基于DSAS的長(zhǎng)興島海岸線時(shí)空演變分析

張露文

(遼寧師范大學(xué) 遼寧 大連 116000)

一、引言

(一)研究背景與意義

隨著海島經(jīng)濟(jì)逐漸被重視，海岸線的開發(fā)力度也隨之增大。人類活動(dòng)對(duì)海岸線的破壞加速了自然岸線的消失，整個(gè)海島的生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生變化。海岸線的變化使得海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展受阻，海島居民的生活環(huán)境和生活質(zhì)量受到影響。

(二)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

海岸線是劃分陸地和海洋的界線，會(huì)因海面、地殼的升降等的變化而變動(dòng)。而岸線資源是一種重要的自然資源，它承載了海島居民許多生產(chǎn)生活的活動(dòng)，與海島的社會(huì)生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、交通運(yùn)輸息息相關(guān)。因此近年來，海島岸線的演變研究逐漸受到關(guān)注。例如，侯西勇等開展了中國大陸海岸線遙感提取及變化研究。

二、研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源與處理

(一)研究區(qū)概況

長(zhǎng)興島地處東經(jīng)“121°32'”,北緯“39°29'2″—39°39'“,四面環(huán)渤海,僅一橋與陸地相連。在相對(duì)位置上為遼東半島、大連市渤海一側(cè)海岸線的中段,大連瓦房店市西側(cè),北瀕復(fù)州灣,南臨葫蘆山灣與交流島相望,東側(cè)以狹窄水道與大陸相連。

(二)數(shù)據(jù)來源與處理

本文選用長(zhǎng)興島地區(qū)1995～2015年3期Landsat遙感影像作為海岸線提取的數(shù)據(jù)源,數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云。本文采用美國Landsat 5/7衛(wèi)星的TM/ETM+遙感影像作為主要分析數(shù)據(jù)，收集的衛(wèi)星影像在海岸線區(qū)域無云霧遮擋，海陸界線清晰，便于提取。研究數(shù)據(jù)包括2005—2014年研究區(qū)的遙感影像、地形圖、2009年908精確海岸線矢量數(shù)據(jù)、大連長(zhǎng)興島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)總體規(guī)劃以及行政區(qū)劃圖。

三、海岸線提取與演變分析

(一)長(zhǎng)興島水邊線提取

目前,提取水邊線主要有6種方法。本文采用改進(jìn)歸一化水體指數(shù)法(MNDWI)對(duì)遙感影像進(jìn)行處理。MNDWI是在NDWI的基礎(chǔ)上改進(jìn)的結(jié)果。利用水體的光譜反射特征，采用改進(jìn)的歸一化差值水體指數(shù)(MNDWI)突出影像上的水體信息，實(shí)現(xiàn)水體與背景的分離。歸一化差值水體指數(shù)計(jì)算公式如下：

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

其中，MIR指中紅外波段，在此基礎(chǔ)之上,對(duì)其進(jìn)行二值化處理,分離出水體與陸地。將二值化處理后的柵格圖在ArcGIS10.2中進(jìn)行自動(dòng)矢量化,來提取各時(shí)期衛(wèi)星過境時(shí)的水邊線。

(二)海岸線時(shí)空演變?cè)u(píng)價(jià)方法

目前,海岸線演變常用結(jié)束點(diǎn)率(End Point Rate,EPR)量化時(shí)空演變特征。分析岸線變化的方法主要通過比較岸線的位置變化，確定海岸線的變化速率等參數(shù)，以此來說明岸線的沖淤情況。本文將提取的海岸線導(dǎo)入具有數(shù)字岸線分析系統(tǒng)(DSAS)功能的地理信息系統(tǒng)以計(jì)算岸線變化率。其內(nèi)容包括基線、岸線以及與岸線正交生成的一系列剖面三個(gè)主要部分。綜合使用基線法和面積法,通過GIS和DSAS定量獲取長(zhǎng)興島岸線變化速率及陸域變遷面積,進(jìn)行海岸線時(shí)空變化特征分析。

(三)海岸線演變特征分析

采用數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)(DSAS),對(duì)長(zhǎng)興島海岸線進(jìn)行定量分析。DSAS是基于ArcGIS平臺(tái),通過線性回歸方法計(jì)算出海岸線的變化速率,從而揭示大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的海岸線變遷。

利用DSAS進(jìn)行海岸線分析的主要流程如下。首先,利用已有的岸線數(shù)據(jù),通過多次擬合、調(diào)整,選定基線。其次,統(tǒng)一設(shè)置300m的采樣間距,進(jìn)行多次擬合、修正后,生成了319條垂直于上述基線并與所有岸線相交的等間距切線。再選取相鄰的兩期岸線,利用DSAS對(duì)319個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算，得到不同年份岸線長(zhǎng)度、岸線年平均變化速率、終點(diǎn)變化速率,用于對(duì)長(zhǎng)興島海岸線變遷進(jìn)行定量分析研究。岸線年平均變化速率的計(jì)算公式如下:

式中,Ri,i+1是相鄰年份間的岸線年平均變化率(i=1—3);Si+1為第i+1期海岸線與研究區(qū)陸域縱邊界所圍區(qū)域的面積;Si為第i期海岸線與研究區(qū)陸域縱邊界所圍區(qū)域的面積;Li為第i期海岸線的長(zhǎng)度;ΔYi,i+1,為第i+1期與第i期海岸線年份數(shù)的差值。終點(diǎn)變化速率(End Point Rate)的計(jì)算公式如下:

式中,Ei,j是相鄰年份間沿某條切線m的岸線終點(diǎn)變化速率;dj為沿切線m第j期海岸線到基線的距離;di為沿切線m第i期海岸線到基線的距離;ΔYj,i為沿切線m第j期與第i期海岸線年份數(shù)的差值。利用基線法可計(jì)算出10年間長(zhǎng)興島海岸線空間變化距離與空間分布。研究區(qū)的海岸線總體趨勢(shì)是長(zhǎng)度增加，從2005年的96.8km增長(zhǎng)到2014年的138.9km。

四、結(jié)果與分析

(一)海岸線長(zhǎng)度時(shí)空變化

根據(jù)遙感影像對(duì)海岸線監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示，2005年、2010年、2014年長(zhǎng)興島海岸線的總長(zhǎng)度分別為96.8Km、121.9Km、138.9Km，過去的近十年里，無論從整個(gè)研究期還是從各個(gè)階段來看，長(zhǎng)興島海岸線均保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，從2005年到2014年一共增加42.1Km，變化率44.88%。

(二)海岸線變化速率分析

長(zhǎng)興島海岸開發(fā)與國內(nèi)大多數(shù)的海岸開發(fā)有許多相似之處，為了詳細(xì)分析長(zhǎng)興島海岸線的變化特征，對(duì)研究區(qū)的海岸線進(jìn)行提取。本文使用如下方法提取海岸線：①基于解譯的3個(gè)年份的遙感影像數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2平臺(tái)中建立長(zhǎng)興島海岸線長(zhǎng)度數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫下提取海岸線，使用行政區(qū)劃界線，確定研究區(qū)界線；②對(duì)TM/ETM影像進(jìn)行二值化處理；③自動(dòng)化提取海岸線。對(duì)各個(gè)年度海岸線統(tǒng)一采用UTM-WGS84投影坐標(biāo)系，岸線長(zhǎng)度比例尺為1:150000。

五、結(jié)論

研究結(jié)果表明：長(zhǎng)興島海岸線長(zhǎng)度總體上呈加速增加趨勢(shì)，2005-2010年，海岸線長(zhǎng)度增加較少，緊貼西部岸線；2010-2014年，海岸線增加較大，主要在葫蘆山灣和馬家淺灘區(qū)域。作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn)區(qū)，長(zhǎng)興島海岸線的變化已經(jīng)并將繼續(xù)促使海岸沿線土地利用和生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，由此帶來了一系列人地關(guān)系問題。政府和社會(huì)群體都應(yīng)該加以重視，選擇適宜填海的位置，監(jiān)控圍填海規(guī)模，注重環(huán)境的保護(hù)，努力削弱其不良影響。