基于Landsat時間序列影像的山東榮成海岸線變遷研究

中圖分類號：TP79 文獻標識碼：A doi：10.12128/j.issn.1672 -6979.2025.06.010

0引言

海岸帶的海陸交互相對頻繁，人類活動對其影響甚為巨大[1-2]。海岸線變遷是海岸帶研究的基礎內容之一，同時也是海岸帶研究調查的重點[3]。宋昊等[4使用增強歸一化差異水體指數對水體富營養化進行研究，熊珂等[5]利用歸一化差異水體指數進行了水體面積變化監測，李浩等[對1973—2023年威海灣海岸線變遷及驅動力予以研究分析，孫曉林等對1988—2017年威海市海岸線時空變化及其驅動力進行了研究，李梅娜等[8對1990—2013年威海海岸線變遷開展了分析，王菡9對1975—2020 年威海市城市化影像的海灣空間資源時空演變予以研究，對但均對榮成市海岸線變遷研究甚少，因此本文采用2000、2005、2010、2015、2022年多期遙感影像數據，對榮成海岸線變遷開展研究，分析榮成20年來榮成海岸線變遷情況，為榮成市海岸帶的管理及開發利用提供數據參考。

1 研究區概況與數據源

1. 1 研究區概況

該研究區位于山東省威海榮成市，西、西南與文登市接壤，西北與環翠區相鄰，北、東、南三面瀕臨黃海，東與韓國隔海相望。研究區海岸線長491.9km ，海岸地貌和底質類型復雜多樣，海岸線蜿蜒曲折，岬灣交錯，巖礁星羅棋布，淺海灘涂面積廣闊，水產資源豐富，研究區位置見圖1。

研究區南北高、中間低，呈馬鞍形，地勢整體由西北向東南傾斜。在地質演化史上，該區自太古-元古代以來長期處于緩慢上升狀態而未接受顯著沉積，中生代印支期和燕山晚期以來，陸臺活化上升，巖漿活動加劇，侵蝕作用強烈，隨后趨于穩定，陸臺經歷了長期剝蝕，特別是第四紀以來的風化、剝蝕和搬運堆積作用，各種營力對其進一步雕塑，形成當今的地貌[10-11]。因研究區三面環海，海洋性氣候特點突出，表現為四季分明，春冷、夏涼、秋溫、冬暖。這種氣候特點對研究區的生態環境和生物多樣性產生了重要影響，也為該區域的海洋資源開發和利用提供了有利條件。

1. 2 數據源

海岸帶地質環境解譯通常采用多光譜、多時相、高分辨率全色衛星數據，目前常用的衛星遙感影像數據源有Landsat、SPOT、QUICKBIRD、IKONOS、ASTER、ALOS、北京一號小衛星、高分系列衛星、中巴資源衛星等[12-17]。Landsat系列衛星自1972年發射以來，至今已發射9顆衛星，廣泛應用于地下礦藏、海洋資源和地下水資源的調查，以及自然植物的生長和地貌研究等領域[18-21]。我國的高分系列衛星于2013年發射，現已發射7顆基礎系列衛星，其影像數據在國土資源勘查、環境監測與保護、城市規劃等領域發揮了重要作用[22-25]。由于早期米級和亞米級的高分辨率遙感影像數據相對較少，且本次研究時間跨度相對較大，單顆衛星數據很難滿足研究需求，因此，本研究使用Landsat系列衛星影像數據開展榮成市海岸線變遷研究。具體使用的遙感影像數據見表1。

2 數據處理

2.1 數據預處理

數據預處理主要包括輻射定標、大氣校正、正射校正以及影像融合與鑲嵌4個關鍵步驟。輻射定標是將不同時相、不同傳感器獲取的影像亮度灰度值轉換為絕對輻射亮度的過程，其核心目的是消除傳感器自身誤差，確保獲取準確的輻射值。大氣校正則是通過消除大氣因素引起的輻射誤差，反演出地物真實的地表反射率，從而提高數據的準確性。正射校正旨在消除Landsat原始影像中因光學系統畸變、姿態變化和地球曲率等因素導致的數據畸變和失真，保證影像的空間幾何精度。影像融合與鑲嵌是將多幅不同類型和分辨率的影像進行整合，生成一幅綜合影像，從而提取更多有效信息，大幅提高數據的使用效率。本次使用ENVI5.3和ArcMapl0.8兩種軟件相結合的方式，對Landsat影像數據進行預處理。

2.2 海岸線專題信息提取

目前，遙感影像海岸線專題信息提取主要采用目視解譯和自動解譯2種方法。傳統的目視解譯通過手工透圖作業實現，雖然方法簡單直觀，但存在較大的人為誤差。自動解譯則是將海岸線作為影像的邊緣特征進行檢測，以提取影像海岸線。隨著計算機技術的快速發展，自動解譯技術取得了顯著進步，各類新算法層出不窮，逐漸成為當前海岸線解譯的主流方向。本次使用ArcMaplO.8對Landsat影像進行岸線信息提取。

歸一化差異水體指數（MNDWI）能夠結合綠色波段和短紅外波段增強水體與背景地物（如建筑物、植被、裸土）的光譜差異，同時對含沙量較高的渾濁水體也有一定識別能力，能夠有效減少城市區和植被的錯誤分類，提高海岸線提取精度。因歸一化差異水體指數具有上述特點，所以本文采用歸一化差異水體指數提取海岸線，根據文獻[5]，歸一化差異水體指數公式見式（1）：

其中： ρ（Green） 為綠波波段，對應Landsat影像的第2個波段； ρ（MIR） 為中紅外波段，對應Landsat影像的第5個波段。

3變遷結果

3.1 海岸線類型

我國近海海洋綜合調查與評價專項中設置了海岸帶衛星遙感調查任務，該任務將海岸線類型劃分為人工岸線、基巖岸線、砂質岸線、粉砂淤泥質岸線和生物岸線五類。本研究基于Landsat影像，分析了各種海岸類型在影像中的構筑特征，從顏色、紋理、地物鄰接關系等方面建立海岸類型的遙感解譯標志，提出研究區所包含的岸線（主要是人工岸線、基巖岸線、砂質岸線）的提取原則，最后對提取結果進行詳細分析。

3.1.1 人工岸線

人工岸線是由人工建筑物形成的海岸線，其主要由混凝土等材料建造的水工建筑構成，旨在阻擋海水。在設計上，這些建筑物需確保在大潮期間海水不會漫過堤岸。研究區內的人工岸線分布廣泛，類型多樣，主要包括防潮堤、防波堤、凸堤、碼頭、養殖區、道路和鹽田等。這些人工建筑物往往具有規則的形狀，取其外沿作為海岸線，在遙感影像上可以清晰的識別（圖2）。

3.1.2 基巖岸線

基巖海岸分布于易受波浪沖蝕和沿岸流沖刷的區域，其典型地貌特征是突出的海岬和深入陸地的海灣，水邊線大多呈不規則鋸齒狀，岸外廣泛遍布礁巖、巨石、海蝕平臺、海蝕崖。基巖海岸有明顯的起伏狀態和巖石構造特征，近岸水域較深，在遙感影像上顏色呈現深色調，破波帶呈亮白色，近岸礁石呈灰白色，分布散亂且亮度不均，紋理較為粗糙。在遙感解譯中，基巖岸線的位置應在明顯的水陸分界線上。

具體而言，礁石、破波帶等特征位于岸線的向海一側，而植被、裸巖和建筑物等地物則位于岸線向陸一側。海岸植被根據不同的長勢呈淺紅色或暗紅色，裸巖則表現為灰白色。基巖海岸與海水交界處具有明顯的邊界特征，其解譯標志體現在海岬角以及直立陡崖與海水的交界部位（圖3）。

3.1.3 砂質岸線

砂質岸線位于砂質海岸上，砂質海岸常分為一般砂質海岸和具有陡崖的砂質海岸兩類。研究區的砂質岸線分布廣泛，特征明顯，典型的砂質海岸通常呈現較為平直的地貌特征，其海灘上部因受大潮潮水搬運作用，常常堆積成一條與岸平行的脊狀砂質沉積——灘脊。灘脊的位置即為海岸線的實際位置，一般在干燥的沙灘下限處，堆積成一條痕跡線。從遙感影像特征來看，干燥灘面由于具有較高的光譜反射率，在影像上呈現為明亮的白色區域，而灘脊痕跡線處因堆積有植物碎屑及其他雜物，其亮度相對較低，海水的光譜反射率較低，含水量較高的沙灘光譜反射率也較低，在影像上表現為較暗的色調。基于遙感影像解譯特征，砂質岸線的準確位置應取在灘脊痕跡線上限處（圖4）。

需要特別說明的是，由于潮汐作用的影響，沙灘區域會出現周期性淹沒現象，當海水退去時，曾被淹沒的沙灘區域在影像上呈現較低的亮度值，而未被淹沒的區域則保持較高的亮度特征。從海岸線定義的角度而言，海岸線應是水體與陸地的分界線，而非僅區分砂質與非砂質地物。

3.2 海岸線提取

本文基于2000年、2005年、2010年、2015年和2022年5個時相的Landsat遙感影像數據，對海岸線進行瞬時水邊線進行提取。其中2000年影像顯示榮成海岸線形態相對自然，潟湖、海灣等典型地貌特征顯著，影像中發現局部海灣出現港口建設、人工養殖區圍堰的現象，岸線開始呈現局部規則化趨勢。2000—2022年間榮成海岸線總長度增加53.81km ，年均變化速率僅為 2.45km 。

3.3 海岸線類型解譯

本文基于上述岸線類型識別方法，對榮成市海岸線進行了系統解譯與分類。通過綜合分析多源遙感影像數據，結合實地驗證結果，準確識別了研究區域內的各類岸線類型，包括基巖岸線、砂質岸線以及人工岸線等，這些成果清晰地反映了榮成海岸線在時間序列上的空間分布特征及其動態變化規律，不同年度岸線類型解譯見圖5。

4變遷分析

2000—2022年間，研究區域海岸線發生了顯著變化，其中人工海岸線的變遷尤為突出，整體呈現持續增長態勢。具體而言，2000—2005年間，海岸線變化主要表現為人工岸線的擴張，主要表現在養殖區的變化和碼頭的興建等。通過遙感影像分析可以清晰觀察到，部分原有陸地已轉變為海水養殖區，這些變化反映了人類活動對海岸帶環境的顯著影響（圖6）。

2005—2010年間，海岸線持續發生變化，人類工程活動對海岸線演變影響顯著，主要表現在人工建筑物的持續擴建。以王家灣北部區域為例，該時期新建了兩座大型港口碼頭，這一現象充分反映了人類活動對海岸帶環境的顯著影響，同時也體現了該區域海洋經濟發展的強勁勢頭（圖7）。

2010—2015年間，研究區域海岸線發生變化的主要因素仍為人類工程活動的影響，主要表現在人圖72005—2010年Landsat影像海岸線變遷信息特征圖工建筑物的持續擴建上，例如聯絡灣北部碼頭的規模不斷擴大，這些人為干預活動不僅改變了海岸線的自然形態，也對周邊海洋生態環境產生了深遠影響（圖8）。

2015—2022年間，研究區域海岸線持續發生明細變化，其中人類工程活動是主要驅動因素。與2015年相比，海岸線變化幅度呈現明顯下降趨勢。

通過遙感影像分析發現，海岸線變化最突出的特征是人工建筑物的持續擴建，特別是在靖海灣東部區域，碼頭等人工設施的建設尤為顯著，這一變化趨勢反映了人類活動對海岸帶環境的持續影響，同時也表明海岸線變化速率趨于平緩（圖9）。

總體而言，2000—2022年榮成海岸線變化相對顯著，主要表現為人工岸線的變遷。這一變化主要受人類活動驅動，其中養殖區邊界擴張和人工建筑的擴建是岸線變化的主要因素。從空間分布來看，海岸線變化具有明顯的區域差異性，以榮成東南部和南部變化最為明顯，而北部變化相對不明顯，本文實測的詳細變遷數據見表2。

根據表2的數據分析，海岸線變遷最明顯的為人工海岸線的增加，港口碼頭的修建人為地改變了海岸線現狀，增加了海岸線長度，這一變化趨勢反映了人類活動對海岸帶環境的顯著影響，同時也為海岸帶綜合管理提供了重要參考。

5 結語

本研究選用2000年、2005年、2010年、2015年、2022年多期Landsat遙感影像對榮成市海岸線進行解譯，根據對2000—2022年不同年度提取的海岸線解譯分析得出結論如下：

（1）2000—2022年榮成海岸線共增加53.81km ，其中人工岸線增長 100.94km ，其增長整體呈放緩趨勢，增速在2000—2005年最大，基巖岸線和砂質岸線整體先減少后趨于穩定，分別減少29.60km 和 17.53km 。

（2）研究通過2022年度時間序列分析，揭示了榮成海岸線從“快速開發\"到“保護修復”的完整轉型軌跡。這期間的人類活動（如養殖區擴展和港口碼頭建設）是海岸線變化的主要驅動力，在空間分布上主要體現在榮成東南部和南部區域。

（3）榮成市早期人工岸線擴張階段缺乏生態補償機制，導致自然岸線損失不可逆。建議榮成市在未來的海岸帶管理中，加強對人工岸線擴張的管控和規劃，確保海岸帶資源的可持續利用。同時應重視海岸帶生態環境的保護，減少人類活動對自然海岸線的負面影響。

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Study on the Changes of Rongcheng Coastline Based on Landsat Time Series Imagery

SUN Mengxin12，JIANG Zhaojun12，JIANG Hao3， WANG Yulian’， SHAO Qifan12， JIANGYongqing1'2 ，XING Xiaoping1'2，SONG Bin1，2

（1.No.6 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources（No.6 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources）， Shandong Weihai ，China;2. Shandong Province Data Open Innovation Application Laboratory， Shandong Weihai ， China; 3.Beijing Vocational College of Agriculture，Beijing lO2442，China）

Abstract：As an ecotone between the ocean and land，coastline plays a crucial role in ecological functions and resource value. Its dynamic changes are directly linked to green development of marine economy，marine ecological security and the well-being of coastal communities.It is the \"lifeline\" of marine economic development. By using multi- temporal Landsat satelite remote sensing images，combining with remote sensing interpretation and GIS spatial analysis techniques，spatiotemporal changes of Rongcheng coastline from 200O to 2022 have been systematically analyzed. It is revealed that the total length of Rongcheng coastline has increased 53.81km during this period. Artificial coastlines has expanded significantly，while bedrock and sandy coastlines initially has decreased before stabilizing. The period from 2Ooo to 2005 is the most rapid growth of artificial coastlines，with an increase of 100.94km . It is primarily driven by human activities，such as port construction and aquaculture expansion. This rapid growth has not only altered natural morphology of the coastal zone， but also profound impacts on the coastal ecosystem. Accompanying with increasing awareness of ecological and environmental protection，development activities in Rongcheng coastal zone have gradually become more rational， and the rate of coastline changes has slowed. It is recommended that dynamic monitoring of coastal zone changes should be strengthened，spatial layout of the coastal zone should be optimized，and more intensive and efficient development and utilization of coastal areas should be promoted. It will ensure that precious coastal resources in Rongcheng city will become a vital foundation for \"Free Breathing ?? Natural Rongcheng\".

Key words：Landsat image； coastline change；remote sensing interpretation; Rongcheng city in Shandong province