基于多源遙感數(shù)據(jù)的遼東灣北部海岸線(xiàn)變化監(jiān)測(cè)與分析

王大鵬，邴智武，李艷斌，陳曦，于瑯

遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，遼寧沈陽(yáng) 110031

基于多源遙感數(shù)據(jù)的遼東灣北部海岸線(xiàn)變化監(jiān)測(cè)與分析

王大鵬，邴智武，李艷斌，陳曦，于瑯

遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，遼寧沈陽(yáng) 110031

應(yīng)用遙感技術(shù)，從海岸線(xiàn)長(zhǎng)度和曲度兩個(gè)方面分析遼東灣北部海岸線(xiàn)變化，研究區(qū)域海岸線(xiàn)變化規(guī)律和趨勢(shì).選用美國(guó)陸地衛(wèi)星（Landsat）的MSS、TM、ETM+系列數(shù)據(jù)，法國(guó)SPOT/4-5系列數(shù)據(jù)和國(guó)產(chǎn)陸地衛(wèi)星ZY-1 02C數(shù)據(jù)等多源遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)人工目視解譯和計(jì)算機(jī)信息自動(dòng)提取結(jié)合的方法，監(jiān)測(cè)了自1973～2012年遼東灣北部海岸線(xiàn)變化情況.研究表明，遼東灣北部海岸線(xiàn)長(zhǎng)度和曲度均呈增加趨勢(shì)，尤其是1997年以后，為快速增加時(shí)期，其中中段岸線(xiàn)增速最快，西段岸線(xiàn)次之，東段岸線(xiàn)居尾.人為因素是遼東灣北部海岸線(xiàn)變化主要驅(qū)動(dòng)力.

遼東灣；遙感；海岸線(xiàn)；信息自動(dòng)提??；驅(qū)動(dòng)力

0 前言

海岸線(xiàn)是陸地與海洋的分界線(xiàn)，從形態(tài)上看，有的彎彎曲曲，有的卻像條直線(xiàn).而且，這些海岸線(xiàn)還在不斷地發(fā)生變化.遼東灣北部為中國(guó)典型的淤泥質(zhì)海岸帶［1］，海岸線(xiàn)受人類(lèi)活動(dòng)影響大.統(tǒng)計(jì)資料表明，改革開(kāi)放以來(lái)，遼東灣沿岸漁民在潮間帶挖掘蝦池，圍墾濕地，建設(shè)鹽場(chǎng)，使海岸線(xiàn)向海推進(jìn)，原始地貌隨之改變，海岸帶環(huán)境發(fā)生極大變化.因此，對(duì)海岸線(xiàn)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析就顯得尤為重要.

隨著遙感技術(shù)的日益發(fā)展，其探測(cè)范圍大、數(shù)據(jù)獲取速度快的優(yōu)勢(shì)不斷強(qiáng)化，相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，遙感監(jiān)測(cè)具有周期短、投入人力物力少的特點(diǎn)［2］，是實(shí)施海岸線(xiàn)監(jiān)測(cè)的有力手段.

本文將遙感技術(shù)應(yīng)用于遼東灣北部海岸線(xiàn)變化研究中，利用多平臺(tái)、多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)信息自動(dòng)提取［3］和人工目視解譯，對(duì)遼東灣北部海岸線(xiàn)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，繪制自1973～2012年40年來(lái)的遼東灣海岸線(xiàn)圖，在定性的基礎(chǔ)上突出定量研究，選取6期海岸線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，得出其變化特征與趨勢(shì).期望本研究能為保護(hù)該區(qū)自然環(huán)境和探尋海岸帶可持續(xù)發(fā)展政策提供參考.

1 區(qū)域概況

1.1 區(qū)域地理

研究區(qū)位于下遼河平原中南部，地理范圍為：東經(jīng)120°58′38″～122°30′22″，北緯40°16′24″～41°04′01″之間，面積約300 km2.本文研究海岸線(xiàn)為遼東灣北部，主體為淤泥質(zhì)海岸，局部為砂質(zhì)海岸，內(nèi)側(cè)為濱海低地，水下地形平緩，平均潮差2.7 m，水深5～30 m，冬季結(jié)冰.

注入遼東灣北部的主要河流為遼河，河口為三角洲，有大面積沼澤濕地分布.地貌類(lèi)型主要為沖海積、沖積和海積平原.地勢(shì)低洼，河渠與牛軛湖發(fā)育，地面坡降0.025%，地面標(biāo)高2～5 m.由于河道淤積、改道，海水頂托，地勢(shì)低洼積水，土壤大面積形成鹽漬化和沼澤化，地表巖性多為亞黏土和黏土、淤泥質(zhì)亞黏土及粉細(xì)砂組成，沼澤濕地及潮溝發(fā)育.

1.2 區(qū)域地質(zhì)

從大地構(gòu)造單元上看，遼東灣北部位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)華北斷拗下遼河斷陷遼河斷凹構(gòu)造單元中［4］.根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和鉆孔資料結(jié)合分析認(rèn)為，遼東灣地區(qū)前第四系巖石地層屬華北地層區(qū)，發(fā)育有太古宇、中新元古界、古生界，區(qū)內(nèi)地表均為第四系松散堆積物，基本無(wú)基巖出露.

新生代以來(lái)表現(xiàn)為大幅度沉降，由不均勻的沉降轉(zhuǎn)為整體下沉，進(jìn)入第四紀(jì)以來(lái)發(fā)育了巨厚的河湖相、海相松散堆積物，且具連續(xù)沉積的特點(diǎn)，各地層單元之間為整合接觸.自東部山前傾斜平原向西部濱海平原，粒度由粗變細(xì)，厚度由薄變厚，自下而上由粗變細(xì).由于氣候的周期性變化和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，海陸輪廓變化異常頻繁，自更新世至全新世的冰后期，至少發(fā)生3次海侵.

根據(jù)遼寧省海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目研究結(jié)果，遼東灣頂端海岸線(xiàn)變化最大，總體趨勢(shì)為陸地面積增加.1909～2003年，雙臺(tái)子河口的陸地面積變化最大?倪金.遼寧省海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，2010..

2 遙感數(shù)據(jù)與處理

本研究采用多平臺(tái)、多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類(lèi)型包括美國(guó)陸地衛(wèi)星Landsat/1-3 MSS、Landsat/4-5 TM、 Landsat/7 ETM+系列數(shù)據(jù)，法國(guó)SPOT/4-5系列數(shù)據(jù)和國(guó)產(chǎn)陸地衛(wèi)星資源一號(hào)（ZY-1 02C）數(shù)據(jù).對(duì)以上幾種數(shù)據(jù)源的介紹見(jiàn)表1.表1遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)一覽表Table 1 Remote sensing satellite data

表1 遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)一覽表Table 1 Remote sensing satellite data

遙感數(shù)據(jù)處理的步驟為：幾何精校正—彩色合成—圖像鑲嵌—圖像增強(qiáng)—圖像裁剪.

從1∶5萬(wàn)高斯-克呂格投影的地形圖上選取水系、公路交叉點(diǎn)、油井平臺(tái)等易識(shí)別與定位且經(jīng)驗(yàn)證為穩(wěn)定地物處作為地面控制點(diǎn)，首先對(duì)分辨率最高的國(guó)產(chǎn)資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行影像到地圖的配準(zhǔn)，繼而對(duì)所有遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行圖到圖的幾何精校正，誤差控制在1個(gè)像元內(nèi).保證所有衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)具有相同的空間坐標(biāo)系統(tǒng)，便于多期對(duì)比.

根據(jù)美國(guó)陸地衛(wèi)星各波段的特征，綜合對(duì)不同波段之間的組合研究［5］，對(duì)MSS數(shù)據(jù)的彩色合成選用4（藍(lán)）、5（綠）、7（紅）波段合成；TM和ETM+數(shù)據(jù)均采用1（藍(lán)）、4（綠）、7（紅）波段合成.由于SPOT和資源一號(hào)衛(wèi)星都沒(méi)有藍(lán)光波段，故采用擬合藍(lán)波段［6］，SPOT采用1（藍(lán)）、（1+2+3）/3（綠）、2（紅）；資源一號(hào)采用1（藍(lán)）、（1*x+2*y）/（x+y）（綠）、2（紅）.

Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)單景即可覆蓋本文工作區(qū)，因此無(wú)需鑲嵌處理.SPOT衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋工作區(qū)需3景數(shù)據(jù)，資源一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋工作區(qū)需6景數(shù)據(jù)，均需進(jìn)行鑲嵌處理，使多幅影像連接合并成一幅單一的合成影像.本文使用ENVI遙感處理工具，使用基于地理坐標(biāo)的影像鑲嵌方法完成鑲嵌處理.

針對(duì)Landsat數(shù)據(jù)使用ENVI的線(xiàn)性拉伸2%，以強(qiáng)化水域和陸地的反差；對(duì)SPOT和資源一號(hào)數(shù)據(jù)，使用0-255拉伸，改變影像亮度值，增強(qiáng)地物反差.

使用ENVI平臺(tái)的感興趣區(qū)裁剪功能，疊加工作區(qū)范圍的矢量文件到影像上，創(chuàng)建感興趣區(qū)，用感興趣區(qū)裁剪方法，完成影像裁剪.

3 海岸線(xiàn)提取方法

3.1 人工目視解譯提取海岸線(xiàn)

本文使用的資源一號(hào)衛(wèi)星和SPOT5衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率為5 m，水陸界線(xiàn)和反光較高的砂質(zhì)岸段，顏色差異顯著，紋理輪廓清晰，利于目視解譯.由于研究區(qū)為淤泥質(zhì)海岸，空間分辨率較低的Landsat（60 m、30 m）和SPOT4（10 m）遙感影像上呈現(xiàn)出較復(fù)雜的邊緣，部分海岸線(xiàn)判別較難.本研究通過(guò)MapGIS平臺(tái)，將1∶50 000地形圖和遼寧省海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目成果疊加到遙感影像上，綜合分析影像特征與海岸帶土地利用資料，確定海岸線(xiàn)范圍.

3.2 計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取海岸線(xiàn)

Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)具備豐富的多光譜波段，從已掌握的大量Landsat數(shù)據(jù)中優(yōu)選7～9月的夏季無(wú)云數(shù)據(jù).此時(shí)海水處于相對(duì)高位，水陸交界線(xiàn)相當(dāng)于海水的平均高潮線(xiàn).通過(guò)計(jì)算植被指數(shù)NDVI［7］，使用ERDAS建模軟件，實(shí)現(xiàn)不同年份的NDVI批量計(jì)算.應(yīng)用ENVI軟件的決策樹(shù)分類(lèi)，將NDVI影像分為負(fù)值和正值兩類(lèi)，對(duì)計(jì)算后的圖像進(jìn)行平滑處理.然后將負(fù)值類(lèi)提取出來(lái)，輸出到MapGIS平臺(tái)的區(qū)文件，再通過(guò)弧段轉(zhuǎn)線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)海岸線(xiàn)自動(dòng)提取.

4 海岸線(xiàn)變化情況

本研究選取5期海岸線(xiàn)遙感提取數(shù)據(jù)（表2），進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)比.

表2 遼東灣北部海岸線(xiàn)長(zhǎng)度表Table 2 Coastline length of northern Liaodong Bay

4.1 海岸線(xiàn)長(zhǎng)度變化

如圖1所示，1977年遼東灣北部總體海岸線(xiàn)長(zhǎng)度為184.26 km，到1987年為188.55 km，增長(zhǎng)僅為4.29 km，年平均增長(zhǎng)不到0.5 km.截止到1997年遼東灣北部海岸線(xiàn)長(zhǎng)為211.37 km，與1987年相比增長(zhǎng)了近23 km，年平均增長(zhǎng)2.3 km.2003年和2010年海岸線(xiàn)長(zhǎng)度分別為259.24 km和314.48 km，在兩個(gè)不到7年的時(shí)間跨度里，分別增長(zhǎng)了約48 km和55 km，年平均增長(zhǎng)近8 km，到2012年海岸線(xiàn)總長(zhǎng)為330.99 km，年增長(zhǎng)超過(guò)8 km.

圖1 遼東灣北部海岸線(xiàn)變化圖Fig.1 Coastline variation of northern Liaodong Bay

按行政區(qū)域?qū)|東灣北部海岸線(xiàn)分段研究（圖2），從1977～1987年，各分段海岸線(xiàn)均為相對(duì)穩(wěn)定階段；1987～1997年，中段和西段海岸線(xiàn)均為緩慢增長(zhǎng)階段，東段岸線(xiàn)出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng)；1997年以后，東、西岸線(xiàn)增長(zhǎng)速度大致相同，增速均不超過(guò)2 km/a，而中岸線(xiàn)增長(zhǎng)迅速，增長(zhǎng)速率超過(guò)5 km/a.2010年以后中斷岸線(xiàn)增速變緩，東、西岸線(xiàn)增速加快.

圖2 遼東灣北部海岸線(xiàn)分段變化圖Fig.2 Coastline segment variation of northern Liaodong Bay

4.2 海岸線(xiàn)曲度變化

遼東灣北部海岸線(xiàn)整體曲度變化為由圓滑變平直，由平直變曲折，曲折程度呈跳躍式增長(zhǎng)，變化形態(tài)如圖3所示.海岸線(xiàn)分段變化情況如下：

1977～1987年，東、西岸線(xiàn)由圓滑變曲折，但彎曲程度不高，中岸線(xiàn)由圓滑變平直；1987～1997年，西岸線(xiàn)繼續(xù)變曲折，中岸線(xiàn)也開(kāi)始變曲折，東岸線(xiàn)由曲折變平直；1997～2003年，所有岸線(xiàn)均變得更為曲折，由圓滑線(xiàn)狀變?yōu)椴睿?003～2012年，海岸線(xiàn)曲折程度加大，尤其是中、西岸線(xiàn)的局部岸線(xiàn)由波狀變?yōu)辇X狀.

圖3 遼東灣北部海岸線(xiàn)曲度變化圖Fig.3 Coastline curvature variation of northern Liaodong Bay

5 驅(qū)動(dòng)力分析

遼東灣北部海岸線(xiàn)變化的原因比較復(fù)雜.不同于基巖海岸，淤泥質(zhì)海岸線(xiàn)變化主要受海底地形和泥沙堆積、海面上升速度、河流改道以及人類(lèi)活動(dòng)幾個(gè)方面的影響.

5.1 自然因素

（1）地形因素

海底地形的平緩程度在一定程度上決定了泥沙的淤積速度，海底地形越平緩，泥沙堆積成陸速度越快.河流泥沙量大的大凌河口和雙臺(tái)子河口附近海岸線(xiàn)淤進(jìn)較快；河流泥沙含量小的遼河，其兩側(cè)的海岸線(xiàn)淤進(jìn)速度較慢.

（2）海面上升與地面沉降

遼東灣北部地區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上處于長(zhǎng)期上升的遼西山地和遼東半島山地之間的長(zhǎng)期下沉的新華夏系第三巨型沉降帶，同時(shí)，遼河三角洲平原海岸自20世紀(jì)50年代以來(lái)，海平面上升趨勢(shì)十分明顯.

（3）河流改道

歷史上遼河下游河道曾多次變遷，近代遼河在臺(tái)安縣六間房村以下分成兩股，進(jìn)入研究區(qū)一股稱(chēng)雙臺(tái)子河，太子河經(jīng)營(yíng)口入海段稱(chēng)大遼河.近些年來(lái)，大凌河入?？谝灿懈淖?，入海口處的改變意味河流泥沙入海的位置改變，對(duì)海岸線(xiàn)變化的影響顯而易見(jiàn).

5.2 人為因素

（1）人口迅速增長(zhǎng)

工作區(qū)的行政范圍涉及到錦州、盤(pán)錦、營(yíng)口三市，該地區(qū)的總?cè)丝跀?shù)量從1988年的303.2萬(wàn)增長(zhǎng)到2010年的360.7萬(wàn).同時(shí)，隨著遼東灣濱海地區(qū)大量化工項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和引進(jìn)，外來(lái)人口不斷增長(zhǎng)，這部分人口的數(shù)量尚無(wú)準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì).為了應(yīng)對(duì)人口增長(zhǎng)的壓力，就會(huì)采取相關(guān)措施提高單位面積糧食產(chǎn)量，擴(kuò)大耕地面積，加速海岸線(xiàn)變化，如灘涂改建為工廠(chǎng)，坑塘排干改造為耕地.

（2）經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展

隨著海岸帶經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，港口和圍海造田項(xiàng)目的實(shí)施，直接增加了海岸線(xiàn)長(zhǎng)度和曲度.如進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖的灘涂開(kāi)墾，以蘆葦造紙、油氣開(kāi)發(fā)為主的工業(yè)活動(dòng)和開(kāi)發(fā)沿海公路、旅游風(fēng)景區(qū)的建立和城市化飛速進(jìn)行，使得海岸線(xiàn)進(jìn)入快速變化期.

（3）工程建設(shè)

為了有效供給農(nóng)業(yè)用水，修建了各種水利設(shè)施，如人工開(kāi)鑿的溝渠.造成的后果是海岸濕地景觀的生態(tài)用水被截留，引起濕地植被的整體退化，生態(tài)功能?chē)?yán)重受損，水生生物多樣性下降，生物生產(chǎn)力降低，進(jìn)而導(dǎo)致部分生物岸線(xiàn)形態(tài)發(fā)生變化.

綜上，近現(xiàn)代人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及區(qū)域開(kāi)發(fā)歷史作為一種人類(lèi)外在的脅迫因子疊加于自然因子之上，加快了海岸線(xiàn)向海推進(jìn)的進(jìn)程，并使之逐漸偏離原來(lái)的自然演化軌跡.人為因素是造成遼東灣北部海岸線(xiàn)變化，向海方向伸展的主要原因.

6 結(jié)論

（1）遼東灣北部海岸線(xiàn)近40年來(lái)總體長(zhǎng)度變長(zhǎng)，但各分段岸線(xiàn)長(zhǎng)度變化速率不同，增速排序?yàn)橹卸?西段>東段.

（2）遼東灣北部海岸線(xiàn)曲折度增大，但各分段岸線(xiàn)曲度變化率不同，曲度變化排序?yàn)橹卸?西段>東段.

（3）遼東灣北部海岸線(xiàn)變化主要驅(qū)動(dòng)力為人為因素，海岸線(xiàn)的變化趨勢(shì)受制于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展.各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度不同，導(dǎo)致各岸線(xiàn)的變化速率不同.

（4）隨著對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的日趨豐富，穩(wěn)定且連續(xù)地獲取區(qū)域遙感數(shù)據(jù)成為可能.運(yùn)用多源遙感數(shù)據(jù)可以經(jīng)濟(jì)、快速監(jiān)測(cè)海岸線(xiàn)變化情況，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和前景.

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COASTLINE VARIATION MONITORING AND ANALYSIS OF NORTHERN LIAODONG BAY BASED ON MULTI-SOURCE REMOTE SENSING DATA

WANG Da-peng,BING Zhi-wu,LI Yan-bin,CHEN Xi,YU Lang

Liaoning Institute of Geological and Mineral Survey,Shenyang 110031,China

The paper analyzes the regional change rule and trend in the northern Liaodong Bay from the two aspects of length and curvature with RS technology.Using multi-source RS data such as MSS/TM/ETM+series data of US Landsat, French SPOT/4-5 series data and China Resources Satellite ZY-1 02C data,combining with the methods of artificial visual interpretation and computer automatic information extraction,the coastal changes in northern Liaodong Bay during 1973-2012 are monitored.The study shows that the length and curvature of coastline in northern Liaodong Bay are both increasing,especially after 1997 when they increase rapidly.The middle section of the coastline has the fastest increasing speed,followed by the west section and the east section.The main driving force for the change is human factors.

Liaodong Bay;remote sensing;coastline;automatic information extraction;driving force

1671-1947（2015）04-0365-04

P714；TP79

A

2014－09－20；

2015-03-28.編輯：張哲．

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)與區(qū)劃”（1212011120088）.

王大鵬（1983—），男，碩士，工程師，從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)和環(huán)境地質(zhì)調(diào)查及遙感研究，通信地址遼寧省沈陽(yáng)市皇姑區(qū)寧山中路42號(hào)羽豐大廈，E-mail//Leisurebird@tom.com