2001—2013年遼東灣海岸帶空間變化分析

2001—2013年遼東灣海岸帶空間變化分析

選用2001年、2006年、2009年和2013年的Landsat5/8遙感數(shù)據(jù)，利用面向?qū)ο蟮姆椒ê虶IS空間分析技術(shù)，對遼東灣的海岸線變遷和海岸帶土地利用變化情況進(jìn)行研究。通過定量和定性分析，總結(jié)該區(qū)域海岸線變遷的速度與土地利用變化幅度。結(jié)果表明：12 a來,遼東灣海岸帶發(fā)生了巨大變化，整體變化趨勢是由陸地向海洋方向擴(kuò)展，海岸線總長度增加了514 km，海岸帶總面積增加了404 km2；從土地利用方面來看，港口不斷擴(kuò)建，建筑用地和未利用土地不斷增加，綠地、濕地和灘涂大幅減少；這些變化主要是人類經(jīng)濟(jì)活動開發(fā)導(dǎo)致的。

遼東灣；面向?qū)ο?；海岸線；土地利用

0 引言

海岸帶是指陸地和海洋之間相互作用的交匯地帶。海岸線是海陸的分界線,在我國定義為多年大潮平均高潮位時的海陸界限[1-2]。海岸線對生態(tài)環(huán)境影響較大，如濕地退化、生態(tài)服務(wù)功能下降及生物多樣性受到破壞等[3]。國內(nèi)外許多學(xué)者采用遙感手段研究海岸線的變遷。Descombes等[4]采用SAR影像提取了海岸線；Frihy等[5]檢測了尼羅河三角洲東北部海岸線的變化；馮蘭娣等[6]采用小波變換提取了黃河三角洲岸線；姜義等[7]提取了渤海百年來岸線變化信息；張旭凱等[8]結(jié)合海岸類型和潮位校正對海岸線進(jìn)行了提取。許多學(xué)者對沿海土地利用也進(jìn)行了研究。吳泉源等[9]分析了1984—2004年龍口市海岸帶變化特點；朱會義等[10]分析了環(huán)渤海區(qū)1985—1995年間土地利用的變化特征；杜培軍等[11]分析了江蘇濱海濕地土地利用變化情況；鄭宗生等[12]分析了崇明東灘濕地的演變情況。然而，很少有學(xué)者將海岸線變遷和沿岸土地利用相結(jié)合來對海岸帶進(jìn)行分析。本文采用面向?qū)ο蟮倪b感解譯方法和GIS空間分析技術(shù)，定性與定量相結(jié)合對遼東灣2001—2013年海岸線變遷以及海岸帶的土地利用變化情況進(jìn)行了全面分析，可為遼東灣地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供決策數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

遼東灣是中國渤海三大海灣之一，地理位置在長興島(E121°13.5′，N39°31′,)與秦皇島(E119°31.7′,N39°48.8′)連線以北[13]。平均潮差(營口站)2.7 m，最大可能潮差5.4 m[14]。根據(jù)遼東灣海岸的變遷狀況和類型，本文對改造程度較大的秦皇島港、山海關(guān)港、葫蘆島港、錦州港、鲅魚圈港和仙人島港6個區(qū)域及遼東灣北部特征明顯的淤泥質(zhì)海岸帶遼河口區(qū)進(jìn)行了分析，位置如圖1所示。

圖1 遼東灣海岸帶及其重點研究區(qū)Fig.1 Liaodong Bay coastlines and its key study area

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

本文以Landsat5 TM(時相為2001-08-10，2001-09-02，2006-10-02，2006-10-11，2009-10-03及2009-10-10)和Landsat8 OLI_TIRS(時相為2013-11-15和2013-11-22)圖像為數(shù)據(jù)源，空間分辨率為30 m。采用1∶5萬比例尺地形圖對圖像進(jìn)行幾何精糾正，然后對其鑲嵌。

2 研究方法

首先，分析整個遼東灣地區(qū)變化情況，確定重點區(qū)；然后，對重點區(qū)進(jìn)行海岸線變遷和土地利用變化分析。海岸線提取采用面向?qū)ο蟮姆椒╗15-16]，具體流程見文獻(xiàn)[17]。提取的海岸線是多年平均高潮位時的海陸分界線[18]。由于不能保證衛(wèi)星過境時正好處于大潮高潮位，因此需對提取的不同類型海岸線分別進(jìn)行潮位糾正。遼東灣多為淤泥質(zhì)平原海岸，受潮位影響較大，需糾正才能得到準(zhǔn)確的海岸線；同理，砂質(zhì)岸線也需糾正；部分人工海岸建設(shè)有坑塘養(yǎng)殖地、大壩和海港等，由于潮位對其影響較小，將不予糾正；少許基巖海岸也無需糾正。海岸線潮位校正的原理基于三角形模型[19-20]，如圖2所示。

圖2 海岸線位置糾正原理Fig.2 Principle of coastline position modification

設(shè)2景圖像成像時刻的水邊線位置為D1和D2，水平間距為△L，衛(wèi)星過境時刻的潮位高度分別為h1和h2，則有

(1)

式中：θ為海岸坡度；L為水邊線到海岸線的距離；H為平均高潮位的潮水高度。

海岸線潮位糾正需要潮汐站的觀測數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星過境時的潮位和平均高潮位。潮位信息來自中國海事服務(wù)網(wǎng),衛(wèi)星過境的潮位高度如表1所示。

表1 衛(wèi)星過境時刻潮位信息Tab.1 Tide information at satellite transit time

首先，根據(jù)式(1)和潮位信息，對淤泥質(zhì)和砂質(zhì)海岸線進(jìn)行糾正，并在GIS軟件中完成海岸線合并，獲得遼東灣及各研究區(qū)糾正后的海岸線，如圖3所示。

圖3 遼東灣重點研究區(qū)海岸線Fig.3 Coastlines of key study area of Liaodong Bay

然后，采用支持向量機(jī)分類法對研究區(qū)海岸帶進(jìn)行分類，并對分類結(jié)果進(jìn)行矢量化；最后,利用GIS空間分析功能和地圖代數(shù)功能進(jìn)行后期評估和屬性統(tǒng)計。由于每個研究區(qū)土地利用變化情況各不相同，所以不同區(qū)域的分類也有所不同。

3 海岸線提取精度驗證

采用Google Earth 1 m空間分辨率圖像對不同年份的海岸線提取精度進(jìn)行驗證。首先，在提取的海岸線附近(1個像素距離內(nèi))分別隨機(jī)選取500個樣點，利用空間分析軟件，將其分類為海洋或陸地；然后，將Google Earth中查詢得到所需的遼東灣高分辨率影像，分別用1∶5萬地形圖對圖像進(jìn)行幾何精糾正，使其與海岸線矢量圖投影一致；最后，驗證上述樣本的分類精度，結(jié)果如表2所示。

表2 遼東灣海岸線提取精度Tab.2 Accuracy of the extraction of coastlines in Liaodong Bay

從表2可以看出，4期海岸線的提取精度都在90%以上，Kappa均在0.85以上，說明面向?qū)ο蠛统毕ＵY(jié)合后提取的海岸線精度較好。

4 海岸帶時空變化分析

4.1 海岸線變遷和面積變化

遼東灣海岸線和陸地面積變化情況見圖4。

圖4 遼東灣海岸線長度(左)及面積(右)變化Fig.4 Changes of coasline length(left) and area(right) of Liaodong Bay

由圖4可以看出，2001—2013年海岸線和陸地面積呈增長趨勢；2006年后海岸線增速明顯加快。2001—2013年海岸線總長度增加了514 km；海岸面積增速逐年上升，2009—2013年增加的海岸面積超過了2001—2009年增加的面積，2001—2013年海岸面積總共增加404 km2。

7個重點研究區(qū)的海岸帶變化情況(表3)為：

1)2001—2013年秦皇島港海岸線和陸地面積變化不大，海岸線總長度增加了10.52 km，陸地總面積增加了2.37 km2。其中，2001—2006年海岸線增速最快，增加了7.41 km，速率為1.48 km/a；2001—2006年陸地面積增加了2.04 km2，速率為0.41 km2/a；2006—2013年陸地面積總共增加0.33 km2，增速減慢，低于前5 a平均每年增長的面積。

表3 遼東灣海岸線長度和海岸面積變化統(tǒng)計Tab.3 Statistics of the coastline length and coastal area change of Liaodong Bay

2)山海關(guān)港2006年之前海岸線僅增加0.23 km，面積增加0.17 km2；2006—2009年，海岸線增加了3.02 km，增速為1.00 m/a，面積增加1.35 km2，速率為0.45 km2/a；2009—2013年海岸線增加14.33 km，增速為3.58 km/a，面積增加了1.45 km2，增速為0.36 km2/a。

3)葫蘆島港2006—2009年3 a間的變化較大，海岸線增加10.82 km，陸地面積增加7.28 km2，增速分別為3.60 km/a和2.43 km2/a；前5 a和后4 a增速較緩，海岸線總增加8.59 km，陸地面積增加2.54 km2。

4)錦州港2001—2006年面積增加3.56km2，超過2006—2013年變化總和；2009—2013年海岸線增加21.23 km，面積僅增加1.35 km2。

5)鲅魚圈港前5 a海岸線增加21.46 km，面積增加8.22 km2，增速分別為4.29 km/a和1.64 km2/a；中間3 a海岸線增長6.58 km，面積增加2.19 km2，增速分別為2.19 km/a和0.73 km2/a；2009—2013年海岸線增長29.62 km，面積增加12.81 km2，增速分別為7.41 km/a和3.20 km2/a。該區(qū)成為主要港口中增速最快的港。

6)仙人島港的變化較大，2001—2013年海岸線總增加45.08 km，面積增加10.81 km2，增速僅次于鲅魚圈區(qū)。

7)遼河口區(qū)2001—2013年海岸線增加了5.75 km，面積增加了41.36 km2，從2006年開始，面積增加速度加快，主要原因是養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，大量的坑塘被建造。

4.2 土地利用的時空變化

4.2.1秦皇島港

根據(jù)秦皇島港的具體情況，可將土地利用類型分為東港區(qū)、西港區(qū)、建筑用地、綠地、水灣和河流海洋，4期結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別如圖5和表4所示。

圖5 秦皇島港土地利用分類圖

Fig.5 Classification map of Qinhuangdao Port land use

表4 秦皇島港土地利用統(tǒng)計表

Tab.4 Statistics of Qinhuangdao Port land use (km2)

年份東港區(qū)西港區(qū)建筑用地灘涂綠地水灣河流海洋20017.285.9611.820.155.990.0372.3420068.736.3113.030.154.770.0370.5420098.816.3514.430.153.560.0370.2320138.976.3814.860.203.360.0169.77

從表4可以看出，東港區(qū)和西港區(qū)處于持續(xù)增長的趨勢。2001—2013年東港區(qū)增加了1.69 km2，西港區(qū)增加了0.42 km2。建筑用地和綠地面積呈負(fù)相關(guān)，2001—2013年建筑用地增加了3.04 km2，綠地面積減少了2.63 km2。綠地的減少主要是被建筑用地占用。水灣面積不斷減少形成綠地。

4.2.2山海關(guān)港

根據(jù)具體情況可將山海關(guān)港區(qū)土地類型分為建筑用地、河流海洋、水灣、山海關(guān)港和灘涂和綠地、未利用土地，4期結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別如圖6和表5所示。

圖6 山海關(guān)港土地利用分類圖

Fig.6 Classification map of Shanhaiguan Port land use

表5 山海關(guān)港土地利用統(tǒng)計表

Tab.5 Statistics of Shanhaiguan Port land use

(km2)

山海關(guān)港2006年開始續(xù)建，經(jīng)過7 a的建設(shè)，

港口面積增加了2.64 km2。2001—2013年建筑用地增加4.14 km2，綠地和未利用土地減少4.1 km2。灘涂基本無變化。

4.2.3葫蘆島港

根據(jù)實際情況可以將葫蘆島港區(qū)土地利用類型分為葫蘆島港、綠地、水灣、坑塘、河流海洋、建筑用地和未利用土地，4期結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別如圖7和表6所示。

圖7 葫蘆島港土地利用分類圖

Fig.7 Classification map of Huludao Port land use

表6 葫蘆島港土地利用統(tǒng)計表

Tab.6 Statistics of Huludao Port land use (km2)

年份葫蘆島港綠地水灣坑塘灘涂河流海洋建筑用地、未利用土地20012.567.532.063.710.77128.0511.7320063.307.300.221.210.56127.1016.1120095.806.842.030.000.00118.6323.1020136.616.420.160.000.00116.7926.41

葫蘆島港由陸地不斷向海中擴(kuò)張，從2001年的2.07 km2擴(kuò)大為4.87 km2?？犹林饾u被建筑用地和未利用土地占用。灘涂到2009年完全消失，被港口和建筑用地占用。建筑用地和未利用土地12 a增加了14.83 km2(表6)。

從圖8和表7可以看出，錦州港區(qū)12 a來建筑用地和未利用土地共增加了24.85 km2，綠地減少了12.05 km2。水灣的變化較明顯，隨著港口的擴(kuò)建，沒有被填埋的海水區(qū)形成臨時水灣。水灣被填埋后，變?yōu)楦劭凇?2 a來，錦州港增加了9.78 km2，錦州新港增加了0.98 km2，坑塘消失，筆架山島增加了0.4 km2，河流海洋減少了18.91 km2。

圖8 錦州港土地利用分類圖Fig.8 Classification map of Jinzhou Port land use

表7 錦州港土地利用統(tǒng)計表Tab.7 Statistics of Jinzhou Port land use

4.2.5鲅魚圈港

鲅魚圈港土地利用類型分為鲅魚圈港、綠地、水灣、河流海洋和建筑用地、未利用土地，4期結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別如圖9和表8所示。

表8 鲅魚圈港土地利用統(tǒng)計表

Tab.8 Statistics of Bayuquan Port land use (km2)

年份鲅魚圈港綠地建筑用地、未利用土地水灣河流海洋20015.6033.3128.420.64125.85200610.3621.8442.393.94115.28200913.8016.3049.441.87112.41201321.0113.8858.483.4796.97

從表8可以看出，12 a來鲅魚圈港擴(kuò)建了15.41 km2，是研究的港區(qū)中變化最大的。建筑用地、未利用土地共增加了30.06 km2,綠地減少了19.43 km2。綠地基本被建筑用地和未利用土地占用，從側(cè)面反映了鲅魚圈地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展很快。

4.2.6仙人島港

仙人島港的土地利用類型可分為坑塘、建筑用地、未利用土地、水灣、河流海洋、灘涂和綠地，4期結(jié)果和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別如圖10和表9所示。

圖10 仙人島港土地利用分類圖Fig.10 Classification map of Xianrendao Port land use

表9 仙人島港土地利用統(tǒng)計表

Tab.9 Statistics of Xianrendao Port land use (km2)

年份坑塘建筑用地未利用土地水灣河流海洋灘涂綠地20012.385.220.410.00156.080.7328.1320063.826.102.150.00155.780.7124.3820092.888.656.260.14153.280.7321.0020132.3021.892.173.58142.650.5519.81

從表9可以看出，建筑用地和綠地變化較大。2001—2013年建筑用地增加了16.67 km2；綠地減少了8.32 km2。坑塘2001—2006年5 a增加了1.44 km2，2006—2013年又減少了1.52 km2，成為未利用土地。

以上分別為金陵飯店、清華同方的外宣文本。例1運用了大量的華麗辭藻，過多的修飾語堆砌在一起，實際傳達(dá)的信息量卻很少。而且語言的繁復(fù)降低了閱讀效率，導(dǎo)致讀者難以迅速地獲取有效信息。例2提出“一主兩翼”的口號，突出企業(yè)的發(fā)展思路。此類口號在許多企業(yè)的外宣文本中并不少見，通常以四字表達(dá)為主，往往涉及比喻修辭。問題在于，即便是中文讀者，在閱讀這些文字時也需要稍稍動些腦筋。因此，上述兩例文本如果按照漢語文本原封不動地轉(zhuǎn)換成英文，必定顯得啰唆拖沓，邏輯混亂，令人費解。

4.2.7遼河口區(qū)

遼河口區(qū)土地利用類型分為蘆葦?shù)亍⑥r(nóng)田、坑塘、建筑用地、灘涂和水體，分類結(jié)果見圖11和表10。

圖11 遼河口區(qū)土地利用分類圖Fig.11 Classification map of Liaohe Estuary area land use

表10 遼河口區(qū)土地利用統(tǒng)計表/Tab.10 Statistics of Liaohe Estuary area land use (km2)

從表10可以看出，蘆葦?shù)貛缀醪蛔?，農(nóng)田先減少后增加；2001—2013年坑塘共增加了44.43 km2，變化最顯著，這與經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)；建筑用地在2001—2009年間變化不大，2009—2013年增速加快；2001—2006年灘涂增加了2.9 km2，這是由于河流輸送的泥沙不斷沉積，導(dǎo)致灘涂面積增大，2006—2013年灘涂面積開始減少，主要是被坑塘和建筑用地占用。

5 成因分析

遼東灣海岸帶整體變化趨勢是陸地面積增加，海岸線呈增長趨勢。隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類對海岸帶的作用增強，導(dǎo)致遼東灣的人工海岸線變化巨大，主要表現(xiàn)為向海洋方向擴(kuò)張，曲度增大。

秦皇島是我國煤炭、原油運輸?shù)闹饕劭?，為適應(yīng)船泊大型化和我國進(jìn)口原油形勢，將被進(jìn)一步改造。港口擴(kuò)建是導(dǎo)致該地區(qū)海岸帶變化的主要原因；山海關(guān)港圍堰、防波堤、護(hù)岸及填海造地等使得海岸線不斷向海中延伸；葫蘆島港隨著產(chǎn)業(yè)園、工業(yè)園和物流園的建設(shè)，灘涂、濕地和綠地被占用；錦州港是遼寧省重點發(fā)展的北方區(qū)域性樞紐港口；鲅魚圈港區(qū)經(jīng)過數(shù)年的開發(fā)建設(shè)，由原來的小漁村，一躍成為初具規(guī)模的港口城市，各類基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)設(shè)施的完善，工業(yè)用地的擴(kuò)建對該區(qū)海岸帶有較大改造；仙人島港區(qū)是營口港正在建設(shè)的以石油化工等工業(yè)布局為依托的綜合性港區(qū)，隨著港區(qū)的建設(shè)必定會對該區(qū)海岸帶產(chǎn)生影響；遼河口區(qū)由于河流輸送的泥沙不斷沉積，導(dǎo)致灘涂面積不斷增加，淤泥灘土質(zhì)肥沃，適宜灘涂養(yǎng)殖，因此導(dǎo)致該地養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，大量的坑塘被建造。

以上因素導(dǎo)致了遼東灣海岸帶面積逐年增加和海岸線逐年增長，改變了該區(qū)的生態(tài)環(huán)境，這將對原有的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

6 結(jié)論

本研究采用2001年、2006年、2009年和2013年的遙感數(shù)據(jù)對遼東灣海岸帶7個重點地區(qū)進(jìn)行了海岸線變遷、陸地面積變化和土地利用變化的定性和定量的分析，得出以下結(jié)論：

1)遼東灣為淤泥質(zhì)平原海岸，由于人類在該區(qū)域頻繁活動，使得大部分地區(qū)被改造成為人工海岸，遼東灣北部的淤泥質(zhì)海灘也正逐漸被養(yǎng)殖業(yè)及工業(yè)用地占用。

2)遼東灣海岸在2001—2013年12 a內(nèi)變化明顯，整體變化趨勢是由陸地向海洋擴(kuò)展，海岸線長度總增加了514 km，海岸面積總增加了404 km2；從土地利用方面來看，港口不斷擴(kuò)建，建筑用地和未利用土地不斷增加，綠地、濕地和灘涂大幅減少。

3)遼東灣海岸帶不同區(qū)域變化不同，2001—2013年7個重點研究區(qū)域中鲅魚圈區(qū)的變化程度最強，陸地面積增加了23.22 km2，海岸線增加了57.70 km，增速分別為1.94 km2/a和4.81 km/a；變化最小的是秦皇島港，面積增加了2.37 km2，海岸線增加了10.50 km，增速分別為0.20 km2/a和0.86 km/a；12 a間灘涂損失最多的是葫蘆島港地區(qū)；坑塘損失最多的是錦州港地區(qū)；海岸帶面積變化最多的是遼河口地區(qū)?？傮w來說，2006年以后遼東灣地區(qū)的變化速度加快。

4)遼東灣海岸帶12 a來發(fā)生的巨大變化主要是人類經(jīng)濟(jì)活動開發(fā)導(dǎo)致的。

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(責(zé)任編輯：邢宇)

楊長坤1,2， 劉召芹2， 王崇倡1， 劉斌2， 彭嫚2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院,阜新 123000；2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點實驗室,北京 100101)

Spatial change analysis of the coastal zone of Liaodong Bay from 2001 to 2013

YANG Changkun1,2, LIU Zhaoqin2, WANG Chongchang1, LIU Bin2, PENG Man2

(1.SchoolofGeomatics,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China; 2.StateKeyLaboratoryofRemoteSensingScience,InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China)

In this paper, the changes of the study area were studied comprehensively using Landsat5 and Landsat8 images from 2001 to 2013 based on the techniques of object-oriented classification and spatial analysis. The results based on quantitative and qualitative analysis show that great changes of the land use have taken place in coastal zone in the past 12 years, and the total length of the coastline has increased by 514 km, with the total area of the coast increasing by 404 km2. The results achieved by the authors further show that large areas of green land, wetlands and tidal flats have changed into port, construction land and unused land due to rapid economic development in the coastal zone.

Liaodong Bay; object-oriented; coastline; land use

2014-07-29；

2014-08-15

海洋公益性行業(yè)科研專項項目“海域使用遙感動態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)化應(yīng)用技術(shù)與示范”(編號：201005011)資助。

10.6046/gtzyyg.2015.04.23

楊長坤，劉召芹，王崇倡，等.2001—2013年遼東灣海岸帶空間變化分析[J].國土資源遙感,2015,27(4):150-157.(Yang C K,Liu Z Q,Wang C C,et al.Spatial change analysis of the coastal zone of Liaodong Bay from 2001 to 2013[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(4):150-157.)

TP 79

A

1001-070X(2015)04-0150-08

楊長坤(1988-)，男，碩士，主要從事遙感圖像處理方面的研究。Email：yck2488585@163.com。

劉召芹(1973-)，男，副研究員，主要從事遙感制圖與導(dǎo)航定位方面的研究。Email: liuzq@radi.ac.cn。