遙感技術(shù)在海岸帶監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

蔡舒翔

(茂名市國(guó)土資源勘探測(cè)繪院，廣東 茂名 525000)

多年來(lái)，受自然因素和人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的影響，海岸線(xiàn)的變化快速且復(fù)雜，對(duì)海岸帶造成了不可逆的破壞，如海平面上升、海岸侵蝕和沉積等加劇功能區(qū)受損的變化。世界上近70%的海灘正在遭受海岸侵蝕，在大部分沿海地區(qū)，侵蝕速度驚人，成為一種嚴(yán)重的危害[1-2]。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海岸帶的變化給海岸帶的保護(hù)和修復(fù)提供了至關(guān)重要的理論依據(jù)。

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者利用遙感技術(shù)對(duì)海岸線(xiàn)變遷及灘涂圍墾等開(kāi)展了大量研究，并已取得了大量成果。孫孟昊等人[3]基于1979～2019年Landsat數(shù)據(jù)在青島地區(qū)展開(kāi)研究，提出了利用潮汐規(guī)律修正海岸線(xiàn)的方法，得到了利用潮汐規(guī)律進(jìn)行潮位校正的方法可行且精度高的結(jié)論；張?jiān)浦サ热薣4]依托谷歌地球平臺(tái)提供的時(shí)序高分辨率衛(wèi)星遙感影像，提取了2010～2017年珠江河口地區(qū)海岸線(xiàn)信息，對(duì)不同時(shí)期的海岸線(xiàn)長(zhǎng)度、類(lèi)型及圍海造地面積的變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；Ghosh 等人[1]利用TM和ETM傳感器獲取的衛(wèi)星遙感影像，定量分析了特定時(shí)期內(nèi)Hatiya島海岸帶的時(shí)空變化，結(jié)果表明，該島北部和西部侵蝕嚴(yán)重，南部和東部則是通過(guò)沉積作用獲得土地；Li 等人[5]為了克服所獲取海岸線(xiàn)數(shù)據(jù)在時(shí)間頻率和空間分辨率存在的不足，特別是在變化很小的海岸線(xiàn)上，利用1984～2013年Landsat時(shí)間序列數(shù)據(jù)，提出一個(gè)新的模型在年尺度和亞像素尺度上連續(xù)監(jiān)測(cè)了西佛羅里達(dá)州淤泥質(zhì)海岸線(xiàn)的動(dòng)態(tài)變化；Wang 等人[6]利用1994～2006年間的SAR數(shù)據(jù)對(duì)雅賓—帕姆利科海灣的岸線(xiàn)演變進(jìn)行了研究。因此，本研究在前人的研究基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮遙感技術(shù)的時(shí)效性、時(shí)空連續(xù)性等特點(diǎn)[7]，利用1990～2018年的Landsat系列衛(wèi)星攜帶的TM和OLI傳感器所獲取的7期衛(wèi)星遙感影像，進(jìn)行了黃河三角洲河口段海岸帶水體面積的提取工作，并在ENVI和GIS軟件的依托下，對(duì)這29年間研究區(qū)的海岸線(xiàn)、灘涂圍墾等海岸帶水體面積的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了定性和定量分析。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)選取

1.1 研究區(qū)概況

選取黃河三角洲的河口段作為研究區(qū)，如圖1所示。黃河三角洲地處東經(jīng)118°30′～119°30′，北緯37°05′～38°10′，位于山東省東部，是黃河入?？跀y帶泥沙在渤海凹陷處沉積形成的沖積平原。由于其位置優(yōu)越，形成了獨(dú)特的生態(tài)類(lèi)型，國(guó)家已在此建立“山東黃河三角洲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)”，是以保護(hù)黃河口新生濕地生態(tài)系統(tǒng)和珍稀瀕危鳥(niǎo)類(lèi)為主體的濕地類(lèi)型自然保護(hù)區(qū)。因此，研究該區(qū)海岸帶的動(dòng)態(tài)變化并分析其長(zhǎng)時(shí)間序列的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，是黃河三角洲地區(qū)開(kāi)發(fā)利用的理論依據(jù)，對(duì)黃河三角洲的空間規(guī)劃具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義[8]。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)選取

本研究選用Landsat系列衛(wèi)星攜帶的TM和OLI傳感器所獲取的7個(gè)時(shí)相遙感數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)相數(shù)據(jù)的成像時(shí)間、數(shù)據(jù)類(lèi)型、所涉及的波段數(shù)、空間分辨率以及云覆蓋情況等詳細(xì)信息如表1所示。

表1 影像數(shù)據(jù)

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了更好地從衛(wèi)星遙感影像中提取重要信息，本研究以ENVI 5.1軟件為操作平臺(tái)，對(duì)下載的7個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)作預(yù)處理。首先，為了消除傳感器本身的誤差和大氣散射、吸收、反射引起的誤差，確定傳感器入口處的準(zhǔn)確輻射值，分別對(duì)衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正處理。然后，為了消除傳感器的形態(tài)，角度、高度等自身的不穩(wěn)定性以及地球曲率、空氣折射等客觀條件的不確定性所造成影像的幾何形變，本研究采用影像的“Image to Image”幾何校正方法，以2018年黃河三角洲地區(qū)已經(jīng)校正的TM衛(wèi)星遙感影像為參考圖像，共選取28個(gè)控制點(diǎn)，使用三次多項(xiàng)式模型和雙線(xiàn)性?xún)?nèi)插重采樣方法對(duì)7景影像進(jìn)行了幾何校正[9-10]。其次，基于ArcGIS 10.1平臺(tái)，使用python腳本語(yǔ)言對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量裁剪，獲取研究區(qū)范圍內(nèi)的影像。最后，分別在ENVI 5.1和ArcGIS 10.1中完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析工作。

2.2 信息提取

當(dāng)前，區(qū)分水體與其他地物信息的方法主要有單波段閾值法、譜間關(guān)系法、指數(shù)模型法、監(jiān)督分類(lèi)法和決策樹(shù)法，其中，水體指數(shù)法結(jié)合閾值分割提取水體較為快捷可靠，且已經(jīng)成為最普遍的提取水體的方法[11]。水體指數(shù)是根據(jù)各地物在不同波段下反射率不同的特性所構(gòu)成的歸一化差值方法，得到歸一化差異水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index，簡(jiǎn)稱(chēng)：NDWI)。由綠光波段(Green)和近紅外波段(NIR)計(jì)算的水體指數(shù)信息通常會(huì)因?yàn)榛煊薪ㄖ锏刃畔⒍霈F(xiàn)水體提取范圍和面積擴(kuò)大現(xiàn)象。因此，采用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)(Modified Normalized Difference Water Index，簡(jiǎn)稱(chēng)：MNDWI)進(jìn)行水體信息提取，MNDWI是由綠光波段和中紅外波段(MIR)計(jì)算得到[12]。公式如下：

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

(1)

式中，由TM傳感器獲取的影像中，波段2表示的是Green，波段5表示的是MIR；由OLI傳感器獲取的影像中，波段3表示的是Green，波段5表示的是MIR。

通過(guò)計(jì)算得到改進(jìn)后的歸一化差異水體指數(shù)后，裁剪影像，只獲取研究區(qū)域內(nèi)的MNDWI，進(jìn)而分析研究區(qū)水體面積演變情況。以1990年3月12日TM影像為例，研究區(qū)的MNDWI影像圖如圖2所示。其中，淺色部分表示的是水體，深色代表非水體部分。

圖2 河口段1990年3月12日的MNDWI影像圖

3 結(jié)果與討論

3.1 水體面積變化

分別統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)7個(gè)時(shí)期的MNDWI影像的水體面積，如表2所示，詳細(xì)地記錄了不同時(shí)期影像中像元是水體的像元個(gè)數(shù)(Npts)、研究區(qū)像元總數(shù)(Total)以及研究區(qū)內(nèi)水體面積的占比情況(Percent)。此外，圖3描述了這29年以來(lái)，黃河三角洲河口段水體面積的變化趨勢(shì)。結(jié)合表2和圖3可以看出，黃河三角洲的河口段在1990～2000年這10年期間，水體面積呈現(xiàn)逐年減少趨勢(shì)，并且面積降低速率平穩(wěn)，其速度為-0.95%/a；2000～2005年期間，水體面積略有增加，增加速度為0.53%；在2005～2010年期間，研究區(qū)的水體面積呈現(xiàn)出明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其增長(zhǎng)速度為1.71%；河口段在2010～2018年期間，水體面積呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢(shì)，降低速度先快后緩慢，幾乎接近不變的狀態(tài)，這8年里，降低的平均速度為0.68%。

為了更清楚、更形象地表示黃河三角洲河口段水體面積的變化情況，列出了研究區(qū)在7個(gè)不同時(shí)期的水體面積分布影像圖，如圖4所示。自1970年以來(lái)，黃河進(jìn)行了兩次改道，且對(duì)比7期影像便可以明顯地發(fā)現(xiàn)河流方向的更改以及入?？谥鸩较蚝Ｍ七M(jìn)。此外，通過(guò)比較1995年與1990年陸地基本形態(tài)，可知陸地面積存在顯著的增加，河流河道正在持續(xù)變長(zhǎng)。2000年與1995年的對(duì)比結(jié)果顯示由于河口段失去補(bǔ)給沙源，處于蝕退狀態(tài)，中心河道持續(xù)變短并趨于廢棄，隨之增加的陸地促進(jìn)了新河道的形成。2000～2005年入海沙嘴形態(tài)逐漸由“寬形”變?yōu)椤靶ㄐ巍?，入海河流流?jīng)區(qū)域逐漸形成不同大小的水體。而2010年是這7期統(tǒng)計(jì)中水體面積最大的年份，陸地的中心區(qū)域出現(xiàn)了大面積水體。2015～2018年水體面積呈現(xiàn)一個(gè)收斂的趨勢(shì)，陸地中心區(qū)域的水體面積逐漸減小，但仍伴隨著新的大小水體的出現(xiàn)，并且由于水體的侵蝕作用東北方向入海河道在2018年寬度達(dá)到最大。

表2 7個(gè)時(shí)期水體面積比例

圖3 1990年～2018年河口段水體面積變化趨勢(shì)

3.2 成因分析

為了探究河口段水體及陸地面積變化的成因，本文結(jié)合黃河三角洲區(qū)域的人類(lèi)工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等因素進(jìn)一步討論。影響黃河三角洲地區(qū)海岸線(xiàn)變化的自然影響因素主要分為兩種，黃河泥沙淤積和海水動(dòng)力侵蝕[8]。1990～1995年，黃河入?？诘娜侵揠S著河流的搬運(yùn)抵達(dá)渤海，并且沿東南方向彎曲，三角洲較1990年更窄更長(zhǎng)。1996年6月，黃河三角洲經(jīng)歷了第二次改道，原三角洲地區(qū)黃河的河道被封鎖，工程措施迫使河流向東北方向偏轉(zhuǎn)，2000年影像圖顯示三角洲河流已轉(zhuǎn)至東北方向。由于黃河攜帶泥沙量巨大，東北方向新形成的半島在5年時(shí)間范圍內(nèi)不斷擴(kuò)大，到2005年就可以發(fā)現(xiàn)新半島的面積基本上就與原三角洲相當(dāng)。在隨后的五年，由于經(jīng)濟(jì)區(qū)、港口、人工養(yǎng)殖等的不斷開(kāi)發(fā)、建設(shè)、圍墾，導(dǎo)致人工海岸線(xiàn)占比越來(lái)越高。相比之下，受黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)建設(shè)的實(shí)施影響[13]，使得在2010年研究區(qū)的水體面積占比呈現(xiàn)了增加趨勢(shì)。到了2015年，黃河三角洲由于黃河泥沙淤積繼續(xù)增長(zhǎng)，而舊的河口仍不斷萎縮，并且新的河口又在尾端分隔成兩條河。隨后的三年，由于海水的動(dòng)力侵蝕作用，黃河的河道不斷拓寬，但由于泥沙淤積黃河尾閭不斷抬高，加之黃河來(lái)水以及來(lái)沙量的減少，黃河三角洲的推進(jìn)速率變得緩慢。

圖4 研究區(qū)在7個(gè)不同時(shí)期的水體面積分布影像

4 結(jié) 論

利用1990～2018年7個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星遙感影像對(duì)黃河三角洲的河口段水體面積在29年里的變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析，通過(guò)對(duì)研究區(qū)水體與非水體的變化可以看出，衛(wèi)星遙感技術(shù)足以實(shí)現(xiàn)水體面積演變以及海岸線(xiàn)變遷的研究分析。本研究結(jié)果表明，1990～2000年期間，河口段水體面積逐年勻速連續(xù)降低，海岸線(xiàn)逐漸向前推移；2000～2010年期間，隨著黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)的建設(shè)，研究區(qū)水體面積呈上升趨勢(shì)，并且在2010年達(dá)到29年里的峰值；隨著人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)的增加，人工海岸線(xiàn)占比不斷增加，使得研究區(qū)內(nèi)水體面積再一次持續(xù)降低，后又接近平穩(wěn)狀態(tài)。在這29年里，黃河三角洲河口段的水體面積呈現(xiàn)了降低—增長(zhǎng)—降低—平穩(wěn)的特點(diǎn)。