基于遙感影像的南通市海岸帶變遷分析

周建波張?jiān)茲?飛

(1.靖江市國(guó)土資源局,江蘇 靖江214500;2.江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院,江蘇 南京211102)

0 引 言

近年來(lái),隨著沿海地區(qū)環(huán)境變化和人類活動(dòng)的影響,海岸帶變遷劇烈。海岸線是陸地和海洋的分界線。中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)海圖圖示》(GB/T 5791-93)給自然海岸線的定義是“研究區(qū)多年平均大潮高潮時(shí)水路分界的痕跡線”[1]。海岸線具有獨(dú)特的地理形態(tài),是海岸帶最直接的表現(xiàn)形式。研究海岸線的動(dòng)態(tài)變化特征,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、高效的海岸線動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè),對(duì)沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海洋資源的可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義?；谶b感影像,海岸帶進(jìn)行變遷研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有許多成功先例。孫曉宇等[2]以中國(guó)渤海灣為研究區(qū)域,通過(guò)統(tǒng)計(jì)渤海灣海岸線長(zhǎng)度變化、空間面積變化等,分析了研究區(qū)海岸帶的時(shí)空變遷特征,該方法彌補(bǔ)了海岸帶變遷研究過(guò)程中的時(shí)效性差、時(shí)間分辨率低的缺陷。海岸帶變遷特征的分析方法,已經(jīng)從最簡(jiǎn)單的平均速率、端點(diǎn)速率發(fā)展成為較為復(fù)雜的線性回歸分析以及空間變化的模型分析等。

本文基于GIS、RS技術(shù),利用人工目視解譯和計(jì)算機(jī)自動(dòng)解譯相結(jié)合的方法提取了南通市1986-2016年的6期海岸線,對(duì)南通市海岸帶變遷進(jìn)行了分析研究。

1 研究區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

南通市地處北緯31°01'—32°43'、東經(jīng)120°12'—121°55'之間,位于江蘇省東南部,長(zhǎng)江三角洲入?？诘谋辈?擁有226km的海岸線,海岸線北起鹽城與南通交界的20號(hào)界碑處,南至啟東市的連興港。南通市沿岸分布著大量的灘涂資源,潮上帶灘涂面積39.666 7 km2,潮間帶面積1 342 km2。大量的灘涂不但提供了大量的土地資源,而且?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,南通市也被譽(yù)為是“黃金海岸”(圖1)。

圖1 研究區(qū)域圖

1.2 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)處理

本文以空間分辨率為30 m的Landsat TM、ETM+和空間分辨率為15 m的Landsat OLI共6個(gè)時(shí)期12景的南通市衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源,以2016年拍攝的空間分辨率為2.5 m的1景ALOS江蘇省衛(wèi)星遙感影像作為校正影像的基準(zhǔn)影像;以南通市相關(guān)的各類地理信息數(shù)據(jù)作為參考資料。遙感衛(wèi)星在采集地面數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)受到傳感器自身誤差、衛(wèi)星姿態(tài)、飛行高度、氣球曲率、大氣輻射等因素的影響,這些誤差很大程度上降低了數(shù)據(jù)質(zhì)量,影響了分析地物信息的精度[3]。需要對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理,消除在影像獲取過(guò)程中帶來(lái)的誤差影響,并通過(guò)鑲嵌與裁剪,得到完整的南通市海岸帶遙感影像。最終得到江蘇省南通市近30年6期海岸線疊加圖(圖2)。

圖2 南通市6期海岸線疊加圖

2 海岸帶變遷分析

2.1 海岸線長(zhǎng)度變化分析

根據(jù)江蘇省南通市1987-2016年6期海岸線,計(jì)算各時(shí)期海岸線總長(zhǎng)度(圖3)。1986-1996年海岸線長(zhǎng)度呈現(xiàn)縮減趨勢(shì)。2006—2016年,以江蘇南部為首的沿海地區(qū)迅速發(fā)展,海岸線累計(jì)增長(zhǎng)65.21 km,占2006年海岸線全長(zhǎng)的31.52%。

圖3 1986—2016年海岸線長(zhǎng)度變化折線圖

為了更加直觀地分析近30年南通市各類海岸線的變化幅度,本文采用任意時(shí)期內(nèi)不同類型的海岸線長(zhǎng)度的年均變化率來(lái)表示各類型海岸線的變化強(qiáng)度[4]:

式(1)中,LCI ij表示第i年到j(luò)年所選的海岸線長(zhǎng)度的變化強(qiáng)度;L i、L j分別表示第i年和第j年所選的海岸線的長(zhǎng)度。

根據(jù)式(1),計(jì)算得到南通市近30年不同類型海岸線長(zhǎng)度的變化強(qiáng)度(表1)。

表1 海岸線長(zhǎng)度變化強(qiáng)度/%

2.2 基于分形維數(shù)的海岸線變化分析

“分形維數(shù)”能夠度量復(fù)雜形體的不規(guī)則性,海岸線受到自然因素和人為因素等多種因素的影響。將南通市海岸線的分形維數(shù)作為海岸線變遷的分析依據(jù),具有重要意義。

分形維數(shù)的計(jì)算模型主要有量規(guī)法、網(wǎng)格法和隨機(jī)噪聲法等。本文基于ArcGIS平臺(tái),利用網(wǎng)格法計(jì)算海岸線的分形維數(shù)。網(wǎng)格法的基本原理是利用不同長(zhǎng)度的正方形網(wǎng)格連續(xù)并且不重復(fù)地去覆蓋被測(cè)量的海岸線,當(dāng)網(wǎng)格的長(zhǎng)度r取不同值時(shí),覆蓋整條海岸線所需要的網(wǎng)格數(shù)目N(r)則相應(yīng)會(huì)出現(xiàn)不同的變化[6]。理論公式如下:

對(duì)式(2)兩邊同時(shí)進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算,得到:

式(3)中,D表示分形維數(shù),C是常數(shù)。通過(guò)計(jì)算一系列的r值和相對(duì)應(yīng)的N(r)值,通過(guò)擬合,就可以求得分形維數(shù)D。分形維數(shù)D越大,則表示所分析的岸線曲折度和復(fù)雜程度越大。本文所使用的遙感影像空間分辨率為30 m,網(wǎng)格的長(zhǎng)度r取值則為30的倍數(shù),取30 m、60 m、90 m、120 m、150 m、180 m、210 m、240 m、270 m 和300 m作為網(wǎng)格的長(zhǎng)度,通過(guò)建立以上10個(gè)網(wǎng)格長(zhǎng)度指標(biāo)的格網(wǎng),覆蓋需要分析的海岸線,并統(tǒng)計(jì)覆蓋整條海岸線所需要的網(wǎng)格數(shù)目N(r)。最后根據(jù)式(2)利用最小二乘的方法進(jìn)行擬合和回歸分析,便可得到所分析海岸線的分形維數(shù)(表2)。

表2 各時(shí)期海岸線分形維數(shù)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)網(wǎng)格長(zhǎng)度r與網(wǎng)格數(shù)目N(r)進(jìn)行線性擬合,計(jì)算得到擬合系數(shù)R2均為0.999 9,表明分形維數(shù)質(zhì)量可靠,數(shù)值精確可以使用。許寧等[7]計(jì)算了1980—2015年中國(guó)大陸海岸線的分形維數(shù),其中,1980年江蘇省海岸線的分形維數(shù)為1.009 2,海岸線的分形維數(shù)逐年增大。本文使用網(wǎng)格法計(jì)算的分形維數(shù)顯示,1986年分形維數(shù)為1.014 1,此后逐年呈現(xiàn)增大趨勢(shì),到2016年,分形維數(shù)為1.037 2,符合許寧等的研究成果。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要基于GIS和RS技術(shù),利用ArcGIS和ENVI遙感數(shù)據(jù)處理平臺(tái),提取了1986-2016年6個(gè)時(shí)期的南通市海岸線。從各時(shí)期海岸線的類型分布、長(zhǎng)度變化、空間變遷及分形維數(shù)多個(gè)角度進(jìn)行了分析研究,主要結(jié)論如下。

(1)1986—2016年間,南通市海岸帶面積主要以向海擴(kuò)張為主,累計(jì)擴(kuò)張面積約為637.237 7 km2,擴(kuò)張速率21.243 km2/a。南通市岸線類型轉(zhuǎn)化情況比較劇烈,主要是淤泥質(zhì)岸線減少,人工岸線增加,各類型岸線變遷主要是從自然岸線向人工岸線轉(zhuǎn)化。

(2)南通市海岸線的分形維數(shù)基本呈增長(zhǎng)趨勢(shì),人類的海岸開發(fā)是導(dǎo)致海岸線分形維數(shù)劇烈波動(dòng)的主要原因。

(3)南通市海岸帶受到自然因素和人為因素雙重作用的影響,基于分析結(jié)果,人類的近?；顒?dòng)是造成南通市海岸帶變遷的最主要的驅(qū)動(dòng)因素。