基于遙感的2001—2021 年浙江省大陸海岸線變化分析

鄭凱旋，王 鵬，過建富，盧曉燕，肖 華，吳潔璇，岳羲和，劉秀娟

（1.浙江省海洋科學(xué)院，浙江杭州 310012；2.自然資源部海洋空間資源管理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310012；3.臨朐縣檢驗(yàn)檢測中心，山東濰坊 262619）

海岸線是海洋與陸地的分界線，定義為平均大潮高潮時(shí)的海陸分界線[1]。海岸線的變化會(huì)直接影響灣區(qū)形態(tài)及濱海濕地格局，同時(shí)因?yàn)槿说仃P(guān)系緊張進(jìn)行的圍填?；顒?dòng)造成海岸線中自然岸線的比例下降，灘涂面積減少、近岸水域水質(zhì)下降、生態(tài)系統(tǒng)受損等問題，使濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[2]。隨著我國對生態(tài)環(huán)境的重視，海岸線的穩(wěn)定性成為海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要指標(biāo)。海岸線空間范圍廣，變化不規(guī)律等因素使得傳統(tǒng)地面調(diào)查費(fèi)時(shí)、費(fèi)力；遙感數(shù)據(jù)以其空間覆蓋廣、更新及時(shí)且成本較低的優(yōu)勢，在海岸線提取研究中發(fā)揮著重要作用[3-4]。國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)岸線種類不同，基于遙感影像開發(fā)了多種海岸線提取方法；王常穎等[5]提出的決策樹與密度聚類方法較為適用于人工類型岸線；SAGAR,et al[6]結(jié)合歸一化水體指數(shù)與潮汐模型的方法較為適用于基巖類海岸線；對于淤泥質(zhì)海岸，DELLEPIANE,et al[7]在傳統(tǒng)邊緣檢測算法的基礎(chǔ)上，考慮數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)變換，利用沿海地區(qū)的紋理特征信息進(jìn)行海岸線的提?。粋鹘y(tǒng)的人工目視解譯法在不同的海岸線類型中都有較好的適用性，能夠合理真實(shí)的反映海岸線實(shí)際情況[8]。

本文基于2001、2006、2011、2016、2021 年Landsat 影像，運(yùn)用RS 及GIS 等相關(guān)技術(shù)，對浙江省大陸海岸線變化進(jìn)行分析；從灣區(qū)視角出發(fā)，分析灣區(qū)海岸線變化與整體海岸線變化的關(guān)系。希望能對浙江省海岸帶管理給予相關(guān)數(shù)據(jù)支持，為建設(shè)海洋強(qiáng)省、美好濱海城市提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)為浙江省大陸沿海城市：嘉興、寧波、臺州、溫州，如圖1 所示。浙江省位于中國東南沿海，界于118°01'～123°10'E，27°02'～31°11'N 之間，海岸線崎嶇，沿線分布著杭州灣、象山港、三門灣、臺州灣、樂清灣、甌江口等六大灣區(qū)。省內(nèi)人多地少，素有“七山一水二分田”的說法，根據(jù)近年《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)[9]，浙江省常住人口平均密度是全國的3.8 倍，人均耕地僅為全國人均水平的35%。浙江省為緩解緊張的人地供求關(guān)系，只能向海洋拓展生存發(fā)展空間，目前省內(nèi)沿海地區(qū)已設(shè)立多個(gè)沿海工業(yè)區(qū)，灣區(qū)利用程度較高。2021 年6月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于支持浙江高質(zhì)量發(fā)展建設(shè)共同富裕示范區(qū)的意見》，浙江成為全國推動(dòng)共同富裕省域范例，是新時(shí)代全面展示中國特色社會(huì)主義制度優(yōu)越性的重要窗口；而其沿海城市較其他城市的經(jīng)濟(jì)更為發(fā)達(dá)，2020 年寧波市、溫州市、嘉興市、臺州市GDP 在浙江省12 個(gè)地級市中分別位列第2、3、5、6 位。

圖1 研究區(qū)及影像范圍圖Fig.1 Study area and image scope

1.2 數(shù)據(jù)源

在USGS 官方網(wǎng)站（https://earthexplorer.usgs.gov/）下載質(zhì)量較優(yōu)的landsat5 及l(fā)andsat8 遙感影像L2 級產(chǎn)品共15 幅，影像空間分辨率為30 m，其中2001、2006、2011、2016、2021 年各3 幅，L2 級產(chǎn)品已經(jīng)過官方輻射定標(biāo)及大氣校正[10]。下載后的影像經(jīng)過3、2、1 波段真彩色合成、圖像配準(zhǔn)及拼接，用于大陸海岸線提取。浙江沿海區(qū)域以半日潮為主[11]，通過中華人民共和國海事局查詢可知浙江大陸沿海區(qū)域海水高潮位大多位于北京時(shí)間09∶00-11∶00 左右，Landsat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在浙江沿海（條帶號：118）的過境時(shí)間為北京時(shí)間10∶00-11∶00，時(shí)間較為重合；同時(shí)浙江省海岸線多為基巖岸線，在岸線提取過程中，受潮汐影響較小，有利于海岸線的提取。非遙感數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)、中國統(tǒng)計(jì)年鑒中土地利用相關(guān)數(shù)據(jù)、官方發(fā)布的用海公示等數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 海岸線提取

遙感影像經(jīng)過處理后，依據(jù)影像的形狀、顏色、位置等特征，結(jié)合研究區(qū)相關(guān)輔助資料，確定海岸線位置。采用目視解譯的方法在Arcgis 中基于不同年份的影像，以公開發(fā)布的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)及用海數(shù)據(jù)作為參考，分別獲取寧波、溫州、嘉興和臺州的大陸海岸線。由于海岸線存在基巖、淤泥質(zhì)等不同種類，對于不同類別的岸線，采取不同的判別標(biāo)準(zhǔn)。基巖或者堤壩等人工岸線，接以水陸分界線作為海岸線；淤泥質(zhì)或者生物海岸岸線則以水陸兩側(cè)的植被生長茂盛差異性作為提取依據(jù)；砂質(zhì)岸線提取則參考灘脊邊界以及砂石含水量差異引起的影像顏色差異；河口岸線提取則參考河口處為保證岸線連續(xù)而人為確定位置[12-13]，如圖2 所示。

圖2 岸線提取示意圖Fig.2 Coastline extraction diagram

2.2 分形維數(shù)

在目前已有研究中，通常使用網(wǎng)格法計(jì)算分形維數(shù)來描述海岸線這種具有彎曲非規(guī)則幾何特征的參量[14-15]；分形維數(shù)反映了復(fù)雜形體占有空間的有效性，在海岸線研究中可以反映海岸線的崎嶇程度。具體思路為分別使用不同步長的網(wǎng)格覆蓋海岸帶數(shù)據(jù)，隨著網(wǎng)格長度r 變化，覆蓋岸線的網(wǎng)格N（r）數(shù)目隨之發(fā)生變化，由分形維數(shù)理論可以得到：

對式（1）兩邊同時(shí)取對數(shù)可以得到：

式中：D 為目標(biāo)參量的分形維數(shù)；A 為常量。

3 結(jié)果與分析

3.1 海岸線提取

通過2.1 方法，對浙江省大陸海岸線進(jìn)行了提?。粸榉奖憷斫?，圖3a 展示了2001 及2021 年浙江省大陸岸線，圖中虛線為2001 年海岸線位置，實(shí)線為2021 年海岸線位置；圖3b 表示了2001 年和2021 年岸線的差異區(qū)塊。由圖可以看出，近20 年岸線整體在向海洋側(cè)延伸，雖然小部分區(qū)域海岸線向大陸縮減，但幾乎可以忽略不計(jì)，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)浙江省六大灣區(qū)是海岸線變化最為明顯的區(qū)域。

圖3 浙江省大陸海岸線分布及變化圖Fig.3 Distribution and change of coastline in Zhejiang province

圖4 從城市尺度展示了沿海四市2001、2006、2011、2016、2021 年每隔5 年的海岸線變化情況，更加清晰地表現(xiàn)了海岸線的變化過程。

圖4 浙江省大陸沿海四市海岸線分布及變化圖Fig.4 Distribution and change of coastline in four cities of Zhejiang province

對浙江省及各市的海岸線長度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1 所示。浙江省大陸海岸線長度由2001 年的2 014.654 km 增長到2021 年的2 032.480 km，主要增長時(shí)間段在2016 年至2021 年，主要增長地區(qū)在寧波市和溫州市，寧波市和溫州市對應(yīng)的海岸線變化區(qū)域分別為三門灣和樂清灣（圖4）。

表1 各市海岸線長度統(tǒng)計(jì)（km）Tab.1 Shoreline length statistics（km）

如圖4 所示：嘉興、臺州沿海全線變化程度都比較高，寧波海岸線變化主要集中在北部和南部，溫州海岸線變化主要集中在中部；而這些地區(qū)分別對應(yīng)浙江省各個(gè)灣區(qū)，嘉興、臺州沿海全線對應(yīng)灣區(qū)為杭州灣、三門灣、臺州灣、樂清灣；寧波北部和南部分別對應(yīng)杭州灣、三門灣，中部對應(yīng)的象山港變化較??；溫州中部對應(yīng)甌江口。嘉興市大陸海岸線長度從2001 年起持續(xù)減少，20 年間減少近11 km，可以發(fā)現(xiàn)嘉興市海岸線不斷向海一側(cè)延伸的同時(shí)，海岸線變得逐漸平整，進(jìn)而減少了海岸線長度。臺州市大陸海岸線長度20 年間有增有減，主要受臺州灣的變化影響。

為了更加清楚地表現(xiàn)灣區(qū)海岸線變化在研究區(qū)內(nèi)的占比，圖5 展示了浙江省六大灣區(qū)的海岸線歷年變化情況，由圖可以發(fā)現(xiàn)除象山港外，其余五大灣區(qū)歷年海岸線變化都比較頻繁，其中三門灣與樂清灣海岸線都大幅度的向海一側(cè)延伸，填海造陸面積較大，灣內(nèi)面積逐漸縮少，同時(shí)與嘉興市不同，三門灣和樂清灣新增陸地岸線崎嶇，極大地增加了海岸線的破碎度及長度。

圖5 浙江省6 大灣區(qū)歷年海岸線變化Fig.5 The coastline variation of six bay areas in Zhejiang province over the years

表2 統(tǒng)計(jì)了2001—2021 年間各市填海造地面積及岸線變化在灣區(qū)內(nèi)的分布情況。填海造地面積、岸線變化長度由大到小依次皆為寧波市、臺州市、溫州市、嘉興市。其中嘉興市新增填海區(qū)域、海岸線變化區(qū)域全部位于灣區(qū)內(nèi)；寧波市有95.49%的新增填海區(qū)域、93.25%的岸線變化區(qū)域位于灣區(qū)內(nèi)；臺州市有73.67%的新增填海區(qū)域、76.41%的海岸線變化區(qū)域位于灣區(qū)內(nèi)；溫州市有99.79%的新增填海區(qū)域、99.99%的海岸線變化區(qū)域位于灣區(qū)內(nèi)；4 市合計(jì)新增填海區(qū)域位于六大灣區(qū)內(nèi)的比例為90.42%、海岸線變化區(qū)域位于六大灣區(qū)內(nèi)的比例為89.27%；可以發(fā)現(xiàn)灣區(qū)海岸線的變化是浙江省大陸岸線變化的主要原因。這些灣區(qū)地勢平坦，作為入?？诮柚恿魅牒Ａ魉俳档?，以及攜帶大量泥沙等天然優(yōu)勢，易于填海造陸，且形成陸地后土地肥沃，可開墾為優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)用地[16]，能夠極大的緩解人地緊張關(guān)系，故人為開發(fā)程度較高；同時(shí)也有部分區(qū)域20 年間海岸線變遷較小，如溫州南部，此處山區(qū)較多，多為基巖岸線，開發(fā)難度較大，且人地供求關(guān)系相對緩和，故岸線變遷較小。

表2 2001—2021 年各市填海造陸面積及大陸海岸線變化統(tǒng)計(jì)（hm·2km-1）Tab.2 Statistics on reclaimed land area and shoreline change in 2001-2021（hm·2km-1）

3.2 海岸線分形維數(shù)

本文通過構(gòu)建格網(wǎng)，計(jì)算海岸線的分形維數(shù)定量表達(dá)海岸線的崎嶇度變化，考慮到影像數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，此處網(wǎng)格步長按照影像分辨率整倍數(shù)設(shè)置，分別為90、180、300、600 和900 m。按照式（2），分別對全省及沿海四市海岸線的進(jìn)行逐年分形維數(shù)擬合，獲取了各地區(qū)歷年分形維數(shù)的擬合函數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 分形維數(shù)擬合圖Fig.6 Fractal dimension fitting diagram

表3 依據(jù)擬合結(jié)果統(tǒng)計(jì)了2001、2006、2011、2016、2021 年全省及沿海四市的分形維數(shù)，分形維數(shù)越高，說明海岸線越崎嶇；可以發(fā)現(xiàn)2001—2021 年各市分形維數(shù)都有明顯變化，但是全省分形維數(shù)從高到低依次皆為：臺州、溫州、寧波、嘉興；整體順序未發(fā)生變化，說明20 a 來沿海各市海岸線的空間崎嶇度順序未發(fā)生改變；海岸線崎嶇性由高到低依次為臺州、溫州、寧波、嘉興。但是除嘉興外，其他三市在2016—2021 年海岸線分形維數(shù)都有所提升，與各大灣區(qū)海岸線變化程度有很好的對應(yīng)關(guān)系；而對應(yīng)圖4 可以明顯地發(fā)現(xiàn)嘉興市填海造陸活動(dòng)使得海岸線變得平整，分形維數(shù)也有所降低；同時(shí)多數(shù)城市的分形維數(shù)上升，導(dǎo)致全省的分形維數(shù)也上升。

表3 各市分形維數(shù)Tab.3 Fractal dimension

4 結(jié)論

本文基于Landsat 影像及GIS 技術(shù)提取了浙江省2001、2006、2011、2016、2021 年的大陸岸線，計(jì)算了浙江省大陸沿海四市不同年份的海岸線長度，基于網(wǎng)格法計(jì)算分形維數(shù)，分析了各市岸線變遷的情況，得到的主要結(jié)論如下：

（1）從2001—2021 年，浙江省大陸岸線新增了17.627 km，其中寧波、溫州分別增加了15.721、25.928 km；嘉興減少了10.362 km；臺州減少了13.459 km；

（2）浙江省岸線變化主要受各大灣區(qū)影響。其中嘉興市岸線變化主要受杭州灣影響；寧波市岸線變化主要受杭州灣、三門灣影響；臺州市岸線變化主要受臺州灣影響；溫州市岸線變化主要受甌江口影響。嘉興市大陸岸線分形維數(shù)逐漸遞減，岸線崎嶇度逐年降低；寧波、溫州、臺州在2016—2021 年岸線崎嶇度增加。

（3）浙江省杭州灣、三門灣、臺州灣、樂清灣、甌江口歷年岸線變化程度較高，象山港岸線變化較小。