1987-2017年海南島海岸線數(shù)據(jù)集

畢京鵬，張麗，宋茜茜，隋燕，溫禮

1.海南省地球觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南三亞 572000

2.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094

3.山東科技大學(xué)，測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590

4.江西理工大學(xué)，建筑與測繪工程學(xué)院，江西贛州 341000

5.中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100035

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 1987-2017年海南島海岸線數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 畢京鵬，張麗，宋茜茜，隋燕，溫禮數(shù)據(jù)通信作者 張麗（zhangli@radi.ac.cn ）數(shù)據(jù)時(shí)間范圍 1987-2017年地理區(qū)域海岸線數(shù)據(jù)集覆蓋范圍為海南島，包括海南島沿海12個(gè)市縣（海口市、澄邁縣、臨高縣、儋州市、昌江黎族自治縣、東方市、樂東黎族自治縣、三亞市、陵水黎族自治縣、萬寧市、瓊海市、文昌市）。空間分辨率 30 m數(shù)據(jù)量 1.75 MB數(shù)據(jù)格式 *.shp數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/669基金項(xiàng)目 海南省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目（ZDKJ2016021）；國家發(fā)展和改革委員會(huì)促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展重大工程（2016-999999-65-01-000696-01）。數(shù)據(jù)庫（集）組成本數(shù)據(jù)集主要包括海南島8期海岸線數(shù)據(jù)產(chǎn)品，這些數(shù)據(jù)保存為1個(gè)壓縮文件（1987-2017年海南島8期海岸線數(shù)據(jù)集.rar），每期海岸線數(shù)據(jù)單獨(dú)存貯在以年份命名的文件夾里，總數(shù)據(jù)量為1.75 MB。海岸線的類型和長度信息在數(shù)據(jù)表中分別以“類型”“Length”值字段記錄。

引 言

海南島是“21世紀(jì)海上絲綢之路”的重要節(jié)點(diǎn)，海南自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)建設(shè)等國家政策的實(shí)施逐漸加快了海南島的建設(shè)與發(fā)展。海南島獨(dú)特的地理位置使得其擁有豐富的海岸線資源，海岸線的時(shí)序變遷監(jiān)測對保護(hù)海岸帶的生物多樣性、合理開發(fā)岸線資源以及沿海生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，同時(shí)能為政府部門加強(qiáng)海岸帶的資源監(jiān)管和治理工作提供決策支持與依據(jù)，對沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及海岸資源的管理和使用具有重要意義。本文以多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)地調(diào)查記錄構(gòu)建海岸線類型解譯標(biāo)志，利用遙感數(shù)字化方法得到1987-2017年共8期的海岸線數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。相關(guān)的研究成果作為海南省海岸帶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等成果的一部分，反映海南島時(shí)序變遷歷史下的生態(tài)環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本海岸線產(chǎn)品數(shù)據(jù)集以美國地質(zhì)勘探局（http://glovis.usgs.gov/）提供下載的海南島1987年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2017年的30 m空間分辨率的多光譜影像Landsat TM/OLI為數(shù)據(jù)源，共獲取無云和條帶影響的40景影像。為了從無云層遮擋的遙感影像數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取海岸線信息產(chǎn)品，本文采用對應(yīng)時(shí)相相鄰一年的遙感數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充和替換，所用到的遙感影像信息如表1所示。根據(jù)成像時(shí)間對Landsat影像進(jìn)行拼接，得到完整覆蓋海南島的1987-2017年共8期的遙感影像圖。

表1 海南島遙感影像數(shù)據(jù)列表

序號 成像日期 衛(wèi)星 傳感器 軌道號16 2001-04-09 Landsat-5 TM 123-046 17 2001-04-09 Landsat-5 TM 123-047 18 2000時(shí)相2000-11-07 Landsat-5 TM 124-046 19 2000-03-28 Landsat-5 TM 124-047 20 2000-07-25 Landsat-5 TM 125-047 21 2005-04-20 Landsat-5 TM 123-046 22 2005-04-20 Landsat-5 TM 123-047 23 2005時(shí)相2005-05-13 Landsat-5 TM 124-046 24 2005-07-16 Landsat-5 TM 124-047 25 2005-08-24 Landsat-5 TM 125-047 26 2011-06-08 Landsat-5 TM 123-046 27 2011-07-26 Landsat-5 TM 123-047 28 2010時(shí)相2010-03-24 Landsat-5 TM 124-046 29 2011-02-07 Landsat-5 TM 124-047 30 2011-07-08 Landsat-5 TM 125-047 31 2015-04-16 Landsat-8 OLI 123-046 32 2015-04-16 Landsat-8 OLI 123-047 33 2015時(shí)相2015-11-17 Landsat-8 OLI 124-046 34 2015-10-16 Landsat-8 OLI 124-047 35 2015-11-24 Landsat-8 OLI 125-047 36 2017-04-21 Landsat-8 OLI 123-046 37 2017-04-21 Landsat-8 OLI 123-047 38 2017時(shí)相2016-12-05 Landsat-8 OLI 124-046 39 2017-03-11 Landsat-8 OLI 124-047 40 2017-03-02 Landsat-8 OLI 125-047

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

不同類型的海岸線有不同的解譯和判讀方式，建立海岸線的界定和判讀方法是研究海岸線的重要方面。本數(shù)據(jù)集生產(chǎn)過程中根據(jù)海岸線所處的地理環(huán)境、海岸物質(zhì)組成以及海岸開發(fā)狀況，同時(shí)考慮河口岸線的特殊性，確定海岸線的位置和類型，在遙感影像上依據(jù)地物的顏色、色調(diào)、紋理結(jié)構(gòu)、陰影、形狀、斑塊形狀、位置等構(gòu)建不同解譯判讀標(biāo)志[1-2]。

從海岸線類型上劃分為：自然岸線和人工岸線。其中自然岸線劃分為河口岸線、基巖岸線、砂質(zhì)岸線、生物岸線、淤泥質(zhì)岸線；人工岸線包括港口碼頭岸線和人工建筑岸線等人為參與的海岸線，例如按照海岸線的用途可以細(xì)分為養(yǎng)殖圍堤岸線、鹽田圍堤岸線、農(nóng)田圍堤岸線、建設(shè)圍堤岸線、港口碼頭岸線、交通圍堤岸線、護(hù)岸和海堤岸線、丁壩岸線等[3-5]。

結(jié)合海岸線在遙感影像上的光學(xué)、紋理、下墊面、地理位置等特征形成的“色”“形”“位”解譯標(biāo)志，借助遙感增強(qiáng)方法（如圖像融合、圖像拉伸、主成分變換等），在ArcGIS 10.1軟件中將Landsat TM/OLI影像按照最優(yōu)的波段組合及圖像增強(qiáng)方式顯示，結(jié)合實(shí)地踏勘地點(diǎn)，建立海岸線的類型解譯標(biāo)志[6-7]（表 2）。

表2 海岸線類型解譯標(biāo)志

海岸線一級類 海岸線二級類 圖像特點(diǎn)（TM 642假彩色波段組合） 空間分布與解譯標(biāo)志人工岸線 （圖示為養(yǎng)殖圍塘岸線）人工岸線是指改變原有的自然狀態(tài)，完全由人工作用而成的海岸，分布于有港口、碼頭、魚塘、鹽田、防潮堤、防波堤、防潮閘、人工陸連島等建筑物的地區(qū)。

海岸線可通過多種海水和陸地的交界線進(jìn)行劃分，如低潮線、高潮線（平均高潮線、多年大潮高潮線等）、平均海平面與陸地交界線、瞬時(shí)水邊線、痕跡線或干濕分界線等[8-9]作為海岸線的指示邊界線。在不同的國家和地區(qū)之間、不同的學(xué)科分支和不同的研究目之間又有各自的定義和使用方法[10]。我國相關(guān)規(guī)范和國內(nèi)外學(xué)者研究多以多年平均大潮高潮線作為海岸線的界定標(biāo)準(zhǔn)[9,11-14]，同時(shí)受限于遙感影像資料以及潮汐洋流等影響，準(zhǔn)確劃定海岸線有一定的困難，因此往往采用各種技術(shù)手段與方法提取指示海岸線的基礎(chǔ)上，通過海岸線類型構(gòu)造解譯標(biāo)志、依數(shù)據(jù)源和地區(qū)進(jìn)行潮位校正、海岸線特征點(diǎn)修正和重新位置定位以及結(jié)合多種海岸線精度指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)評估后得到海岸線的理論準(zhǔn)確位置。本文對覆蓋海南島的6種海岸線類型以遙感影像解譯的標(biāo)志為基礎(chǔ)，對其位置與類型判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了界定[6-7]（表3）。

表3 海南島海岸線類型位置界定標(biāo)準(zhǔn)

海岸線一級類 海岸線二級類 海岸線位置與類型界定標(biāo)準(zhǔn)淤泥質(zhì)岸線已開發(fā)的淤泥質(zhì)海岸常用于養(yǎng)殖，在影像上近海一側(cè)修筑防浪堤壩，海岸線位置較穩(wěn)定。自然淤泥質(zhì)海岸的岸灘面積較大，靠陸地一側(cè)生長有耐鹽植物，在TM 432（OLI 543）波段組合的假彩色影像上呈暗紅色調(diào)，向陸一側(cè)植被與向海一側(cè)岸灘的分界線即為淤泥質(zhì)岸線。人工岸線在TM 321（OLI 432）波段組合的真彩色影像上，港口碼頭內(nèi)部有許多工廠和居民區(qū)，建筑物多為灰白色，且有清晰的條帶狀道路，碼頭外部形狀規(guī)則，海水不能淹沒其外緣線，因此建筑物的外邊緣線即為人工岸線；防潮堤、防波堤等是修建于沿海灘涂、河流入?？谔幍牡虊危靡缘謸鹾Ｋ肭趾惋L(fēng)暴潮，堤外是淤泥質(zhì)灘涂，堤內(nèi)可能是未開發(fā)的淤泥質(zhì)灘涂或者吹填沙體，因此堤壩的外圍即為人工岸線所在處；養(yǎng)殖區(qū)和鹽田蒸發(fā)池呈深藍(lán)色調(diào)，鹽田結(jié)晶池呈亮白色調(diào)，養(yǎng)殖塘和鹽田的外邊緣線即為人工岸線；此外海南島特殊的人工島、圍填海工程建設(shè)，在形成一定的規(guī)模后，陸連島外邊緣拓展了海岸線的曲折度和利用長度，因此取其外邊緣作為人工岸線。

在獲取海岸線的遙感影像解譯標(biāo)志和界定標(biāo)準(zhǔn)后，以2017年的Landsat OLI遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用自動(dòng)化方法獲取2017年的海岸線位置和類型信息，并通過精度驗(yàn)證、位置糾正、類型糾正等處理后，得到精確的2017年的海岸線數(shù)據(jù)（圖1）。以2017年的海岸線數(shù)據(jù)為本底數(shù)據(jù)，疊加其余時(shí)相的遙感影像，通過目視解譯與判讀，采用數(shù)字矢量化方法修改獲取對應(yīng)時(shí)相（1987年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年）的海岸線的位置與類型信息。

其中2017時(shí)相的海岸線提取方法如下：基于遙感和GIS相結(jié)合的技術(shù)，首先運(yùn)用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)MNDWI對預(yù)處理后的遙感影像進(jìn)行海陸分割，設(shè)置全局閾值，實(shí)現(xiàn)圖像的二值化；其次對二值化影像進(jìn)行灰度值填充來去除較小的噪聲點(diǎn)，在形態(tài)學(xué)處理的基礎(chǔ)上，利用MATLAB語言實(shí)現(xiàn)Canny算子對二值圖像的海岸線提取[6]；這樣得到的海岸線實(shí)際只是水邊線，最后根據(jù)海圖、地形圖和潮汐資料等數(shù)據(jù)對水邊線進(jìn)行校正和修正處理，獲取海南島2017時(shí)相的海岸線數(shù)據(jù)。

圖1 海岸線產(chǎn)品精度驗(yàn)證方法

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)組成

本數(shù)據(jù)集包括海南島1987-2017年共計(jì)8期海岸線位置分布及類型數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)保存為1個(gè)壓縮文件（“1987-2017年海南島8期海岸線數(shù)據(jù)集.rar”），每期數(shù)據(jù)單獨(dú)存貯在以年份命名的文件夾里，總數(shù)據(jù)量為1.75 MB。每個(gè)文件夾中單獨(dú)存貯對應(yīng)的shp矢量數(shù)據(jù)文件，矢量數(shù)據(jù)采用WGS 84-UTM坐標(biāo)投影系統(tǒng)。每個(gè)以年份為名字的文件夾中包含有2份數(shù)據(jù)，其中一份是包含位置信息、長度信息、類型信息等全部信息屬性，例如命名為“2010coastline_class.shp”的海岸線數(shù)據(jù)；另外一份是只包含位置信息、長度信息，例如命名為“2010coastline.shp”的海岸線數(shù)據(jù)，可供不同領(lǐng)域的研究需要。

2.2 數(shù)據(jù)樣本

以2017年的海岸線的提取結(jié)果為基準(zhǔn)，在ArcGIS軟件中固定顯示比例尺，通過1.2章節(jié)的海岸線類型解譯標(biāo)志和界定方法，獲取海南島1987年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年海岸線位置及類型信息。海南島海岸線的分布特征如圖2所示。

圖2 1987-2017年海南島海岸線分布

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)果與精度驗(yàn)證技術(shù)路線

2017年海岸線數(shù)據(jù)產(chǎn)品采用自動(dòng)化提取方法結(jié)合數(shù)字化解譯提取得到。通過借助ArcGIS軟件中的DSAS（Digital Shoreline Analysis System，數(shù)字岸線分析系統(tǒng)）擴(kuò)展插件，將提取結(jié)果與目視解譯提取結(jié)果進(jìn)行定量比較分析，對海岸線位置出現(xiàn)錯(cuò)誤偏差的地方進(jìn)行修正。此外，在2018年開展海岸線野外環(huán)境調(diào)研（http://www.radi.cas.cn/dtxw/kjyw/201802/t20180201_4941129.html，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），對2017時(shí)相海岸線數(shù)據(jù)進(jìn)行海岸線類型驗(yàn)證（圖1）。

其余時(shí)相的海岸線（1987年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年）均以2017年海岸線為本底數(shù)據(jù)，結(jié)合目標(biāo)時(shí)相的遙感影像，對海岸線的位置與類型信息進(jìn)行修改完善得到[14-15]（圖 2）。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果驗(yàn)證方法

海岸線的類型解譯及驗(yàn)證方法采用實(shí)地考察驗(yàn)證，范圍主要包括海南島沿海岸線變遷重點(diǎn)區(qū)域，其中包括?？谑校ㄈ鐤|寨港紅樹林自然保護(hù)區(qū)）、儋州市（如?；◢u人工島建設(shè)）、三亞市（如大東海、小東海以及西玳瑁島珊瑚礁自然保護(hù)區(qū)）、文昌市（如會(huì)文區(qū)近海養(yǎng)殖區(qū)沿線）4個(gè)主要地區(qū)，海岸線類型的確定和歷史變遷狀況采用實(shí)地勘探采樣、與當(dāng)?shù)鼐用窠徽剢栐?、相關(guān)機(jī)構(gòu)情報(bào)交流等方式獲取。

測量坐標(biāo)點(diǎn)位采用手持GPS儀（型號為Trimble JUNO SB）確定點(diǎn)位信息，海岸線記錄表采用我國近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)專項(xiàng)（簡稱908專項(xiàng)）的《岸線測量登記表》[16]（表4）。

表4 海岸線測量記錄表

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)果驗(yàn)證精度

選取2017時(shí)相文昌地區(qū)的自動(dòng)化海岸線提取結(jié)果與真實(shí)海岸線的結(jié)果進(jìn)行對比，通過DSAS基線法對海岸線位置誤差統(tǒng)計(jì)分析。通過設(shè)置約 2 000條有序斷面線，對比統(tǒng)計(jì)分析海岸線的位置偏差（圖3）。驗(yàn)證結(jié)果表明，海岸線位置的絕對位置誤差在像元級別的緩沖區(qū)內(nèi)浮動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了95%的區(qū)域的海岸線自動(dòng)化高精度提取。最后針對誤差存在的復(fù)雜河口位置、淤泥質(zhì)岸線處以及近海養(yǎng)殖區(qū)等，采用人工修正的方法，獲取海岸線的準(zhǔn)確位置。

圖3 海岸線位置驗(yàn)證方法

海南島環(huán)島野外實(shí)地調(diào)查共獲取82個(gè)點(diǎn)位的海岸線類型信息，共拍攝380張典型海岸線照片。通過野外調(diào)研，以沿岸紅樹林為代表的生物岸線、人工修筑的人工岸線以及基巖岸線、砂質(zhì)岸線等6類海岸線類型均得到了實(shí)地的考察驗(yàn)證。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

1987-2017年海南島8期海岸線數(shù)據(jù)集均為shp格式，可利用ArcGIS等地理信息系統(tǒng)軟件對本數(shù)據(jù)集進(jìn)行編輯、查詢、屬性顯示以及后續(xù)分析工作。在海南島海岸線研究方面，大多數(shù)學(xué)者選擇局部海岸線變化較大的地區(qū)進(jìn)行典型性分析，而針對海南島全島的海岸線變遷研究較少，本文可作為海南島海岸線生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，應(yīng)用于海岸線時(shí)空分布特征、陸海格局演變等研究。