浙江省慈溪市海岸線變遷及其植被生態(tài)影響研究

李春雷，王 新，徐慶華，宋立松

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

海岸線是海陸分界線，是指多年大潮高潮位時的海陸界線，在測繪部門也被稱為大潮高潮位時海陸分界的痕跡線。海岸線是由各種地質(zhì)因素相互作用、河流和海洋沉積物淤積、各種氣象和海洋條件以及人類社會經(jīng)濟活動造成的［1］。隨著區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展導(dǎo)致用地需求猛增，圍墾工程開始大量開展。在自然條件和人類活動的共同作用下，使沿岸地理條件發(fā)生了巨大變化。這種變化可能對沿海灘涂面積和濕地生態(tài)系統(tǒng)衰退具有重要的影響，其變化改變了灘涂資源量及海岸帶環(huán)境，影響沿海人民的生存與發(fā)展［2］。因此，海岸線變化和生態(tài)研究對海岸、灘涂的開發(fā)利用以及周圍生態(tài)環(huán)境的保護等都具有十分重要的意義。

遙感技術(shù)可以及時、準確、高效地獲取地物信息，在變化監(jiān)測方面具有范圍廣、時效性強等特點，已成為海岸線監(jiān)測的重要手段。CORONA影像是美國在冷戰(zhàn)時期發(fā)射的間諜衛(wèi)星所拍攝的衛(wèi)星影像，是當時重要的情報資料來源。1995年美國宣布將冷戰(zhàn)時期拍攝的間諜衛(wèi)星影像開放［3］，這些影像填補了1960—1970年代衛(wèi)星影像的空白，并且其分辨率高、價格便宜的特點得到了很多研究者的認可。CORONA影像對海岸線變遷的應(yīng)用研究在國內(nèi)外已經(jīng)有很多成功的先例，如Bayram等人就曾采用過CORONA影像研究海岸帶的變遷［4］。自1995年以來CORONA衛(wèi)星影像在制圖、環(huán)境、地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，為研究全球半個世紀以來的環(huán)境變化提供了新的途徑。

本文采用了CORONA影像、TM影像、Landsat 8影像等多源數(shù)據(jù)，將浙江省慈溪市作為研究區(qū)域，對近40a來慈溪的海岸線的變化情況進行了研究，為浙江省沿海的海岸線變化趨勢以及對生態(tài)環(huán)境變化影響研究提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)概況

慈溪市地處浙東杭州灣南岸，東南接寧波市鎮(zhèn)海、江北區(qū)，西南連余姚市，北面臨杭州灣。介于北緯30°21′～30°24′和東經(jīng)121°02′～121°42′，為滬、杭、甬三角地區(qū)結(jié)合部，屬寧波市管轄。根據(jù)慈溪市水利志，慈溪市陸域東西長55.00km，南北寬28.00km，最寬處30.00km，總面積1717.60km2。其中海域面積342.35km2，岸線至理論基面的海涂面積433.05km2，陸地面積942.20km2。陸地中平原面積775.40km2，占陸地面積的82.3%；丘陵面積166.80km2，占陸地面積的17.7%，海岸線北凸成弧形，長77.56km。

2.2 研究方法

2.2.1 海岸線提取與分析

本文將采用多時相遙感數(shù)據(jù)獲取不同年份的海岸線空間分布，比較與分析可以很好地反映海岸線的變化情況。但根據(jù)海岸線的定義，海岸線位置的確定與潮位有關(guān)，對海岸線提取帶來了一定的難度。本文以慈溪市為研究區(qū)域，其海岸線的變遷主要由人類活動造成，并且通過近年來大規(guī)模的圍墾，海岸已經(jīng)筑有多處海塘堤防。這些海塘在遙感影像中具有高反射率，規(guī)則的線狀結(jié)構(gòu)，在TM的5、4、3波段組合圖像中非常明顯［5］。因此，直接采用人工解譯方法提取海岸線，根據(jù)各個時間段的海岸線對比，并結(jié)合歷史資料，分析海岸線變遷趨勢。

2.2.2 植被生態(tài)影響分析

植被的生長狀況與多個因素有關(guān)，在植被遙感中NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）無疑是應(yīng)用最廣泛的，它與植物生物量、葉面積指數(shù)以及植被覆蓋度都有密切的關(guān)系，是反應(yīng)植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指標，與植被分布密度呈線性關(guān)系。NDVI是歸一化植被指數(shù)，其定義為近紅外波段與可見光紅波段數(shù)值之差和這2個波段數(shù)值之和的比值。公式如下：

式中：DNNIR為近紅外波段的像元亮度值；DNR為可見光紅波段的像元亮度值。

本文根據(jù)提取的各個時間段的海岸線與慈溪市行政邊界作為區(qū)域范圍裁剪慈溪市遙感影像，并對裁剪后的遙感數(shù)據(jù)進行NDVI計算。在此基礎(chǔ)上得到海岸線周圍以及擴張區(qū)域的植被覆蓋狀況，對多個時相的NDVI進行比較分析，分析海岸線變遷對植被生態(tài)的影響。

2.3 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用的數(shù)據(jù)為CORONA影像、Landsat 5的TM影像、Landsat 8影像以及Spot-5影像。其中CORONA影像包括3景1964年12月的影像，都為黑白影像，分辨率為2.75m。由于單景影像都只覆蓋了研究區(qū)部分范圍，所以需要進行影像拼接。TM影像包括1景1984年4月影像和1景2003年8月影像，分辨率都為30.00m。Landsat 8影像為1景2013年8月影像，除了熱紅外波段分辨率為100.00m和全色波段分辨率為15.00m外，其他分辨率都為30.00m。Spot-5影像包括4個分辨率為10.00m的多光譜波段和1個分辨率為2.50m的全色波段。其中將多光譜波段和全色波段經(jīng)過影像融合處理，最終可獲得分辨率2.50m的多波段影像數(shù)據(jù)。

CORONA數(shù)據(jù)雖然分辨率高，但缺點也很明顯。首先由于其采用的是全景攝影系統(tǒng)，本身就會產(chǎn)生全景變形［6］，并且當時沒有GPS全球定位系統(tǒng)，影像數(shù)據(jù)缺少空間坐標參數(shù)。其次衛(wèi)星數(shù)據(jù)為膠片格式，目前是通過電子掃描獲得的數(shù)碼影像，導(dǎo)致了二次形變。因此CORONA影像有很大的幾何形變誤差，常規(guī)的三角測量和幾何校正都比較困難。美國普林斯頓大學(xué)的Ramon等人曾利用多項式模型借助ETM第8波段的15.00m分辨率的影像選取控制點對CORONA影像進行過校正，然而CORONA影像的分辨率遠高于ETM的分辨率，這樣帶來了很大的誤差。

本文根據(jù)Ramon等人的研究基礎(chǔ)上，選取Spot-5影像為基準對CORONA影像進行幾何校正。本次Spot-5影像使用的是CGCS2000坐標系，分辨率為2.50m。與CORONA影像的分辨率比較接近，校正時可以對地物進行更為精確的比較，可以很大程度上減少誤差。海岸線處在海洋和陸地的交接處，在海洋部分較難得到理想的地面控制點，為了確保海岸線周圍的校正，應(yīng)盡量選擇沿海的建筑物、海島的邊緣、海塘堤防等地物作為控制點。經(jīng)過幾何校正后，對CORONA影像進行拼接完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理。在提取海岸線時，TM影像與Landsat 8影像需要進行波段組合。TM影像采用5、4、3波段組合，Landsat 8影像采用6、5、4的波段組合，最終提取海岸線并裁剪出研究區(qū)域。

3 海岸線變遷分析

采用上文所述的海岸線提取方案，最終獲得1964年、1984年、2003年和2013年4個時期的海岸線 （見圖1、2）：

從圖1和圖2中可以看出，整體上慈溪市海岸線都是往東北方向大幅擴張，海岸線變遷趨勢非常明顯，可以分為2類進行對比：在變化距離方面，1964—2013年最長擴張了8350.00m，最短擴張了2112.00m。在變化面積方面，1964—1984年擴張了47.30km2，從1985年至2003年擴張了120.86km2，2004—2013年擴張了154.30km2。

圖1 Landsat 8影像與各時期海岸線疊加圖

圖2 CORONA影像與各時期海岸線疊加圖

如圖2所示，本文將慈溪市海岸線擴張分為4個方向進行統(tǒng)計，圖中標注了A、B、C、D四個方向。在4個方向上擴張情況統(tǒng)計見表1。

表1 4個方向海岸線擴張長度統(tǒng)計表

表1可得，A、B段海岸線擴張幅度要比C、D段大，是由于不同岸段自然環(huán)境與人為活動不同，其岸線變化速度與特點也不相同。其中1984年后海岸線的擴張速度比1984年前的擴張速度明顯加快。這是由于慈溪市開始大規(guī)模圍墾是由20世紀80年代后開始的，并且2004—2013年其擴張速度依然不減，預(yù)示未來還將進一步增加海岸線東擴的趨勢。

4 植被生態(tài)影響分析

根據(jù)前文所述的植被影響分析方案，獲得1984年、2003年和2013年3個時期的 （圖3～5）。

圖3 1984年NDVI圖

圖4 2003年NDVI圖

圖5 2013年NDVI圖

從圖3、4、5對比可以看出：

（1）在慈溪市中心地區(qū)NDVI整體呈下降趨勢，植被覆蓋逐漸減少。究其原因，可能是隨著現(xiàn)代化建設(shè)，土地的稀缺導(dǎo)致城區(qū)對于土地的利用更加集中，建設(shè)用地所占比重大，致使植被覆蓋減少；

（2）在海岸線擴張新增的區(qū)域NDVI開始有增加其后減少。是由于圍墾的工程量大，時間跨度久，圍墾過程中有一段很長的建設(shè)空窗期。在這段時間內(nèi)隨著海水外排，土壤改善，植被開始較好地生長。但是隨著圍墾區(qū)土地的日漸穩(wěn)定和成熟，新增的土地需要投入新一輪的建設(shè)，植被覆蓋又開始減少，直至一個穩(wěn)定狀態(tài)；

（3）截取海岸線周圍的情況與內(nèi)陸情況進行對比，各個時期海岸線周圍NDVI比內(nèi)陸要低一些，是由于圍墾區(qū)內(nèi)海水和土壤共存，環(huán)境是逐步改善的，而周圍土地比較成熟和穩(wěn)定，相對植被覆蓋也會比較好。

5 結(jié) 語

通過較高分辨率影像，利用遙感技術(shù)可以較好地反應(yīng)海岸線的變遷情況。慈溪市海岸線的變化速率在不同時期不同岸段的差異較大，主要是受人類活動的影響，特別是受20世紀80年代之后的圍墾影響。并且隨著時間的推移，海岸線向外擴張的趨勢依然很明顯。從海岸線周圍的植被覆蓋狀況可以看出，海岸線變遷對植被生態(tài)的影響還是比較大的。隨著圍墾區(qū)內(nèi)土壤的改善，滿足了植被生長所需的條件，也變相增加了適合植被生存的土地。但隨著圍墾區(qū)的建設(shè)，植被覆蓋會相應(yīng)的減少，所以需要對圍墾區(qū)有更好的規(guī)劃利用，才能實現(xiàn)人類生活與生態(tài)環(huán)境的共贏。

本文只對海岸線周圍的植被覆蓋進行了分析，對于生態(tài)影響研究只是冰山一角，主觀性較強。下一步工作需要對生態(tài)綜合評估方法進行研究，從而進一步探索海岸線變遷對周圍生態(tài)的影響。

［1］姜義，李建芬，康慧，等.渤海灣西岸近百年來海岸線變遷遙感分析 ［J］.國土資源遙感，2003，58（4）：54-58.

［2］蔡則健，吳曙亮.江蘇海岸線演變趨勢遙感分析 ［J］.國土資源遙感，2002（3）：19-23.

［3］閆業(yè)超，張樹文，岳書平.基于Corona和Spot影像的近40年黑土典型區(qū)侵蝕溝動態(tài)變化 ［J］.資源科學(xué)，2006，28（6）：154-160.

［4］Bayram b，Bayraktar H， Helvacl C.Coastline change detection using corona.spot and irs 1dimages ［EB／OL］.2006.http：／／www.isprs.org／istanbul2004／comm7／papers／85.

［5］宋立松，王新，向衛(wèi)華，等.杭州灣灘涂資源遙感動態(tài)監(jiān)測分析 ［J］.浙江水利科技，2007（1）：11-17.

［6］徐涵秋.水土流失區(qū)生態(tài)變化的遙感評估 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（7）：91-97.

［7］陳寧華，汪新，楊樹鋒.基于CORONA影像的淺層地層信息定量提取 ［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，2007，41（4）：662-667.