基于Landsat影像的連云港1984—2018年海岸線時(shí)空變化分析

劉惠惠，車向紅，李麗，徐勝華，劉紀(jì)平

(1.江蘇海洋大學(xué)，江蘇 連云港 222023；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100036)

0 引言

海岸線處于海洋與陸地的交匯處，載負(fù)著豐富的環(huán)境信息[1]，對(duì)于海岸帶資源使用、管理、保護(hù)和規(guī)劃具有十分重要的意義[2]。20世紀(jì)50年代以來，東部沿海地區(qū)開發(fā)力度加大，人口迅速增長(zhǎng)且社會(huì)生產(chǎn)力不斷提高，土地利用方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，海岸線受此影響不斷變化，主要變化表現(xiàn)為岸線侵蝕與海水后退，生態(tài)環(huán)境也遭受了一定程度的破壞[3]，因此土地利用變化與海岸線變化的研究也逐漸成為關(guān)鍵而迫切的研究課題。

90年代以來，我國(guó)開展圖像處理技術(shù)和海洋信息提取及海洋應(yīng)用研究，取得的進(jìn)展巨大[4]。利用衛(wèi)星遙感圖像實(shí)現(xiàn)海岸線的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為遙感應(yīng)用的一個(gè)重要方向，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量的算法研究和實(shí)際應(yīng)用。馮永玖等[5]使用迭代自組織數(shù)據(jù)分析技術(shù)(iterative self-organizing data analysis technique，ISODATA)從遙感數(shù)據(jù)中提取不同時(shí)期海岸線，并計(jì)算比較了海岸線長(zhǎng)度和分形維數(shù)等指標(biāo)，對(duì)岸線變化的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了分析。夏真等[6]選用大亞灣海區(qū)TM數(shù)據(jù)，經(jīng)過疊加對(duì)比等研究，討論了海岸線變遷程度以及海岸類型和人類活動(dòng)的關(guān)系。而土地利用/覆被變化與海岸線的變遷都是表征人類活動(dòng)對(duì)地球表層系統(tǒng)影響的最直接的表現(xiàn)形式[7]，但目前對(duì)海岸線變遷的研究成果陳舊，因此開展土地利用變遷與海岸線變遷的相互關(guān)系研究刻不容緩。

連云港為國(guó)家首批對(duì)外開放的濱海城市之一，對(duì)其海岸線的研究存在成果少且時(shí)間序列不足、忽視了土地利用情況進(jìn)行客觀分析等問題。因此，本文選取1984—2018年共8期的美國(guó)陸地資源衛(wèi)星(Landsat)系列數(shù)據(jù)(1984年5月7日、1989年8月9日、1993年11月24日、1999年6月18日、2003年3月9日、2008年3月14日、2013年12月1日、2018年4月19日)，利用ArcGIS與ENVI平臺(tái)對(duì)連云港市海岸帶進(jìn)行解譯、提取，使用分形模型對(duì)連云港海岸線的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并對(duì)2000、2010、2020年3期30 m空間分辨率的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)(GlobeLand 30)采用土地利用程度綜合指數(shù)、轉(zhuǎn)移矩陣法進(jìn)行分析，對(duì)海岸線變遷與土地利用變化的相互關(guān)系進(jìn)行探究。本文的研究對(duì)連云港海岸線保護(hù)和恢復(fù)具有重要的科學(xué)參考意義。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為江蘇省連云港市海岸帶。連云港位于中國(guó)大陸東部沿海，地處江蘇省東北部，是江蘇省海洋經(jīng)濟(jì)的主要來源之一，介于118°24′E～119°48′E，34°N～34°07′N之間，土地總面積約7 615 km2，轄區(qū)海岸帶狹長(zhǎng)曲折，北起蘇魯交界的繡針河口，南至灌河口，其海岸線主要用于旅游、海水養(yǎng)殖、港口碼頭、工程用海等，擁有江蘇省最大海港連云港港口[8]。具體的研究區(qū)范圍為沿連云港海岸線向陸延伸10 km、向海方向延伸5 km。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本文所采用數(shù)據(jù)主要有遙感影像數(shù)據(jù)以及土地利用數(shù)據(jù)，遙感影像數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)選用GlobeLand 30數(shù)據(jù)。

1)Landsat數(shù)據(jù)。本文所采用的Landsat數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，來源于地理空間數(shù)據(jù)云官網(wǎng)(http：//www.gscloud.cn/)。在保證影像少云覆蓋的條件下，若某期影像缺失或是質(zhì)量不佳，則在該期前一年或后一年的影像數(shù)據(jù)中選擇質(zhì)量?jī)?yōu)且契合度高的影像，最終共下載1984—2018年間滿足要求的Landsat 5、7、8影像數(shù)據(jù)共8景，具體的影像信息如表1所示。

表1 影像數(shù)據(jù)詳細(xì)信息

由于研究區(qū)由所選用影像的一幅覆蓋，因此無需進(jìn)行“影像鑲嵌”，可直接在ENVI中進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正，隨后對(duì)處理后的遙感影像進(jìn)行矢量裁剪。

2)GlobeLand 30數(shù)據(jù)。本文采用的GlobeLand 30數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，產(chǎn)品配準(zhǔn)精度達(dá)1像素，分類誤判率低于10%，顯著高于其他全球地表覆蓋產(chǎn)品，被聯(lián)合國(guó)有關(guān)機(jī)構(gòu)評(píng)價(jià)為世界上首套高分辨率全要素全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品和全球性的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[9]。

本文研究區(qū)在此數(shù)據(jù)分區(qū)編號(hào)系統(tǒng)中跨兩區(qū)，所下載的數(shù)據(jù)為V2000、V2010、V2020的N50_30、N50_35分幅數(shù)據(jù)，共計(jì)6幅。由于研究區(qū)外冗余數(shù)據(jù)較多，需要對(duì)冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，以獲取研究區(qū)范圍內(nèi)的土地覆蓋數(shù)據(jù)。根據(jù)本文研究區(qū)實(shí)際情況將此數(shù)據(jù)重分類為耕地、森林、草地、濕地、水體、人造地表、海域7個(gè)地類。

2 研究方法

首先，利用Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行波段合成，對(duì)海岸線邊界進(jìn)行突出顯示。以Landsat影像為基準(zhǔn)，判讀獲取1984—2018年共8期研究區(qū)海岸線分布及其類型信息，并對(duì)獲取的海岸線進(jìn)行時(shí)空變化分析，分析重點(diǎn)集中在海岸線長(zhǎng)度和類型的變化情況以及其分形特征；其次，基于2000、2010、2020共3期土地覆蓋數(shù)據(jù)，對(duì)其土地利用程度與轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行分析；最后，利用所獲得的海岸線數(shù)據(jù)與土地利用數(shù)據(jù)對(duì)二者之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析。

2.1 海岸線提取及評(píng)價(jià)

1)海岸線提取。海岸線提取主要對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的遙感影像利用GIS技術(shù)與目視解譯相結(jié)合的方法，對(duì)1984—2018年間的連云港市海岸線進(jìn)行提取。具體方法為：①參照2008年的遙感影像，對(duì)于2008年的海岸線進(jìn)行人工提??；②將提取的2008年的海岸線作為基準(zhǔn)，分別載入1984、1989、1993、1999、2003、2013、2018年的遙感影像，對(duì)有變化的區(qū)段進(jìn)行修改，沒有變化的區(qū)段不做操作。

2)海岸線變化分析模型。分型模型是對(duì)海岸線的形態(tài)結(jié)構(gòu)、彎曲程度等固有特征的評(píng)價(jià)。本文采用網(wǎng)格法[10]實(shí)現(xiàn)1984—2018年8期海岸線分形維數(shù)的特征計(jì)算。

根據(jù)本文的研究區(qū)范圍，選取120、180、240、300、360、420、480、540、600、660、720、780、840、900共計(jì)14個(gè)網(wǎng)格作為覆蓋海岸線網(wǎng)格的長(zhǎng)度。通過上述方法得出網(wǎng)格長(zhǎng)度與網(wǎng)格數(shù)目之間的雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖，利用最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析，得到海岸線分形維數(shù)。

2.2 土地利用分析模型

1)土地利用程度綜合指數(shù)。綜合指數(shù)[11]一方面可反映特定時(shí)期的土地利用程度，另一方面研究期內(nèi)該指數(shù)的變化可反映區(qū)域土地利用程度的變化。

本文計(jì)算出2000、2010、2020年的土地利用程度綜合指數(shù)，并對(duì)其展開分析工作。

2)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣[12]一方面可反映研究期初以及期末各地類面積之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，另一方面可描述各地類在某一時(shí)間段的變化特征。

本文生成2000—2010年、2010—2020年兩個(gè)時(shí)段的連云港海岸帶的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，并對(duì)其進(jìn)行變遷分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)精度評(píng)定

已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用此數(shù)據(jù)分別對(duì)拉各斯、墨西哥、青藏高原、哈密市、緬甸等地區(qū)開展了土地利用變化的相關(guān)研究，表明該數(shù)據(jù)可用于土地利用變化分析[13-14]。為明確其在本文研究區(qū)的適用性，以2000、2010、2020年的Landsat影像為數(shù)據(jù)源，從影像中隨機(jī)選取樣本區(qū)(共7個(gè)地類，每個(gè)地類選取30個(gè)樣本，總計(jì)210個(gè)樣本區(qū))，采用混淆矩陣法對(duì)本數(shù)據(jù)在研究區(qū)范圍內(nèi)的精度進(jìn)行評(píng)定，評(píng)定結(jié)果如表2所示。從表2可見，2000、2010、2020年土地覆蓋數(shù)據(jù)在研究區(qū)的總體精度均高于80%[15]，Kappa系數(shù)均介于0.6～0.8[16]，分類結(jié)果較好，滿足本文海岸線土地利用變化研究對(duì)數(shù)據(jù)精度的要求，可作為本文的可靠研究數(shù)據(jù)。

表2 GlobeLand 30研究區(qū)精度評(píng)定表

3.2 岸線變遷分析

1)岸線長(zhǎng)度變化分析。根據(jù)相關(guān)的解譯知識(shí)，對(duì)1984—2018年共8個(gè)時(shí)期的海岸線信息進(jìn)行人工解譯提取，并將其分為人工岸線及自然岸線。

海岸線長(zhǎng)度變化由圖1所示，8期岸線的總長(zhǎng)度分別為201.337 km、199.27 km、175.912 km、171.264 km、167.366 km、166.979 km、167.545 km、165.296 km。

1984—2018年間連云港岸線總長(zhǎng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中2008—2013年岸線長(zhǎng)度變化最明顯。1984—1999年間岸線相對(duì)穩(wěn)定，增長(zhǎng)幅度為1.25%，平均每年增長(zhǎng)速率為0.14 km/a；1999—2008年間岸線長(zhǎng)度增長(zhǎng)速度逐漸加快，共增長(zhǎng)8.546 km，增長(zhǎng)幅度為5.04%，平均年增長(zhǎng)率為0.95 km/a；2008—2013年間岸線長(zhǎng)度增長(zhǎng)最為猛烈，從2008年的175.912 km增長(zhǎng)至2013年的199.27 km，共計(jì)增長(zhǎng)23.358 km，增長(zhǎng)幅度為13.28%，平均年增長(zhǎng)率為4.67 km/a；2013—2018年間岸線長(zhǎng)度增長(zhǎng)幅度減緩，該時(shí)段內(nèi)岸線長(zhǎng)度共計(jì)增長(zhǎng)2.067 km，增長(zhǎng)幅度為1.04%，平均年增長(zhǎng)率為0.41 km/a。

人工岸線整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而自然岸線則相反。從1984年二者長(zhǎng)度分別為76.061 km、89.225 km發(fā)展至2018年，二者長(zhǎng)度分別變化為61.256 km、140.081 km。由此可見，自然岸線減少了14.815 km，縮減幅度為19.48%，年平均縮減率為0.41 km/a；人工岸線共計(jì)增長(zhǎng)了50.856 km，增長(zhǎng)幅度為56.67%。由此可知，2018年人工岸線長(zhǎng)度大致為1984年的1.5倍。

2)岸線分形維數(shù)變化分析。除了對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行分析之外，為了進(jìn)一步了解連云港海岸線的分形特征，對(duì)所提取的8期海岸線進(jìn)行擬合，得到其分形維數(shù)，如圖2所示。

1984—1989年，整體海岸線分形維數(shù)有所增大，這表示在該時(shí)間段內(nèi)，海岸線的整體復(fù)雜度和曲折度都有所增加。1989—1999年，岸線分形維數(shù)先減小后增大，表示該研究期間的復(fù)雜度和曲折度都呈現(xiàn)出先減小再增加的趨勢(shì)。2003年，分形維數(shù)再次減小，降至1.063 3，表明該時(shí)期的岸線較1999年及2008年更為平滑；2003年后分形維數(shù)逐漸增加，直至2018年，分形維數(shù)增加至1.079 1?？傮w來說，由于改革開放的高速推進(jìn)，使得沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、人口快速膨脹，現(xiàn)有的陸地資源對(duì)于沿海城市來說已經(jīng)供不應(yīng)求。因此，人類逐漸加大對(duì)沿海灘涂開發(fā)利用，導(dǎo)致人工岸線增加，分形維數(shù)逐漸增大。

3.3 海岸線與土地利用變化關(guān)系分析

1)土地利用變化分析。對(duì)GlobeLand 30數(shù)據(jù)使用GDAL-Warp進(jìn)行裁剪，得到2000—2020年連云港海岸帶土地利用數(shù)據(jù)，并根據(jù)此數(shù)據(jù)繪制各土地利用類型占比示意圖(圖3)。連云港耕地、水體、海域等在早期占地面積較大，2000—2010年耕地分布在研究區(qū)北部，至2020年耕地面積高達(dá)41.75%；水體在2000—2010年間占比較大，期間由于對(duì)水體的利用使得水體占比由2000年的28%銳減至2020年的1.54%；人造地表占地面積呈逐步增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中2010—2020年期間增長(zhǎng)迅猛；海域在2000—2020年間始終占比最大，但由于人類對(duì)海岸進(jìn)行人工圍墾，導(dǎo)致海域也呈減少的趨勢(shì)；森林資源在2000—2020期間變化微??；草地占地面積較小，且由于農(nóng)業(yè)發(fā)展導(dǎo)致其面積持續(xù)減小，至2020年減小量約為2000年草地面積的65%；濕地面積總體呈增加趨勢(shì)，共增加了40.65 km2。

上述面積增加的土地利用類型都是人工參與程度較高的土地利用類型(如耕地、人造地表)。結(jié)合實(shí)際土地利用類型圖的變化可知，人類的參與導(dǎo)致水體及海域面積的縮減、耕地及人造地表面積的增加，進(jìn)而導(dǎo)致同期岸線增長(zhǎng)，但由于土地利用變化程度相對(duì)較弱，導(dǎo)致岸線增長(zhǎng)速度也較為緩慢。

2)土地利用程度分析。采用土地利用綜合指數(shù)模型對(duì)連云港海岸帶2000、2010、2020年3個(gè)時(shí)期的土地利用程度綜合指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分別為235.62、241.48、278.32，土地利用程度綜合指數(shù)整體較高。相鄰時(shí)段間土地利用強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度分別為2.48%、15.26%，其中2010—2020年增速最高，說明2010—2020年土地利用程度變化最大。

3)土地利用轉(zhuǎn)移分析。由于研究期為2000、2010、2020年，因此可將土地利用轉(zhuǎn)移劃分為2000—2010年及2010—2020年兩個(gè)階段，基于ArcGIS對(duì)以上兩個(gè)階段的土地利用類型數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析，并對(duì)轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行制圖以更加直觀地表示出各個(gè)地類間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣如表3所示，轉(zhuǎn)移面積最大的是耕地、水體、人造地表，草地、海域、森林、濕地轉(zhuǎn)移面積相對(duì)較小。草地主要轉(zhuǎn)移為人造地表、水體，且轉(zhuǎn)移主要發(fā)生在連云區(qū)，轉(zhuǎn)移面積為12.56 km2，轉(zhuǎn)移比例為36.80%。耕地主要轉(zhuǎn)移為人造地表、水體、濕地，轉(zhuǎn)移面積為73.13 km2，轉(zhuǎn)移比例為15.50%。海域轉(zhuǎn)移量較小，主要轉(zhuǎn)移為水體，轉(zhuǎn)移面積為4.10 km2，轉(zhuǎn)移比例為0.71%。人造地表主要轉(zhuǎn)移為草地、耕地、水體，轉(zhuǎn)移面積為51.69 km2，轉(zhuǎn)移比例為42.43%。森林主要轉(zhuǎn)移為草地，轉(zhuǎn)移面積為4.61 km2，轉(zhuǎn)移比例為10.17%。水體主要轉(zhuǎn)移為耕地、海域、濕地，轉(zhuǎn)移面積為56.13 km2，轉(zhuǎn)移比例為12.04%。濕地主要轉(zhuǎn)移為海域，轉(zhuǎn)移面積為6.34 km2，轉(zhuǎn)移比例為80.51%。

2010—2020年轉(zhuǎn)移如表4所示，轉(zhuǎn)移面積最大的是耕地、人造地表、濕地，草地、海域、森林、水體轉(zhuǎn)移面積較小。草地主要轉(zhuǎn)移為森林，轉(zhuǎn)移面積為5 km2，總轉(zhuǎn)移比例為30.22%。耕地主要轉(zhuǎn)移為水體，轉(zhuǎn)移面積為365.78 km2，轉(zhuǎn)移比例為50.70%。海域轉(zhuǎn)移量較小，主要轉(zhuǎn)移為水體，轉(zhuǎn)移面積為1.97 km2，轉(zhuǎn)移比例為0.36%。人造地表主要轉(zhuǎn)移為草地、耕地、水體，轉(zhuǎn)移面積為198.60 km2，轉(zhuǎn)移比例為62.88%。森林主要轉(zhuǎn)移為草地、耕地，轉(zhuǎn)移面積為6.45 km2，轉(zhuǎn)移比例為14.53%。水體主要轉(zhuǎn)移為耕地、人造地表，轉(zhuǎn)移面積為7.86 km2，轉(zhuǎn)移比例為29.79%。濕地主要轉(zhuǎn)移為耕地、海域，轉(zhuǎn)移面積為53.45 km2，轉(zhuǎn)移比例為96.38%。

表3 2000—2010年連云港市海岸帶土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4 2010—2020年連云港市海岸帶土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)1984—2018年間影像質(zhì)量較好的30 m空間分辨率的Landsat 5、7和8影像數(shù)據(jù)及GlobeLand 30數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，將典型的沿海城市——連云港市，作為研究區(qū)，通過解譯的海岸線時(shí)空數(shù)據(jù)，從不同角度分析了海岸線、土地利用的變化，得出以下結(jié)論。

1)1984—2018年間連云港海岸線總長(zhǎng)度及人工岸線長(zhǎng)度都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而自然岸線則呈縮減趨勢(shì)，海岸線分形維數(shù)增加，整體復(fù)雜度和曲折度都有所增加。

2)2000—2010年間草地、水體、海域面積大幅下降，耕地、人造地表面積都有明顯的增加，同時(shí)段(1999—2008年)岸線增長(zhǎng)速度逐漸加快，土地利用程度增長(zhǎng)較緩。

3)2010—2020年間水體、草地面積大幅下降，耕地、人造地表的面積增加較為明顯，同期(2008—2018年)海岸線長(zhǎng)度總體呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，土地利用程度變化較快。

4)總體上，2010—2020年的土地利用程度變化率為2000—2010年的2倍，2010—2020年發(fā)生土地利用類型轉(zhuǎn)移的面積為2000—2010年的4.5倍，2008—2018年岸線增長(zhǎng)速率為1999—2008年的2.5倍。