涂曄昕，沈玉蓮，盧藝，，鄔國鋒，費(fèi)騰

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 武漢 430079；2.深圳大學(xué)海岸帶地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518060；3.深圳大學(xué)空間信息智能感知與服務(wù)深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518060；4.深圳大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 深圳 518060)

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使用多源遙感影像監(jiān)測深圳市海岸線變遷

涂曄昕1，沈玉蓮1，盧藝1，2，3，4，鄔國鋒2，3，4，費(fèi)騰1

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 武漢 430079；2.深圳大學(xué)海岸帶地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518060；3.深圳大學(xué)空間信息智能感知與服務(wù)深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518060；4.深圳大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 深圳 518060)

海岸線是陸地與海洋的分界線，一般指海潮時(shí)高潮所到達(dá)的界線。文章以深圳市為例，以1988—2015年的多景Landsat和SPOT影像為數(shù)據(jù)源，分類提取5個(gè)時(shí)相的深圳市海岸線，利用遙感和地理信息系統(tǒng)手段，系統(tǒng)分析岸線類型、長度、位置變化特征，并用實(shí)測數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。結(jié)果表明，通過多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)可以快速、準(zhǔn)確、客觀地提取不同類型海岸線的空間和類型信息，從而構(gòu)建科學(xué)、準(zhǔn)確、響應(yīng)快速的監(jiān)測體系。

海岸線；遙感監(jiān)測；海域管理

1 引言

海岸帶是地球上巖石圈、水圈、氣圈和生物圈相互作用、相互影響的場所，是海洋和陸地相互作用的地帶[1]。海岸帶自然條件復(fù)雜多變，又是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域，集中了70%的大中城市、創(chuàng)造了約60%的GDP[2]。海岸線不僅標(biāo)志沿海地區(qū)的水陸分界線，而且其變化直接影響海岸帶環(huán)境，進(jìn)而影響沿海人民的生存發(fā)展[3-4]。因此，對海岸線的監(jiān)測必須具有時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

常規(guī)的測繪技術(shù)是獲取海岸線調(diào)查信息的重要手段，但存在時(shí)間和空間尺度的局限性，即對海岸線的相關(guān)調(diào)查只針對某一時(shí)間對當(dāng)前岸線參數(shù)的實(shí)測值，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、成本較高；遙感影像具有大范圍、實(shí)時(shí)同步、全天時(shí)、全天候、多波段成像等突出優(yōu)勢，可以快速實(shí)時(shí)監(jiān)測海岸帶多種環(huán)境參量的時(shí)空變異規(guī)律。目前利用遙感手段對海岸線變化進(jìn)行研究的已有不少，但尚未形成完善的海岸線監(jiān)測體系，缺少對海岸線位置、長度、類型，時(shí)空變化規(guī)律的宏觀研究。Manoj提出用歸一化水體指數(shù)可以很好地確定岸線位置[5]，但沒有對岸線長度、岸線類型進(jìn)行分析；徐進(jìn)勇等研究渤海地區(qū)2000—2012年岸線時(shí)空和分形維數(shù)變化特征[6]，李猷等提取深圳市1978—2005年岸線分析其時(shí)空演替特征[7]，但都缺少對岸線類型的劃分；Choung嘗試用不同閾值提取不同類型岸線[8]，但缺少對岸線整體長度、形態(tài)變化的統(tǒng)計(jì)。

本研究根據(jù)海岸線的多源多時(shí)相影像特征和空間特征，與多種非遙感信息資料，如海岸帶高程數(shù)據(jù)、驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)等相結(jié)合，運(yùn)用生物地學(xué)等相關(guān)規(guī)律，采用對照分析方法，完成海岸線長度、位置、類型提取，同時(shí)對岸線變遷的原因進(jìn)行解釋分析，構(gòu)建基于多源遙感的深圳市海岸帶岸線變化監(jiān)測體系。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

深圳市(113°46′E—114°37′E、22°27′N—22°52′N)位于廣東省中部沿海，東臨大亞灣、大鵬灣，西瀕珠江口、伶仃洋，北與東莞交界，南與香港特別行政區(qū)的海、陸相連。由于其海岸線被九龍半島分隔為東、西兩部分，在后續(xù)的海岸線提取中將分東、西部岸線分別提取。西海岸鄰近珠江口，岸線較為平直，地面起伏平緩，屬平原海岸類型[9-10]；東海岸由海水淹沒海岸山丘谷地而形成，山地直接臨海，岸線曲折[11-12]。

2.2 多源多時(shí)相數(shù)據(jù)

本研究使用的遙感影像包括深圳市海岸帶1988年和1996年的Landsat5 TM影像(30 m)、2005年和2011年的SPOT5影像(10 m)以及2015年的Landsat8 OLI影像(30 m)。

除此之外，用到的數(shù)據(jù)資料包括：深圳市行政區(qū)劃圖，用于裁剪出屬于深圳的影像；深圳市1∶10 000地形圖，作為影像校正的基準(zhǔn)圖件；30 m分辨率的海岸帶數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，用于海岸線地形修正和水邊線修正；影像獲取時(shí)的珠江口驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，用于對岸線進(jìn)行潮汐修正；2013年海岸線實(shí)測線劃圖；利用星站差分GPS接收機(jī)(差分改正源為多功能衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)MSAS，平面精度最低可達(dá)5 m、最高達(dá)到亞米級)采集30個(gè)海岸線類型較為復(fù)雜的實(shí)測點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和岸線類型信息，用于精度檢驗(yàn)。

3 研究方法

3.1 影像預(yù)處理

在ArcGIS和ENVI中進(jìn)行影像預(yù)處理，主要包括幾何校正、輻射校正、多元數(shù)據(jù)一體化表達(dá)和圖像增強(qiáng)，完成海岸線提取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作。

利用深圳市1∶10 000地形圖，首先，采用基于控制點(diǎn)(Ground Control Points，GCP)的二次多項(xiàng)式校正方式，對各期影像進(jìn)行幾何校正；然后用最鄰近點(diǎn)進(jìn)行灰度重采樣，直至將遙感影像與地形圖調(diào)配至完全吻合?？紤]到本研究影像中有大片海域和高密度植被，故采用暗目標(biāo)法[13]對影像進(jìn)行輻射校正，以消除大氣、太陽高度角、視角和地形等對地面光譜反射信號的影響。由于多源數(shù)據(jù)存在參考系多源的問題，即參考系不同，將所有影像轉(zhuǎn)化到同一投影坐標(biāo)系下(WGS_1984_Albers)，再進(jìn)行影像鑲嵌和裁剪研究區(qū)域。

3.2 構(gòu)建分類體系

根據(jù)海岸地貌類型組合特征和形態(tài)成因，同時(shí)參照《海岸帶調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[14]，將深圳市海岸線劃分為基巖岸線、砂礫質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線、生物岸線和人工岸線等5類(表1)。

表1 深圳市海岸線類型

海邊綠化程度較高的山體光譜反射率較低，表現(xiàn)為粗糙的斑塊狀，能夠區(qū)別于一般的巖石或裸地；巖石山體的面積較大、植被覆蓋較少，在圖像中能表現(xiàn)出明顯的凹凸感，有較明顯的山脈紋理特征。根據(jù)以上2種特征可以判別基巖岸線，基巖岸線的解譯標(biāo)志是海岬角以及直立陡崖與海水的結(jié)合處[15]。

（2）泥質(zhì)、灰質(zhì)含量較重的低電阻率油層。測井響應(yīng)特征表現(xiàn)為：自然電位負(fù)異常，異常幅度與純砂巖油層相比明顯減小。泥質(zhì)砂巖油層自然伽馬為中等值，微電極低值正差異或無差異；灰質(zhì)砂巖油層自然伽馬值小于純砂巖，微電極較高值鋸齒狀。三孔隙度曲線重合性較差，聲波時(shí)差變化范圍較大，為255～290μs／m，測井曲線間相關(guān)性相對較好，電阻率為1.1～3.0Ω·m。該類油層多分布在純上6砂組中，由于物性較差，多為產(chǎn)液量低的差油層。

砂礫質(zhì)岸線是砂粒在海浪作用下堆積形成的，在波浪無法作用的區(qū)域砂質(zhì)也就會消失，因此可以把砂質(zhì)海岸和陸地上非砂質(zhì)地物的分界線作為海岸線。由于潮汐作用的影響，沙灘有時(shí)會被海水部分或全部淹沒，當(dāng)海水退去時(shí)，被海水淹沒又露出的沙灘在圖像上亮度較低、未被海水淹沒的沙灘亮度較高，但海岸線是整個(gè)砂質(zhì)海岸與非砂質(zhì)地物的分界線。

粉砂淤泥質(zhì)海岸可分為兩種類型：一類是大部分已被開發(fā)的淤泥質(zhì)海岸，已建成蝦池、鹽田等養(yǎng)殖區(qū)，如與海水有明顯人工分界線，則以該分界線作為海岸線；另一類是保持自然狀態(tài)的淤泥質(zhì)海岸，由于未經(jīng)開發(fā)且面積較大，與海水的分界線在圖像上很清晰；但正因岸灘面積較大，在圖像上無法找到明顯的解譯標(biāo)志，需要依據(jù)海洋觀測站的驗(yàn)潮數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)深圳市當(dāng)?shù)仄骄统焙推骄叱钡某备?，然后利用DEM分析方法，計(jì)算出灘涂傾斜度[16]，才能得到海岸線在此類淤泥質(zhì)海岸的準(zhǔn)確位置。

沿海地區(qū)的生物類型主要是紅樹林，因此生物岸線主要指紅樹林海岸線。紅樹林隸屬高大喬木類，其邊界不隨潮汐而改變，因此將整個(gè)紅樹林最外圍樹木與海水交界的分界線作為紅樹林海岸線，在遙感影像上有明顯的植被特征——近紅外波段反射率高而紅波段反射率低的反差可以作為生物岸線解譯最明顯的標(biāo)志。

人工建筑在近紅外波段圖像上具有較高的光譜反射率，與圖像中的海水區(qū)分明顯，其海岸線位置即確定在人工建筑物邊緣。

3.3 岸線提取與校正

用非監(jiān)督分類方法對預(yù)處理后的海岸線進(jìn)行預(yù)分類，再以預(yù)分類結(jié)果為基礎(chǔ)，選取訓(xùn)練樣區(qū)運(yùn)用監(jiān)督分類方法進(jìn)行分類，對分類結(jié)果柵格矢量化，形成線狀數(shù)據(jù)。不同海岸線在遙感圖像中存在不同的色、行、位的差異，以此構(gòu)成可供識別的目標(biāo)地物特征，可以作為分析、解譯、識別遙感圖像的依據(jù)。根據(jù)目標(biāo)地物的色調(diào)、紋理、形狀和相關(guān)布局等特征，利用目視解譯法，對監(jiān)督分類的結(jié)果進(jìn)一步修正。

基巖海岸往往較為陡峭、高差較大，當(dāng)衛(wèi)星拍攝側(cè)視角比較大時(shí)，由于遮擋或陰影的原因容易產(chǎn)生拍攝遺漏區(qū)域，此外突出的巖石也會作為影像上的亮點(diǎn)干擾岸線提取。因此，將研究區(qū)海岸線切分成小塊，借助DEM分析方法可以將每段高程的等高線提取出來，再結(jié)合遙感影像對其位置進(jìn)行修正。在具有長期驗(yàn)潮資料支持的前提下，通過高程轉(zhuǎn)換將平均高潮位歸算至與DEM相同的高程基準(zhǔn)[16]。

海岸線除受地形影響外，還受海洋動力環(huán)境影響，直接以目視提取的方法從影像上獲得的岸線只是水邊線，而不是具有代表性的海岸線數(shù)據(jù)，需要基于潮汐數(shù)據(jù)建立反演模型，由提取的水邊線反演得到平均高潮線作為海岸線。由于基巖海岸和人工海岸受潮位影響較小，平均高潮線與水邊線基本一致，可以直接在遙感圖像上采用人工目視解譯方法獲??；而淤泥質(zhì)海岸和砂質(zhì)海岸的平均高潮線則需要將提取的水邊線通過模型運(yùn)算進(jìn)行反演得到，輔以遙感分析修正。獲得最終海岸線數(shù)據(jù)的總體流程如圖1所示。

圖1 岸線提取技術(shù)流程

3.4 精度評價(jià)

利用深圳市1∶10 000地形圖對各期影像進(jìn)行幾何校正后，根據(jù)影像特征選取控制影像(2011年)和待配準(zhǔn)影像(1988年、1996年、2005年、2015年)上的東、西部各20個(gè)局部特征不變的相同影像目標(biāo)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，檢驗(yàn)幾何校正精度。檢查點(diǎn)的選取遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：局部特征不變；特征明顯且銳利以便識別；不過分集中且盡量平均分布。最后通過計(jì)算匹配后影像中上述檢查點(diǎn)中的誤差來評估影像匹配精度。

檢測結(jié)果表明：深圳市海岸線不同歷史時(shí)期遙感影像經(jīng)過影像幾何配準(zhǔn)后，配準(zhǔn)精度均達(dá)到待配準(zhǔn)影像1個(gè)像元以內(nèi)(表2)。國家標(biāo)準(zhǔn)《1∶25 000，1∶50 000，1∶100 000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》中規(guī)定，對于1∶50 000制圖，地物點(diǎn)圖上點(diǎn)位中誤差在平原不應(yīng)大于圖上0.5 mm(即實(shí)地25 m)。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，使用2005年及之后的SPOT5和Landsat8遙感影像繪制的深圳市海岸線1∶50 000專題圖可以達(dá)到該精度要求；在高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)缺失的八九十年代，深圳市東部海岸線精度檢驗(yàn)的中誤差略大于25 m，但由于在當(dāng)時(shí)條件下不存在更精細(xì)的遙感影像，且深圳市東部海岸線滿足上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中“山地”的條件，中誤差標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)整為圖上0.75 mm(即實(shí)地37.5 m)，因此仍滿足規(guī)范要求。

使用高精度差分GPS(平面精度小于5m)記錄30個(gè)地面實(shí)測點(diǎn)的岸線類型，對岸線類型的劃分進(jìn)行檢驗(yàn)；使用深圳市國土委信息中心存檔的2013年海岸線調(diào)查數(shù)據(jù)作為SHP格式中的觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)，對岸線空間精度和類型劃分的精確度進(jìn)行再次檢驗(yàn)。岸線最大點(diǎn)誤差為23.2 m、平均岸線誤差為8.6 m，以1∶50 000計(jì)，相當(dāng)于圖上0.46 mm和0.17 mm，均優(yōu)于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；岸線判對率達(dá)到96%，相應(yīng)潮間帶類型判對率達(dá)到96%。

表2 幾何配準(zhǔn)檢查點(diǎn)中誤差

4 結(jié)果分析

4.1 海岸線長度變化

1988—2015年深圳市海岸線由228.4 km變?yōu)?46.1 km，增長17.7 km。其中，西部岸線增長14.2 km、東部岸線增長3.5 km，西部岸線長度變化相比東部更為顯著(表3)。

表3 1988—2015年深圳市海岸線長度變化 km

1988—2015年深圳全市海岸線不斷增長。其中1988—2005年西部海岸因大規(guī)模灘涂圍墾和填海造地，海岸線向海延伸且形態(tài)曲折，岸線增長明顯、達(dá)13.9 km；東部海岸在部分岸段填海造地，岸線增長2.1 km。2005-2015年岸線長度變化趨于平緩，其中西部海岸因深圳機(jī)場三期、大鏟灣港口等工程的實(shí)施建設(shè)，海岸線形態(tài)平直，岸線增加緩慢、僅增加0.3 km；東部海岸大鵬灣附近因港口碼頭的開發(fā)建設(shè)，岸線增長1.4 km。

利用多源多時(shí)相遙感影像解譯岸線變化時(shí)，要考慮岸線變化與人類建設(shè)活動的關(guān)系。一般情況下人類建設(shè)活動會使海岸線形態(tài)趨于平直，縮短岸線長度；灘涂圍墾和填海造地會使海岸線向近海延伸，形成新的人工岸線，增加岸線長度。

4.2 海岸線類型變化

從深圳市西部岸線空間變化情況和各類岸線類型分布(表4)來看，深圳市西部海岸主要由3種類型岸線組成，分別為淤泥岸線、生物岸線和人工岸線。其中人工岸線為深圳市西部海岸最主要的岸線類型，岸線長度在1988—2005年不斷地增加，2005年以后趨于穩(wěn)定且由于岸線的平直化還略有減少，如深圳機(jī)場三期、大鏟灣港口地帶；生物岸線為次要岸線類型，在2005年以前長度基本保持不變、穩(wěn)定在6 km左右，但2005—2015年有大幅度增加，如福田區(qū)近香港島部分；淤泥岸線主要分布在深圳西部海岸灘涂地區(qū)和深圳灣?？傮w來說，西部海岸線向近海延伸，岸線增長的變化趨勢比較明顯。

表4 1988—2015年深圳市西部岸線類型統(tǒng)計(jì) km

從深圳市東部岸線空間變化情況和各類岸線類型分布(表5)來看，深圳市東部海岸主要由兩種類型岸線組成：基巖岸線為主要岸線類型，岸線長度呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢；人工岸線為次要岸線類型，岸線長度呈現(xiàn)逐年上升趨勢?？傮w來說，東部岸線長度和形態(tài)穩(wěn)定，變化相對較大的分布在鹽田港、大亞灣一帶，均為人工岸線類型。

從歷年數(shù)據(jù)可以看出：基巖岸線在1988—2015年間占主導(dǎo)地位且變化相對平穩(wěn)，人工岸線長度居第二位且增長較快，砂礫岸線整體呈緩慢減少趨勢，淤泥岸線連年遞減。

表5 1988—2015年深圳市東部岸線類型統(tǒng)計(jì) km

深圳市大部分基巖海岸分布在東部海岸(鹽田區(qū)和大鵬半島)，少量分布在蛇口半島；砂礫海岸主要分布在東部海岸；淤泥海岸主要分布在西部灘涂地區(qū)和深圳灣；人工海岸主要分布在西部海岸。1988—2015年深圳市海岸線發(fā)生復(fù)雜變化：人工岸線增長迅速；基巖岸線和砂礫岸線在1996—2015年緩慢減少后趨于穩(wěn)定；生物岸線變化不大，2005—2015年紅樹林岸線長度緩慢增加，這與地方政府重視紅樹林岸線保護(hù)、大力保護(hù)紅樹林生態(tài)有直接關(guān)系；淤積岸線一直呈現(xiàn)明顯減少趨勢，這與深圳市海岸建設(shè)工程活動增多有密切關(guān)系。

5 結(jié)論與展望

本研究利用遙感技術(shù)快速獲取深圳市海岸線1988—2015年的動態(tài)變化信息，并制作成專題地圖和統(tǒng)計(jì)表。

利用Landsat和SPOT衛(wèi)星遙感影像可以很好地監(jiān)測海岸線動態(tài)變化情況。由于SPOT5衛(wèi)星空間分辨率和幾何配準(zhǔn)精度更高，在資金充足的情況下選擇SPOT5作為數(shù)據(jù)源，結(jié)果更加理想。

對受人類活動影響較大的海岸線區(qū)域，如深圳西部海岸，岸線類型變化速度較劇烈；對受人類活動影響較小的海岸線區(qū)域，如深圳東部海岸，岸線類型變化速度較緩慢。在不同區(qū)域可選擇不同頻率進(jìn)行監(jiān)測，對受人類活動影響較大的區(qū)域和正在開發(fā)的海岸線監(jiān)測頻率可適當(dāng)提高。

海岸線多源遙感監(jiān)測方法可以節(jié)約大量時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)獲得海岸線類型、長度、位置信息。本研究的結(jié)果基于特定的區(qū)域、數(shù)據(jù)源和方法，具體結(jié)論在其他區(qū)域的應(yīng)用還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

在后續(xù)研究中，還可對海岸線的土地利用、植被和濕地的覆蓋情況進(jìn)行研究和提取，分析變化的原因和存在的問題，從而完善海岸線監(jiān)測體系。

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Monitoring Coastline Changes of Shenzhen by Using Multi-Source Remote Sensing Images

TU Yexin1，SHEN Yulian1，LU Yi1，2，3，4，WU Guofeng2，3，4，F(xiàn)EI Teng1

(1.School of Resource and Environmental Science，Wuhan University，Wuhan 430079，China；2.Key Laboratory for Geo-Environment Monitoring of Coastal Zone of the National Administration of Surveying，Mapping and GeoInformation，Shenzhen 518060，China；3.Shenzhen Key Laboratory of Spatial Smart Sensing and Services，Shenzhen 518060，China；4.College of Life Sciences，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China)

Coastline is the boundary between the land and the sea，a climax reached by tide line.This research focused on Shenzhen City，using Landsat and SPOT images from 1988 to 2015 as data sources，classified and extracted coastline in Shenzhen City during the period of time.Via remote sensing and geographic information system as an approach，the coastline characteristics changes of type，length，location were analyzed.The results showed that through the remote sensing data，different types of coastline information could be acquired rapidly，accurately and objectively，to construct a scientific monitoring system.

Coastline，Remote sensing monitoring，Sea area managementment

2016-05-13；

2016-08-31

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與評估技術(shù)研究”(201404305).

涂曄昕，碩士研究生，研究方向?yàn)楦吖庾V遙感、生態(tài)建模，電子信箱：yextu.sres@whu.edu.cn

費(fèi)騰，副教授，博士，研究方向?yàn)檫b感應(yīng)用，電子信箱：feiteng@whu.edu.cn

TP75

A

1005-9857(2016)10-0083-06