深圳市岸線資源遙感調(diào)查

任治敏，易慧，阮明浩

(深圳市勘察研究院有限公司，廣東 深圳 518026)

1 引 言

深圳擁有海域面積1 145 km2，海岸線長約 300 km，被大鵬半島、香港九龍半島、蛇口半島分割為大亞灣、大鵬灣、深圳灣、珠江口(即“三灣一口”)，其中東部大鵬灣、西部深圳灣、珠江口水域水深灣闊，為珠江三角洲地區(qū)乃至華南地區(qū)難得的優(yōu)良港灣資源。

傳統(tǒng)的海岸線獲取方法主要基于常規(guī)測量手段，通過測量拐點(diǎn)坐標(biāo)，順序連接后形成岸線，實(shí)測拐點(diǎn)的疏密在一定程度上影響了所獲取的海岸線位置的準(zhǔn)確性。遙感具有大范圍同步、高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是高分辨率遙感具有較高的空間分辨率和定位精度，可彌補(bǔ)常規(guī)海岸線測量方法的不足[1]。

本文采用深圳市1981年～2014年共11期遙感影像，通過遙感解譯、實(shí)地勘察等手段，對深圳市30年間岸線的位置、類型、分布等進(jìn)行調(diào)查，并對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析總結(jié)，極大地提升了海域管理的水平。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

研究區(qū)域深圳市位于中國南部沿海，廣東省東南部，毗鄰香港，位于北回歸線以南。陸域位置東經(jīng)113°46′～114°37′，北緯22°27′～22°52′。東臨大鵬灣，西連珠江口，南與香港新界接壤，北靠東莞、惠州兩市。深圳全境地勢東南高，西北低，大部分為低丘陵地，間以平緩的臺地，西部為濱海平原。境內(nèi)最高山為梧桐山，海拔 943.7 m。

為了更加全面的分析深圳岸線的現(xiàn)狀及其歷史變化情況，從深圳建設(shè)初期到現(xiàn)在共選取了在高、低潮位相近的11期影像，影像成像時(shí)刻、傳感器類型及潮汐情況如表1所示。

遙感影像概況表 表1

續(xù)表1

3 影像預(yù)處理

收集遙感影像原始數(shù)據(jù)，對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括幾何校正、影像融合以及影像增強(qiáng)，利用處理后的影像完成岸線信息提取，成果分析比較等工作，影像處理流程如圖1所示。

圖1 影像處理流程圖

3.1 幾何校正

通過一組地面控制點(diǎn)建立原始畸變圖像空間與校正圖像空間的坐標(biāo)變換關(guān)系，利用這種對應(yīng)關(guān)系把畸變空間中全部像元變換到校正空間中去，以實(shí)現(xiàn)幾何精校正[2]。

本文選擇多項(xiàng)式函數(shù)對影像進(jìn)行幾何精校正，在影像沿海區(qū)域內(nèi)選取了91個(gè)均勻分布的點(diǎn)作為控制點(diǎn)，其中外業(yè)實(shí)測點(diǎn)有44個(gè)，地形圖上測點(diǎn)47個(gè)。

圖2 像控點(diǎn)分布圖

3.2 影像融合

影像融合是將低空間分辨率的多光譜影像與高空間分辨率的單波段全色影像重采樣生成為一幅高分辨率多光譜影像遙感的圖像處理技術(shù)，可以提高信息提取的精度[3～5]。

融合方法有：HSV變換、Brovey變換、Gram-Schmidt、主成分(PC)變換、color normalized(CN)變換、Pan sharpening。本文選擇Brovey變換，該方法光譜信息保持較好，要求數(shù)據(jù)具有地理參考，具有相同的尺寸大小，RGB輸入波段為無符號8bit數(shù)據(jù)。

圖3影像融合

3.3 影像增強(qiáng)

影像增強(qiáng)是影像處理最基本的手段[6]。影像增強(qiáng)的目的，是通過對影像灰度作修正，提高影像的對比度，改善影像的視覺效果[7]。

以下是對比度拉伸的示例。拉伸前直方圖表示拉伸前影像中的像素值。通過在整個(gè)范圍內(nèi)拉伸值(如拉伸后直方圖所示)，可以改變影像的外觀并增強(qiáng)其視覺效果。

圖4影像增強(qiáng)及直方圖

4 岸線分類及提取方法

4.1 岸線分類

海岸線是陸地與海洋的分界線，在我國是指多年大潮平均高潮位時(shí)的海陸分界線[8]。

我國近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)專項(xiàng)(簡稱908專項(xiàng))設(shè)置有海島海岸帶衛(wèi)星遙感調(diào)查任務(wù)，海岸線是其主要調(diào)查內(nèi)容之一。該任務(wù)將海岸線類型劃分為基巖岸線、砂質(zhì)岸線、淤泥岸線、生物岸線和人工岸線五類[1]。

本文五類岸線的分類原則如下：

(1)基巖岸線，基巖岸線較雜亂曲折，紋理粗糙，由巖石組成，可直接直接勾畫水陸分界線作為基巖岸線。

(2)砂質(zhì)岸線，砂灘反射率較高，在影像上為白亮且平直的區(qū)域，但海水含量較高的部分反射率較低，在影像上較為黑暗。

(3)淤泥岸線，淤泥岸線位于淤泥質(zhì)海岸上，反射率較低，受沖流影響，坡度平緩。

(4)生物岸線，深圳市生物岸線主要為紅樹林海岸，紅樹林生長在潮灘上或海岸沼澤區(qū)，平均大潮高潮淹沒潮灘及沼澤區(qū)，紅樹林內(nèi)邊界即為高潮線位置，因此，紅樹林生物岸線的位置確定在紅樹林內(nèi)邊界上，海岸線以下為紅樹林，以上為養(yǎng)殖區(qū)和陸地植被等。

(5)人工岸線，人工岸線是人工建筑物形成的岸線，建筑物一般包括防潮堤、防波堤、碼頭、凸堤和鹽田等。

岸線解譯標(biāo)志表2

續(xù)表2

4.2 提取方法

利用遙感影像對各類型岸線進(jìn)行勾繪提取，若前一期影像已被判讀、核實(shí)，且至當(dāng)前時(shí)點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)變化的岸線，可直接利用前一監(jiān)測時(shí)點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果，不需要重新勾繪。若岸線位置或類型發(fā)生變化，勾繪當(dāng)前監(jiān)測時(shí)點(diǎn)的岸線。同一監(jiān)測時(shí)點(diǎn)各類型岸線提取完成后進(jìn)行拼接；將不同監(jiān)測時(shí)點(diǎn)岸線進(jìn)行疊加，得到深圳市同地段海岸線變化圖。岸線提取應(yīng)遵循以下原則：

(1)對人工岸線和基巖岸線，岸線邊界較固定，直接勾繪遙感影像呈現(xiàn)的瞬時(shí)海陸分界線；

(2)對砂質(zhì)、淤泥岸線，采用平均大潮高潮線，即平均高水位面與海岸的交線。

首先，對收集到的影像進(jìn)行潮汐情況分析，根據(jù)影像航拍時(shí)相和海洋觀測站發(fā)布的潮汐數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)時(shí)相的水位和潮情。本文用于岸線提取的遙感影像及潮汐情況如表1所示：

其次，在砂質(zhì)和淤泥海岸上提取灘脊痕跡線。痕跡線為潮起潮落時(shí)在岸灘上形成的痕跡線。

圖5 灘脊痕跡線的提取

成像時(shí)刻潮位與平均高潮位對應(yīng)的影像，直接用提取出的灘脊痕跡線作為岸線；成像時(shí)刻潮位與平均高潮位不對應(yīng)的影像，需要對痕跡線進(jìn)行潮位校正，才能獲得準(zhǔn)確的海岸線。

潮位校正一般根據(jù)衛(wèi)星成像時(shí)刻的潮位高度、平均大潮高潮位高度以及海岸坡度等信息計(jì)算出痕跡線至高潮線的水平距離，從而確定海岸線的位置[9]。

圖6 潮位改正原理圖

如圖6中的C1和C2為兩景不同時(shí)刻圖像中提取出的灘脊痕跡線，在圖像上量出C1和C2灘脊痕跡線的距離，設(shè)為△L；同時(shí)設(shè)兩景圖像中衛(wèi)星過頂時(shí)刻的潮位高度分別為h1和h2(假設(shè)h2>h1)，則岸灘坡度為：

φ=arctan[(h2-h1)/△L]

(1)

灘脊痕跡線至海岸線的距離為：

L=(H-h2)/tanφ

(2)

式中H為平均大潮高潮位高度，可根據(jù)多年潮位觀測資料得到。

(3)對生物海岸，應(yīng)勾繪生物海岸的內(nèi)邊界線，海岸線以下為紅樹林，以上為養(yǎng)殖區(qū)和陸地植被等。

5 深圳市岸線監(jiān)測分析

5.1 岸線類型分布情況

到2014下半年，深圳市岸線長度為 299.81 km，由表3和圖7可見，西部岸線主要為人工岸線，人工岸線長約 90.45 km，僅有 8.77 km為生物岸線，剩下的 11.68 km均為淤泥岸線。而東部主要為人工岸線和基巖岸線，砂質(zhì)岸線為 26.83 km。從各類岸線類型分布來看，基巖岸線主要分布在東海岸大鵬半島；砂質(zhì)岸線主要分布在東海岸的大鵬灣地區(qū)；生物岸線主要分布在深圳灣紅樹林區(qū)域；人工岸線主要分布在西海岸地區(qū)，包括寶安區(qū)、南山區(qū)以及東海岸的鹽田港區(qū)和大亞灣核電站附近；淤泥岸線主要分布在西部灘涂地區(qū)和深圳灣，多在人工養(yǎng)殖地附近。

2014年深圳市岸線類型統(tǒng)計(jì)(單位/km) 表3

圖7 2014年深圳市岸線類型分布

5.2 岸線動態(tài)變化分析

自1981年以來，深圳市的岸線發(fā)生了很大的變化，而這一變化與深圳市的填海造地活動息息相關(guān)。其中，1985年前～2014年西海岸岸線增長 37.62 km，東海岸岸線增長 26.30 km，深圳市海岸線(不含海島)由 235.89 km變?yōu)?299.81 km，增長 63.92 km。

對1981年～2014年岸線變化區(qū)域的土地利用類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到圖8，新增土地中，城市面積最大，占新增土地面積的41%，其次是港口碼頭用占15%、機(jī)場用地占10%，這幾類新增土地主要分布在深圳機(jī)場、大鏟灣、深圳灣等西部海域，東部海域城市用地主要分布在鹽田港附近。另外一個(gè)重要的土地利用方式是坑塘水面，主要分布在機(jī)場到茅洲河岸段以及大亞灣和壩光附近，以圍墾形成的池塘或養(yǎng)殖水域?yàn)橹鳎娣e占總增加量的13%，裸地面積為 7.02 km2，占總增加量的10%，主要分布在大鏟灣附近。1981年～2005年間，岸線不斷向海平面快速延伸，其主要原因是填海造路和灘涂圍墾活動的興起；2005年以后，海岸線延伸速度明顯減緩，深圳市海岸線變化趨于穩(wěn)定。

1981年～2014年深圳市海岸線長度變化(單位/km) 表4

圖8 1981年～2014年海岸線擴(kuò)張區(qū)域土地利用分類餅狀圖

圖9 1981年～2014年西部海岸面積擴(kuò)張圖

6 結(jié) 論

(1)20世紀(jì)80年代至今，西海岸岸線變化相比東海岸更為顯著，并以向海延伸為主，極少向陸地后退，東海岸僅部分岸段發(fā)生明顯變化，主要集中在鹽田港區(qū)附近，由鹽田港的開發(fā)建設(shè)引起。

(2)近年來，深圳沿岸岸線發(fā)生如此巨大變化，原因有二：①大規(guī)模的人為造陸活動，使土地資源和海岸帶陸地面積增加，其主要方式包括灘涂圍墾和填海造地。人類活動會形成新的人工岸線，如灘涂圍墾和填海造地會使海岸線向海延伸，增加岸線長度，但有時(shí)填海造地也會使海岸線形態(tài)趨于平直，岸線長度有所減少。②在快速發(fā)展的沿海地區(qū)，海岸線長度變化與沿岸工程的階段性有關(guān)，如1995年～2009年，深圳西海岸正值大規(guī)模開發(fā)建設(shè)階段，導(dǎo)致該段岸線形態(tài)趨向幾何曲折。

(3)對照深圳市不同海岸帶地區(qū)重要發(fā)展行為發(fā)現(xiàn)，各熱點(diǎn)區(qū)域海岸線動態(tài)變化的成因亦差異較大。沙井―新安海岸線變化往往與灘涂養(yǎng)殖區(qū)拓展有關(guān)，現(xiàn)階段及今后主要用于機(jī)場擴(kuò)建和深莞港灣新城建設(shè)；前?！呖诎抖巫兓且?yàn)榍昂Ｐ鲁墙ㄔO(shè)和赤灣港口拓展的緣故；深圳灣填海區(qū)則主要用于西部通道項(xiàng)目、市民體育中心和高新區(qū)南區(qū)的建設(shè)。比較而言，深圳東部地區(qū)岸線變化目的相對簡單，鹽田區(qū)岸線變化劇烈岸段主要集中在鹽田港區(qū)范圍內(nèi)，大鵬灣岸線變化區(qū)除少量用于核電站建設(shè)外，多數(shù)是由灘涂養(yǎng)殖區(qū)拓展形成的，而壩光岸段今后將作為深圳市的重要工業(yè)發(fā)展備用地。

[1] 孫偉富，馬毅，張杰等. 不同類型海岸線遙感解譯標(biāo)志建立和提取方法研究[J]. 測繪通報(bào)，2011(3)：41～44.

[2] 曹玲玲，張永梅. 基于多項(xiàng)式的遙感圖像快速幾何校正[J]. 電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011，24(1)：5～7.

[3] 陳超，秦其明，池長艷等. 一種Curvelet變換和IHS變換相結(jié)合的遙感圖像融合方法[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26(4)：444～449.

[4] 賈永紅，李德仁，孫家炳. 多源遙感影像數(shù)據(jù)融合[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2000，15(1)：41～44.

[5] 薛東劍，張東輝，何政偉等. 多源遙感影像融合技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2011，26(5)：664～669.

[6] 岡薩雷斯. 數(shù)字圖像處理[M]. 北京∶電子工業(yè)出版社，2003∶59～86.

[7] 祝中秋，李斌. 基于直方圖拉伸的圖像增強(qiáng)算法及其實(shí)現(xiàn)[J]. 信息技術(shù)，2009(5)：54～57.

[8] GB/T 18190-2000. 海洋學(xué)術(shù)語·海洋地質(zhì)學(xué)[S].

[9] 申家雙，翟京生，郭海濤等. 海岸線提取技術(shù)研究[J]. 海洋測繪，2009，29(6)：74～77.