1987-2017年萊州灣沿岸土地利用變化及其對海岸線變化的影響

王志成， 高志強(qiáng)， 尚偉濤， 姜曉鵬

(1.中國科學(xué)院 海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實驗室(煙臺海岸帶研究所), 山東 煙臺 264003; 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3.山東省海岸帶環(huán)境過程重點(diǎn)實驗室, 中國科學(xué)院 煙臺海岸帶研究所, 山東 煙臺 264003)

海岸線是海洋和陸地之間的分界線[1]，是近海環(huán)境要素的重要組成部分[2]，也是地球重要的線性特征[3]。影響海岸線變化的因素分為自然因素和人為因素[4]，自然因素包括河流泥沙淤積、潮汐和波浪作用等[5]，人為因素包括沿海的水產(chǎn)養(yǎng)殖、沿海城市擴(kuò)張、港口和堤壩的修筑等[6]。

近年來，眾多學(xué)者對海岸線展開了科學(xué)研究。劉鵬等[2]研究了黃河三角洲1959—2002年岸線的長度、變化速率以及分形維數(shù)；王建等[7]研究了萊州灣岸線在1973—2016年的演化并且探討了海岸侵蝕和淤積的機(jī)理；溫馨燃等[8]以環(huán)渤海為研究區(qū)，研究分析了1985—2017年環(huán)渤海地區(qū)的圍填海岸線演化、岸線圍墾強(qiáng)度演化等；李亞寧等[9]研究了近20 a渤海岸線和圍填海的時空演變；李博炎等[10]對環(huán)渤海地區(qū)的岸線和圍填海信息進(jìn)行提取，研究了其具體進(jìn)程和驅(qū)動因素；李剛等[11]研究分析了浙江三沙灣海岸類型的演變以及岸線的變遷；沈昆明等[12]利用DSAS分析了海州灣的岸線變化；Mujabar等[13]分析了Kanyakumari和Tuticorin之間的岸線變化；Addo等[14]檢測了加納阿克拉海岸岸線的衰退，并對岸線的衰退進(jìn)行了預(yù)測；Sui等[15]分析了印度尼西亞海岸線在1990—2018年的時空變化特征；Emran等[16]研究了孟加拉國Sandwip島的海岸線變化和侵蝕—沖積演化；Esteves等[17]分析了季節(jié)和年際對巴西南部南大河段海岸線變化規(guī)律的影響。大多數(shù)研究聚焦于海岸線的分形維數(shù)、變化速率等方面，從土地利用方面對海岸線的研究較少。

萊州灣內(nèi)的灘涂為淤泥質(zhì)灘涂，適合填海以及圍海養(yǎng)殖，受黃河泥沙入海以及人類活動的影響，灣內(nèi)的海岸線在近30 a間發(fā)生了顯著變化，黃河泥沙淤積填海、人工填海、圍海均使得海岸線發(fā)生了變化，使得萊州灣在此方面具有一定的典型性。因此，有必要從土地利用的角度對萊州灣內(nèi)的海岸線進(jìn)行研究，以期從土地利用變化的角度認(rèn)識海岸線的變化及其變化原因，進(jìn)而為政府以及相關(guān)部門在進(jìn)行海岸線規(guī)劃時提供土地利用方面的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省北部，經(jīng)緯度范圍為118.441°—119.792°E，36.79°—38.29°N，主要包括東營市東北部、煙臺市西部以及濰坊市北部地區(qū)等，地形以平原為主。氣候為溫帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱且降水較多，冬季寒冷且干燥。區(qū)內(nèi)的河流主要有黃河、小清河、白浪河以及廣利河。自然資源主要包括地下鹵水、漁業(yè)資源、油氣資源等，其中礦產(chǎn)資源主要以石油為主。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究所用數(shù)據(jù)分為遙感數(shù)據(jù)、GPS實測土地利用數(shù)據(jù)以及無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)。使用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用分類以及海岸線提取，所用遙感數(shù)據(jù)包括Landsat TM/ETM+/OLI數(shù)據(jù)，均從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站獲取(http:∥www.gscloud.cn/)，研究所選時間范圍為1987—2017年，成像時間均在10月份，時間間隔為6 a；其中，1987年與1993年選用Landsat TM數(shù)據(jù)，1999，2005年以及2011年選用Landsat ETM+數(shù)據(jù)，而2017年則選用Landsat OLI數(shù)據(jù)。使用GPS軌跡所記錄的實地的土地利用數(shù)據(jù)以及無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)對分類結(jié)果進(jìn)行修正以使其達(dá)到精度要求。

2.2 萊州灣土地利用分類及海岸線提取

基于面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ǎ瑢b感影像進(jìn)行分類，將其分為耕地、建設(shè)用地、林地、內(nèi)陸水體、裸地、草地、水產(chǎn)養(yǎng)殖、潮灘、鹽場用地。由于研究區(qū)范圍較大、土地利用類型較多以及“異物同譜”現(xiàn)象的存在，若對分割后的整個研究區(qū)影像進(jìn)行決策樹分類，會產(chǎn)生大量的“錯分、漏分”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致分類結(jié)果的精度較低。因此，本研究采用“先分塊，后分類”的策略，首先利用一個相對較大的尺度參數(shù)對研究區(qū)影像進(jìn)行分割，將影像分割為幾個較大的影像塊，此時每個較大影像塊內(nèi)的土地利用類型數(shù)目相對于整個研究區(qū)影像有所減少；隨后根據(jù)每個較大影像塊內(nèi)的土地利用類型的尺寸，選取小尺度參數(shù)對每個較大的影像塊進(jìn)一步分割；最后，在每一個較大影像塊內(nèi)均選擇訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練其專屬的決策樹分類器，并利用各自的分類器實現(xiàn)分類(圖1)。為了保證萊州灣海岸線的提取精度，采用人工解譯的方式提取萊州灣海岸線。

圖1 萊州灣土地利用分類示意圖

土地利用分類完畢后，進(jìn)行實地考察，實地考察主要包括無人機(jī)航拍以及對室內(nèi)分類時不確定的分類結(jié)果進(jìn)行實地驗證(圖2)。無人機(jī)航拍所選站點(diǎn)主要考慮的因素有：①航拍站點(diǎn)處的分類結(jié)果存疑；②航拍站點(diǎn)處的地物類型豐富；③交通便利，容易到達(dá)。因此選取濰坊求是公園、東營小清河入海口、東營濱海公園、東營仙河公園以及東營黃河故道進(jìn)行航拍。對于不確定的分類結(jié)果的實地驗證，則運(yùn)用GPS軌跡數(shù)據(jù)，GPS軌跡數(shù)據(jù)包括了一系列標(biāo)識點(diǎn)，這些標(biāo)識點(diǎn)記錄了其所在位置的土地利用類型。數(shù)據(jù)采集完畢后，以航拍數(shù)據(jù)為參考，通過將標(biāo)識點(diǎn)數(shù)據(jù)同分類結(jié)果疊加分析以及人工修正的方式對分類結(jié)果進(jìn)行修正。修正完畢后，在ArcGIS軟件中生成隨機(jī)點(diǎn)，并結(jié)合谷歌地球中的高分辨率影像，利用混淆矩陣進(jìn)行精度驗證。分類結(jié)果的總體精度大于86%，Kappa系數(shù)大于0.83，滿足后續(xù)的分析要求。

圖2 GPS軌跡、標(biāo)識點(diǎn)與航拍點(diǎn)位示意圖

2.3 土地利用程度

土地利用程度指數(shù)定量表征某一時期某一區(qū)域人類利用土地的程度，計算公式[18]為：

(1)

式中：L為土地利用程度指數(shù);Ai為第i級土地利用程度分級指數(shù);Ci為第i級土地利用程度分級面積百分比。土地利用程度分級指數(shù)Ai采用劉紀(jì)遠(yuǎn)[18]提出的土地利用程度分級指數(shù)參與計算,其中,鹽場用地、水產(chǎn)養(yǎng)殖用地的分級指數(shù)為3。

2.4 末點(diǎn)變化速率(end point rate， EPR)計算

末點(diǎn)變化速率(EPR)用來表征海岸線變化速率，利用數(shù)字岸線分析系統(tǒng)(digital shoreline analysis system，簡稱DSAS)對該指標(biāo)進(jìn)行計算，DSAS首先在海岸線上生成一系列剖面線，隨后計算每一條剖面線與海岸線之間交點(diǎn)的變化速率，該速率即為末點(diǎn)變化速率(EPR)，公式[19]如下：

(2)

式中：EPRij為第i年和第j年之間的末點(diǎn)變化速率； Δdij為剖面線與第i年海岸線和第j年海岸線交點(diǎn)間的距離； Δtij為第i年和第j年之間的時間間隔。

3 結(jié)果與分析

3.1 1987-2017年土地利用變化分析

在時間變化方面，萊州灣近岸的土地利用類型在1987—2017年變化明顯(表1)。主要表現(xiàn)為：水產(chǎn)養(yǎng)殖用地面積比例在1987—2017年逐漸增加，從1987年的2.63%增加到2017年的8.01%；鹽場用地面積比例逐漸增加，1987年的面積比例最小，為3.38%，而2017年的面積比例最大，為12.68%；建設(shè)用地面積比例逐漸增加，在1987—2017年，從2.29%增加到12.80%。

表1 1987-2017年萊州灣沿岸各土地利用類型面積比例 %

對于其他土地利用類型，內(nèi)陸水體面積比例總體上呈現(xiàn)出增加的趨勢；林地變化不明顯，其面積比例在2%附近上下波動；裸地的面積比例在總體上呈現(xiàn)出減少的趨勢；而草地和耕地的面積比例在總體上則呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢。在空間分布方面(圖3)，水產(chǎn)養(yǎng)殖用地以及鹽場用地主要分布于研究區(qū)內(nèi)的沿海地區(qū)，耕地分布于研究區(qū)內(nèi)的西北和東南部，草地和裸地主要分布于研究區(qū)的西北部，而其他土地利用類型則零散地分布于研究區(qū)內(nèi)。水產(chǎn)養(yǎng)殖用地、鹽場用地以及建設(shè)用地逐漸增加，耕地和裸地總體呈現(xiàn)減少趨勢，這符合中國近30 a間的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的用地規(guī)律；草地與內(nèi)陸水體的變化主要與其同裸地和耕地之間的轉(zhuǎn)換有關(guān)；由于研究區(qū)內(nèi)的林地主要零散分布于鄉(xiāng)村附近，且面積較小，未有大面積的林地，因此變化不明顯。由于潮灘受到潮汐影響，研究所提取的潮灘僅為傳感器成像時刻的瞬時潮灘，并非常時間的潮灘；海水并非土地利用類型，因此本文不對二者進(jìn)行分析。

圖3 1987-2017年萊州灣沿岸土地利用類型空間分布

綜上所述可知，萊州灣沿岸水產(chǎn)養(yǎng)殖用地、鹽場用地以及建設(shè)用地面積比例在1987—2017年呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，且水產(chǎn)養(yǎng)殖用地和鹽場用地分布于研究區(qū)內(nèi)的沿海地區(qū)，建設(shè)用地零散分布于研究區(qū)；而內(nèi)陸水體面積比例總體呈現(xiàn)出增加趨勢，且呈零散分布；裸地面積比例總體呈現(xiàn)出減少的趨勢，分布于研究區(qū)西北部；草地和耕地的面積比例總體呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，前者主要分布于研究區(qū)西北部，后者則分布于西北和東南部；林地變化不明顯且呈零散分布。

3.2 1987-2017年土地利用程度分析

由于自然斷點(diǎn)的分級方法(natural breaks)能夠通過迭代計算類間的間斷點(diǎn)，使得類內(nèi)差異最小，類間差異最大，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行最恰當(dāng)?shù)姆纸M，且保留了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性[20]，因此本文采用自然斷點(diǎn)的分級方法將土地利用程度分為弱、中、較強(qiáng)、強(qiáng)4級(圖4—5)。

圖4 1987-2017年萊州灣沿岸土地利用程度空間分布

由圖4—5可知，土地利用程度強(qiáng)等級的面積比例在1987—2017年逐漸增加，從1987年的2.41%增加到2017年的12.41%，且從零星的點(diǎn)分布變?yōu)榧械拿鏍罘植迹煌恋乩贸潭热醯燃壍拿娣e比例在1987—2011年逐年減少，從1987年的37.22%減少到2011年的10.51%，但在2011—2017年，又有較小程度的增加，從10.51%增加到2017年的12.71%，主要分布于沿海地區(qū)；土地利用程度中等級面積比例在22%～31%之間變化，且分布于研究區(qū)的西北部；土地利用程度較強(qiáng)等級面積比例在1987—2017年先增加后降低，2011年比例最大，為56.26%，1987年最小，為35.94%，此等級主要分布于研究區(qū)的西北和東南地區(qū)。弱等級為1987年的主導(dǎo)土地利用程度等級，而較強(qiáng)等級則為1993—2017年的主導(dǎo)土地利用程度等級。

綜上所述，研究區(qū)土地利用程度逐漸變強(qiáng)，土地利用程度為弱等級的面積比例總體呈現(xiàn)減少趨勢，主要分布于沿海地區(qū)；而強(qiáng)等級的面積比例逐漸增加，且從零星的點(diǎn)分布變?yōu)榧械拿鏍罘植肌?/p>

3.3 土地利用對海岸線變化速率的影響分析

由圖6—7可知，萊州灣沿岸土地利用以圍填海的形式影響著海岸線的變化速率。圍海面積在近30 a間呈現(xiàn)出“減少—增大—減少”的變化趨勢，圍海活動使得對應(yīng)的岸線表現(xiàn)為向海推進(jìn)，1999—2005年圍海面積最大，為175.07 km2，使得海岸線推進(jìn)速度在207～1 364 m/a之間；而1993—1999年圍海面積最小，僅為23.56 km2，對應(yīng)的岸線推進(jìn)速度大多低于592.25 m/a；其余時間段的圍海面積在100～138 km2之間，岸線的向海推進(jìn)速度在各速率區(qū)間均有分布。

圖5 1987-2017年萊州灣沿岸土地利用程度等級比例

圖6 1987-2017年萊州灣沿岸不同岸線段的變化速率、圍填海空間分布

本文將填海活動分為人工填海和黃河泥沙淤積填海，前者主要位于萊州灣內(nèi)部，而后者位于黃河入海口附近。人工填海面積在1987—2017年逐漸增多，從初期的1.55 km2增加到19.33 km2，使得對應(yīng)的岸線表現(xiàn)為向海推進(jìn)；人工填海使得岸線向海推進(jìn)的速率最大，2005—2011年以及2011—2017年的最大推進(jìn)速率均為人工填海活動所致，分別為1 215.88 m/a和2 286.62 m/a。黃河泥沙淤積填海面積在近30 a無規(guī)律可循，1987—1993年的淤積填海面積最大，為162.61 km2，對應(yīng)的岸線表現(xiàn)為向海推進(jìn)，且該處岸線在該時間段向海推進(jìn)速度最大，為779.67～1 488.61 m/a；而2005—2011年為0 km2，岸線表現(xiàn)為背海移動，這主要受到海水影響，移動速度在244～693 m/a之間；其余時間段的黃河泥沙淤積填海面積在38～53 km2之間，對應(yīng)岸線向海推進(jìn)速度均低于592.25 m/a。

綜上所述，圍海和人工填海均使得萊州灣內(nèi)部海岸線向海推進(jìn)，由黃河泥沙淤積所形成的填海使得黃河三角洲處的海岸線在1987—2017年既有向海推進(jìn)，又有背海移動。

3.4 不同土地利用類型對海岸線長度的影響分析

本研究認(rèn)為，若某處的海岸線是某種土地利用類型的邊界，則該處海岸線即為土地利用類型在此處所對應(yīng)的海岸線。對不同土地利用類型對應(yīng)的海岸線總長度比例進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 1987-2017年萊州灣沿岸不同土地利用類型對應(yīng)的岸線海總長度比例 %

不同土地利用類型對海岸線長度影響明顯，1987—2005年，影響海岸線長度的主導(dǎo)土地利用類型為裸地和水產(chǎn)養(yǎng)殖，二者對應(yīng)的岸線長度比例分別在34%～58%和23%～32%之間；而2005—2017年，影響海岸線長度的主導(dǎo)土地利用類型為建設(shè)用地和裸地，影響長度比例分別在22%～45%和19%～30%之間。1987—2017年的30 a間，建設(shè)用地對岸線長度的影響日益顯著，該土地利用類型對應(yīng)的岸線長度逐漸增長，從1987年的2.94%增長到2017年的45.44%；裸地對岸線長度的影響表現(xiàn)為逐漸減弱，其對應(yīng)的岸線長度比例在1987年最大，為57.28%，而2017年最小，為19.73%；水產(chǎn)養(yǎng)殖、草地以及鹽場用地在1987—2017年對岸線的影響均呈現(xiàn)出“增強(qiáng)—減弱”的趨勢；其余土地利用類型對岸線長度的影響微弱，在各年份對應(yīng)的岸線長度比例均低于5%。

圖7 1987-2017年萊州灣沿岸圍填海面積統(tǒng)計

綜上所述，裸地和水產(chǎn)養(yǎng)殖用地是1987—2005年影響海岸線長度的主導(dǎo)土地利用類型，而建設(shè)用地和裸地是2005—2017年影響海岸線的主導(dǎo)土地利用類型，建設(shè)用地對岸線長度的影響日益顯著，裸地對岸線長度的影響逐漸減弱。

4 討論與結(jié)論

4.1 結(jié) 論

本文從土地利用的角度，以萊州灣為研究區(qū)，分析了萊州灣近岸1987—2017年土地利用變化情況、土地利用程度、影響海岸線變化速率以及海岸線長度的因素。

(1) 在1987—2017年30 a間，萊州灣近岸的土地利用變化明顯，主要表現(xiàn)為水產(chǎn)養(yǎng)殖用地、鹽場用地以及建設(shè)用地逐漸增加，水產(chǎn)養(yǎng)殖用地和鹽場用地分布于研究區(qū)內(nèi)的沿海地區(qū)，建設(shè)用地零散分布于研究區(qū)；內(nèi)陸水體總體呈增加趨勢，呈零散分布；裸地總體呈減少趨勢，分布于研究區(qū)西北部；草地和耕地則先增加后減少，前者分布于研究區(qū)西北部，后者則分布于西北和東南部；林地變化不明顯，呈零散分布。

(2) 研究區(qū)土地利用程度逐漸變強(qiáng)，弱等級面積比例呈現(xiàn)減少趨勢，強(qiáng)等級面積比例呈現(xiàn)增加趨勢，弱等級分布于沿海地區(qū)，強(qiáng)等級由零散點(diǎn)分布變?yōu)榧忻鏍罘植肌?/p>

(3) 土地利用以圍填海的形式影響海岸線的變化速率，萊州灣內(nèi)部的圍海和人工填海使得岸線向海推進(jìn)；黃河泥沙淤積填海使得黃河三角洲處的岸線向海推進(jìn)，而該處岸線的背海移動則主要受到海水影響。

(4) 1987—2005年影響海岸線長度的主導(dǎo)土地利用類型為裸地和水產(chǎn)養(yǎng)殖用地，而2005—2017年建設(shè)用地和裸地成為影響海岸線長度的主導(dǎo)因素，建設(shè)用地對岸線長度的影響日益顯著，裸地對岸線長度的影響表現(xiàn)為逐漸減弱，其余土地利用類型對岸線長度的影響微弱。

4.2 討 論

本文分析了萊州灣近岸1987—2017年的土地利用變化及其對海岸線的影響。水產(chǎn)養(yǎng)殖用地、鹽場用地以及建設(shè)用地逐漸增加，耕地和裸地總體呈現(xiàn)減少趨勢，相應(yīng)的，土地利用程度強(qiáng)等級逐漸增加，弱等級逐漸減少，這符合中國同時期的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的用地規(guī)律。土地利用以圍填海的形式影響海岸線的變化速率，不同土地利用類型對海岸線的長度有所影響。海岸線的變化所產(chǎn)生的影響具有兩面性，一方面，海岸線的變化會帶來社會經(jīng)濟(jì)效益，萊州灣內(nèi)部岸線的向海推進(jìn)使得海域轉(zhuǎn)變?yōu)殛懙豙21]，新形成的陸地主要用于港口建設(shè)、旅游開發(fā)以及水產(chǎn)養(yǎng)殖等，由此帶來經(jīng)濟(jì)效益，此外，1987—2017年建設(shè)用地所對應(yīng)的岸線長度逐漸增加，硬化的岸線能夠抵御海水入侵，對近岸陸地起到了一定的保護(hù)作用；另一方面，海岸線的變化會危害近海生態(tài)，海岸線的向海推進(jìn)以及海岸線類型的變化會使得近海海域或者灘涂生物的生存環(huán)境在較短的時間內(nèi)發(fā)生巨大的變化，導(dǎo)致生物被掩埋而死亡，生物多樣性因此降低[22]。在對海岸線進(jìn)行變動時，應(yīng)綜合考慮其變化所帶來的兩面性。

對于本文的研究，仍有一些不足之處需要改進(jìn)。由于研究區(qū)范圍較小，因此采用了目視解譯的方法進(jìn)行海岸線的提取，若研究區(qū)范圍較大，采用目視解譯的方法效率將會顯著底下，因此后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)采用海岸線的自動提取技術(shù)進(jìn)行海岸線提取；對于土地利用分類而言，在對遙感影像分割完畢后便采用了決策樹分類器對影像分類，這樣僅能避免分類結(jié)果的“椒鹽效應(yīng)”，后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)研究如何構(gòu)建不同地物所對應(yīng)的最優(yōu)尺度，以及如何利用空間拓?fù)潢P(guān)系對最優(yōu)尺度之下的影像對象進(jìn)行分類。