近42年黃河口海岸線遙感監(jiān)測(cè)與變遷分析

王集寧， 蒙永輝， 張麗霞

(山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,濟(jì)南　250014)

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近42年黃河口海岸線遙感監(jiān)測(cè)與變遷分析

王集寧， 蒙永輝， 張麗霞

(山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,濟(jì)南250014)

摘要：基于MSS,TM及OLI等遙感圖像數(shù)據(jù)，在面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)的支持下，采用多尺度分割、歸一化差值水體指數(shù)(normalizeddifferencewaterindex,NDWI)、大津算法(OTSU)水陸分離、互信息操作和特征知識(shí)融入等方法，實(shí)現(xiàn)了黃河口海岸線1973,1977,1984,1991,2000,2010和2014年共7個(gè)時(shí)相的海岸線自動(dòng)提?。?借助ArcGIS空間分析技術(shù)，完成了1973―2014年黃河口海岸線遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與變遷分析。研究結(jié)果表明： 近42a來(lái)黃河口海岸線總體呈現(xiàn)向海洋方向的增長(zhǎng)趨勢(shì)，海岸線總長(zhǎng)度大約增加了298.8km； 海岸線的時(shí)空變化特征顯著，不同時(shí)間段的不同海岸地段呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)； 根據(jù)海岸線的進(jìn)退情況，可將黃河口海岸線分為強(qiáng)進(jìn)淤型海岸、強(qiáng)蝕退型海岸和蝕退型海岸。在岸線進(jìn)退的驅(qū)動(dòng)力上，黃河口海岸線的變化主要受黃河流路變化和海水侵蝕的影響，尤其是黃河入?？诘牧髀犯淖儯?人類活動(dòng)作為第三驅(qū)動(dòng)力，加劇了海岸線變化特征的復(fù)雜性。

關(guān)鍵詞：海岸線； 黃河口； 遙感； 變遷分析

0引言

了解和掌握海岸線的動(dòng)態(tài)變化特征，對(duì)于海岸帶資源使用、管理、保護(hù)和規(guī)劃具有十分重要的意義。利用衛(wèi)星遙感圖像實(shí)現(xiàn)海岸線的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為遙感應(yīng)用的一個(gè)重要方向，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量的算法研究和實(shí)際應(yīng)用[1-12]。例如： 姚曉靜等[1]基于遙感技術(shù)完成了近30a間海南島海岸線時(shí)空變化研究； 張霞莊等[4]采用遙感方法監(jiān)測(cè)了秦皇島市海岸線變化； 黃鵠等[7]基于遙感和GIS分析了廣西海岸線時(shí)空變化特征?？v觀現(xiàn)有的海岸線遙感自動(dòng)提取方法，可以分為像素級(jí)分類和對(duì)象級(jí)分類2大類。像素級(jí)分類主要利用邊緣檢測(cè)和閾值分割方法，如：Lee等[13]在1990年通過(guò)圖像平滑和邊緣檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了SAR圖像的海岸線提??；Sohn等[14]提出了局部閾值分割的岸線提取方法；Ryu等[15]根據(jù)TM4和TM5波段中水體和陸地反射率的顯著差別，通過(guò)閾值實(shí)現(xiàn)了海水與淤泥質(zhì)海岸的分離； 瞿繼雙等[16]提出了基于多閾值的形態(tài)分割方法； 張朝陽(yáng)等[17]提出了基于LAB顏色模型的改進(jìn)型Canny算子實(shí)現(xiàn)岸線提取； 王琳等[18]根據(jù)改進(jìn)的歸一化差值水體指數(shù)(modifiednormalizeddifferencewaterindex,MNDWI)閾值分割提取了廈門(mén)島及其鄰域3個(gè)時(shí)相的海岸線；Liu等[19]提出了基于綜合Canny算子與局部自適應(yīng)閾值的海岸線自動(dòng)提取算法。像素級(jí)邊緣檢測(cè)算法因計(jì)算量較大，且受到水陸過(guò)渡帶光譜特征的影響，故海岸線提取結(jié)果的連續(xù)性較差，后處理的工作量較大。閾值分割法計(jì)算量較小且性能較穩(wěn)定，成為海岸線提取中廣泛使用的算法； 但是在近岸海水比較混濁的情況下,閾值的合理選擇非常困難，很多近岸水體被誤分為非水體，嚴(yán)重影響了海岸線遙感提取的精度。近年來(lái)，隨著面向?qū)ο?object-oriented)的遙感圖像處理與分析技術(shù)日益發(fā)展[20-21]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始研究將面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用于海岸線信息遙感提取。賈明明等[22]利用面向?qū)ο蠓椒ê投嘣催b感數(shù)據(jù)提取了杭州灣淤泥質(zhì)海岸線，取得了較好的效果。

為此，本文綜合考慮海岸線在遙感圖像中的空間分布和光譜特征，在面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)的支持下，首先通過(guò)多尺度分割實(shí)現(xiàn)像素向?qū)ο蟮霓D(zhuǎn)變； 然后利用大津算法(OTSU)完成水陸分離； 接著通過(guò)互信息操作和特征知識(shí)的融入，實(shí)現(xiàn)海岸線自動(dòng)判斷； 最后完成了1973,1977,1984,1991,2000,2010和2014年共7個(gè)時(shí)相的黃河口海岸線遙感動(dòng)態(tài)制圖與變遷分析。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省東營(yíng)市東北部的現(xiàn)代黃河入海口，地理坐標(biāo)在E118.30°～119.30°，N37.05°～38.20°之間，北臨渤海，東接萊州灣，與遼東半島隔海相望(圖1)。黃河口岸線通常指北起五號(hào)樁、南至宋春榮溝之間的一段海岸線[23]。由于黃河泥沙大量沉積，導(dǎo)致黃河三角洲不斷向海洋延伸，成為世界上最年輕的陸地之一。研究區(qū)海岸主要為淤泥海岸，是河流與海水相互作用形成的。

圖1　研究區(qū)位置

2數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1數(shù)據(jù)源

根據(jù)研究區(qū)的地理位置，綜合考慮數(shù)據(jù)質(zhì)量、成像時(shí)間及受云層干擾情況等，從現(xiàn)有的衛(wèi)星遙感存檔數(shù)據(jù)中，挑選出成像季相較為一致的1973,1977,1984,1991,2000,2010和2014年7期遙感圖像(表1)。

表1　用于海岸線監(jiān)測(cè)的遙感數(shù)據(jù)

因涉及到對(duì)光譜特征的計(jì)算，故必須對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將影像灰度值轉(zhuǎn)換為光譜輻射值或大氣頂層反射率，以恢復(fù)遙感影像的物理屬性。其計(jì)算公式為

Lλ=Gain·DN+Bias,

(1)

(2)

式中： Lλ為光譜輻射值，W·m-2·sr-1·μm-1； Gain為增益系數(shù)，W·m-2·sr-1·μm-1； DN為像元灰度值； Bias為偏置系數(shù)，W·m-2·sr-1·μm-1； Gain和Bias均可從遙感數(shù)據(jù)的元文件中讀出； ρ為大氣頂層反射率(或行星反射率)； d 為日地平均距離； Eλ大氣層平均太陽(yáng)輻射，W·m-2·μm-1； θ為太陽(yáng)天頂角。

2.2研究方法

在多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)選擇及預(yù)處理的基礎(chǔ)上，采用面向?qū)ο蟮倪b感信息提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)的多尺度分割； 計(jì)算每個(gè)對(duì)象像元的光譜特征變量，文中采用的是歸一化差值水體指數(shù)(nomalizeddifferencewaterindex,NDWI)，然后采用大津算法(OTSU)[24]完成水陸分離，依據(jù)空間關(guān)系特征判斷實(shí)現(xiàn)陸地水域與海洋判別； 最后，通過(guò)互信息操作對(duì)海岸線提取結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理，得到研究區(qū)的各期海岸線分布圖。

利用的特征知識(shí)主要有水體光譜特征和空間關(guān)系特征； 交互式后處理操作主要是通過(guò)人工判讀完成對(duì)河口、瀉湖以及近岸渾濁水域的解譯。河口處理需保留大型河口港灣特征和小河齊陸地基線； 瀉湖需考慮內(nèi)環(huán)境，當(dāng)瀉湖與海洋有寬闊水域通道時(shí)，在瀉湖內(nèi)部采集海岸線。最后通過(guò)ArcGIS空間分析，獲得各時(shí)相海岸線的時(shí)空變化情況，統(tǒng)計(jì)分析海岸線變化的強(qiáng)度和規(guī)律。具體技術(shù)流程見(jiàn)圖2。

圖2　海岸線監(jiān)測(cè)技術(shù)流程

采用傳統(tǒng)的垂直斷面建模方法對(duì)海岸線變化速率進(jìn)行計(jì)算，該算法模塊已經(jīng)以插件形式被開(kāi)發(fā)集成到ArcGIS軟件的擴(kuò)展模塊“數(shù)字岸線分析系統(tǒng)”(digitalshorelineanalysissystem,DSAS)[25]中。本文利用DSASV3.0 計(jì)算了黃河口海岸線的變化率。在提取岸線的基礎(chǔ)上，通過(guò)緩沖區(qū)分析建立基線，斷面間隔設(shè)置為200m，與局部基樣帶垂直； 斷面長(zhǎng)度設(shè)置為30km。根據(jù)對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)所有斷面上的岸線平均變化率，計(jì)算局部岸線的變化率。

3結(jié)果與分析

3.1海岸線長(zhǎng)度變化

由圖3可以看出，研究區(qū)范圍內(nèi)黃河口海岸線的總長(zhǎng)度在整體上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。1973―2014年間黃河口海岸線長(zhǎng)度發(fā)生了巨大變化(1973年海岸線長(zhǎng)度約為236.62km，2014年海岸線長(zhǎng)度增加到535.82km)； 按照海岸線長(zhǎng)度的變化強(qiáng)度，可以將其分為3個(gè)階段： 1973―1991年為較快增長(zhǎng)階段，1992―2000年為緩慢增長(zhǎng)階段，2001―2014年為快速增長(zhǎng)階段。

圖3　黃河口海岸線長(zhǎng)度變化

3.2海岸帶面積變化

黃河泥沙的淤積在海岸帶造陸，海水的侵蝕則不停地蝕退新增長(zhǎng)的陸地?？傮w來(lái)看，海岸線淤進(jìn)與蝕退并存，滄海桑田在這里得到了最好的反映(圖4)。

圖4　海岸帶面積變化

由圖4可以看出，由于黃河兩岸堤防的日益完備，黃河尾閭段已經(jīng)不再任意游蕩擺動(dòng)或改道，因而現(xiàn)在大部分海岸處于蝕退狀態(tài)，以海洋作用為主，淤積主要在當(dāng)前黃河河道地段。通過(guò)對(duì)近年來(lái)研究區(qū)面積的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，縱使海岸線的長(zhǎng)度發(fā)生了很大變化，但研究區(qū)海岸的總體面積沒(méi)有顯著增長(zhǎng)。

3.3海陸交替過(guò)程

為了更好地分析黃河口地區(qū)的海陸交互過(guò)程，依據(jù)黃河流路的改變以及岸線變化的特點(diǎn)，以五號(hào)樁和張鎮(zhèn)河為界，將黃河口海岸帶分為3段： 五號(hào)樁以北的北部地區(qū)岸線段(北部岸段)、五號(hào)樁—張鎮(zhèn)河的中部地區(qū)岸線段(中部岸段)和張鎮(zhèn)河以南的南部地區(qū)岸線段(南部岸段)，分別進(jìn)行分析。

3.3.1黃河流路變化

從遙感影像解譯圖上看，自1973年至今，出現(xiàn)了“黃龍擺尾”——黃河流路發(fā)生了3次小的變化(圖5)。

圖5　黃河流路變遷

1976年以前，黃河入海的分流河道統(tǒng)稱為刁口流路或刁口河道，河水北流入海。1976年以后，黃河在西河口(漁洼東北)截流改道，刁口流路廢棄，河水東流，經(jīng)清水溝入海； 其中1976—1979年汛期黃河入海流路處于不穩(wěn)定狀態(tài)，分流河道及入?？诘奈恢冒l(fā)生過(guò)多次小的變遷，穩(wěn)定后黃河行水清水溝流路。1996年8月，黃河經(jīng)人工改道，由清8汊斷面處向東北方向入海，形成黃河的當(dāng)前流路。

3.3.2北部海岸蝕退

從黃河口海岸線位置變化圖(圖6(a))中可以看出，1973―1977年北部海岸線處于淤積狀態(tài)。但自1976年黃河改道后，黃河不再?gòu)拇颂幦牒＃?1977至今，北部海岸線段以海洋侵蝕作用為主，大部分海岸處于蝕退狀態(tài)，部分岸段的最大蝕退速度達(dá)到-128.47m/a(圖6(b))。但是，由于人類對(duì)于海岸(線)帶的改造(例如鹽田、港口及養(yǎng)殖場(chǎng)等建設(shè)以及海岸帶資源的開(kāi)發(fā)利用)，部分岸段的海岸線不斷向海洋擴(kuò)展增加?？傮w上，北部海岸屬于蝕退型海岸，變化特征在時(shí)空上的差異顯著。

(a) 岸線位置變化 (b) 岸線變化速率

圖61973—2014年黃河口海岸線變遷

Fig.6YellowRiverMouthcoastlinechangesfrom1973to2014

3.3.3中部海岸淤進(jìn)

從圖6可以看出，中部岸段一直向海延伸。尤其是1976年黃河再次發(fā)生改道后，河水東流，經(jīng)清水溝入海。由于黃河夾帶有大量的泥沙沉積，大部分海岸處于進(jìn)淤狀態(tài)，最大變化速率達(dá)619.46m/a(圖6(b))。因此，1973―2014年中部岸段以黃河泥沙淤積為主，屬于強(qiáng)淤進(jìn)型海岸。

3.3.4南部海岸蝕退

從海岸線變遷圖(圖6)中可以看出，南部岸段一直向陸退縮(圖6(a))，以海洋侵蝕作用為主； 1973年至今大部分南部海岸處于蝕退狀態(tài)，部分岸段的最大侵蝕速度達(dá)到-86.11m/a(圖6(b))。由于南部岸段是歷史上黃河部分支流從宋春榮溝入海時(shí)的堆積。如今黃河兩岸堤防的日益完備，黃河尾閭段已經(jīng)不再任意游蕩擺動(dòng)或改道，沒(méi)有泥沙淤積，屬于強(qiáng)蝕退型海岸。

4結(jié)論與討論

黃河口海岸帶水體光譜特征的多樣性以及岸線形態(tài)特征的復(fù)雜性，導(dǎo)致海岸線遙感精確識(shí)別與自動(dòng)提取難度較大。本文在面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)的支持下，首先用大津算法完成水陸分離，然后通過(guò)互信息操作和特征知識(shí)融入，實(shí)現(xiàn)了海岸線1973,1977,1984,1991,2000,2010和2014年共7個(gè)時(shí)相的海岸線自動(dòng)提取，完成了1973―2014年黃河口海岸線遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與變遷分析。得出如下結(jié)論：

1)采用本文的技術(shù)路線可以滿足海岸線快速提取和制圖分析的要求。

2)1973―2014年黃河口海岸線的長(zhǎng)度顯著增加，總長(zhǎng)度增加了298.8km。

3)1973―2014年黃河口海岸線演變具有明顯的時(shí)空差異性，進(jìn)淤與蝕退并存。

4)黃河泥沙的淤積和海水侵蝕是該區(qū)域海岸線變化的2大核心驅(qū)動(dòng)力。海岸線的進(jìn)淤與蝕退狀況與黃河流路直接相關(guān)。歷史上的黃河三角洲海岸屬于進(jìn)淤型海岸； 但是，隨著黃河兩岸堤防的日益完備，黃河尾閭段已經(jīng)不再任意游蕩擺動(dòng)或改道，因而現(xiàn)在的大部分海岸處于蝕退狀態(tài)，以海蝕作用為主，淤積主要發(fā)生在現(xiàn)在的黃河流路地段。

5)人類活動(dòng)是疊加在以上2大自然驅(qū)動(dòng)力基礎(chǔ)上的第三驅(qū)動(dòng)力。人類對(duì)海岸(線)帶的改造(例如鹽田、港口及養(yǎng)殖場(chǎng)等建設(shè)以及海岸帶資源的開(kāi)發(fā)利用)，增加了區(qū)域岸線變化特征的時(shí)空復(fù)雜性。

6)有關(guān)海岸線的定義也因行業(yè)用途不同而有所差異。本文提取的海岸線實(shí)際上是衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻拍攝的水陸分界線。由于沒(méi)有考慮到潮位、地形和季節(jié)等因素的影響，因此與自然地理學(xué)中嚴(yán)格意義上的海岸線有所差別。

7)用于分析黃河口海岸線變遷的遙感數(shù)據(jù)源空間分辨率為30～60m，空間尺度不一致，在提取的海岸線精度上難免有些細(xì)節(jié)誤差； 但是不影響對(duì)海岸線的宏觀監(jiān)測(cè)和總體變化特征分析。面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)，有利于更多特征知識(shí)融入和互信息操作，隨著高分遙感的發(fā)展，面向?qū)ο蠹?jí)的海岸線提取優(yōu)勢(shì)將逐漸凸顯。

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(責(zé)任編輯： 邢宇)

Remote sensing monitoring and change analysis of YellowRiverEstuarycoastlineinthepast42years

WANG Jining， MENG Yonghui， ZHANG Lixia

(Shandong Province Geological Environment Monitoring Station， Ji’nan 250014， China)

Abstract:Usingobject-orientedclassificationtechnology,theauthorsachievedtheautomaticextractionoftheYellowRiverEstuarycoastlinein1973, 1977, 1984, 1991, 2000, 2010and2014,andcompletedtheremotesensingdynamicmonitoringandthechangeanalysisfortheYellowRiverEstuarycoastlinefrom1973to2014.TheresultsshowthatthelengthofshorelineintheYellowRiverEstuarywasincreasedbyabout298.8km2inthepast42yearsoverall.Thecoastlinechangeprocesshadanobviousspatio-temporalcharacteristics.Thechangeratewasdifferentatdifferentperiodsanddifferentlocations.Accordingtothecharacteristicsofthecoastlineexpanionandretreat,itcouldbedividedinto3categories:fastsiltcoastline,strongerosioncoastlineanderosionregressivecoastline.Forthedrivingforce,thelocationofYellowRiverportandseaerosionseemtohavebeenthemainfactors.ThecoastlinewasmainlyinfluencedbytheflowpathoftheYellowRiver.And,therecenthumanactivityseemstobethethirddrivingforce.Humanactivities,suchasportbuilding,saltpanconstructionandexploitationofcoastalresources,haveexacerbatedthecomplexityofcoastlinechange.

Keywords:coastline；YellowRiverEstuary；remotesensing；changeanalysis

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.29

收稿日期：2015-04-14；

修訂日期：2015-04-28

基金項(xiàng)目：山東省國(guó)土資源廳2011年度省地質(zhì)勘查項(xiàng)目“黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)海(咸)水入侵調(diào)查與監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)”(編號(hào)： 魯勘字[2011]14號(hào))資助。

中圖法分類號(hào)：TP79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-070X(2016)03-0188-06

第一作者簡(jiǎn)介：王集寧(1972-),男,高級(jí)工程師,主要從事海岸帶地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查與礦山地質(zhì)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)研究。Email：wjn8934045@126.com。

引用格式： 王集寧，蒙永輝，張麗霞.近42年黃河口海岸線遙感監(jiān)測(cè)與變遷分析[J].國(guó)土資源遙感,2016,28(3):188-193.(WangJN，MengYH，ZhangLX.RemotesensingmonitoringandchangeanalysisofYellowRiverEstuarycoastlineinthepast42years[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(3):188-193.)