基于Landsat影像的福州市海岸線變遷特征分析

林 旺，付石林，秦艷芳，馬曉釤，何 媛

(閩江學(xué)院海洋學(xué)院， 福建 福州 350108)

0 引言

海岸線是海陸分界線，由地質(zhì)因素、河流海洋沉積物淤積、氣象條件、海洋條件以及人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)耦合作用形成[1-4]。海岸沖淤、海平面上升等自然變化和人工堤壩、圍墾、采砂等社會(huì)因素的變化都會(huì)導(dǎo)致海岸線的變遷[5-6]。海岸線的變化會(huì)直接改變潮間帶灘涂資源量及海岸帶環(huán)境，從而改變海岸帶多種資源與生態(tài)過程，影響沿海人民的生存和發(fā)展[7]。因此對(duì)海岸線的變遷進(jìn)行分析，了解海岸線變遷的趨勢，對(duì)港口建設(shè)、圍墾、養(yǎng)殖、旅游和海岸能源等自然資源合理開發(fā)利用有著十分重要的意義[8]。

近年來在海岸線變遷方面的研究成果較為豐富，新的海岸線提取方法不斷提出。相較于傳統(tǒng)測繪方法，利用遙感影像提取海岸線具有快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的優(yōu)勢[9-11]。目前，海岸線的遙感提取方法主要是針對(duì)水陸邊界的提取，其中人機(jī)交互法[12-13]、多光譜分類法[14]、指數(shù)閾值法[15]等運(yùn)用較多。隨著海岸線提取方法不斷地成熟，有許多學(xué)者對(duì)于海岸線的變遷特征也進(jìn)行了不同程度的研究，目前主要集中在岸線長度變遷、海陸面積變化、岸線類型轉(zhuǎn)變及曲折度/分形維數(shù)變化等[16]。

本研究利用4期Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，通過譜間關(guān)系法，提取了近25年福州市的海岸線矢量數(shù)據(jù)，并對(duì)海岸線的變遷特征進(jìn)行深入分析，為福州市合理開發(fā)海岸線、推進(jìn)海岸帶資源的可持續(xù)利用提供數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)據(jù)獲取與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

使用Landsat遙感影像(30 m分辨率)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，并利用福州市1963年1∶10萬地形圖和福州2015年1∶100萬行政區(qū)劃圖(來源國家基礎(chǔ)地理信息中心：www.ngcc.cn)作為輔助數(shù)據(jù)。本文盡可能選擇海岸線區(qū)域無云霧覆蓋的影像，確保海陸界線清晰可辨，同時(shí)注意相鄰兩幅影像選擇相近時(shí)段或同一季節(jié)以保證數(shù)據(jù)的一致性和可比性。所選衛(wèi)星遙感影像均來自地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(www.gscloud.cn)其具體參數(shù)如表1所示。

表1 1994—2018年福州市影像數(shù)據(jù)源Tab.1 The chosen remote sensing images of Fuzhou during 1994-2018

首先對(duì)遙感影像進(jìn)行大氣校正，以獲取各類地物的正確光譜曲線特征；其次，以2018年遙感影像為準(zhǔn)，對(duì)其他幾期影像進(jìn)行幾何精校正，以保證各期影像在空間上的一致性；再對(duì)影像進(jìn)行增強(qiáng)處理，使水陸邊界顯示更為清晰；最后對(duì)同一時(shí)期不同行列號(hào)的影像進(jìn)行拼接、裁切處理，獲取覆蓋研究區(qū)范圍的整幅影像數(shù)據(jù)。

1.2 海岸線提取與屬性賦值

采用譜間關(guān)系法[17-18]提取福州市的海岸線，利用水體具有的獨(dú)特譜間關(guān)系特性計(jì)算水體指數(shù)，并結(jié)合閾值法分割水體和陸地，如下所示：

(GREEN+RED)-(NIR+MIR)>x

(1)

式中，GREEN、RED、NIR、MIR分別表示Landsat遙感影像的綠、紅、近紅外、中紅外4個(gè)波段的地面反射率，x表示分割水體和陸地的閾值，可通過影像上水體指數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征選定。

首先，利用該方法提取得到的海岸線會(huì)將圖像上部分陸地水域(河流、湖泊等)和少量云、陰影等地物邊界也提取出來，需要通過目視解譯進(jìn)行篩選只保留陸地和海域的邊界數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為矢量線數(shù)據(jù)。其次，對(duì)提取的矢量線進(jìn)行平滑、簡化，結(jié)合早期地形圖和奧維地圖軟件的高清影像進(jìn)行人工修訂，最終獲取4期福州市海岸線矢量數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)早期地形圖中海岸線的屬性類別進(jìn)行分類，并結(jié)合奧維地圖軟件的高清影像，對(duì)不同時(shí)期的海岸線進(jìn)行分段屬性賦值。將海岸線分自然岸線與人工岸線兩大類，自然岸線包括基巖岸線、沙質(zhì)岸線、島嶼岸線、淤泥質(zhì)岸線，人工岸線包括建設(shè)圍堤、農(nóng)田圍堤、養(yǎng)殖圍堤、防護(hù)岸線[19]。

1.3 海岸線變遷特征分析

為對(duì)比福州市不同區(qū)域的海岸線變遷特征，本文將整個(gè)海岸線分為福清、連江、羅源、閩江口、平潭、長樂6個(gè)部分，分別從整體和各部分進(jìn)行對(duì)比分析，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 海岸線變遷特征分析技術(shù)路線Fig.1 Analysis of the characteristics of coastline changes technology roadmap

1.3.1 變遷強(qiáng)度。通過計(jì)算同一區(qū)域在某個(gè)時(shí)間段的海岸線長度的年平均變化百分比來表示該區(qū)域的海岸線變遷強(qiáng)度[20]，利用岸線的變遷強(qiáng)度可對(duì)福州市及各區(qū)域海岸線的長度變遷進(jìn)行分析，具體計(jì)算如下所示：

(2)

式中：LCIij表示某一區(qū)域從i年至j年的海岸線變遷強(qiáng)度，Li、Lj表示同一區(qū)域不同時(shí)間的海岸線長度，LCIij的絕對(duì)值越大表示海岸線變遷強(qiáng)度越大。

1.3.2 曲折度。海岸線分形維數(shù)作為岸線空間形態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)，可以用來描述岸線的彎曲度和復(fù)雜程度。參考已有研究成果[21]，首先確定不同的網(wǎng)格邊長(r)，生成覆蓋研究區(qū)海岸線的全部正方形面狀網(wǎng)格，并統(tǒng)計(jì)出海岸線穿過的面狀網(wǎng)格個(gè)數(shù)(N)，最后在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中對(duì)lnN、lnr進(jìn)行線性回歸，得到lnN-lnr的平均斜率，其絕對(duì)值即為所求的分形維數(shù)。

由于使用的遙感影像數(shù)據(jù)的分辨率為30 m，因此網(wǎng)格的邊長(r)選取30的整數(shù)倍300、600、900、1 200、1 500、1 800、2 100、2 400 m來計(jì)算分形維數(shù)，分形維數(shù)值越大說明海岸線曲折度越大。

1.3.3 陸地面積變化。由于海岸線不是閉合的曲線，因此將海岸線與福州市及沿?？h市的行政區(qū)劃內(nèi)陸邊界結(jié)合形成閉合多邊形，得到各行政區(qū)域的陸地范圍，用來分析因海岸線變遷導(dǎo)致的陸地面積變化。

1.3.4 岸線人工化指數(shù)。然海岸線在人類活動(dòng)的影響下轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぐ毒€的過程即岸線的人工化過程，人類活動(dòng)對(duì)岸線的影響程度也可以用岸線人工化指數(shù)[15]來表示，具體公式如下所示：

(3)

式中：M表示區(qū)域內(nèi)人工岸線長度；L表示該區(qū)域內(nèi)岸線總長度；R表示岸線人工化指數(shù)，R值越大，代表區(qū)域內(nèi)海岸線的人工化程度越高。

1.3.5 岸線開發(fā)利用強(qiáng)度。岸線開發(fā)利用強(qiáng)度[20]能定量表征不同海岸類型對(duì)海岸帶資源環(huán)境的影響程度，具體公式如下所示：

(4)

式中：A為岸線開發(fā)利用強(qiáng)度；n為岸線類型數(shù)量；li為研究區(qū)內(nèi)第i種岸線類型的長度；Pi為第i類岸線的資源環(huán)境影響因子(0

本文根據(jù)參考文獻(xiàn)[20]確定了福州市各類型海岸線的資源環(huán)境影響因子，如表2所示。

表2 各類型岸線的資源環(huán)境影響因子Tab.2 Resource and environment influencing factors for each type of coastlines

1.4 福州市海岸線分析結(jié)果

1.4.1 福州市海岸線提取結(jié)果。福州市4期海岸線矢量成果，如圖2所示。福州市海岸線較為曲折且周邊零散分布著眾多島嶼，近年來福州市海岸線不斷向海推進(jìn)，部分區(qū)域的海岸線明顯呈現(xiàn)出由曲變直的特征，變化最為顯著的區(qū)域主要分布在羅源(A)、長樂(B)、平潭(C)、福清(D)等地。

1.4.2 岸線變遷強(qiáng)度分析。根據(jù)式(2)計(jì)算出福州市各期海岸線的變遷強(qiáng)度如表3所示，可見整體海岸線呈縮短的趨勢，年平均縮短3.47 km。

1994—2002年期間，海岸線長度變化最明顯的區(qū)域有羅源和長樂兩地，年均變遷強(qiáng)度分別為-1.38%和-1.45%，主要與羅源灣金港工業(yè)區(qū)建設(shè)圍填海和閩江口濕地公園生態(tài)修復(fù)工程有關(guān)。2002—2010年期間，海岸線長度變化最明顯的區(qū)域是平潭，年均變遷強(qiáng)度為-1.03%，主要與平潭西岸圍填海有關(guān)。2010—2018年期間，福清地區(qū)岸線呈明顯縮短趨勢，岸線年均變遷強(qiáng)度為-0.38%，但長樂地區(qū)明顯增長，年均變遷強(qiáng)度為1.62%。

表3 1994—2018年福州市整體與各部分海岸線長度變化Tab.3 The length changes of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

1.4.3 岸線曲折度變化分析。如表4所示，在自然因素和人類活動(dòng)的綜合作用下，25年間福州市海岸線整體的平均分形維數(shù)為由1.153 2減少為1.144 9，整體變化不大。其中，1994—2002年間，全市及各區(qū)域的岸線分形維數(shù)均呈減小趨勢，說明岸線曲折度變小，尤其是長樂地區(qū)變化最為明顯。2002—2010年間，除連江和閩江口外其他各區(qū)也呈減小趨勢。曲折度的降低，與圍填海、港口建設(shè)等密切有關(guān)，原本曲折彎曲的自然岸線轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)平直的人工岸線。

表4 1994—2018年福州市整體與各部分海岸線分形維數(shù)Tab.4 The fractal dimension values of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

而在2010—2018年間，除連江和福清之外，全市岸線分形維數(shù)呈微弱增大趨勢。其中，羅源與長樂地區(qū)的分形維數(shù)上升較高，主要是由于該時(shí)期羅源灣與長樂地區(qū)分別建設(shè)了魯能陸島碼頭和松下港口，岸線呈向外擴(kuò)張的趨勢，曲折程度略有增加。

1.4.4 陸地面積變化分析。各個(gè)時(shí)期不同區(qū)域的陸地面積如表5所示。1994—2018年間，福州市陸地面積總計(jì)增加了118.67 km2，陸地面積逐年增長，說明近25年來海岸帶人為開發(fā)活動(dòng)越發(fā)明顯，圍填海工程不斷進(jìn)行。其中，平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)近25年來由于大型的填海造地工程與港口建設(shè)使得平潭地區(qū)的陸地面積總計(jì)增加19.13 km2；福清地區(qū)近年來不斷加強(qiáng)對(duì)于興化灣北岸的港口建設(shè)，岸線逐步向海推進(jìn)，陸地面積總計(jì)增加47.69 km2。

表5 1994—2018年福州市整體與各部分陸地面積變化Tab.5 The land area variation of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

1.4.5 岸線開發(fā)利用強(qiáng)度變化分析。借助早期地形圖與奧維高清影像等，將海岸線進(jìn)行屬性賦值，并計(jì)算出各個(gè)類型岸線的長度，如表6?？梢钥闯?，近25年來福州市的人工海岸線在逐年遞增，自然岸線在不斷地減少。從整體上來看，沿海的港口建設(shè)等圍填?；顒?dòng)對(duì)于福州市海岸線變遷的影響較大，建設(shè)圍堤由1994年的38.42 km升至2018年的129.93 km。

表6 1994—2018年福州市整體與各部分海岸線類型及長度Tab.6 The type and length of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

1)岸線人工化指數(shù)。通過式(3)計(jì)算出福州市海岸線及各個(gè)區(qū)域的人工化指數(shù)，如表7所示。得出岸線人工化指數(shù)整體呈上升趨勢，岸線的開發(fā)強(qiáng)度不斷上升，人工化指數(shù)從0.23提升至0.34，縱觀福州市各個(gè)區(qū)域的岸線人工化指數(shù)，也都呈上升趨勢，可見各個(gè)分區(qū)的海岸線都受到人為活動(dòng)的影響。

表7 1994—2018年福州市整體與各部分海岸線人工化指數(shù)Tab.7 The artificialization index of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

2)海岸線開發(fā)利用強(qiáng)度。根據(jù)式(4)，計(jì)算了福州市海岸線開發(fā)利用強(qiáng)度，如表8所示?？梢钥闯龈Ｖ菔泻０毒€開發(fā)強(qiáng)度不斷上升，由1994年的0.21上升至2018年的0.28，人類活動(dòng)對(duì)岸線的影響程度不斷提高。在2002—2010年期間，福州市海岸線開發(fā)利用強(qiáng)度提升了0.05，相比于其他時(shí)期岸線的開發(fā)程度較大。在1994—2002年，長樂地區(qū)開發(fā)利用程度下降，主要是由于閩江口濕地公園生態(tài)修復(fù)工程和淤泥質(zhì)岸線的增加導(dǎo)致的。

表8 1994—2018年福州市整體與各部分海岸線開發(fā)利用強(qiáng)度指數(shù)Tab.8 The development/utilization intensity index of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

綜上所述，福州市海岸線的人工化指數(shù)與岸線開發(fā)利用強(qiáng)度都在逐年遞增。岸線人工化指數(shù)體現(xiàn)了福州市海岸線中人工岸線的占比程度，而岸線開發(fā)利用強(qiáng)度代表了人類活動(dòng)對(duì)于海岸線的影響程度。兩者結(jié)合，更能夠體現(xiàn)出人為因素對(duì)于海岸線的影響，兩者的變化趨勢也較為吻合，均表現(xiàn)出人為因素對(duì)于海岸線的影響逐年遞增，尤其是2002—2010年間人工化指數(shù)與岸線開發(fā)利用強(qiáng)度的變化量都達(dá)到了最高。

1.5 福州市海岸線變遷驅(qū)動(dòng)因素分析

1.5.1 自然因素。自然因素主要有板塊運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)演變、岸線侵蝕等，引起這些變化的周期都相對(duì)較長。由于自然因素引起的岸線變遷痕跡不明顯，在影像上很難找到受自然因素影響而變化的區(qū)域。因此，對(duì)于自然因素對(duì)福州市海岸線變遷的影響，本文不做討論。

1.5.2 人為因素。近年來福州市陸地面積逐年遞增，總增長了118.67 km2，可見福州市海岸線呈向海擴(kuò)張趨勢。福州市海岸線曲折度呈減少趨勢，1994—2010年岸線曲折度呈減少趨勢，在2010—2018年岸線曲折度上升，分形維數(shù)總體減少0.003。福州市岸線人工化指數(shù)與岸線開發(fā)強(qiáng)度都是逐年遞增，可見人工岸線在不斷地增加。綜上所述，人為因素是造成福州市海岸線變化最主要的原因。主要驅(qū)動(dòng)因素有以下4點(diǎn)：

1)政策因素。福州不僅是沿海開放城市之一，也是“海上絲綢之路”的重要城市之一。在20世紀(jì)90年代初，福州市委、市政府在平潭推出了“海上福州”的發(fā)展戰(zhàn)略。在2004年《福州港總體布局規(guī)劃》審批通過，規(guī)劃中重點(diǎn)提出建設(shè)江陰、羅源灣、松下3個(gè)外海港區(qū)和閩江口內(nèi)港區(qū)。

2)人口因素。世界上有著約60%的人口居住在沿海地區(qū)，沿海地區(qū)具有較好的經(jīng)濟(jì)條件且發(fā)展迅速。根據(jù)福州市統(tǒng)計(jì)年鑒，2017年福州市人口達(dá)到了766.46萬人，其中沿海地區(qū)人口占了46%[22]。福州市沿海地區(qū)的人口占比幾乎達(dá)到了福州市總?cè)丝诘囊话耄丝诘脑黾哟碇０毒€地區(qū)開發(fā)程度的增加。

3)港口碼頭建設(shè)。近年來“海上福州”戰(zhàn)略構(gòu)想的實(shí)施，推動(dòng)了沿海區(qū)域的發(fā)展，作為“海上絲綢之路”的重要城市之一，福州市各個(gè)區(qū)域的沿海港口的建設(shè)成為福州市海岸線變遷的重要原因。綜合岸線類型變化，近年來福州市建設(shè)圍堤呈上升趨勢，由1994年的38.42 km升至2018年的129.93 km。在25年間，福州市不斷的新建沿海港口碼頭，引起福州岸線變化明顯的主要港口建設(shè)有羅源灣的獅岐碼頭、連江的可門港、長樂松下港、平潭金井碼頭和福清江陰港等。由于大型的圍填海工程，岸線明顯向海推進(jìn)，岸線的長度，曲折度，區(qū)域陸地面積，岸線類型都在不同程度上產(chǎn)生變化。

4)工業(yè)區(qū)、新城區(qū)建設(shè)。除了港口碼頭的建設(shè)，大型的工業(yè)區(qū)和新城區(qū)的建設(shè)也是引起福州市岸線變遷的原因之一。福州作為沿海開放城市之一，近年來也注重于推動(dòng)各個(gè)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，如羅源灣的金港工業(yè)區(qū)、平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)等，這些大型的圍填海工程對(duì)海岸線的變遷有著十分明顯的作用。

2 研究結(jié)論與展望

本文利用RS和GIS技術(shù)分析了福州市1994-2018年海岸線長度、分形維數(shù)及陸地面積時(shí)空變化特征，引入岸線人工化指數(shù)、岸線開發(fā)強(qiáng)度指數(shù)分析了福州市海岸線人為因素對(duì)海岸線變遷的影響，綜合反映了福州市海岸線的變遷特征及開發(fā)利用狀況。

根據(jù)結(jié)果顯示福州市海岸線近年來變遷特征明顯，海岸線逐年縮短，不斷向海推進(jìn)，全市岸線長度的平均變遷強(qiáng)度為-0.22%；海岸線由向內(nèi)彎曲逐漸向外擴(kuò)張，海岸線的曲折程度不斷下降，平均分形維數(shù)為1.147，近25年間分形維數(shù)下降了0.008；福州市陸地面積逐年增加，年均增加約4.9 km2；岸線人工化指數(shù)與岸線開發(fā)利用強(qiáng)度不斷上升，各個(gè)區(qū)域海岸線都在不同程度上受到人類開發(fā)活動(dòng)的影響，人工岸線的長度在不斷地增加。

引起岸線變遷的主要因素是人類活動(dòng)，近年來福州市加強(qiáng)了對(duì)福州市沿海地區(qū)的建設(shè)，港口碼頭的建設(shè)對(duì)于福州市海岸線的影響最為明顯。在人為活動(dòng)的作用下，海岸線逐漸由曲折變?yōu)槠街?，人工岸線日益增多，自然岸線逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぐ毒€，且大都是不可轉(zhuǎn)變的?？偟膩碚f，福州市海岸線的變遷主要是由于人為因素的影響，而自然因素的影響很少。

由于Landsat遙感影像的獲取時(shí)間每天都是相對(duì)固定的，但潮汐位的變化使得每天同一時(shí)間的海平面往往不在同一高度，這就導(dǎo)致不同時(shí)期獲取的遙感影像，其瞬時(shí)海岸線是不在同一潮汐位的，也為海岸線的提取帶來了一定的誤差。要減小這一誤差，需要將潮汐的影響考慮在內(nèi)。