基于谷歌地球歷史影像的大連市海岸線變化分析

江 山，周 麗，馬宏偉，朱 巍，倪 金，馬詩敏，張 靜，郇恒飛

中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034

0 前言

海岸帶是指現(xiàn)在海陸之間相互作用的地帶，是人類活動較集中、頻繁的區(qū)域，也是生態(tài)較脆弱的區(qū)域.海岸線處在這一區(qū)域前鋒地帶，具有復(fù)雜、敏感和多變的特性. 海岸線的建設(shè)布局與合理開發(fā)，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有著重要影響［1-3］. 海岸線變化監(jiān)測已成為近年來地球觀測研究的熱點(diǎn)，傳統(tǒng)的地面調(diào)查費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、時(shí)效性差，而遙感技術(shù)具有宏觀、快速、高頻、定量和節(jié)約成本等優(yōu)勢，是海岸帶變化動態(tài)監(jiān)測的重要方法［4-12］. 國內(nèi)外很多學(xué)者利用遙感和GIS 技術(shù)在海岸線變遷研究方面做了大量的工作.Moran 等利用GIS 技術(shù)分析了得克薩斯州墨西哥灣海岸線演變規(guī)律，并預(yù)測了未來海岸線的位置［4］；Ekercin 等利用多時(shí)相Landsat 衛(wèi)星圖像檢測愛琴海海岸線變化，發(fā)現(xiàn)局部地區(qū)位移超過200 m［6］；夏真等利用遙感技術(shù)研究了大亞灣地區(qū)海岸線變遷，探討了以多時(shí)相數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展海岸線變遷研究的技術(shù)和方法［10］；朱小鴿等應(yīng)用多時(shí)相Landsat 衛(wèi)星影像，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法監(jiān)測了珠江口等地區(qū)海岸線的變化情況［11］；蔡則健等利用3 期衛(wèi)星遙感圖像定量和定性分析了江蘇海岸線20 a 的演變特點(diǎn)和趨勢［12］.

隨著空間探測和信息技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、地質(zhì)等很多行業(yè)成了常規(guī)手段［13-15］，但是以往的遙感調(diào)查和監(jiān)測工作中，遙感數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理工作，仍需耗費(fèi)相當(dāng)?shù)木? 谷歌地球（Google Earth）平臺集中了全球多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括Landsat、QuickBird、IKONOS 和SPOT5 等衛(wèi)星影像. 2016 年上線的Timelapse 模塊，用戶可以方便地瀏覽全球1984 年以來的逐年歷史衛(wèi)星圖像，為海岸線變化時(shí)間序列分析提供了極大的便利［16］. 本研究主要基于谷歌地球平臺的時(shí)間序列影像數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用“3S”技術(shù)，提取和分析大連市1984—2018 年間大陸海岸線變化情況，為大連市海岸帶監(jiān)測和管理提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)探索一種高效便捷進(jìn)行海岸線監(jiān)測的技術(shù)方法.

1 研究區(qū)概況

大連市位于遼東半島南端，地處黃海和渤海之濱，北依中國東北腹地，南與山東半島隔海相望，是東北地區(qū)最大的港口城市. 全市總面積12 574 km2，管轄海域面積約2.9×104km2，超過陸地面積1 倍有余. 大連市轄區(qū)海岸線長1 906 km，占遼寧省海岸線總長度的73%，其中陸地海岸線1 288 km，海島岸線618 km，是全國海岸線最長的城市. 研究區(qū)地形為北高南低、北寬南窄，地貌以山地丘陵為主，少平原低地［17］. 本次研究對象為大連市大陸海岸線，未考慮離大陸較遠(yuǎn)的海島. 為了方便統(tǒng)計(jì)，將沿海岸線劃分為19 段，命名借用了鄰近海灣或河口的地名，不具有嚴(yán)格的地理含義（如圖1 所示）.

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig. 1 Location map of the study area

2 數(shù)據(jù)源

本研究采用數(shù)據(jù)主要來源于谷歌地球平臺，該平臺衛(wèi)星影像主要來自QuickBird、IKONOS、SPOT 和Landsat 等衛(wèi)星數(shù)據(jù). 基于谷歌地球，獲取了大連地區(qū)1984、1989、1994、2000、2004、2009、2014 和2018 年共8 期遙感圖像. 此外，還收集了2005 年的SPOT5 影像、2018 年的GF2 影像數(shù)據(jù)，以及1954 年編制的地形圖（部分）和1988 年海圖等資料. 對遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要有幾何校正、圖像鑲嵌和裁剪等，數(shù)據(jù)處理基于ArcGIS 平臺進(jìn)行.

3 海岸線提取

3.1 解譯標(biāo)志的建立

根據(jù)海岸線的形態(tài)和成因，可以分為自然海岸線和人工海岸線. 大連市自然海岸主要有基巖海岸、淤泥質(zhì)海岸和砂礫質(zhì)海岸. 在本次海岸線解譯工作之前，首先確定海岸線的劃分原則. 自然岸線以平均大潮高潮線為準(zhǔn)，人工岸線以修建的堤壩、擋水墻、圍海造陸區(qū)外圍海堤等為準(zhǔn)［18-19］.

經(jīng)過野外調(diào)查和初步解譯，研究區(qū)自然海岸線以基巖海岸線和淤泥質(zhì)海岸線為主，其中淤泥質(zhì)海岸大多被開墾為圍海養(yǎng)殖區(qū)，變更為人工海岸. 因此，本次解譯工作的重點(diǎn)為基巖海岸和人工海岸. 通過分析海岸線在遙感圖像上的顏色、色調(diào)、紋理、形狀和地物空間關(guān)系等特征，建立了海岸線解譯標(biāo)志（如圖2 所示）.基巖海岸線位于山體的水邊線之上，一般位于植被覆蓋與水邊中間，具有明顯的陰影和紋理，在遙感影像上的區(qū)分度較好. 人工海岸以人工修建的碼頭建筑物或圍海養(yǎng)殖堤壩為界，邊界清晰，且比較平直，在遙感影像上容易辨別. 砂礫質(zhì)海岸線由于具有較高的光譜反射率，在遙感影像上為高亮度像元，取灘脊痕跡線上限或陡崖基部與沙灘交線處為海岸線邊界［18］.

圖2 主要海岸線類型解譯標(biāo)志圖Fig. 2 Interpretation marks of main coastline types

3.2 海岸線提取方法

采用精度較高的人工目視解譯的方法提取海岸線. 目視解譯常用的方法有直接判讀法、對比分析法、信息復(fù)合法、綜合推理法和地理相關(guān)分析法. 在海岸線解譯過程中，綜合運(yùn)用這些方法，將前后不同時(shí)間的遙感影像進(jìn)行對比分析，還原海岸線發(fā)展演變過程，提高解譯的可靠性. 主要工作流程分為資料收集和預(yù)處理、海岸線解譯與驗(yàn)證和成果圖制作3 個(gè)部分，如圖3所示.

圖3 海岸線提取流程圖Fig. 3 Flowchart of coastline extraction

3.3 海岸線提取結(jié)果

在無法獲得有效數(shù)量的高精度控制點(diǎn)以及“真實(shí)海岸線”的情況下，通用的方案是采用推論評估法來評價(jià)海岸線解譯質(zhì)量，即將2005 年和2018 年兩期解譯結(jié)果與同期高分辨率SPOT5 和GF2 衛(wèi)星圖像進(jìn)行對比驗(yàn)證［20］. 同時(shí)設(shè)計(jì)了兩條驗(yàn)證路線，將地貌特征不明顯且變化較大的地區(qū)作為重點(diǎn)，如長興島—董家口灣—葫蘆山灣—普蘭店灣，為重點(diǎn)驗(yàn)證路線［21-22］. 專題圖制作基于ArcGIS 平臺，最終制作的大連市海岸線遙感解譯圖如圖4 所示.

圖4 大連市1984—2018 年海岸線遙感解譯圖Fig. 4 Remote sensing interpreted coastlines in Dalian City during 1984-2018

需要說明的是，海岸線一般受潮汐影響，而衛(wèi)星影像揭示的是地物的瞬時(shí)特征. 考慮到主要海岸線類型為基巖海岸和人工海岸，受潮位影響較小，所以本研究忽略了潮汐影響下瞬時(shí)海岸線的輕微變化.

4 結(jié)果分析

4.1 總體變化分析

從解譯結(jié)果可以看出，1984—2018 年間，大連市大陸海岸線長度發(fā)生了較大的變化.1984 年大連市大陸海岸線長度為1 148.042 km，1989 年增長到1 165.547 km，隨后經(jīng)歷了緩慢減小，至2004年，海岸線長度為1 093.738 km.此后，海岸線一直增長，到2018 年為1 247.483 km，總體呈“V”字型發(fā)展（圖5）.

圖5 大連市1984—2018 年間海岸線長度變化圖Fig. 5 Coastline length changes of Dalian City during 1984-2018

為了分析海岸線變化情況，將8 個(gè)期次的海岸線以每相鄰兩期分為1 組，共7 組進(jìn)行變化分析. 海岸線變化的部分，忽略自然變化，便是人工圍（填）海或拆圍的部分，以前者為主. 統(tǒng)計(jì)海岸線變化面積，可以看出，大連市1984—2018 年間，圍（填）海面積總量為685.23 km2，年平均變化量為20.154 km2. 從圍（填）海增長速度來看，大連市1984 年以來，可以分為3 個(gè)階段. 第一個(gè)階段，1984—2004 年，平均圍（填）海增速均小于14 km2/a；第二個(gè)階段，2004—2014 年，是大連市圍（填）海速度最快的10 年，平均增速超過44 km2/a；第三個(gè)階段，2014—2018 年，大連市減少了圍（填）海工程，年均增長率降低至不足5 km2/a（圖6）.

圖6 大連市1984—2018 年間圍（填）海面積變化Fig. 6 Change of sea reclamation area in Dalian City during 1984-2018

將圍（填）海增速曲線與大連市國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）變化曲線進(jìn)行對比（圖7），可以看出20 年間，兩者曲線具有較強(qiáng)的相關(guān)性. 由此可見，大連市作為濱海城市，岸線的擴(kuò)張與城市發(fā)展關(guān)系密切.

圖7 大連市國內(nèi)生產(chǎn)總值統(tǒng)計(jì)圖（數(shù)據(jù)來自大連市統(tǒng)計(jì)局）Fig. 7 GDP statistics of Dalian City（Data from Statistical Bureau of Dalian City）

4.2 空間分布分析

從空間分布來看，海岸線的變化主要集中在大連市各個(gè)灣區(qū)和河口地區(qū)，其中變化量從大到小依次為普蘭店灣、太平灣、葫蘆山灣、沙河口地區(qū)、莊河口地區(qū)、青堆子灣、金州灣、大連灣、碧流河口地區(qū)、復(fù)州灣、大窯灣、小窯灣、董家口灣、長興島、星海灣、雙島灣、常江澳、營城子灣、羊頭灣和鐵山地區(qū)（圖8）.

圖8 大連市1984—2018 年分地區(qū)海岸線變化情況Fig. 8 Coastline changes in Dalian City by region during 1984-2018

分析1984 年和2018 年兩期海岸線變化，可以看出大連市海岸線變化總面積為636.719 km2（見表1），相比分期統(tǒng)計(jì)總面積（圖8），減少了49.09 km2. 這部分面積反映的是海岸線反復(fù)變化的面積. 比如，先建設(shè)的是圍海養(yǎng)殖區(qū)，后來廢棄和變更為圍海造地項(xiàng)目，這種情況主要集中在普蘭店灣和長興島一帶.

表1 大連市各地區(qū)1984—2018 年間海岸線變更類型統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of coastline changes in different regions of Dalian City during 1984-2018

海岸線的變化區(qū)，從用途而言可分為港口、建設(shè)用地、填而未用、圍而未填、圍墾、鹽田和養(yǎng)殖區(qū)等. 為了多期次對比研究的便利，將這些細(xì)分類型概括為兩大類. 第一類為圍海養(yǎng)殖區(qū)，包括圍而未填、圍墾、鹽田和養(yǎng)殖區(qū)，主要特征為人工建設(shè)的堤壩完全或基本阻隔海水自由流通. 第二類為填海造陸區(qū)，包括港口、建設(shè)用地、填而未用3 種類型，其主要特征為海域變更為陸地. 根據(jù)該方案，將1984—2018 年的海岸線變化情況進(jìn)行分類，分析變化情況（表1）.

截至2018年，大連市填海造陸總面積為197.568 km2，圍海養(yǎng)殖區(qū)總面積為439.150 km2. 其中填海造陸區(qū)主要集中于金州灣、葫蘆山灣、大連灣、普蘭店灣、大窯灣、莊河口地區(qū)等，圍海養(yǎng)殖區(qū)主要集中在普蘭店灣、莊河口地區(qū)、太平灣、青堆子灣、沙河口地區(qū)、復(fù)州灣、碧流河口等地（圖9）. 主要規(guī)律為，填海造陸區(qū)主要集中在中南部市轄區(qū)和開發(fā)區(qū)，圍海養(yǎng)殖區(qū)則分散于大連市北部和東部兩側(cè).

圖9 大連市各地區(qū)海岸線變化空間分布圖Fig. 9 Spatial distribution map of coastline changes in Dalian City

4.3 典型岸段分析

選擇普蘭店灣和長興島一帶作為典型，分析大連市海岸線局部變化規(guī)律. 普蘭店灣地區(qū)海岸線變化較大的時(shí)間段有兩個(gè)，第一個(gè)為1984—2000 年，第二個(gè)為2004—2014 年（如圖10、11）. 1984 年遙感圖像顯示，普蘭店灣北側(cè)、南側(cè)和東側(cè)鞍子河河口一帶就有一定規(guī)模的海水養(yǎng)殖業(yè)基礎(chǔ). 1984—1989 年間，該地區(qū)的圍海養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展很快，增長的海水養(yǎng)殖區(qū)面積占大連市總圍（填）海面積的一半左右. 1994—2014 年間，南側(cè)的部分海水養(yǎng)殖區(qū)變更為圍海造地項(xiàng)目，海水養(yǎng)殖業(yè)向?yàn)硡^(qū)西北側(cè)發(fā)展. 這段時(shí)間，普灣新區(qū)和金普新區(qū)相繼成立，三十里鋪臨港工業(yè)區(qū)、松木島化工園區(qū)等建設(shè)項(xiàng)目，是土地用途變更的主要原因.

圖10 長興島開發(fā)區(qū)和普蘭店灣海岸線變化柱狀圖Fig. 10 Histogram of coastline changes in Changxing Island Development Zone and Pulandian Bay

圖11 1984—2018 年典型岸段海岸線變化Fig. 11 Coastline changes of typical segments during 1984-2018

長興島一帶，包括長興島-葫蘆山灣-董家口灣，是海岸變化較為頻繁的地區(qū)（如圖10、11）. 根據(jù)1984年影像資料，本地海水養(yǎng)殖區(qū)主要集中在董家口灣附近. 2004 年之前，該地區(qū)海岸線變化面積較小，年均圍（填）海面積為0.315 km2. 2004 年之后，該地區(qū)圍（填）海工程迅速增加，年平均增長面積達(dá)到5.111 km2. 部分海水養(yǎng)殖區(qū)被廢棄，增加了很多圍海造地項(xiàng)目，這些項(xiàng)目主要集中在葫蘆山灣和長興島西側(cè). 主要原因是2005 年成立長興島臨港工業(yè)區(qū)，2010 年長興島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)升級為國家級經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，大面積的圍海造地項(xiàng)目開始實(shí)施.

5 結(jié)論

基于谷歌地球平臺的遙感時(shí)間序列影像數(shù)據(jù)，提取和分析了大連市1984 年至2018 年間的海岸線變化情況. 研究表明：

（1）大連市海岸線增長經(jīng)歷了低—高—低3 個(gè)階段，時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2004 年和2014 年. 海岸線增速曲線與GDP 增速曲線具有較強(qiáng)的相關(guān)性，說明大連市經(jīng)濟(jì)與海洋關(guān)系較為密切.

（2）大連市海岸線變化主要分布在灣區(qū)和河口地區(qū)，變更土地類型，可以概括為圍海養(yǎng)殖區(qū)和填海造陸區(qū)兩種. 其中填海造陸區(qū)主要集中在市轄區(qū)中南部和長興島開發(fā)區(qū)，圍海養(yǎng)殖區(qū)則分散在北部和東部的瓦房店、普蘭店和莊河等地.

（3）大連市海水養(yǎng)殖業(yè)起步早，且一直在發(fā)展. 近年來，城市擴(kuò)張和產(chǎn)業(yè)升級，在一定程度上擠壓了傳統(tǒng)海水養(yǎng)殖業(yè)的空間，造成部分海水養(yǎng)殖區(qū)變更或遷移.

總之，大連市海岸線變化主要受人為干預(yù)影響，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式密切相關(guān). 作為全國海岸線最長的城市，大連市有著得天獨(dú)厚的海洋資源優(yōu)勢. 確保海洋資源的合理開發(fā)和利用，是海洋經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定、協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵，因此采用科學(xué)有效的方法來加強(qiáng)海洋資源的監(jiān)測和管理至關(guān)重要. 遙感技術(shù)發(fā)展到今天，積累了海量的數(shù)據(jù)，遙感大數(shù)據(jù)的處理和信息挖掘必將成為新的學(xué)科. 谷歌地球平臺整合海量遙感數(shù)據(jù)，為快速開展海洋監(jiān)測提供了便利，但免費(fèi)公開的數(shù)據(jù)精度有限，本文對海岸線類型未做精細(xì)分類. 下一步，可以選擇長興島地區(qū)和普蘭店灣等重點(diǎn)岸段，進(jìn)行大比例尺遙感調(diào)查，為政府管理和科學(xué)研究提供支撐.