深圳市南山區(qū)30余年填海造地遙感監(jiān)測與分析

陳小平，雷呈斌，王勇強，姚玲

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院建筑學(xué)院，廣東 深圳 518040;2.深圳市房地產(chǎn)評估發(fā)展中心，廣東 深圳 518040)

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深圳市南山區(qū)30余年填海造地遙感監(jiān)測與分析

陳小平1，2，雷呈斌2，王勇強2，姚玲1，2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院建筑學(xué)院，廣東 深圳 518040;2.深圳市房地產(chǎn)評估發(fā)展中心，廣東 深圳 518040)

基于1981—2013年間15個時相的陸地衛(wèi)星遙感影像，利用光譜特征識別技術(shù)建立模型，提取深圳市南山區(qū)填海造地動態(tài)變化信息.根據(jù)填海時空變化特點，將南山區(qū)填海分為4個階段：1981—1988年，1988—1994年，1994—2003年，2003—2013年.研究表明，1994年以前，南山區(qū)填海規(guī)模小、呈斑塊鑲嵌狀，主要分布在港口及其輻射區(qū)；1994年以后，填海呈規(guī)模大、分布集中、成片狀分布的特點.數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，南山區(qū)填海速度經(jīng)歷了起步、加速、高速以及減慢的過程.填海速度的變化受區(qū)位因素、政策法規(guī)因素、社會經(jīng)濟因素和自然生態(tài)因素的綜合影響.提取填海造地時空分布變化為實現(xiàn)海岸帶土地利用、生態(tài)環(huán)境的科學(xué)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

遙感；深圳市南山區(qū)；填海造地

0 引言

世界超過半數(shù)的人口、經(jīng)濟活動集中在占全球面積不到10%的海岸帶地區(qū)[1]，海岸帶地區(qū)是地表陸域和海域區(qū)位優(yōu)勢的集合體[2-3].隨著人口增加與經(jīng)濟發(fā)展，人們對土地的需求不斷增加，填海造地成為海岸帶地區(qū)人們解決“土地赤字”的主要方式[4].

填海造地在為城市提供新的發(fā)展空間，緩解土地供求矛盾的同時，也永久性地改變了海岸帶生態(tài)系統(tǒng)的自然屬性[5].大肆填海造地改變了海灣的形狀，破壞了海岸線生態(tài)環(huán)境，如天然濕地減少、海岸線上生物多樣性迅速下降，水質(zhì)惡化等[6].近年來中國沿海經(jīng)濟帶迅速發(fā)展，沿海土地資源的稀缺加劇填海造地活動，填海造地的科學(xué)化、規(guī)范化的管理與研究成為現(xiàn)實需要[7].

目前國內(nèi)外學(xué)者對填海的研究主要集中在填海的工程技術(shù)手段、填海對海岸線生態(tài)環(huán)境的影響以及填海信息提取等領(lǐng)域[8-12].其中，提取填海邊界信息進而獲得填海造地時空分布變化是實現(xiàn)海岸帶土地利用、生態(tài)環(huán)境管理和發(fā)展戰(zhàn)略決策的基礎(chǔ)工作[13].宋紅等基于1988年、1994年以及2000年3年的遙感影像，利用單波段信息提取陸地邊界，對深圳灣的填海造地進行了初步解讀[14].于海波基于5期遙感影像(1978年、1986年、1995年、1999年及2004年)，利用單波段信息提取深圳填海造地動態(tài)變化信息并對驅(qū)動因素展開了分析[15].僅利用個別波段信息設(shè)定閾值提取陸地邊界精度有限，且僅利用有限年份的遙感數(shù)據(jù)，也忽略了填海造地變化的細節(jié).

本文中基于1981—2013年期間15個時相遙感影像，利用光譜特征識別技術(shù)建立模型，提取深圳市南山區(qū)填海造地動態(tài)變化信息，研究該區(qū)域在33年期間填海造地的動態(tài)變化特點并分析主要影響因素.

1 研究區(qū)域

自1979年被列為中國第一個經(jīng)濟特區(qū)后，經(jīng)過30余年的改革開放，深圳市從昔日的邊陲小鎮(zhèn)發(fā)展成為國際大都會.隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，城市規(guī)模日益擴大，建設(shè)用地日顯不足.而深圳地形以山地丘陵為主，平原地區(qū)僅占26.5%，這無疑進一步加劇了土地供求矛盾[16].因此，深圳自1980年以來，實施了多次較大范圍的填海造地工程.

2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

表1 常用陸地衛(wèi)星參數(shù)表

表2 MSS傳感器(Landsat-3/4/5)參數(shù)表

表3 TM傳感器(Landsat-4/5)參數(shù)表

表4 ETM+傳感器(Landsat-7)參數(shù)表

用于提取深圳市填海造地的空間數(shù)據(jù)包括1981—2013年33年期間15個時相的陸地衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(表5)，數(shù)據(jù)選擇的標準為：覆蓋深圳市南山區(qū)全區(qū)，影像清晰，云覆蓋量少，盡量覆蓋不同年份.

表5 南山區(qū)陸地衛(wèi)星目錄(1981—2013年)

圖1 數(shù)據(jù)處理步

2.2 數(shù)據(jù)處理 利用15景陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取陸地邊界，具體數(shù)據(jù)處理步驟如圖1.

1) 影像相對配準.選用2013年3月10日的Landsat-7/ ETM+為參照，使用envi軟件，對其余14個時相影像采取二次多項式擬合進行幾何配準，用最鄰近內(nèi)插法重采樣生成新影像文件，配準精度控制在1個像素內(nèi).1981年的MSS數(shù)據(jù)空間分辨率與ETM+傳感器空間分辨率不一致，配準前需將ETM+數(shù)據(jù)空間分辨率重采樣到78 m.

2) 光譜特征識別與模型建立.隨著遙感技術(shù)往高光譜方向的發(fā)展，陸地衛(wèi)星影像的波段數(shù)以及光譜分辨率都有了不同程度的增加.已經(jīng)由原來的4個波段(MSS)，增加到8個波段(ETM+).波段數(shù)量的增加大大地提高了對地物的辨識能力.

選用2013年3月10日的Landsat-7/ ETM+，根據(jù)目視判別，初步選取建筑物、公園植被、裸土、山體植被、稀疏植被、水體等6種典型地物類型，提取相應(yīng)光譜曲線如圖2.

圖2 深圳市南山區(qū)典型地物光譜曲

本文中通過提取水體信息，間接獲取陸地邊界.常見的水體指數(shù)NDWI(normalized difference water index)基于第2波段和第4波段的差值除以兩者之和的計算得到公式(1)[18]，這種計算方式可以突出影像中的水體信息，忽略建筑物、土壤的影響.由圖2可知，建筑物、公園植被、裸土、稀疏植被以及水體的NDWI<0，僅山體植被的NDWI>0.因此，針對本區(qū)域數(shù)據(jù)，利用NDWI不能有效提取水體信息.

NDWI=(DNof band4-DNof band2)/(DNof band4+DNof band2)

(1)

DN(digital number)為影像灰度值，band表示波段，band4表示第4個波段.

通過分析6類典型地物的光譜曲線，可以發(fā)現(xiàn)，只有水體的光譜曲線滿足第2波段灰度值大于第3波段灰度值，第3波段灰度值大于第4波段灰度值，第4波段灰度值大于第5波段灰度值的條件，因此建立水體信息提取模型如下：

DNof band 2>DNof band 3 且DNof band 3>DNof band 4且DNof band 4>DNof band 5.

滿足上述判斷的像素即被判斷為水體.在envi決策樹中輸入上述判斷，得到二值化影像結(jié)果.在arcgis中經(jīng)過矢量處理與整飾，提取各時相的陸地邊界，與通過已有南山區(qū)行政邊界疊加取交集，獲得各個時相南山區(qū)陸地邊界數(shù)據(jù).

3) 人工判讀糾正.在根據(jù)模型提取邊界及后期矢量化的過程中，影像中存在少量誤判的像素，需要對比遙感影像，結(jié)合經(jīng)驗進行人工判讀輔助處理.

4) 填海動態(tài)變化圖.疊加各時相邊界矢量數(shù)據(jù)，可得到南山區(qū)填海動態(tài)變化圖.

3 研究結(jié)果與分析

3.1 南山區(qū)邊界信息提取結(jié)果 根據(jù)2.2中分類模型，對歷年遙感數(shù)據(jù)進行處理，提取水體信息(含海洋、河流、內(nèi)陸湖泊)，對提取結(jié)果二值化后，經(jīng)過矢量處理與整飾，獲得各時相南山區(qū)邊界(圖3).

圖3 深圳市南山區(qū)陸地邊界矢量

3.2 南山區(qū)填海時空變化分析 疊加各時相邊界矢量數(shù)據(jù)，得到南山區(qū)填海動態(tài)變化圖(圖4).

按填海時空分布特點，將南山區(qū)填海分為4個階段：

1) 第一階段：1981—1988年.初始填海階段，南山區(qū)填海造地主要集中在4個港口：蛇口港、赤灣港、東角頭港以及媽灣港(圖5).由圖可知，此階段填海造地具有“規(guī)模小、分散”的特點.

2) 第二階段：1988—1994年.此階段填海造地分布在4個港口周邊輻射范圍，用于滿足港口建設(shè)的要求.

3) 第三階段：1994—2003年.此階段填海造地呈線狀沿海岸線圈層外延，主要集中在南山區(qū)的東海岸：1994—2001年，濱海大道北側(cè)，西起科苑，東至紅樹林鳥類自然保護區(qū)大量填海；2001—2003年填海主要集中在濱海大道南側(cè)深圳灣一帶.由圖4可知，此階段填海具有“規(guī)模大、分布集中”的特點.

4) 第四階段：2003—2013年.此階段填海主要集中在南山區(qū)的西海岸——前海一帶.由圖4可知，自1994年起，前海就開展填海工作，經(jīng)過20年(1994—2013年)，填海工作仍在繼續(xù).前海片區(qū)填海具有“填?？鐣r長、填海邊界變化復(fù)雜”的特點.

3.3 南山區(qū)填海速度變化及影響因素分析 疊加各時相邊界矢量數(shù)據(jù)，得到南山區(qū)填海動態(tài)變化圖(圖4).

統(tǒng)計不同時相的影像面積，得到各個時期南山區(qū)面積(不含內(nèi)伶仃島)與填海速度(表6).2004年2月與2004年11月這2期影像獲取時間接近，地表變化較小，故只統(tǒng)計了2004年2月這一期影像的南山區(qū)面積.

圖4 深圳市南山區(qū)陸地邊界變化圖(1987—2013年)表6 各時期南山區(qū)面積與填海速度

階段年面積/km2平均填海速度/(km2/年)第一階段(1981—1988年)1981136.2561988136.5070.036第二階段(1988—1994年)1988136.5071994144.7631.376第三階段(1994—2003年)1994144.7631996148.1702001158.4902003164.0342.141第四階段(2003—2013年)2003164.0342004166.2522005166.5382007171.7692008170.1772009173.7332011173.5052012175.8812013174.8851.085

圖5 深圳市南山區(qū)填海初期港口建

由圖6可知，1981—2013年，深圳市南山區(qū)(不含內(nèi)伶仃島)面積由136.3 km2增加至174.9 km2，增加了38.6 km2，占南山區(qū)總面積的28.4%.

由圖7可知，1981—2003年的22年間，南山區(qū)填海速度經(jīng)歷了起步、加速以及高速發(fā)展三個階段，南山區(qū)填海速度逐步增加；2003年后，填海速度急劇下降.經(jīng)分析，填海速度受區(qū)位因素、政策因素、生態(tài)環(huán)境保護需求以及人口經(jīng)濟發(fā)展對土地的需求等因素的綜合影響，各個階段主導(dǎo)因素有所不同.具體分析如下.

第一階段、第二階段：本階段填海主要影響因素是區(qū)位優(yōu)勢及特區(qū)政策因素.南山區(qū)區(qū)位優(yōu)勢表現(xiàn)在毗鄰香港，于20世紀80年代承接了香港產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移.這一時期填海主要集中在與香港水上運輸最為便利的4個港口及其輻射區(qū).在政策因素方面：1980年設(shè)立深圳經(jīng)濟特區(qū)時實行的工業(yè)企業(yè)稅收優(yōu)惠等政策刺激了經(jīng)濟發(fā)展，從而帶來了城市空間擴展需求的連鎖效應(yīng).1986年出臺的《土地管理法》中“土地資源集中管理、耕地保護以及國有土地資源有償使用”等制度，對耕地的保護限制了土地的總量，客觀上增加了填海的需求，而土地的有償使用也為填海提供了動力.

圖6 南山區(qū)(不含內(nèi)伶仃島)面積變化圖(1981—2013年)

圖7 南山區(qū)各階段填海速度(1981—2013年)

第三階段：這一階段填海主要集中在南山區(qū)東海岸濱海大道及深圳灣一帶，這兩個地段東臨深圳灣，與福田區(qū)接壤，與香港元郎一水相隔，華僑城的旅游開發(fā)和房地產(chǎn)成功運作，使得該地段填海地區(qū)周邊地價高，填海增加的大量土地獲得豐厚的資金回報.在經(jīng)濟效益促使下，南山區(qū)填海速度達到頂峰.

第四階段：隨著填海工程的開展，填海對海岸帶生態(tài)環(huán)境的負面影響逐漸凸顯.1999年根據(jù)實踐需要，修訂了《海洋環(huán)境保護法》，新規(guī)定了若干管理制度，大大加強了對海洋環(huán)境的保護力度.2001年頒布的《海域使用管理辦法》以法律的形式規(guī)定了海域功能區(qū)劃、海域使用權(quán)、海域使用的申請與審批等制度，使海洋開發(fā)從無序轉(zhuǎn)向科學(xué)合理.這些政策的修訂與法規(guī)的出臺對南山區(qū)填海起到了阻滯作用，降低了填海速度，南山區(qū)填海由此進入理性增長階段.

4 結(jié)論

本文中基于1981—2013年期間15個時段衛(wèi)星遙感影像，利用光譜特征識別技術(shù)建立模型，提取深圳市南山區(qū)填海造地動態(tài)變化信息，研究該區(qū)域在33年期間填海造地的動態(tài)變化及主要影響因素.

根據(jù)時空分布變化，1994年以前，南山區(qū)填海規(guī)模小、呈斑塊鑲嵌狀，主要分布在港口及其輻射區(qū)；1994年以后，填海呈規(guī)模大、分布集中、成片狀分布的特點.數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，南山區(qū)填海速度經(jīng)歷了起步、加速、高速以及減慢的過程.填海速度的變化受區(qū)位因素、政策法規(guī)因素、社會經(jīng)濟因素和自然生態(tài)因素的綜合影響.

經(jīng)過30余年的填海造地，南山區(qū)陸地分布與海岸線發(fā)生了巨大的變化.這些變化將對海灣生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)的、多方面的影響.了解填海造地的動態(tài)變化僅僅是實現(xiàn)海岸帶土地利用、生態(tài)環(huán)境管理和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略決策的第一步，進一步評估這些變化帶來的影響需要深入研究.

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(責(zé)任編輯 郭定和)

Study on the dynamic changes of land reclamation in Nanshan district of Shenzhen based on remote sensing data

CHEN Xiaoping1,2，LEI Chengbin2，WANG Yongqiang2，YAO Ling1,2

(1. School of Architecture,Shenzhen Graduate School of Harbin Institute of Technology ，Shenzhen 518040，China；2.Center for Assessment and Development of Real Estate，Shenzhen 518040，China)

Dynamic changes of land reclamation in Nanshan district of Shenzhen were studied，using spectral features identification technique on the basis of 15 remote sensing images between 1981 and 2013. In this paper，the temporal and spatial variation characteristics of land reclamation were studied，and the process was distributed into four stages：1981—1988，1988—1994，1994—2003 and 2003—2013. Land reclamation of Nanshan district before 1994 mainly distributed in four ports and their surrounding area and had small scale. After 1994，land reclamation of Nanshan district had much larger scale，in plate-like pattern. The rate of land reclamation between 1981 and 2003 increased gradually. However，the rate reduced dramatically after 2003. Studies showed that four factors，including local，policy，socio-economy and coastal natural conditions，produced a great impact on the rate of land reclamation of Nanshan district. Obtaining dynamic changes of land reclamation provides basic data for scientific administration of coastal land utilization and ecological environment.

remote sensing; Nanshan district of Shenzhen; reclamation

2016-01-11

國家自然科學(xué)基金(41371359)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2012AA12A309)資助

陳小平(1987-)，女，博士，講師，E-mail:xp_sparrow@163.com

1000-2375(2016)06-0502-08

P237;TP753

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2016.06.006