空間分辨率對海岸線時空演變遙感分析的影響

孟云閃　韓志聰　曹英志等

關(guān)鍵詞：海岸線;時空演變;分形維數(shù);目視解譯;渤海灣

中圖分類號：TP79;P71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-9857（2023）04-0122-10

0 引言

渤海灣作為環(huán)渤海地區(qū)重要的海上樞紐，其沿岸的開發(fā)利用活動強(qiáng)度顯著，其中填海建設(shè)的京唐港、天津港、天津濱海工業(yè)區(qū)、黃驊港、濱州港等港口工業(yè)區(qū)，以及圈圍的養(yǎng)殖及鹽業(yè)等圍海生產(chǎn)區(qū)，都無疑會對海岸線的形態(tài)特征和近海岸的地表特征產(chǎn)生影響。此外，過度的海岸帶開發(fā)也會造成渤海灣區(qū)域后備資源的日益緊缺，進(jìn)而影響該區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

海岸線作為重要的地理要素，是近岸自然資源開發(fā)利用強(qiáng)度和利用過程的外在表現(xiàn)，在海岸帶資源開發(fā)利用與管理中起著重要的作用[2]。近年來，學(xué)者針對渤海灣區(qū)域開展大量海岸線動態(tài)變遷與分析相關(guān)的研究工作。其中，基于時序Landsat衛(wèi)星遙感影像，孫曉宇等[3]、孫百順等[4]、吳培強(qiáng)等[5]、張蕾等[6]、Ding 等[7] 分別開展2000—2010 年、1975—2015 年、2010—2015 年、1986—2016 年、1985—2015年長時序海岸線變遷的研究工作，并結(jié)合岸線長度、陸海面積和岸線類型等多個因素，分析岸線變化與填海造地之間的關(guān)系;徐寧等[8]利用分形維數(shù)分析環(huán)渤海區(qū)域1980—2010年海岸線變遷過程;葉小敏等[9]結(jié)合Landsat和環(huán)境衛(wèi)星影像，分析1986—2014年渤海灣海岸線的岸線變遷，在此基礎(chǔ)上探討海岸線分形維數(shù)與天津市GDP之間的相關(guān)性。此外，許多學(xué)者對渤海灣周邊典型區(qū)域的岸線變遷進(jìn)行分析，如濱海新區(qū)[10-11]、黃河口[12-13]。這些研究均在一定程度上反映渤海灣海岸線變化過程及驅(qū)動力因素，但也存在一些問題，主要表現(xiàn)為研究多基于中低空間分辨率遙感影像，如Landsat衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星，無法反映中小尺度岸線的形態(tài)特征和變化趨勢。

近年來，隨著國家對海岸線治理力度的加大，渤海灣區(qū)域的開發(fā)利用活動已由大規(guī)模高強(qiáng)度的圍填海逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹行〕叨鹊膰；蛘涡迯?fù)工程，傳統(tǒng)的低分辨率遙感影像在與背景相近的目標(biāo)監(jiān)測方面存在目標(biāo)特征弱化、復(fù)雜背景干擾等問題[14]，需要基于高分辨率的遙感影像、在中小尺度上對渤海灣海岸線的變化進(jìn)行提取和分析。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，高分辨率遙感影像越來越多地應(yīng)用于海岸線識別及變遷過程分析。楊雷等[15]利用2005—2015年SPOT和高分衛(wèi)星影像提取珠海海岸帶岸線，并開展岸線長度和海岸侵淤情況分析;Wu等[16]利用2013—2018年高分影像分析揚子江流域海岸線變化情況;Zhu等[17]基于SPOT 和高分衛(wèi)星等分析膠州灣16年來海岸線變遷過程及造成的影響。然而基于高分辨率遙感影像實現(xiàn)渤海灣中小尺度海岸線監(jiān)測，并分析遙感影像分辨率對不同類型岸線特征提取影響的相關(guān)研究仍然較少。本研究利用2010—2020年的SPOT 衛(wèi)星數(shù)據(jù)、高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)、資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)等高分辨率遙感影像，結(jié)合同時期的Landsat影像，分析在不同空間尺度下，不同類型海岸線變遷速率和分形維數(shù)的差異，并在此基礎(chǔ)上探討渤海灣海岸線在不同空間尺度下的時空變化特征以及復(fù)雜度變化過程。本研究的相關(guān)成果能夠為渤海灣海岸線資源評估與集約節(jié)約利用提供更精確的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

渤海灣處于渤海西部，南端與山東陸域相連，西面、北面分別與天津、河北陸域相接，是典型的半封閉式海灣。渤海灣岸線曲折且土地利用類型多樣，沿岸為淤泥質(zhì)平原海岸，黃河、海河、灤河、漳衛(wèi)新河、子牙新河、永定新河和岐河等多個河流入海，泥沙隨著沿岸河流流入，為渤海灣提供大量的沉積物。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究選用2010—2020年3期空間分辨率為30m 的Landsat5/7衛(wèi)星影像作為低分辨率海岸線提取數(shù)據(jù)源，相應(yīng)的Landsat5成像時期為2010年11月5日，Landsat7成像時期分別為2015年5月19日和2020年10月23 日。另外，選用2010 年9—11月空間分辨率為2.5m 的SPOT多光譜衛(wèi)星影像、2015年1—7月和2020年10—11月空間分辨率為2m 的高分一號和六號多光譜衛(wèi)星影像作為高分辨率海岸線提取數(shù)據(jù)源。2020年高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)受云遮擋，存在缺值，故采用同時期空間分辨率為2m 的資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)替換缺值區(qū)域。其中，所有高分辨率遙感影像均采用HSV 方法融合相應(yīng)的多光譜波段和全色波段，提高多光譜數(shù)據(jù)的空間分辨率。另外，在輻射校正的基礎(chǔ)上，基于地面控制點對高分辨率影像進(jìn)行幾何精校正，并以此為基礎(chǔ)，對Landsat低分辨率遙感影像進(jìn)行幾何校正，校正精度控制在0.5個像元內(nèi)。針對Landsat影像的條帶問題，利用ENVI的Landsatgapfill插件對2015年和2020年的Landsat影像進(jìn)行條帶修復(fù)。遙感影像通過近紅外、紅、綠波段假彩色合成方式顯示，實現(xiàn)海岸線的提取。

2 研究方法

2.1 海岸線分類及提取原則

本研究將海岸線劃分為人工岸線、自然岸線和河口岸線3個一級類別，其中人工岸線按照用海方式的不同劃分為填海造地岸線、圍海岸線和構(gòu)筑物岸線3個二級類別，自然岸線包括基巖岸線、淤泥質(zhì)岸線、砂質(zhì)岸線和生物岸線4個二級類別，河口岸線主要是指入海河口的連接線。

本研究采取人工目視解譯的方式對海岸線進(jìn)行提取。由于不同類型的海岸對電磁波的響應(yīng)有所差異[18]，可以根據(jù)影像中海岸線周圍地物的色調(diào)、對比度、紋理等特征建立相應(yīng)海岸線類型的解譯標(biāo)志，實現(xiàn)海岸線位置的提取。按照海岸線的定義[19]，即多年大潮平均高潮位時海陸分界痕跡線，確定的主要參考標(biāo)志特征如表1所示[20]。

基于相應(yīng)的標(biāo)志特征，針對上述高低分辨率遙感影像，在固定比例尺下提取海岸線。其中，Landsat遙感影像的解譯比例尺為1∶50000，高分辨率遙感影像的解譯比例尺為1∶5000。為保證前后2期海岸線位置沒有變化的部分保持一致，解譯時以2010年低分辨率遙感解譯海岸線為本底數(shù)據(jù)，只對其他時期海岸線變化部分進(jìn)行動態(tài)更新，避免基于不同時相遙感影像進(jìn)行岸線提取時產(chǎn)生“雙眼皮”現(xiàn)象[8，21]。對于渤海灣早期海岸線位置的提取，結(jié)合“908專項”海岸帶灘涂植被等調(diào)查資料。

針對填海造地、圍海養(yǎng)殖、鹽田圍海、河口4類典型海岸線，其在不同分辨率遙感影像以及不同比例尺下的提取結(jié)果如表2所示。可以看到，在結(jié)構(gòu)簡單的海岸線區(qū)域，如填海造地、圍海養(yǎng)殖，不同分辨率遙感影像的檢測結(jié)果相似;然而在河口等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域，高分辨率遙感影像能夠更好地提取海岸線的結(jié)構(gòu)。

2.2 海岸線變遷速率

本研究選取數(shù)字海岸線分析模型（DSAS）中的端點法變化速率（EPR）分析海岸線變遷過程。該方法是在2個監(jiān)測時間內(nèi)，海岸線位置的變化量與變化時間間隔的比值[22-23]。具體公式為：

式中：EPR是某個垂直于不同時相海岸線剖面上海岸線變化的端點速率;L 是2個時相海岸線位置的變化量;T 為2期監(jiān)測的時間間隔。

2.3 海岸線復(fù)雜度分析

分形理論是研究物體不規(guī)則幾何形態(tài)的非線性科學(xué)領(lǐng)域的重要理論，解釋無法用整數(shù)位數(shù)表征物理量的分布特征，并從統(tǒng)計學(xué)意義上解釋海岸線無規(guī)則分布的狀態(tài)，是研究海岸線復(fù)雜度評估的常用指標(biāo)[24-25]。該指標(biāo)不僅能夠統(tǒng)一不同尺度下測量的海岸線長度，成為不同類型海岸線及其復(fù)雜程度的綜合度量，同時能夠反映近岸海域的人工開發(fā)程度[26]。

本研究通過網(wǎng)格法進(jìn)行海岸線分形維數(shù)的計算[27]，通過不斷改變覆蓋海岸線的正方形網(wǎng)絡(luò)長度r ，統(tǒng)計相應(yīng)不重疊覆蓋的網(wǎng)格總數(shù)N （r），計算得到一系列相應(yīng)的N （r）-r 數(shù)值，根據(jù)分形理論可以得到：

式中：A 是待定的常數(shù)項;D 是海岸線的分形維數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 不同分辨率遙感影像對岸線變遷速率的影響

海岸線位置識別的精度將會直接影響岸線時序變遷過程。結(jié)合遙感解譯結(jié)果，首先分析遙感影像空間分辨率對不同類型海岸線位置識別的影響。結(jié)合“908專項”海岸線調(diào)查資料以及2019年全國海岸線修測工作中的實地勘測資料，渤海灣海岸線在2010—2020年自然岸線數(shù)量極少，且主要分布于河口及河道。考慮到渤海灣海岸線人工化程度較高的特征，本研究選取填海造地形成的人工岸線以及圍海形成的人工岸線2 種岸線類型進(jìn)行對比分析。

高 分辨率的遙感影像單位像元對應(yīng)的地面空間范圍小，純像元出現(xiàn)的概率大，目標(biāo)地物與背景的灰度反差明顯，能夠更好地識別海岸線的細(xì)節(jié)變化。對于填海造地岸線，由于工程圍堰平直，尤其是渤海灣區(qū)域的填海造地工程規(guī)模較大，堤壩等級較高，與背景形成較大反差，岸線位置易識別（圖1）。

通過計算，基于低分辨率遙感影像獲取該區(qū)域2010—2015年海岸線年均變化速率約為651.1m/a，2015—2020年岸線未發(fā)生變化。基于高分辨率遙感影像獲取該區(qū)域2010—2015年海岸線年均變化速率約為650.8m/a，2015—2020年為-0.2m/a。基于不同分辨率遙感影像提取的填海造地岸線位置一致性較好，對填海造地岸線變遷分析的結(jié)果影響較小（圖2）。

渤海灣的圍海岸線主要是由養(yǎng)殖和鹽田2種用海活動形成的，這2種用海活動在遙感影像上反映出的特征均為圈圍水域，區(qū)別在于圈圍水域的大小以及隔斷在空間上呈現(xiàn)出的排列特征，本研究選取分布較廣的圍海養(yǎng)殖區(qū)域進(jìn)行岸線位置識別分析。受圍堰規(guī)模和池塘水量的影響，養(yǎng)殖池在遙感影像上呈現(xiàn)出的色調(diào)略有不同。當(dāng)養(yǎng)殖池的圍堰寬度較窄且池塘色調(diào)與海灘較為相似時，雖然圍海的事實已經(jīng)存在，但在低分辨率遙感影像上該區(qū)域呈現(xiàn)出灘涂與圍海相結(jié)合的特征，地物類別不易判別，給岸線位置的提取帶來困難（圖3）。

對岸線位置進(jìn)行局部放大如圖4所示。

通過計算，基于低分辨率遙感影像獲取該區(qū)域2010—2015年的年均變化速率約為71.6m/a，2015—2020年為20.1m/a。基于高分辨率遙感影像獲取該區(qū)域2010—2015 年海岸線年均變化速率約為65.2m/a，2015—2020年為12.8m/a。基于不同空間分辨率遙感影像計算得到的圍海養(yǎng)殖岸線變遷速率的趨勢大致相同，但其變化幅度的差異明顯（圖5）。

3.2 不同分辨率遙感影像對岸線復(fù)雜度的影響

分別采用100m、250m、1000m、3000m 和5000m為尺度生成正方形格網(wǎng)，得到覆蓋研究范圍內(nèi)海岸線的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，通過最小二乘法對N （r）和r 進(jìn)行擬合得到海岸線的分形維數(shù)。同樣選取填海造地岸線和圍海岸線2種岸線類型的典型區(qū)域進(jìn)行計算分析，對比影像分辨率差異給岸線分形維數(shù)帶來的影響（表3）。

由表3可知，不同分辨率遙感影像對渤海灣人工化程度較高的填海造地岸線分形維數(shù)的計算結(jié)果影響并不明顯，雖然對圍海養(yǎng)殖岸線分形維數(shù)的計算結(jié)果略有影響，但基于不同分辨率遙感影像計算得到的分形維數(shù)變化趨勢具有較好的一致性。因此，在開展長時間序列海岸線復(fù)雜度變化分析時，可用低分辨率遙感影像來補(bǔ)充監(jiān)測時段早期高分辨率數(shù)據(jù)的缺失，以反映長時序監(jiān)測過程中岸線復(fù)雜度的變化趨勢。

變化速率的計算結(jié)果取決于岸線的實際位置，高分辨率影像更能夠體現(xiàn)中小尺度岸線的位置變化，因此不同分辨率影像提取的岸線變遷速率的差異明顯。然而分形維數(shù)通過岸線所占網(wǎng)格數(shù)量與網(wǎng)格大小的擬合得到，因此當(dāng)基于不同分辨率影像提取得到的岸線位置差異較小、變化范圍未改變網(wǎng)格數(shù)量時，分形維數(shù)的計算結(jié)果不變，故本研究基于不同分辨率影像得到的分形維數(shù)差異較小。

3.3 渤海灣海岸線時序變化及驅(qū)動力

在海岸線向陸一側(cè)劃定用于計算海岸線變化速率的基線，每相隔500m 做與各時相海岸線相交且垂直于基線的斷面，共597個。基于不同分辨率遙感影像提取的渤海灣海岸線，利用端點速率法（EPR）計算2010—2015年和2015—2020年海岸線變化的端點速率。選取填海造地岸線和圍海養(yǎng)殖岸線等典型區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計分析，超過90%的同一位置而不同分辨率獲取的海岸線端點速率的正負(fù)性指向一致，二者相互驗證，證明計算方法及計算過程的可靠性。

結(jié)果表明，渤海灣海岸線在2010—2015年具有較高的動態(tài)性，基于不同分辨率遙感影像計算得到的岸線變遷速率均能在整體上反映渤海灣不同位置海岸線的變化特征。基于低分辨率遙感影像獲取渤海灣海岸線2010—2015年的年均變化速率約為138m/a，同時期由高分辨率遙感影像獲取的渤海灣海岸線年均變化速率約為145m/a。2個數(shù)據(jù)在填海造地或大型圍海工程區(qū)域計算數(shù)值的一致性較好，差異主要發(fā)生在岸線人工化程度較低、岸線位置不易識別的區(qū)域（圖6）。

與2010—2015 年相比，渤海灣海岸線在2015—2020年變化幅度相對較小。通過計算，基于低分辨率遙感影像獲取渤海灣海岸線2015—2020年的年均變化速率約為5m/a，同時期由高分辨率遙感影像獲取的渤海灣海岸線年均變化速率約為4m/a。

基于不同分辨率遙感影像獲取的岸線變遷速率在2015—2020年的計算結(jié)果在同一位置存在差異的地方較多，這是由于渤海灣內(nèi)大型的圍填海活動，如津唐港、天津臨港新城、天津港、天津南港工業(yè)區(qū)、黃驊港的主體圍海和填海建設(shè)主要發(fā)生在2005—2015年[28]。隨著國家對渤海海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度的加大，2017年之后全面禁止渤海灣內(nèi)圍填海工程建設(shè)，并大力推進(jìn)海岸線整治修復(fù)工作。因此，2015—2020年海岸線位置變化的區(qū)域主要集中在低分辨率不易識別的圍海或河道等岸線形態(tài)復(fù)雜的區(qū)域，導(dǎo)致基于低分辨率遙感影像得到的岸線變遷速率存在一定的誤差（圖7和表4，①～④分別表示海岸線為整治修復(fù)、不易識別、不易識別和退養(yǎng)還灘）。

退養(yǎng)還灘是基于不同分辨率遙感影像獲取的渤海灣海岸線變遷速率存在差異的主要原因之一。退養(yǎng)還灘是在我國近海圍海養(yǎng)殖區(qū)域較為常見的生態(tài)保護(hù)工程，通過破壞養(yǎng)殖池塘的圍堰，逐漸恢復(fù)灘涂的自然水生態(tài)系統(tǒng)。灘涂濕地的恢復(fù)是緩慢的過程，在此期間呈現(xiàn)出自然灘涂和養(yǎng)殖的共同屬性，因此低分辨率遙感影像對該區(qū)域進(jìn)行精確判識的難度較大。

渤海灣復(fù)雜度變化與岸線變遷速率可以相互進(jìn)行驗證。2010—2020年3期海岸線的分形維數(shù)均具有較好的相關(guān)性，因此渤海灣海岸線在各個時段的分形性質(zhì)是真實存在的，可以將其作為海岸線的特征參量來進(jìn)行岸線變化的屬性信息分析。通過數(shù)據(jù)分析，2010—2020年渤海灣海岸線分形維數(shù)呈現(xiàn)2010—2015年快速增長、2015—2020年相對平穩(wěn)的趨勢，表明在前5年岸線的開發(fā)利用活動多且強(qiáng)度較大（表5）。

4結(jié)語

準(zhǔn)確了解海岸線資源現(xiàn)狀，深入研究海岸線變遷的驅(qū)動因素，是實現(xiàn)岸線資源最優(yōu)配置的重要基礎(chǔ)。本研究以渤海灣為例探究不同空間分辨率遙感影像對海岸線時空變化過程及驅(qū)動因素分析的影響，具體結(jié)論可以總結(jié)為3個方面。

（1）不同空間分辨率遙感影像獲取的海岸線變遷速率和分形維數(shù)計算結(jié)果與岸線類型密切相關(guān)。對于形態(tài)特征單一、人工化程度較高的岸線，不同分辨率影像得到的岸線變遷速率和分形維數(shù)相當(dāng);而對于形態(tài)復(fù)雜的岸線，雖然分形維數(shù)結(jié)果相似，但高分辨率影像能夠更好地識別岸線位置，進(jìn)而影響岸線變遷速率的結(jié)果。

（2）基于不同分辨率遙感影像獲取的渤海灣海岸線變遷速率與分形維數(shù)變化趨勢相似。2010—2020年渤海灣海岸線由變化劇烈過渡至相對穩(wěn)定的狀態(tài)，伴隨著海岸線位置的變化，岸線的分形維數(shù)呈現(xiàn)出先上升再平穩(wěn)的趨勢，岸線復(fù)雜度變化趨勢與海岸線變化速率的表征具有良好的相似性。但基于高分辨率遙感影像能更精確識別岸線位置的細(xì)微變化，進(jìn)而更精確地得到局部區(qū)域岸線變遷和分形維數(shù)分析的結(jié)果。

（3）隨著國家對濱海濕地保護(hù)力度的加大，嚴(yán)管嚴(yán)控圍填海管控態(tài)勢已經(jīng)形成，岸線變遷的主要驅(qū)動力已由填海造地等強(qiáng)烈開發(fā)利用轉(zhuǎn)變?yōu)榈头直媛蔬b感影像不易識別的圍海、整治修復(fù)等中小尺度開發(fā)利用活動。高分辨率遙感影像能更精確地監(jiān)測岸線的位置及變化特征，結(jié)合岸線的特征探討最優(yōu)遙感信息空間尺度將是下一步研究重點。