸線與陸海兩側空間利用關聯特征［J］.地球信息科學學報，2024，26（6）：1426-1438.

［2］龐慶莊，郭建超，崔盼盼，等.人類活動對遼河口海岸線和海岸帶景觀演變影響［J］.生態科學，2024，43（2）：58-66.

［3］馬苑浩，辜鵬，周春艷，等.基于遙感影像的浙江省三門灣近40年海岸線及海岸帶時空變化分析［J］.海洋地質前沿，2024，40（4）：60-70.

［4］劉石棟，趙巖，馬紹偉，等.基于實景三維模型的海岸建筑退縮線劃定及管控新方法研究［J］.山東國土資源，2023，39（9）：54-59.

［5］張翔，王霄鵬，黃安齊，等.基于遙感影像提取山東半島復雜海岸線及海岸線多年變遷研究［J］.海洋湖沼通報，2021，43（2）：171-181.

［6］周夏青.海岸帶土地生態系統服務價值評價及治理保護對策研究：以威海市為例［J］.山東國土資源，2023，39（9）：72-78.

［7］劉惠惠，車向紅，李麗，等.基于Landsat影像的連云港1984—2018年海岸線時空變化分析［J］.遙感信息，2022，37（3）：129-134.

［8］楊長坤，劉召芹，王崇倡，等.2001—2013年遼東灣海岸帶空間變化分析［J］.國土資源遙感，2015，27（4）：150-157.

［9］RATNA D，WIETSKE B，ALFRED S，et al.Fuzzy Classification for Shoreline Change Monitoring in a Part of the Northern Coastal Area of Java， Indonesia［J］.Remote Sensing，2016，8（3）：190-215.

［10］GHOSH M K，KUMAR L，ROY C.Monitoring the coastline change of Hatiya Island in Bangladesh using remote sensing techniques［J］.Isprs Journal of Photogrammetry amp; Remote Sensing，2015，101：137-144.

［11］林彤，楊木壯，宋榕潮，等.基于遙感影像的廣州海岸帶空間演變及其生態效益評價［J］.國土與自然資源研究，2021（3）：42-47.

［12］王菡，孫貴芹，李雪飛，等.1985—2020年濱州和東營海岸線時空演變分析［J］.科學技術與工程，2022，22（15）：6013-6021.

［13］黃詩寧，楊現坤，董永宏，等.基于Landsat影像的惠州海岸線近30年動態變化監測［J］.廣州大學學報（自然科學版），2024，23（1）：60-71.

［14］劉朱婷.基于Landsat影像的廣東省海岸線遙感提取和變化研究［J］.廣東水利水電，2024（4）：104-111.

［15］梁立，劉慶生，劉高煥，等.基于遙感影像的海岸線提取方法綜述［J］.地球信息科學學報，2018，20（12）：1745-1755.

［16］崔妍，于迪，郝義，等.日照濱海地區岸線和土地利用演變研究［J］.海洋地質與第四紀地質，2022，42（3）：76-86.

［17］趙連杰，吳孟泉，鄭龍嘯，等.膠東半島北部海岸線時空變遷及驅動分析［J］.自然資源遙感，2022，34（4）：87-96.

［18］毋亭.近70年中國大陸岸線變化的時空特征分析［D］.煙臺：中國科學院煙臺海岸帶研究所，2016.

［19］莊大方，劉紀遠.中國土地利用程度的區域分異模型研究［J］.自然資源學報，1997（2）：10-16.

Abstract：As a link between land and the ocean， the coastline has important ecological functions and resource value. Studying the spatiotemporal evolution characteristics of the coastline has important guiding significance for the protection， development， restoration and management of local nearshore spatial resources. In this paper， based on long-term landsat image data from 1990 to 2024， by using visual interpretation method， the spatiotemporal evolution characteristics of the coastline in Rizhao city has been studied. As showed by the research result， the coastline shows a trend of annual growth， with the fastest growth rate from 2005 to 2010， and with an average annual growth rate of 4.03km/a. The overall trend of natural shoreline and artificial shoreline shows a trade-off， with the retention rate of natural shoreline decreasing from 62.10% in 1990 to 18.24% in 2024. The overall spatial pattern of the coastline shows an unstable trend， with the advancing speed towards the sea side far exceeding the retreating speed towards the mainland side. Rizhao Port and Lanshan Port experience the most drastic changes. During the research period， the diversity of the coastline is relatively high， and the changes in the coastline are greatly influenced by human activities.

Key words：Landsat; coastline; temporal and spatial changes; Rizhao city

收稿日期：20240701；修訂日期：20240913；編輯：陶衛衛

基金項目：日照市自然科學基金項目《日照市重點海灘長效地質演化與保護技術研究》（項目編號：RZ2022ZR50）

作者簡介：李忠涵（1994—），女，山東青島人，工程師，主要從事測繪工程、地理信息相關工作；Email：87981435@qq.com

*通訊作者：王惠（1987—），女，山東棗莊人，工程師，主要從事地質工程、水工環地質、地理信息等工作；Email：345230694@qq.com