基于GF-1衛星遙感影像的海岸線生態化監測與評價研究
——以營口市為例

索安寧， 曹可，初佳蘭，于永海，王權明，關道明*

(1.國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116023; 2.國家海洋局海域管理技術重點實驗室，遼寧 大連116023)

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基于GF-1衛星遙感影像的海岸線生態化監測與評價研究
——以營口市為例

索安寧1,2， 曹可1,2，初佳蘭1,2，于永海1,2，王權明1,2，關道明1,2*

(1.國家海洋環境監測中心，遼寧 大連 116023; 2.國家海洋局海域管理技術重點實驗室，遼寧 大連116023)

海岸線是海洋與陸地的分界線，也是重要的生態交錯線。本文采用GF-1衛星遙感影像，通過監測大潮高潮時刻和小潮低潮時刻海岸水陸邊界線，構建了潮間帶完整性系數，以此為依據將海岸線劃分為自然海岸線、具有基本生態功能的人工海岸線、具有部分生態功能的人工海岸線、具有有限生態功能的人工海岸線、具有少量生態功能的人工海岸線和無生態功能的人工海岸線。在此基礎上，結合潮間帶完整性系數及其毗鄰海岸線長度，構建了海岸線生態化指數，用以評價區域海岸線的生態化程度。營口市海岸線以無生態功能的人工海岸線、自然海岸線和具有少量生態功能的人工海岸線為主，分別占到海岸線總長度的45.74%、18.31%和15.53%。營口市總體海岸線生態化指數為0.29，其中西城區、老邊區、蓋州北、鲅魚圈區和蓋州南分別為0.55、0.17、0.40、0.10和0.55。

海岸線；衛星遙感影像；潮間帶完整性；水陸邊界線；生態功能

1 引言

海岸線是海洋與陸地的分界線，但受到潮汐、波浪、風暴潮等海洋水動力環境的影響，海岸線有進有退，時刻處于變化過程中[1—2]。這種海岸線的往復進退變化造就了海洋與陸地之間一種獨特的生態系統——潮間帶生態系統。潮間帶生態系統受海水漲落影響，漲潮為海，落潮為灘，具有海洋、陸地、濕地等多種生境特征，是許多海洋生物、濕地生物、水陸兩棲生物、乃至鳥類的重要棲息地，被稱為全球生物多樣性最為豐富的生態系統之一。

為此，海岸線一直成為全球地理學、海洋學、生態學研究的熱點區域，1967年英國科學家Mandelbrot在《Science》雜志發表了不列顛海岸線有多長的研究報道，引起了全球科學家對海岸線研究的關注[3]。1985年美國科學家Bird出版的《Coastline Changes, A Global Review》全面分析了近幾十年全球海岸線進退，并將海岸線劃分為冰川懸崖海岸、三角洲海岸、沼澤濕地海岸和人工海岸等類型[4]。隨著衛星遙感技術的發展，利用衛星遙感影像提取海岸線并研究其變化過程成為海岸線研究的一個重要領域，1990年Jong等最早利用SAR衛星遙感影像建立了海岸水陸邊界線探測與信息提取方法，此后相關學者對基于SAR衛星遙感影像提取海岸線的方法進行了不斷探究完善[5—7]。2000年以來，利用各類衛星遙感影像提取海岸線的研究大量報道，這些研究工作大致可以分為兩個方面：一是利用衛星遙感影像提取海岸線技術方法的研究探討，如Giancarlo等利用遙感影像建立海岸線半自動探測技術[8]，陸立明等建立的基于合成孔徑雷達回波數據的海岸線提取方法[9—12]；二是針對某一區域的海岸線類型、位置、形態變化的遙感監測與驅動機制分析，如Asmar、Nuuyen、Sagheer等分別利用衛星遙感影像研究了尼羅河口海岸線、湄公河口海岸線、紅海地區海岸線的變化過程，并分析了海岸線變化的原因[13—15]。我國近幾十年的大規模海岸開發活動導致了海岸線發生了較大變化，王建步等[16]、李行等[17]分別開展了遼河口、江蘇省海岸線變化的遙感分析研究，高志強等[18]、高義等[19]、劉百橋等[20]分別對近30年全國海岸線進行了遙感監測和變化情況分析。2014年Ma等在《Science》雜志發表了關于中國海岸新長城再思考的研究報道，提出2010年我國人工海堤長度已達到11 000 km，占全國大陸海岸線總長度的61%[21]。這些人工海岸線大多是以占用和破壞潮間帶濕地為代價的，由此產生的生態影響也受到眾多學者的關注[22]。

縱觀國內外海岸線研究，發現一些學者雖然將海岸線劃分為基巖海岸、砂質海岸、淤泥質海岸、人工海岸等類型，并建立了各類海岸線的遙感影像特征及解譯標志，但關于自然海岸線和人工海岸線的科學界定，一直缺乏詳細的理論探討[23—25]，以至于許多研究僅通過遙感影像就將海岸帶存在人工構筑物的岸段全部劃分為人工海岸線，這與海岸線的實際情況是相悖的。對于人工海岸線，也不能完全否認其生態功能，而應通過監測人工堤壩在潮間帶的空間位置，評價其對潮間帶生態系統完整性的影響程度。對于那些處于潮間帶中上部，對潮間帶生態系統完整性影響不大的人工防潮堤壩岸段，不能完全視為人工海岸線。

為明晰自然海岸線遙感監測的理論依據和技術方法，本文采用國產GF-1衛星遙感影像，以營口市海岸為例，構建自然海岸線與人工海岸線界定的潮間帶生態系統完整性理論基礎，建立了海岸潮間帶完整性遙感監測的技術方法，及其海岸線生態化評價模型，以期為海岸線生態化遙感監測與評價提供理論與技術依據。

2 研究區概況

營口市海岸位于遼東灣東北部，大遼河入海口以南，浮渡河入海口以北，地理位置40°25′～40°40′N，122°5′～122°25′E，海岸直線長度122 km，北部靠近營口市區為淤泥質海岸，中部團山-鲅魚圈岸段為基巖海岸，南部鲅魚圈港以南為砂質海岸，兩端的大遼河口和浮渡河口為河口海岸。近幾十年來，受圍海曬鹽、圍海養殖、港口碼頭建設、填海造地等人類開發利用活動的影響，海岸潮間帶存在土石圍堰堤壩、 斜坡式防潮防浪堤壩、直立碼頭堤壩等形態和用途不一的海岸人工構筑物。多樣的海岸底質類型與復雜的海岸開發利用方式使營口市海岸成為我國北方海岸特征的一個縮影。營口市海岸按行政區劃分為西城區、老邊區、蓋州市、鲅魚圈區，具體空間位置見圖1。

2 研究方法

2.1 數據源

根據營口市海岸區域潮汐表，該區域平均大潮高潮位418.59 cm，出現在每年6月、7月、8月和9月的15-19時；平均小潮低潮位2.33 cm，出現在每年1月、2月、3月、11月和12月的12-24時。

GF-1衛星是我國自主研發的對地觀測衛星，搭載了兩臺2.0 m空間分辨率全色與8.0 m空間分辨率多光譜相機，處于太陽同步回歸軌道，同一地點重復回訪周期為4 d。GF-1衛星遙感影像具有B、G、R、NIR四個多光譜和一個全色波段，全色波段空間分辨率2.0 m。為了提取研究區域高潮時刻和低潮時刻的水陸邊界線，本文收集到覆蓋研究區域小潮低潮時刻采集的GF-1衛星遙感影像4景，影像獲取時間為2015年2月23日至3月24日之間的每天11—18時；大潮高潮時刻采集的GF-1衛星遙感影像5景，獲取時間為2015年7月17日至8月26日之間的每天11—19時。同時收集到覆蓋研究區域大潮高潮時刻采集的資源三號衛星遙感影像作為高潮時刻水陸邊界線提取的補充數據。參考數據1∶10 000數字地形圖。

2.2 數據預處理

由于大氣校正和輻射校正在衛星地面接收站已進行了處理。本文的數據預處理主要進行幾何精校正。具體方法如下：(1)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，地面控制點主要選取道路交叉口或圍堰交叉口，交叉口盡量呈直角，定于兩條道路或圍堰相交邊線的直角頂點，便于實測定位；(2)利用手持GPS在現場找到衛星遙感影像上的控制點位置，采用高精度信標機在控制點上進行現場定位；(3)利用遙感影像處理軟件ERDAS IMAGE9.2采用二元三次多項式對衛星遙感影像全色波段進行幾何精校正，校正方法見參考文獻[26]。利用1∶10 000數字地形圖對比檢查精校正好的衛星遙感影像。

圖1 研究區空間位置圖Fig.1 Location of study area

2.3 水陸邊界線衛星遙感影像信息提取

水陸邊界線在衛星遙感影像上可以看作影像灰度值發生階躍變化的邊緣點集合，可用邊緣檢測算法自動提取水陸邊界線，常用的邊緣檢測算法有Roberts算法、Prewitt算法、Sobel算法、Laplace算法、Canny算法等，其中Canny算法對于衛星遙感影像中水陸邊界線的階梯型邊緣檢測效果最好[27—28]。為此，本文采用Canny算法分別提取研究區大潮高潮時刻和小潮低潮時刻獲取的衛星遙感影像上的水陸邊界線，在衛星遙感影像提取的水陸邊界線中選取大潮高潮時刻的最高線和小潮低潮時刻的最低線分別作為營口市海岸大潮高潮時刻和小潮低潮時刻的水陸邊界線(圖2)。將遙感影像提取的高潮時刻水陸邊界線與低潮時刻水陸邊界線與1∶10 000地形圖中的4.0 m等高線和0 m等高線進行疊加對比，并在高潮時刻水陸邊界線和低潮時刻水陸邊界線隨機各選取25個檢驗點，高潮時刻水陸邊界線有24個檢驗點兩線重合，低潮時刻全部25個檢驗點兩線重合。

圖2 營口市海岸高潮時刻和低潮時刻水陸邊界線Fig.2 Land boundary line at time of high tide and low tide in Yingkou

圖3 潮間帶剖面結構示意圖Fig.3 Section drawing of tidal zone

2.4 潮間帶生態系統完整性識別與類型劃分

根據潮間帶定義，海岸平均大潮高潮時刻的水陸邊界線與平均小潮低潮時刻的水陸邊界線之間為潮間帶[2]，具體如圖3所示。潮間帶在自然狀態下，平均小潮低潮時刻水陸邊界線至平均大潮高潮時刻水陸邊界線之間的平面直線距離為L。如果因人類活動，在潮間帶構筑了海岸人工堤壩，平均大潮高潮時刻的水陸邊界線就會向海推進，平均小潮低潮時刻水陸邊界線至平均大潮高潮時刻水陸邊界線之間的平面直接距離就會變化。為了定量描述海岸人工堤壩對潮間帶生態系統完整性的影響程度，本文構建了潮間帶完整性系數如下：

(1)

式中，Q為潮間帶完整性系數，L為潮間帶無人類干擾情況下平均小潮低潮時刻水陸邊界線至平均大潮高潮時刻水陸邊界線的平面直線距離，k為潮間帶存在海岸人工堤壩情況下平均小潮低潮位時刻水陸邊界線至海岸人工堤壩坡腳的平面直線距離。在潮間帶存在海岸人工堤壩情況下L一般難以直接測量，但可以通過測量高潮時刻海岸人工堤壩坡腳處水深和潮間帶平均坡度間接推算，具體推算公式如下：

L=k+hcotα,

(2)

式中，h為高潮時刻海岸人工堤壩坡腳處水深，a為海岸潮間帶平均坡度。

通過潮間帶完整性系數Q可以判斷潮間帶的完整性程度，當Q≥1.0時，說明海岸人工堤壩位于潮間帶平均大潮高潮時刻水陸邊界線以上，海岸人工堤壩對潮間帶完整性沒有影響，屬于自然海岸線；當Q≤0時，說明海岸人工堤壩位于潮間帶平均小潮低潮時刻水陸邊界線以下，海岸人工堤壩全部占用了潮間帶空間，潮間帶生態系統完全消失，屬于無生態功能的人工海岸線；當0

表1 海岸線生態化類型劃分

2.5 海岸線生態化評價指標

為了定量描述一個區域海岸線生態化水平總體狀況，或者反映一個區域海岸線生態功能受人類活動影響程度的總體狀況，本文在海岸潮間帶完整性系數的基礎上，構建了海岸線生態化指數，計算方法如下：

(1)

圖4 營口市海岸潮間帶完整性系數分布圖Fig.4 Completeness index for tidal zone in Yingkou

式中，ECi為第i區域海岸線生態化指數，Qj為第j岸段海岸潮間帶完整性系數，lj為第j岸段長度，j為第i區域岸段數量。

根據研究區域海岸潮間帶生態系統完整性程度，本文開展了具有一定生態功能的人工海岸線的現場測量，包括海岸人工堤壩高潮痕跡線至坡腳高度，及其潮間帶灘涂平均坡度，共測量岸段數據32組。

3 結果分析

3.1 營口市海岸潮間帶完整性分析與生態化類型劃分

圖4為營口市海岸潮間帶完整性系數分布圖，可以看出營口市潮間帶完整性系數為1.0的岸段，主要分布在團山、月亮灣、仙人島和白沙灣，長度分別為5.62 km、4.09 km、3.93 km和11.15 km，其中團山岸段和仙人島岸段為基巖海岸線，月亮灣岸段和白沙灣岸段為砂質海岸線。潮間帶完整性系數為0的岸段，主要分布在鲅魚圈港口碼頭區、仙人島石化工業區、鞍鋼工業區以及藍旗海岸圍海養殖區，長度分別為36.56 km、17.84 km、17.55 km和6.10 km，全部為人工堤壩海岸線。潮間帶完整性系數處于0.80～1.0之間的海岸線長度為8.83 km，占研究區海岸線總長度的3.73%，主要分布在仙人島、北海局部岸段，長度分別為2.79 km和4.52 km。潮間帶完整性系數處于0.50～0.80之間的海岸線長度為24.67 km，占研究區海岸線總長度的10.43%，主要分布在北海、紅旗橋、月亮灣等局部岸段。潮間帶完整性系數處于0.20～0.50之間的海岸線長度為14.82 km，占研究區海岸線總長度的6.26%，主要分布在四道溝、新海大街、大清河局部岸段，長度分別為2.05 km、1.84 km和2.85 km。潮間帶完整性系數處于0～0.20之間的海岸線長度為36.75 km，占研究區海岸線總長度的15.53%，主要分布在四道溝以南、沿海產業基地岸段，長度分別為4.95 km和27.95 km。

根據潮間帶完整性系數，營口市海岸線可劃分為自然海岸線、具有基本生態功能的人工海岸線、具有部分生態功能的人工海岸線、具有有限生態功能的人工海岸線、具有少量生態功能的人工海岸線和無生態功能的人工海岸線6種類型，各類海岸線生態化類型長度與分布具體見表2。

3.2 營口市海岸線生態化狀況分析

圖5為研究區海岸線生態化指數區域分布圖，可以看出，研究區海岸線生態化指數總體為0.29，但各個區域差異比較大。蓋州南部岸段海岸線生態化指數最大，為0.55，主要因為該區域自然砂質海岸線占比例很大，海岸人工構筑物多位于高潮帶，對潮間帶生態系統完整性影響較小。西城區岸段海岸線生態化指數略小于蓋州南部岸段，該岸段處于大遼河入海口，人類活動干擾較少，濱海公路多處通過涵洞與公路以上蘆葦濕地連通，海岸基本保持自然狀態。蓋州北岸段海岸線生態化指數為0.40，該岸段北部海岸線主要以團山岸段的基巖海岸線和其以南的砂質海岸線為主，潮間帶人工構筑物相對比較少，人類活動對海岸線的干擾小。老邊區海岸線生態化指數為0.17， 該岸段北部人工堤壩外存在較寬的潮間帶濕地，具有一定的生態功能，南部海岸近年來實施了大規模的圍海養殖工程，使養殖堤壩深入到低潮線以下區域，潮間帶灘涂濕地基本消失，海岸生態功能十分有限。鲅魚圈區海岸線生態化指數最小，僅為0.10，主要因為該區域海岸修建了鲅魚圈港、鞍鋼工業區，港口碼頭岸線直接進入深水海域，海岸堤壩大多位于潮間帶低潮線以下，海岸潮間帶生態系統多已不復存在。

表2 營口市海岸線生態化類型表

圖5 營口市各區域海岸線生態化指數Fig.5 Ecological index of coastline in sub-region of Yingkou

4 討論

海岸線不僅是海洋與陸地管理的分界線，更是海洋生態系統向陸地生態系統過渡的生態交錯線，因此海洋綜合管理非常重視海岸線的生態功能[1]。《全國海洋功能區劃2011-2020年》提出到2020年全國大陸自然岸線保有率不低于35%，各省級海洋功能區劃也都提出了各自區域的大陸自然岸線保有率目標。2015年國務院發布的《水污染防治行動計劃》也提出到2020年全國自然岸線保有率不低于35%(不包括海島岸線)。環渤海三省一市劃定的渤海海洋生態紅線保護自然海岸線800 km以上，確保環渤海自然海岸線保有率不低于30%。另外，相關的專家學者開展了全國性的海岸線監測研究，Ma等報道2010年全國大陸人工堤壩岸線占大陸海岸線總長度的61%[21]。高義等報道2010年全國大陸人工海岸線所占比例由1990年的24.60%上升到2010年的56.10%[19]。劉百橋等報道2013年全國大陸自然海岸線長度8 298.12 km，占海岸線總長度的比例為43.71%[20]。雖然政府管理部門和專家學者都十分關心海岸線的生態功能，但對于自然海岸線和人工海岸線的界定一直缺乏具體的闡述，索安寧等2015年指出自然海岸線的界定應該以潮間帶生態系統完整性為原則，只要海岸人工構筑物不影響潮間帶生態系統結構功能完整性，則可認為其為自然海岸線，當海岸人工構筑物已影響到潮間帶生態系統結構功能完整性時，才能認定為人工海岸線[1]。實際上，在人類活動干擾破壞和自然水動力沖淤過程相互作用下，海岸區域地形、地物環境十分復雜，筆者認為以下情況下，仍可以看作自然海岸線：(1)在最大高潮線以下存在非透水構筑物，但非透水構筑物體積較小，漲潮后海水能沒過這些構筑物或環繞這些構筑物的海岸線，例如灘涂上修筑的橋墩、非透水島狀壩體、帶有涵洞或納潮通道的實堤公路；(2)有些淤泥質海岸，水淺灘平，圍海養殖池塘聚集，養殖池塘圍堰一般為淤泥質土壩，壩低坡緩，壩外海域灘涂仍然十分寬闊，壩體處于平均高潮線以上，基本不影響潮間帶生態系統完整性的海岸線；(3)有些淤漲型海岸，圍海或填海后，圍堰或堤壩外緣處于不斷淤漲狀態，當海水漲潮時高潮線達不到圍堰或堤壩根基線，即圍堰或堤壩不影響海水漲落潮過程的海岸線；(4)海岸筑壩圍塘，壩體處于平均高潮線以下，但圍塘內仍為自然灘涂或廢棄的養殖圍塘，且漲潮時圍塘內外仍具有水動力交換條件的海岸線。

海岸線所在的潮間帶灘涂濕地被認為具有重要的生態功能與環境價值[29—30]，而我國目前的用海項目多聚集于潮間帶灘涂濕地區域，用海項目的實施，尤其是圍填海項目的實施基本都是以填埋占用潮間帶灘涂濕地，破壞自然海岸線生態功能為代價。如何化解這種大規模用海活動壓縮自然海岸線的生態功能問題，筆者認為美國近年來實施的濕地補償銀行可為我國海岸線生態化建設提供借鑒[31]，即所有用海項目應盡量少占用潮間帶灘涂濕地，對于必須圍填占用潮間帶灘涂濕地的用海項目，項目建設方必須在毗鄰岸線海域重新營造等面積的灘涂濕地，以保證圍填新形成的海岸線達到本文界定的自然海岸線要求，實現區域自然海岸線零減少的總體目標。同時，要加大對各類生態功能受損的人工海岸線生態化建設，逐步修復無生態功能的人工海岸線、具有少量生態功能的人工海岸線等生態功能受損岸段的海岸生態功能，不斷提高海岸潮間帶完整性系數，直至滿足自然海岸線的界定要求。

5 結論

本文以營口市海岸為例，采用GF-1衛星遙感影像結合現場調查方法，探索構建了潮間帶生態系統完整性判定的理論方法，以此為基礎來劃分自然海岸線和人工海岸線，并根據人工海岸線潮間帶生態系統完整性的受損程度，將人工海岸線細化為具有基本生態功能的人工海岸線、具有部分生態功能的人工海岸線、具有有限生態功能的人工海岸線、具有少量生態功能的人工海岸線和無生態功能的人工海岸線5種類型。在此基礎上，構建了海岸線生態化指數，為海岸線類型劃分及其生態化監測與評估提供技術方法。營口市海岸線研究結果表明：GF-1衛星遙感影像結合海岸潮汐過程，能夠較好地提取高、低潮時刻的水陸邊界線，實現潮間帶完整性系數計算、海岸線類型劃分和區域海岸線生態化狀況總體評價。希望本文能夠為自然海岸線的界定、海岸線生態化監測、生態用海模式探索及人工海岸線生態化建設等海洋生態文明建設提供思路與技術方法。

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A study on monitoring and analysis of ecological coastline based on GF-1 Satellite remote sensing images: A case study in Yingkou

Suo Anning1,2, Cao Ke1,2, Chu Jialan1,2, Yu Yonghai1,2, Wang Quanming1,2, Guan Daoming1,2

(1.NationalMarineEnvironmentMonitoringCenter,Dalian116023，China；2.KeyLaboraryofSeaFieldManagementTechnology,StateOceanicAdministration,Dalian116023,China)

Coastline is boundary line of land and sea, it is also an ecotone between land ecosystem and marine ecosystem. This paper employ GF-1 Satellite remote sensing images to monitor land boundary line at time of high tide and low tide, and create a tidal zone completeness index. The coastline is divided into natural coastline, artificial coastline with basic ecological function, artificial coastline with part ecological function, artificial coastline with limited ecological function, artificial coastline with few ecological function and artificial coastline with none ecological function based on tidal zone completeness index. Then the ecological index of coastline is established to evaluate the ecological condition of coastline in regional scale. The coastline in Yingkou is dominated by artificial coastline with none ecological function, natural coastline and artificial coastline with few ecological function. Their length is account for 45.74%, 18.31% and 15.53% of total coastline in Yingkou. The ecological index of coastline for total region is 0.29, and exist difference in sub-regions of Xicheng, Liaobian, Gaizhoubei, Bayuquan, Gaizhounan with value of 0.55, 0.17, 0.40, 0.10 and 0.55.

coastline; satellite remote sensing images; tidal zone completeness; land boundary line; ecological function

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.013

2016-04-05；

2016-08-23。

國家自然科學面上基金(41376120)；海洋行業公益性科研專項(201005011，201405025)。

索安寧(1977—)，甘肅省慶陽市人，博士，研究員，主要從事海岸帶遙感監測與評價科研與業務支撐工作。E-mail:san720@sina.com

*通信作者：關道明(1960—)，研究員，博士生導師，主要從事海洋開發資源環境監測與評價方法研究。E-mail:dmguan@nmemc.org.cn

P737；P715.7

A

0253-4193(2017)01-0121-09

索安寧, 曹可, 初佳蘭, 等. 基于GF-1衛星遙感影像的海岸線生態化監測與評價研究——以營口市為例[J]. 海洋學報, 2017, 39(1): 121-129,

Suo Anning, Cao Ke, Chu Jialan, et al. A study on monitoring and analysis of ecological coastline based on GF-1 Satellite remote sensing images: A case study in Yingkou[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(1): 121-129, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.013