渤海灣海岸帶遙感監(jiān)測及時空變化

李秀梅，袁承志，李月洋

(天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300222)

0 引言

渤海灣海岸帶是人類活動頻繁的區(qū)域，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。海岸線是水陸分界線，受物理、化學和生物等一系列環(huán)境要素的影響［1－3］，與此同時，其變化又會加劇生態(tài)環(huán)境的改變，進而影響人類的生產(chǎn)和生活。因此研究海岸線的變遷和由此產(chǎn)生的沿岸土地擴張對了解海岸帶生態(tài)變化的機制具有重要意義。長期以來，由于受到自然和人為等因素的影響，渤海灣海岸線一直在不停地演變，但多以自然因素為主導，演變較為緩慢［4－5］。近年來，隨著環(huán)渤海地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，人類活動加快了海岸線的演變速度，傳統(tǒng)的測量手段已無法實時跟蹤海岸線和土地利用的快速變化［6］。遙感技術在海岸線和土地利用快速變遷研究中顯現(xiàn)出無可比擬的優(yōu)勢［7］。有很多學者在我國沿海和河口地區(qū)的海岸線遙感提?。?－9］和海岸線變遷遙感應用方面［10－15］進行了深入研究，基于遙感技術的土地利用定性定量分析亦有大量研究成果［16－19］，但鮮有學者將海岸線變遷和沿岸土地利用結合起來進行定量研究。本研究借助于遙感和GIS技術，將定性和定量相結合分析10 a間渤海灣海岸線和沿岸土地利用的時空變化，為該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供有效的決策支持。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1．1 研究區(qū)概況

渤海灣位于渤海西部 E 117°35'～ 118°51'，N 38°0'～39°14'之間。灣口北部為冀東沿海的大清河口，南至老黃河口。南北長約130 km，東西寬約111 km，是北方沿海地區(qū)重要的政治、經(jīng)濟、文化中心，橫跨天津、河北和山東。天然海岸類型為淤泥質海岸，后經(jīng)人工改造，多為人工海岸類型。在渤海灣內大部分地區(qū)為不規(guī)則的半日潮，最大潮差出現(xiàn)在8月，最小潮差出現(xiàn)在1月。最大潮流到達渤海灣西岸的時刻是先北后南呈逆時針方向旋轉［20］。

根據(jù)渤海灣海岸的改造程度，本文將渤海灣劃分為5個重點研究區(qū)域，包括天津港、曹妃甸港、黃驊港、天津漢沽和天津大港(圖1)。其中，天津港位于渤海灣西岸海河入?？?，是中國最大的人工海港，主要分為北疆、南疆、東疆及海河4大港區(qū)，本研究還包括南部臨港工業(yè)區(qū)和產(chǎn)業(yè)區(qū);唐山曹妃甸港原為渤海灣北岸的一個小島，位于津京唐之間，因其氣象、水文、地質條件良好，極具建港開發(fā)潛力;黃驊港位于河北省滄州市以東，恰置河北、山東2省交界處，渤海灣的西南部，是地區(qū)性重要港口;天津漢沽位于濱海新區(qū)北部，研究范圍是北塘河口到漢沽大神堂村，作為天津經(jīng)濟建設戰(zhàn)略前沿的一部分，其經(jīng)濟發(fā)展相對滯后，近年來經(jīng)濟變化也日益加快;天津大港地區(qū)南起歧口河，北到獨流減河。

圖1 渤海灣海岸帶研究區(qū)范圍Fig．1 Study area of Bohai Bay coastlines

1．2 數(shù)據(jù)及預處理

本研究采用的遙感數(shù)據(jù)主要為2000年、2005年和2010年3個年份的Landsat TMETM數(shù)據(jù)。每個年份各選3景數(shù)據(jù)用于海岸線變化的比較研究。為了能更準確地提取淤泥質海岸線信息，每個年份還備有1～2景圖像作為解譯參考(表1)。

表1 遙感數(shù)據(jù)及其所處潮位信息Tab．1 RS data and tide information

首先，采用1∶5萬地形圖進行幾何精校正，將對比度較差的圖像進行直方圖均衡化、圖像融合和去薄云等圖像增強處理;由于研究區(qū)范圍涉及3景遙感圖像，因此還需鑲嵌配準。然后，選擇合適的波段進行假彩色合成。TMETM的中紅外波段(TM7)處于水的強吸收帶，水體呈黑色，可明顯區(qū)別于其他地物;近紅外波段(TM4)對綠色植物最敏感，可突出潮灘植被，利于水域判別，同時可用于陸地植被提取;此外，TMETM圖像的中紅外、近紅外和可見光3組波段具有相關性最小、信息量最大化的特點。因此，本研究選取7(R)，4(G)，2(B)波段合成圖像用于海岸線變化解譯，并配合4(R)，3(G)，2(B)標準假彩色合成圖像進行植被解譯。

2 研究方法

首先對整個研究區(qū)域的海岸帶進行分析，確定研究范圍和研究方法;然后對劃分出的天津港、曹妃甸港、黃驊港、天津漢沽和天津大港等5個改造變化明顯的區(qū)域分別進行海岸線變遷、面積變化和土地利用變化的解譯分析。

本研究根據(jù)不同海岸類型采用不同方法對多年大潮平均高潮位時的海陸分界線［21］進行提取。渤海灣大多為典型的粉砂淤泥質海岸帶，但由于沿海經(jīng)濟活動頻繁，多水產(chǎn)養(yǎng)殖池和填海圍地工程，海岸大多建有堤壩進行保護，這些沿岸堤壩和港口便成為人工海岸線;只有灣南仍保留有小部分天然淤泥質海岸線。

采用Canny算子半自動地提取人工海岸線是當前公認較好的方法之一。本研究提取人工海岸線時先用ERDAS進行分類和密度分割等處理，然后在Matlab平臺上人工確定閾值，采用Canny算子提取水邊線，最后可在ArcGIS平臺上進行后期修正。

天然淤泥質海岸線的提取較為復雜，本文總結了前人經(jīng)驗，確定了適合本研究的提取方案。采用三角形模型［22－24］，推算大潮平均高潮位的水邊線。首先選取每年2景影像，獲取瞬時水邊線;由于淤泥質海岸近岸水體渾濁度較高，為了降低渾濁度的影響，選用修復歸一化水體指數(shù)法結合短波紅外波段(TM7)提取瞬時水邊線;其次應用當日高潮的潮位、潮差、落潮歷時、高潮時至遙感圖像獲取時間的間隔等參數(shù)獲取當前圖像過境時刻的潮高［24］;然后根據(jù)不同年份影像的岸線情況將研究區(qū)域劃分為若干小區(qū)域以符合模型要求，對每個小區(qū)域量算出圖像上兩水邊線的距離，求出地形坡度;最后根據(jù)多年驗潮資料算出大潮平均高潮位的潮高，從而推算出高潮位的水邊線作為岸線。此外，以高潮位或接近高潮位的圖像為解譯標準(表1)，根據(jù)以下特征進行人工篩選和調整:①由于灘涂多為面積寬闊、坡度較緩的區(qū)域，解譯標志不如人工海岸線明顯，但潮位下降時，灘涂上會有較多的殘留水，顯現(xiàn)樹枝狀潮溝發(fā)育等潮灘特征［7］，影像上較易分辨，海岸線應該在灘涂向陸一側;②潮位更迭，使得海岸線向海一側被海水不斷沖刷，海岸兩側形成不同的植被特征，向陸一側一般植被生長茂盛，向海一側植物稀疏;③部分灘涂上有人工建筑和人工養(yǎng)殖池，說明這些區(qū)域已建有人工堤壩，人工痕跡應劃歸為陸地。最后，用1∶15萬海圖進行校驗和修正。

沿岸土地利用變化采用監(jiān)督分類和專家系統(tǒng)分類法，并對分類后圖像進行矢量化處理，導入GIS環(huán)境中疊加3個年份的數(shù)據(jù)進行后期評估和屬性統(tǒng)計。由于每個區(qū)域的土地利用變化情況不同，為了突出區(qū)域變化，根據(jù)不同的區(qū)域分別劃分其類別。

3 海岸帶時空變化分析

3．1 海岸線變遷和面積變化

分析2000年、2005年和2010年3個代表性年份的TMETM圖像所顯示的海岸線和陸域面積變化情況。結果表明整個渤海灣區(qū)域海岸線和陸域面積呈現(xiàn)增長的趨勢，海岸線長度增加了331．6 km，海岸面積約增加了322 km2。其中5個典型區(qū)域的海岸帶變化情況見表2。

表2 渤海灣海岸線長度和海岸面積變化統(tǒng)計Tab．2 Statistics of the coastline length and coastal area change of Bohai Bay

從表2中可看出:①10 a間天津港地區(qū)海岸線和陸域面積變化非常大，呈現(xiàn)向海中快速突進的增加趨勢。海岸線曲折度也明顯增加，致使海岸線長度增加了約101．1 km。其中2000—2005年間增加42．7 km，速率為 8．5 km/a;2005—2010 年增加了58．4 km，變化速率為 11．7 km/a。前5 a陸地面積增加了15．8 km2，速率為3．2 km2/a;后5 a面積增加了89．7 km2，速率為17．9 km2/a，明顯快于前5 a，而且平均每年的陸域增長都超過了前5 a的總增長量。②曹妃甸港于2003年正式開發(fā)，到2005年圍填面積 9．6 km2，海岸線增加了33．2 km，增速分別為1．9 km2/a和6．6 km/a;2006年被列入國家“十一五”發(fā)展規(guī)劃項目;2010年面積又增加了163．2 km2，海岸線又增加了69．0 km，后5 a增長速率分別為32．6 km2/a和13．8 km/a。該地區(qū)也是渤海灣海岸帶由陸向海延伸速度最快的地區(qū)。③黃驊港于2005年之前變化較為緩慢，填海速率是0．9 km2/a，2005年之后海岸面積增速約3．3 km2/a;10 a間海岸線變化的長度和曲折度都在增加，海岸線增量為41 km，陸域面積增長20．9 km2。④天津漢沽2個5 a間海岸線向海中推進分別為1．4 km和34．9 km，面積分別增加了 0．2 km2和11．0 km2，前5 a該地區(qū)的變化非常小，2005年后增幅明顯變大。⑤天津大港地區(qū)2000—2005年海岸線變化不明顯，在獨流減河附近和青靜黃排水渠與歧口河之間灘涂上有開發(fā)養(yǎng)殖池等人類活動的痕跡，海岸線增加了0．5 km。但從圖1明顯看出2010年海岸線向海中推進，最大幅度可達4．0 km，致使陸地面積增長15．2 km2。而統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表2)顯示海岸線長度增加很少，這主要是由于該區(qū)域人工圍填海后，岸線的曲折度降低造成的。

3．2 土地利用的時空變化

3．2．1 天津港

天津港是天津地區(qū)改造強度最大的地方，為了便于分析該區(qū)土地利用變化，按其土地利用類型分為11個分區(qū):北疆港區(qū)、東疆港區(qū)、南疆港區(qū)、海河港區(qū)、臨港工業(yè)區(qū)、臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)、開發(fā)區(qū)、天津散貨物流中心、鹽田坑塘養(yǎng)殖池、海灘、河流海洋(圖2)。

圖2 天津港土地利用分布圖Fig．2 Distribution map of Tianjin Port land use classification

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和對外貿(mào)易的增加，作為北方最大港口的天津港的建設受到政府的高度重視。為了進一步增強其核心競爭力，加快了填海造陸的步伐，從10 a間土地利用來看(圖2、表3)，東疆港是圍填海項目，在海中增長24．5 km2，南疆港2000年以前只有6．9 km2，到2010年持續(xù)圍海造陸14．0 km2，此外還有2000年始建的臨港工業(yè)區(qū)和2005年起開發(fā)的臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)不僅向海中延伸，還占用了陸地上大片的海灘、鹽田坑塘養(yǎng)殖池等濕地資源。同樣占用濕地資源的還有天津散貨物流中心等人工建筑和其他人為填充地，致使天然海灘減少25．8 km2，鹽田坑塘養(yǎng)殖池減少了 25．9 km2。人類頻繁的改造活動使得該地區(qū)的濕地減少，天然海灘幾近消失。

表3 天津港土地利用統(tǒng)計表Tab．3 Statistics of Tianjin Port land use (km2)

3．2．2 曹妃甸港

根據(jù)曹妃甸港區(qū)的具體情況將土地利用類型分為建筑用地、灘涂、曹妃甸港、海島、開墾未利用地、鹽田坑塘養(yǎng)殖池、河流海洋等類別(圖3)，并統(tǒng)計其面積(表4)。

圖3 曹妃甸港土地利用分布圖Fig．3 Distribution map of Caofeidian Port land use classification

表4 曹妃甸港土地利用統(tǒng)計表Tab．4 Statistics of Caofeidian Port land use (km2)

從圖3和表4可以看出，10 a間曹妃甸港區(qū)不斷向海中和陸上擴張，海中將最初的天然小島和大陸通過人工填海連成了一體，總面積200．3km2，沿岸灘涂基本消失，由 2000年的23 km2減少到6．8 km2，陸上占用了大片的濕地，加上人工填充的未利用地和村莊的擴建使得鹽田等濕地減少4 km2。

3．2．3 黃驊港

2000年黃驊港已經(jīng)開始建設，沿岸土地類型以鹽田等濕地為主。經(jīng)過5 a建設，港口的土地面積增加了7．5 km2，主要來源于填海造陸和沿岸濕地占地。到2010年鹽田坑塘養(yǎng)殖池和天然灘涂已分別減少了12．5 km2和6．9 km2，建筑用地和黃驊港區(qū)共增加了40．2 km2，人為干預比較明顯(圖4、表5)。

圖4 黃驊港土地利用分布圖Fig．4 Distribution map of Huanghua Port land use classification

表5 黃驊港土地利用統(tǒng)計表Tab．5 Statistics of Huanghua Port land use (km2)

3．2．4 天津漢沽

從圖5可以看出，作為濱海新區(qū)十大戰(zhàn)役之一的天津漢沽的濱海旅游航母主題公園到2005年已經(jīng)建成，而中新生態(tài)城、中心漁港和北疆電廠的建設都是2005年國務院批準推進濱海新區(qū)開發(fā)開放之后開始建設的。

圖5 天津漢沽土地利用分布圖Fig．5 Distribution map of Tianjin hangu land use classification

從整體上看，天津漢沽圍填海面積與上述港口地區(qū)相比較小，10 a間只增長了11．3 km2，但沿岸鹽田等濕地和天然海灘被大量占用，分別損失56%和49%，反之，建筑用地大幅度增長(圖5、表6)。變化明顯的區(qū)域主要集中在航母主題公園、中新生態(tài)城、中心漁港和北疆電廠等地區(qū)。

表6 天津漢沽土地利用統(tǒng)計表Tab．6 Statistics of Tianjin hangu land use(km2)

3．2．5 天津大港

該區(qū)域土地利用主要分為河流海洋、鹽田坑塘養(yǎng)殖池、建筑用地和未利用地、灘涂等4類(圖6)。

圖6 天津大港土地利用分布圖Fig．6 Distribution map of Tianjin dagang land use classification

其中灘涂和海洋面積都在逐年遞減。2005年鹽田、坑塘、養(yǎng)殖池面積最大，建筑用地和未利用地面積最少，主要因為2000年以后沿岸開發(fā)人工養(yǎng)殖池和降雨的影響使得天然未利用地減少，而2005年后開始大規(guī)模人工占用陸上濕地資源使人為的建筑用地和未利用地大量增加?？傊?，10 a間沿岸土地利用類型的變化主要體現(xiàn)為以鹽田等濕地為主過渡到以建筑用地為主的類型(圖6、表7)。

表7 天津大港土地利用統(tǒng)計表Tab．7 Statistics of Tianjin dagang land use (km2)

4 海岸帶變化原因分析

渤海灣海岸帶的整體變化趨勢是陸域面積增加，海岸線增長。但具體來看，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類在海岸帶改造活動的日益頻繁，10 a來渤海灣西岸和北岸的人工海岸線發(fā)生了巨大變化，變化趨勢主要表現(xiàn)為由陸向海擴張，曲度更加復雜;渤海灣南岸仍保留著的部分天然淤泥質海岸線，受風暴潮、海平面上升等自然現(xiàn)象的影響有被沖蝕后退的跡象［25］。

自2000年以來，隨著我國對外經(jīng)濟貿(mào)易活動的日益增加，渤海灣天津海岸帶一直承受著人類經(jīng)濟改造的巨大壓力。天津港位于海河入?？?，受季風和潮汐的影響，港口內淤積了大量的泥沙，每年的清淤量達2000萬m3以上［26］。利用這些疏浚泥沙填海造陸，可減少淤積，增加港口吞吐量，加上城市用地資源的稀缺，填海造陸能有效緩解快速經(jīng)濟發(fā)展與建設用地不足的矛盾，使之成為這一地區(qū)海岸地形變化的主要原因。曹妃甸港因其良好的天然地理優(yōu)勢，在環(huán)渤海經(jīng)濟發(fā)展布局中占有重要地位，2006年被列入國家級開發(fā)項目，10 a間曹妃甸已從一個面積僅16 km2海上小島建設成面積200．3 km2的國際港口和工業(yè)區(qū)，隨著該地區(qū)工業(yè)用地的日益擴張和生態(tài)城的大規(guī)模建設，陸上濕地資源必將被大量占用。黃驊港發(fā)展方向是建成能源輸出港，開發(fā)速度略低于天津港和曹妃甸港，但從其發(fā)展空間和占地規(guī)模來看都不容小覷。天津漢沽從北到南的北疆電廠、中心漁港和中新生態(tài)城等項目的大規(guī)模開發(fā)建設，不僅向海中延伸，還占用了沿岸大片土地，使得當?shù)氐南|頭沽、北塘、青坨子、蔡家堡等原始漁村已經(jīng)從地圖上消失。獨流減河到歧口河之間天津大港的南港工業(yè)區(qū)正在圍堤填海，使得該區(qū)域海岸線變得平直，此外養(yǎng)殖池的擴建等人類活動也對該區(qū)域海岸有改造作用。

上述開發(fā)改造工程正在導致渤海灣海岸線和陸域面積逐年增加，海洋面積逐年減少，較大程度地干擾著該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，使固有的生態(tài)系統(tǒng)面臨著巨大挑戰(zhàn)。

5 結論

本研究采用2000年、2005年和2010年的遙感數(shù)據(jù)對渤海灣5個重點改造區(qū)域進行了海岸線陸域面積和土地利用變化等時空演變分析，得到以下結論:

1)渤海灣為粉砂淤泥質海岸，但是由于人類對該地區(qū)的頻繁改造，大部分地區(qū)特別是西岸和北岸已經(jīng)形成人工海岸，只有渤海灣南岸還保留有少部分天然淤泥質海岸線。

2)渤海灣海岸在2000—2010年10 a內發(fā)生了大幅度的變化，變化趨勢是由陸向海推進，陸地面積增加了約322 km2，海岸線增長了約331．6 km;從沿岸土地類型來看，人工建筑和建筑未利用地不斷增加，天然裸地、濕地被占用而大幅減少。

3)渤海灣地區(qū)的海岸變化存在著時空差異，人類改造強度最大的5個子區(qū)域中，2000—2005年天津港地區(qū)的海岸線和陸地面積快速變化，速度分別為8．5 km/a和3．2 km2/a;2005—2010年曹妃甸港圍填海速度最快，其海岸線和陸地變化速度分別高達13．8 km/a和32．6 km2/a;10 a間灘涂損失最多的區(qū)域是天津港地區(qū)，為89%;鹽田坑塘養(yǎng)殖池被占用最多的是天津漢沽段，為55%;2個5 a期間黃驊港和天津大港段的海岸線都在勻速增長，海岸線曲折度降低，但陸域面積則在加速增長。總體來說，2005年以后的渤海灣地區(qū)的變化有顯著加快趨勢。

4)渤海灣海岸10 a間的巨大變化主要是由于人類經(jīng)濟活動帶來的過度開發(fā)。

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