基于Landsat的連云港連島圍填?？臻g格局演變分析

王亞娜 謝宏全 梅雪琴 敖新東 馬東洋

摘 要：圍填海主要是指通過(guò)人為的修建堤壩，填埋土石方等工程來(lái)將近陸域的天然海域變?yōu)殛懙兀瑥亩卣龟懹虻纳婵臻g和生產(chǎn)空間的一種人類活動(dòng)。選擇連云港連島及其周邊為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，利用1985年與2017年的Landsat影像，運(yùn)用ENVI 5.1遙感軟件，得出連云港市連島地區(qū)32年間圍填海面積的變化圖。研究表明：基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人文因素的需求，連島進(jìn)行了大面積的圍填海。

關(guān)鍵詞：決策樹(shù)分類方法 NDWI指數(shù)法 水體提取 圍填海

中圖分類號(hào)：S15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

近年來(lái)，為緩解工業(yè)以及農(nóng)業(yè)的用地需求，連云港市積極開(kāi)展圍填海運(yùn)動(dòng)，圍填海面積逐年上升。但是，圍填海運(yùn)動(dòng)改變了連云港的自然海岸格局。因此，準(zhǔn)確提取并及時(shí)掌握圍填海動(dòng)態(tài)變化信息，深入研究圍填海演變進(jìn)程，更好地實(shí)現(xiàn)江蘇省海洋經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。目前對(duì)圍填海的分析研究主要集中在兩個(gè)方面：一是定性地分析圍填海的驅(qū)動(dòng)因素、現(xiàn)狀、影響結(jié)果及整治對(duì)策等；二是借助遙感技術(shù)，定量地進(jìn)行圍填海的研究[1]。徐諒慧等[2]對(duì)1990-2010年浙江省的圍填?？臻g格局進(jìn)行了定量研究；楊果果等[3]基于譜間關(guān)系法的研究成果，分析了南京市面積變化；陳瑋彤等[4]對(duì)江蘇南通進(jìn)行了圍填海開(kāi)發(fā)狀況定量評(píng)價(jià)分析及開(kāi)發(fā)潛力預(yù)測(cè)。

1 研究區(qū)域概況

連島是江蘇省最大的海島，面積7.6km2，與連云港隔海相望，通過(guò)6.7km的中國(guó)最長(zhǎng)的攔海大堤與連云港市東部城區(qū)相連。集青山、碧海、茂林、海蝕奇石、天然沙灘、海島漁村人文景觀于一體，是江蘇唯一的AAAA級(jí)海濱旅游景區(qū)，盛產(chǎn)海鮮。是夏季避暑納涼、踏浪休閑娛樂(lè)、享受海鮮美味的旅游勝地。具有豐富的水體，是典型的水體提取研究區(qū)。因此本實(shí)驗(yàn)選擇連云港市連島作為試驗(yàn)區(qū)域。

本實(shí)驗(yàn)主要使用了在地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)下載的連云港市連島地區(qū)的1985年3月23日、2017年3月15日的多光譜遙感影像數(shù)據(jù)。其中使用的1985年份影像為L(zhǎng)andsat5遙感衛(wèi)星上專題成像儀（TM）獲取，云量為0，數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為L(zhǎng)T51200361985082HAJ00，2017年份影像為L(zhǎng)andsat8遙感衛(wèi)星上OLI陸地成像儀獲取，云量為17.19%，數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)為L(zhǎng)C812003620170 74LGN00。

2 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)利用下載的影像，使用ENVI 5.1遙感軟件，先對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，大氣校正以及圖像配準(zhǔn)，然后建立感興趣區(qū)域?qū)?985年份和2017年份的連云港市影像分別進(jìn)行裁剪，然后分別計(jì)算水體指數(shù)NDWI，最后對(duì)連云港市連島地區(qū)運(yùn)用決策樹(shù)分類（分為水體和非水體）。

2.1 指數(shù)法

本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的提取指數(shù)為NDWI（歸一化水體指數(shù)）。針對(duì)江蘇省連云港市連島地區(qū)的實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用NDWI（歸一化水體指數(shù)） 進(jìn)行提取，該方法利用TM影像中的綠色波段和近紅外進(jìn)行波段計(jì)算，進(jìn)而二值化處理得到水體信息的提取圖像[3]。

利用NDWI指數(shù)提取水體改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)NDVI，通過(guò)對(duì)不同水體的提取實(shí)驗(yàn)，大部分獲得了比NDVI好的效果特別是提取城鎮(zhèn)范圍內(nèi)的水體。NDWI用遙感影像的特定波段進(jìn)行歸一化差值處理，以凸顯影像中的水體信息。其表達(dá)式為：

式中，Green為綠色波段，NIR為近紅外波段。利用NDWI指數(shù)提取水體信息后，為了提高精度，需進(jìn)行進(jìn)一步的處理，將高于閾值的水體部分賦值為255，其他部分賦值為0。

2.2 決策樹(shù)分類

本實(shí)驗(yàn)使用決策樹(shù)方法進(jìn)行分類。使用決策樹(shù)分類可以綜合利用不同來(lái)源和類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，提高了分類精度，并且節(jié)點(diǎn)數(shù)量不受限制，可以靈活定義決策樹(shù)的節(jié)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用決策樹(shù)進(jìn)行分類，大于等于1 的為非水體，小于1的為水體。1985年和2017年的分類結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 1985年決策樹(shù)分類結(jié)果

圖2 2017年決策樹(shù)分類結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 水體演變結(jié)果

通過(guò)對(duì)比1985年和2017年2個(gè)不同時(shí)相的連云港市連島地區(qū)水體提取結(jié)果的灰度變化，建立新的變化監(jiān)測(cè)圖像，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。演變結(jié)果如圖3所示，黑色部分為海洋變?yōu)殛懙氐牟糠?，白色?5年到17年間沒(méi)有變化的部分，灰色表示水體變?yōu)楹Ｑ?。?duì)于1985年到2017年間，連云港市連島海域圍填海區(qū)域主要集中在連島西面，在連島西面與云臺(tái)山之間建立了一條道路，在云臺(tái)山北方向增加了許多淤泥和沙灘，在連島東面與云臺(tái)山之間建立了堤壩。

圖3 水體變化對(duì)比圖

3.2 演變分析

3.2.1 演變?cè)蚍治?/p>

根據(jù)Landsat遙感影像圖和連云港連島調(diào)查區(qū)資料，發(fā)現(xiàn)位于海州灣灣頂南側(cè)的連云港港口，在這30多年來(lái)發(fā)展巨大，成為江蘇省主要港口，已成為擁有30萬(wàn)噸級(jí)航道的大港口[5]。連島海域漁場(chǎng)位置由1985年位于連島與云臺(tái)山之間，因?yàn)檫B云港港口的發(fā)展改為連島近海區(qū)。同時(shí)漁場(chǎng)面積顯著增強(qiáng)。并且，連島與云臺(tái)山之間有大面積圍填海區(qū)域，增加了道路和建筑，通行方式由原來(lái)的僅限船運(yùn)，變?yōu)楝F(xiàn)在的海陸雙運(yùn)，增加了兩岸之間的聯(lián)系，推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3.2.2 圍填海的影響

（1）圍填海改變了海域的自然屬性：圍填海對(duì)連島最直接的影響就是改變了海域原有的自然幾何屬性，包括海岸形狀、海域面積、海灣容量和海底地形地貌等；其次，縮小了海域面積[6]。

（2）圍填海對(duì)近海潮動(dòng)力過(guò)程及海灣水交換的影響：海灣內(nèi)的圍填工程通常會(huì)導(dǎo)致灣內(nèi)潮流減弱，主要?jiǎng)恿C(jī)制是由于圍填?？s小了海灣的空間尺度，減小了駐波型潮波反射距離所致；連島海灣容積的減小和潮流的減弱會(huì)降低連島地區(qū)的水交換能力，并導(dǎo)致連島環(huán)境容量減小和納污能力減弱。

（3）圍填海對(duì)海域生態(tài)環(huán)境的影響：圍填海改變了連島海域的自然屬性、施工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生污染物、以及其他負(fù)面的環(huán)境效應(yīng)，將會(huì)對(duì)連島海域的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響[6，7]。

對(duì)此，江蘇省發(fā)布《江蘇省沿江沿海港口布局規(guī)劃（2015-2030年）》。規(guī)劃提出：要建設(shè)布局合理、資源集約、保障有力、綠色平安的現(xiàn)代化港口體系，盡可能避免圍填海運(yùn)動(dòng)造成的負(fù)面影響。

4 結(jié)論

本文利用2期遙感影像和連云港連島地區(qū)調(diào)查資料，使用ENVI 5.1遙感軟件，完成了對(duì)連云港連島地區(qū)1985-2017年間連島圍填海演變信息的提取以及分析，得出連島基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原因，在連島與云臺(tái)山之間增加了大面積的圍填海區(qū)域，來(lái)擴(kuò)建港口碼頭、構(gòu)筑建設(shè)用地、沿海養(yǎng)殖，發(fā)展旅游業(yè)。說(shuō)明圍填海造地工程與地形條件、發(fā)展需要、人類活動(dòng)程度等因素之間存在密切的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1] 高志強(qiáng)，劉向陽(yáng)，寧吉才，等.基于遙感的近30a中國(guó)海岸線和圍填海面積變化及成因分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（12）：140-147.

[2] 徐諒慧，楊磊，李加林，等.1990-2010年浙江省圍填?？臻g格局分析[J].海洋通報(bào)，2015，34（06）：688-694.

[3] 楊果果，高原，周蕾.水體信息遙感自動(dòng)提取與演變分析——以南京城區(qū)為例[J].測(cè)繪與空間地理信息，2016，39（10）：35-39.

[4] 陳瑋彤，張東，韓飛，等.江蘇南通沿岸圍填海強(qiáng)度與潛力定量評(píng)價(jià)研究[J].海洋通報(bào)，2015，34（4）：443-449.

[5] 蘇進(jìn)，徐敏.試論連云港港口的發(fā)展[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2007，5（1）：66-68.

[6] 胡聰.圍填海開(kāi)發(fā)活動(dòng)對(duì)海洋資源影響評(píng)價(jià)方法研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2014.

[7] 林磊，劉東艷，劉哲，等.圍填海對(duì)海洋水動(dòng)力與生態(tài)環(huán)境的影響[J].海洋學(xué)報(bào)，2016，38（8）：1-11.