長江口崇明島區(qū)域岸線動態(tài)變化研究

李俊凱

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210000)

崇明島地處長江三角洲,是我國的第三大島嶼,也是我國最大的河口沖積島和沙島[1]。長江奔瀉東下,流入到長江三角洲時,由于高差比降變小,流速逐漸變緩等原因,流水中所挾帶的大量泥沙逐漸在此沉積,形成了星羅棋布的河口沙洲,而崇明島就是其中最大的河口沙洲。由于日積月累的泥沙淤積和興建大量的促淤圍墾工程,每隔數(shù)年就會形成新的岸線。因此,如何快速、準確地獲取崇明島區(qū)域岸線變遷情況,是政府部門和人民群眾十分關(guān)心的問題。

傳統(tǒng)的繪制海岸線方法是人工實地測量,該方法所需時間長、費用大,且難以保證精度,而利用遙感影像測圖,由于遙感技術(shù)的快速、動態(tài)的特點,可以有效地解決這個難題。將遙感與GIS技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于岸線變化監(jiān)測,國內(nèi)學(xué)者做了一些研究。崔步禮等[2]以1976—2002年間18景多時相遙感影像為數(shù)據(jù)源,在遙感和GIS技術(shù)的支持下,獲取了黃河口海岸線時空變化的數(shù)據(jù),分析了黃河口海岸線變化的過程;常軍等[3]將遙感和GIS技術(shù)相結(jié)合,以1976年以來多期遙感影像為數(shù)據(jù)源,運用平均高潮線法提取海岸線,分析了目前黃河河口海岸線的演變過程及其規(guī)律;馬小峰等[4]以遼寧省大連、營口地區(qū)的海岸為研究對象,根據(jù)不同海岸類型的地貌特點,提出了對衛(wèi)星圖像中海岸線的解譯方法,使用IDL語言實現(xiàn)Canny算子、中值濾波器和腐蝕算子,完成了對衛(wèi)星圖像中海岸線的自動提取。

目前,在利用RS和GIS技術(shù)進行岸線變化監(jiān)測方面已展開了一些研究,而崇明島區(qū)域岸線變化的研究還是基于海圖居多。研究是以Landsat系列遙感影像為數(shù)據(jù)源,選取了1985—2019年的5期遙感圖像,利用遙感和GIS技術(shù),建立不同的岸線解譯標志,提取了長江口崇明島區(qū)域岸線信息,對長江口崇明島區(qū)域的時空變化進行動態(tài)分析。

1 研究區(qū)概述

崇明島位于長江入?？?三面臨江一面臨海,西、南分別與江蘇常熟、太倉以及上海市嘉定等區(qū)、縣隔江相望,東、北分別與江蘇啟東市、海門市相鄰。全島總面積1 064 km2,其中縣屬817 km2。長江口河道崇明島區(qū)域主要以第四系松散沉積物為主。沉積物類型主要有砂質(zhì)粉土及粘質(zhì)粉土、粉砂及含粘性土粉砂、粘土和淤泥及淤泥質(zhì)土。

長江口崇明島岸線較長且岸線類型多,沿海的灘涂濕地資源非常豐富,港口海灣多且深,這些條件都十分有利于灘涂產(chǎn)業(yè)和港口建設(shè)的發(fā)展。無論從工業(yè)和農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)、資源開發(fā),還是從交通、勞動力資源等社會經(jīng)濟條件來看,長江三角洲地區(qū)都具有優(yōu)越的地理位置。

2 數(shù)據(jù)收集與處理

2.1 數(shù)據(jù)收集

研究選取了1985—2019年間5期的Landsat系列衛(wèi)星影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),1985—2007年實驗數(shù)據(jù)為Landsat5系列衛(wèi)星TM影像,2019年實驗數(shù)據(jù)為Landsat8系列衛(wèi)星OLI影像。對于遙感影像的選取,主要考慮到2個方面:一方面是遙感影像的質(zhì)量問題,如云量<5%,研究區(qū)域不能有云層;另一方面是遙感影像的時間問題,根據(jù)前期收集的水文潮汐數(shù)據(jù)可知,2—4月是長江的枯水期,所以數(shù)據(jù)收集都集中在2月份,而且衛(wèi)星的過境時間都大致相同,集中在上午2點左右。遙感影像收集的數(shù)據(jù)見表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為了提高獲取地面信息的精度,對下載的遙感影像進行了大氣校正、重投影、幾何校正和裁剪等預(yù)處理。預(yù)處理后,再對遙感影像進行增強處理,其中包括彩色合成和比值運算。海岸線的提取選擇TM4和TM5波段,TM4(0.76～0.90 μm)波段為近紅外波段,主要應(yīng)用領(lǐng)域為測定生物量和作物長勢,區(qū)分植被類型,繪制水體邊界,探測水中生物的含量和土壤濕度,TM5(1.55～1.75 μm)用于探測植物含水量及土壤濕度。經(jīng)過對比,TM543波段合成的岸線輪廓較為明顯,對于后續(xù)的比值運算和岸線提取有較好效果。

表1 遙感影像收集數(shù)據(jù)

比值運算是遙感圖像增強處理中十分常用的方法[5],海岸線的提取通常都是提取水陸界線[6]。因此,采用了歸一化水體指數(shù),即

NDWI=(p(NIR)-p(MIR))/(p(NIR)+p(MIR)),

其中:NDWI是基于中紅外與近紅外波段的歸一化比值指數(shù);NIR是中紅外波段;MIR是近紅外波段。

在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過歸一化比值運算后,發(fā)現(xiàn)圖像增強明顯,水邊線輪廓明顯,具體圖像如圖1所示。

3 岸線提取研究

3.1 岸線解譯標志的建立

(1) 淤泥岸線 淤泥岸線位于淤泥及淤泥質(zhì)土之上,淤泥質(zhì)岸邊主要是由水文潮汐作用形成的。淤泥質(zhì)平面坡度通常不會差異太大,都是趨于平緩,但是灘面一般都非常寬,有的甚至達到幾千米。淤泥質(zhì)岸線向海一側(cè)被潮水淹沒,在遙感影像上呈暗黑色,而另一側(cè)是淤泥及淤泥質(zhì)土,在遙感影像上呈灰色或灰白色。因此,將水體與淤泥質(zhì)土的分界線作為淤泥岸線[7]。淤泥岸線位置如圖2所示。

圖1 比值運算后圖像

(2) 基石岸線 基石岸線應(yīng)位于基石海岸之上,基石海岸線往往比較平直。在潮水的長期作用下,海灘上部會逐漸堆積成一條與淤泥岸線平行的灘脊狀砂質(zhì)沉積帶,一般而言,灘脊的位置就是認定的基石岸線的位置[8]。由于干燥灘面上含水量低,所以光譜反射率比較高,在遙感影像上一般偏亮;而在干燥的灘面下限處有一條色調(diào)偏暗痕跡線,因為臨海岸面含水量較高,所以光譜反射率較低,在遙感影像上色調(diào)偏暗。因此,基石岸線在遙感影像中的位置往往都是干濕沙灘的分界線。基巖岸線位置如圖3所示。

圖2 淤泥岸線解譯標志

圖3 基石岸線解譯標志

3.2 岸線提取方法研究

由前文可知,岸線類型的差異會導(dǎo)致遙感影像上不同的特征,而且在不同傳感器類型以及影像成像時不同氣候狀況的條件下,同一種岸線提取方法也會有所不同。因此需要結(jié)合研究區(qū)域的特點、遙感影像的特征等多方面因素進行具體分析,最后根據(jù)提取效果選擇出最優(yōu)的岸線提取方法。目前比較主流的岸線提取方法主要有閾值法、邊緣檢測法、面向?qū)ο蠓ê腿藱C交互法等[9]。研究選取了閾值法和人機交互法。

(1) 閾值法 閾值法是一種在遙感影像特征提取中廣泛使用的分割技術(shù)[10]。此方法較為簡單,處理速度快,而且具有普適性。閾值法主要是利用遙感影像中可見光波段與近紅外波段來提取水體信息。這種方法主要利用土壤含水量小,在近紅外波段的反射強烈,而水體信息在該波段則具有很強的吸收性。因此,當水體與土壤在遙感影像上差異較為顯著時,遙感影像的直方圖會呈現(xiàn)明顯的雙峰形式,以影像直方圖的谷底值為閾值,將水體和土壤分開,最后把水陸界線作為提取的海岸線[11]。由于淤泥岸線的特點,閾值法適用于淤泥質(zhì)岸線的提取。

(2) 人機交互法 傳統(tǒng)的人工目視解譯是對經(jīng)過預(yù)處理的遙感影像進行目視解譯,再以人工數(shù)字化的形式將解譯結(jié)果錄入計算機。這種方法具有耗費時間多、岸線提取周期長、工作效率低等缺點,而且解譯結(jié)果容易受人工判讀經(jīng)驗等主觀因素影響。而計算機自動提取技術(shù)雖然自動化程度比較高、耗費時間短,但是由于分類算法的局限性,分類的精度不能滿足要求。現(xiàn)將計算機技術(shù)與傳統(tǒng)的人工目視解譯方法相結(jié)合,可以起到相互補充的作用。在計算機上,通過縮放或平移遙感影像就能夠較大程度上提高提取的精度,同時,解譯者可直接將提取信息錄入到地理信息系統(tǒng)中,從而使工作效率得到較大的改善[12]。由于基巖岸線較為復(fù)雜,不便于計算機直接提取,所以人機交互法更適用于基巖岸線的提取。

4 岸線提取結(jié)果與時空分析

4.1 岸線提取結(jié)果

根據(jù)研究所建立的岸線解譯標志,結(jié)合最優(yōu)的提取方法,得出了 1985年、1991年、2000年、2007年和 2019年 5 期長江口崇明島區(qū)域的海岸線,如圖4所示。

4.2 崇明島區(qū)域時空分析

在1985—2019年期間,長江口崇明島區(qū)域岸線變化較大,如圖5所示。對岸線動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析可知,在1985—1991 年間崇明島區(qū)域陸地面積增加了35.85 km2,陸地面積變化不是很明顯,平均每年增加5.975 km2;1991—2000年崇明島區(qū)域陸地面積增加了27.260 km2,比上一階段稍有減少,平均每年陸地面積增加了3.028 km2;2000—2007年陸地面積增加較明顯,總體增加了62.632 km2,平均每年陸地面積增加了8.947 km2;2007—2019年岸線變化最為明顯,陸地面積總體增加了204.2 km2,平均每年增加了17.017 km2,岸線變化較大的區(qū)域主要分布在崇明島東灘、崇明島北岸、長興島和橫沙島。

圖4 崇明島區(qū)域多年岸線提取結(jié)果

圖5 長江口崇明島區(qū)域岸線變化

在21世紀之前,岸線變化較為平穩(wěn),1985—2000年岸線變化增加緩慢主要原因是入海河流沙減少,據(jù)水文資料顯示,1986—2002年期間輸沙量減少,僅為1951—1968年期間的70%。主要原因是上游的嘉陵江流域修建了寶珠寺等大型水庫,從而導(dǎo)致嘉陵江流域進入主干流域的泥沙銳減1億t/a左右,其次是自1988年開始的退耕還林還草、水土保持工程的實施。

進入21世紀以后,岸線變化增加明顯,除了自然因素的影響,最主要還是人為因素,主要包括圍墾耕地、填海造陸、修建港口等。由于長江三角洲地區(qū)獨特的地理位置,人類對崇明島沿岸的河湖濕地進行大量圍墾耕地、修堤筑壩,一方面為了防止侵蝕和抵抗洪水,另一個方面是增加耕地面積,擴大邊界,開發(fā)土地資源。長江口是重要的交通要道,而崇明島北岸淤泥嚴重,枯水期航道無法使用,水面離河床底很近,船只常常擱淺,如果不制止淤泥淤積,會導(dǎo)致航道消失,因此,崇明島北岸岸線受人工因素影響明顯,通常人工采用各種大型機器進行淤泥清理,航道疏通,從而也導(dǎo)致了岸線的變化。

5 結(jié)論

以長江口崇明島區(qū)域為研究對象,基于遙感和GIS技術(shù),利用1985年、1991年、2000年、2007年和2019年的遙感影像提取了長江口崇明島區(qū)域岸線信息,研究了34年間長江口崇明島區(qū)域岸線的時空變化,并分析了其成因。主要結(jié)論有:

(1) 不同的岸線在遙感影像上色調(diào)、紋理以及空間關(guān)系都不一樣,根據(jù)差異建立基石岸線、淤泥岸線這2類岸線的解譯標志,選取適宜的提取方法提取不同岸線。計算分析選取5期岸線變化,定量分析變化結(jié)果。

(2) 長江口崇明島區(qū)域在1985—2019年處于淤積狀態(tài),在研究區(qū)域內(nèi)陸地面積逐年增加,34年間陸地面積總共增加了330 km2,平均每年新增陸地面積為9.71 km2,其中變化最大的是崇明島北岸、崇明島東灘、長興島北岸以及橫沙島東灘。

(3) 在21世紀以后,海岸線推進除自然原因以外,更多是受到人為因素影響,包括修建水庫、圍墾耕地、填海造陸、修建港口等,人類活動已經(jīng)與岸線變化密不可分,甚至逐漸成為了主導(dǎo)因素。