近42年黄河口海岸线遥感监测与变迁分析

王集宁， 蒙永辉， 张丽霞

(山东省地质环境监测总站,济南　250014)



近42年黄河口海岸线遥感监测与变迁分析

王集宁， 蒙永辉， 张丽霞

(山东省地质环境监测总站,济南250014)

摘要：基于MSS,TM及OLI等遥感图像数据，在面向对象分类技术的支持下，采用多尺度分割、归一化差值水体指数(normalizeddifferencewaterindex,NDWI)、大津算法(OTSU)水陆分离、互信息操作和特征知识融入等方法，实现了黄河口海岸线1973,1977,1984,1991,2000,2010和2014年共7个时相的海岸线自动提取； 借助ArcGIS空间分析技术，完成了1973―2014年黄河口海岸线遥感动态监测与变迁分析。研究结果表明： 近42a来黄河口海岸线总体呈现向海洋方向的增长趋势，海岸线总长度大约增加了298.8km； 海岸线的时空变化特征显著，不同时间段的不同海岸地段呈现不同的特点； 根据海岸线的进退情况，可将黄河口海岸线分为强进淤型海岸、强蚀退型海岸和蚀退型海岸。在岸线进退的驱动力上，黄河口海岸线的变化主要受黄河流路变化和海水侵蚀的影响，尤其是黄河入海口的流路改变； 人类活动作为第三驱动力，加剧了海岸线变化特征的复杂性。

关键词：海岸线； 黄河口； 遥感； 变迁分析

0引言

了解和掌握海岸线的动态变化特征，对于海岸带资源使用、管理、保护和规划具有十分重要的意义。利用卫星遥感图像实现海岸线的动态监测已经成为遥感应用的一个重要方向，国内外学者已经开展了大量的算法研究和实际应用[1-12]。例如： 姚晓静等[1]基于遥感技术完成了近30a间海南岛海岸线时空变化研究； 张霞庄等[4]采用遥感方法监测了秦皇岛市海岸线变化； 黄鹄等[7]基于遥感和GIS分析了广西海岸线时空变化特征。纵观现有的海岸线遥感自动提取方法，可以分为像素级分类和对象级分类2大类。像素级分类主要利用边缘检测和阈值分割方法，如：Lee等[13]在1990年通过图像平滑和边缘检测实现了SAR图像的海岸线提取；Sohn等[14]提出了局部阈值分割的岸线提取方法；Ryu等[15]根据TM4和TM5波段中水体和陆地反射率的显著差别，通过阈值实现了海水与淤泥质海岸的分离； 瞿继双等[16]提出了基于多阈值的形态分割方法； 张朝阳等[17]提出了基于LAB颜色模型的改进型Canny算子实现岸线提取； 王琳等[18]根据改进的归一化差值水体指数(modifiednormalizeddifferencewaterindex,MNDWI)阈值分割提取了厦门岛及其邻域3个时相的海岸线；Liu等[19]提出了基于综合Canny算子与局部自适应阈值的海岸线自动提取算法。像素级边缘检测算法因计算量较大，且受到水陆过渡带光谱特征的影响，故海岸线提取结果的连续性较差，后处理的工作量较大。阈值分割法计算量较小且性能较稳定，成为海岸线提取中广泛使用的算法； 但是在近岸海水比较混浊的情况下,阈值的合理选择非常困难，很多近岸水体被误分为非水体，严重影响了海岸线遥感提取的精度。近年来，随着面向对象(object-oriented)的遥感图像处理与分析技术日益发展[20-21]，国内外学者已经开始研究将面向对象技术应用于海岸线信息遥感提取。贾明明等[22]利用面向对象方法和多源遥感数据提取了杭州湾淤泥质海岸线，取得了较好的效果。

为此，本文综合考虑海岸线在遥感图像中的空间分布和光谱特征，在面向对象分类技术的支持下，首先通过多尺度分割实现像素向对象的转变； 然后利用大津算法(OTSU)完成水陆分离； 接着通过互信息操作和特征知识的融入，实现海岸线自动判断； 最后完成了1973,1977,1984,1991,2000,2010和2014年共7个时相的黄河口海岸线遥感动态制图与变迁分析。

1研究区概况

研究区位于山东省东营市东北部的现代黄河入海口，地理坐标在E118.30°～119.30°，N37.05°～38.20°之间，北临渤海，东接莱州湾，与辽东半岛隔海相望(图1)。黄河口岸线通常指北起五号桩、南至宋春荣沟之间的一段海岸线[23]。由于黄河泥沙大量沉积，导致黄河三角洲不断向海洋延伸，成为世界上最年轻的陆地之一。研究区海岸主要为淤泥海岸，是河流与海水相互作用形成的。

图1　研究区位置

2数据源及研究方法

2.1数据源

根据研究区的地理位置，综合考虑数据质量、成像时间及受云层干扰情况等，从现有的卫星遥感存档数据中，挑选出成像季相较为一致的1973,1977,1984,1991,2000,2010和2014年7期遥感图像(表1)。

表1　用于海岸线监测的遥感数据

因涉及到对光谱特征的计算，故必须对遥感数据进行预处理，将影像灰度值转换为光谱辐射值或大气顶层反射率，以恢复遥感影像的物理属性。其计算公式为

Lλ=Gain·DN+Bias,

(1)

(2)

式中： Lλ为光谱辐射值，W·m-2·sr-1·μm-1； Gain为增益系数，W·m-2·sr-1·μm-1； DN为像元灰度值； Bias为偏置系数，W·m-2·sr-1·μm-1； Gain和Bias均可从遥感数据的元文件中读出； ρ为大气顶层反射率(或行星反射率)； d 为日地平均距离； Eλ大气层平均太阳辐射，W·m-2·μm-1； θ为太阳天顶角。

2.2研究方法

在多时相遥感数据选择及预处理的基础上，采用面向对象的遥感信息提取技术，实现遥感数据的多尺度分割； 计算每个对象像元的光谱特征变量，文中采用的是归一化差值水体指数(nomalizeddifferencewaterindex,NDWI)，然后采用大津算法(OTSU)[24]完成水陆分离，依据空间关系特征判断实现陆地水域与海洋判别； 最后，通过互信息操作对海岸线提取结果进行优化处理，得到研究区的各期海岸线分布图。

利用的特征知识主要有水体光谱特征和空间关系特征； 交互式后处理操作主要是通过人工判读完成对河口、泻湖以及近岸浑浊水域的解译。河口处理需保留大型河口港湾特征和小河齐陆地基线； 泻湖需考虑内环境，当泻湖与海洋有宽阔水域通道时，在泻湖内部采集海岸线。最后通过ArcGIS空间分析，获得各时相海岸线的时空变化情况，统计分析海岸线变化的强度和规律。具体技术流程见图2。

图2　海岸线监测技术流程

采用传统的垂直断面建模方法对海岸线变化速率进行计算，该算法模块已经以插件形式被开发集成到ArcGIS软件的扩展模块“数字岸线分析系统”(digitalshorelineanalysissystem,DSAS)[25]中。本文利用DSASV3.0 计算了黄河口海岸线的变化率。在提取岸线的基础上，通过缓冲区分析建立基线，断面间隔设置为200m，与局部基样带垂直； 断面长度设置为30km。根据对应范围内所有断面上的岸线平均变化率，计算局部岸线的变化率。

3结果与分析

3.1海岸线长度变化

由图3可以看出，研究区范围内黄河口海岸线的总长度在整体上呈现增长趋势。1973―2014年间黄河口海岸线长度发生了巨大变化(1973年海岸线长度约为236.62km，2014年海岸线长度增加到535.82km)； 按照海岸线长度的变化强度，可以将其分为3个阶段： 1973―1991年为较快增长阶段，1992―2000年为缓慢增长阶段，2001―2014年为快速增长阶段。

图3　黄河口海岸线长度变化

3.2海岸带面积变化

黄河泥沙的淤积在海岸带造陆，海水的侵蚀则不停地蚀退新增长的陆地。总体来看，海岸线淤进与蚀退并存，沧海桑田在这里得到了最好的反映(图4)。

图4　海岸带面积变化

由图4可以看出，由于黄河两岸堤防的日益完备，黄河尾闾段已经不再任意游荡摆动或改道，因而现在大部分海岸处于蚀退状态，以海洋作用为主，淤积主要在当前黄河河道地段。通过对近年来研究区面积的统计发现，纵使海岸线的长度发生了很大变化，但研究区海岸的总体面积没有显著增长。

3.3海陆交替过程

为了更好地分析黄河口地区的海陆交互过程，依据黄河流路的改变以及岸线变化的特点，以五号桩和张镇河为界，将黄河口海岸带分为3段： 五号桩以北的北部地区岸线段(北部岸段)、五号桩—张镇河的中部地区岸线段(中部岸段)和张镇河以南的南部地区岸线段(南部岸段)，分别进行分析。

3.3.1黄河流路变化

从遥感影像解译图上看，自1973年至今，出现了“黄龙摆尾”——黄河流路发生了3次小的变化(图5)。

图5　黄河流路变迁

1976年以前，黄河入海的分流河道统称为刁口流路或刁口河道，河水北流入海。1976年以后，黄河在西河口(渔洼东北)截流改道，刁口流路废弃，河水东流，经清水沟入海； 其中1976—1979年汛期黄河入海流路处于不稳定状态，分流河道及入海口的位置发生过多次小的变迁，稳定后黄河行水清水沟流路。1996年8月，黄河经人工改道，由清8汊断面处向东北方向入海，形成黄河的当前流路。

3.3.2北部海岸蚀退

从黄河口海岸线位置变化图(图6(a))中可以看出，1973―1977年北部海岸线处于淤积状态。但自1976年黄河改道后，黄河不再从此处入海； 1977至今，北部海岸线段以海洋侵蚀作用为主，大部分海岸处于蚀退状态，部分岸段的最大蚀退速度达到-128.47m/a(图6(b))。但是，由于人类对于海岸(线)带的改造(例如盐田、港口及养殖场等建设以及海岸带资源的开发利用)，部分岸段的海岸线不断向海洋扩展增加。总体上，北部海岸属于蚀退型海岸，变化特征在时空上的差异显著。

(a) 岸线位置变化 (b) 岸线变化速率

图61973—2014年黄河口海岸线变迁

Fig.6YellowRiverMouthcoastlinechangesfrom1973to2014

3.3.3中部海岸淤进

从图6可以看出，中部岸段一直向海延伸。尤其是1976年黄河再次发生改道后，河水东流，经清水沟入海。由于黄河夹带有大量的泥沙沉积，大部分海岸处于进淤状态，最大变化速率达619.46m/a(图6(b))。因此，1973―2014年中部岸段以黄河泥沙淤积为主，属于强淤进型海岸。

3.3.4南部海岸蚀退

从海岸线变迁图(图6)中可以看出，南部岸段一直向陆退缩(图6(a))，以海洋侵蚀作用为主； 1973年至今大部分南部海岸处于蚀退状态，部分岸段的最大侵蚀速度达到-86.11m/a(图6(b))。由于南部岸段是历史上黄河部分支流从宋春荣沟入海时的堆积。如今黄河两岸堤防的日益完备，黄河尾闾段已经不再任意游荡摆动或改道，没有泥沙淤积，属于强蚀退型海岸。

4结论与讨论

黄河口海岸带水体光谱特征的多样性以及岸线形态特征的复杂性，导致海岸线遥感精确识别与自动提取难度较大。本文在面向对象分类技术的支持下，首先用大津算法完成水陆分离，然后通过互信息操作和特征知识融入，实现了海岸线1973,1977,1984,1991,2000,2010和2014年共7个时相的海岸线自动提取，完成了1973―2014年黄河口海岸线遥感动态监测与变迁分析。得出如下结论：

1)采用本文的技术路线可以满足海岸线快速提取和制图分析的要求。

2)1973―2014年黄河口海岸线的长度显著增加，总长度增加了298.8km。

3)1973―2014年黄河口海岸线演变具有明显的时空差异性，进淤与蚀退并存。

4)黄河泥沙的淤积和海水侵蚀是该区域海岸线变化的2大核心驱动力。海岸线的进淤与蚀退状况与黄河流路直接相关。历史上的黄河三角洲海岸属于进淤型海岸； 但是，随着黄河两岸堤防的日益完备，黄河尾闾段已经不再任意游荡摆动或改道，因而现在的大部分海岸处于蚀退状态，以海蚀作用为主，淤积主要发生在现在的黄河流路地段。

5)人类活动是叠加在以上2大自然驱动力基础上的第三驱动力。人类对海岸(线)带的改造(例如盐田、港口及养殖场等建设以及海岸带资源的开发利用)，增加了区域岸线变化特征的时空复杂性。

6)有关海岸线的定义也因行业用途不同而有所差异。本文提取的海岸线实际上是卫星过境时刻拍摄的水陆分界线。由于没有考虑到潮位、地形和季节等因素的影响，因此与自然地理学中严格意义上的海岸线有所差别。

7)用于分析黄河口海岸线变迁的遥感数据源空间分辨率为30～60m，空间尺度不一致，在提取的海岸线精度上难免有些细节误差； 但是不影响对海岸线的宏观监测和总体变化特征分析。面向对象分类技术，有利于更多特征知识融入和互信息操作，随着高分遥感的发展，面向对象级的海岸线提取优势将逐渐凸显。

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(责任编辑： 邢宇)

Remote sensing monitoring and change analysis of YellowRiverEstuarycoastlineinthepast42years

WANG Jining， MENG Yonghui， ZHANG Lixia

(Shandong Province Geological Environment Monitoring Station， Ji’nan 250014， China)

Abstract:Usingobject-orientedclassificationtechnology,theauthorsachievedtheautomaticextractionoftheYellowRiverEstuarycoastlinein1973, 1977, 1984, 1991, 2000, 2010and2014,andcompletedtheremotesensingdynamicmonitoringandthechangeanalysisfortheYellowRiverEstuarycoastlinefrom1973to2014.TheresultsshowthatthelengthofshorelineintheYellowRiverEstuarywasincreasedbyabout298.8km2inthepast42yearsoverall.Thecoastlinechangeprocesshadanobviousspatio-temporalcharacteristics.Thechangeratewasdifferentatdifferentperiodsanddifferentlocations.Accordingtothecharacteristicsofthecoastlineexpanionandretreat,itcouldbedividedinto3categories:fastsiltcoastline,strongerosioncoastlineanderosionregressivecoastline.Forthedrivingforce,thelocationofYellowRiverportandseaerosionseemtohavebeenthemainfactors.ThecoastlinewasmainlyinfluencedbytheflowpathoftheYellowRiver.And,therecenthumanactivityseemstobethethirddrivingforce.Humanactivities,suchasportbuilding,saltpanconstructionandexploitationofcoastalresources,haveexacerbatedthecomplexityofcoastlinechange.

Keywords:coastline；YellowRiverEstuary；remotesensing；changeanalysis

doi:10.6046/gtzyyg.2016.03.29

收稿日期：2015-04-14；

修订日期：2015-04-28

基金项目：山东省国土资源厅2011年度省地质勘查项目“黄河三角洲高效生态经济区海(咸)水入侵调查与监控预警系统建设”(编号： 鲁勘字[2011]14号)资助。

中图法分类号：TP79

文献标志码：A

文章编号：1001-070X(2016)03-0188-06

第一作者简介：王集宁(1972-),男,高级工程师,主要从事海岸带地质环境遥感调查与矿山地质环境综合监测研究。Email：wjn8934045@126.com。

引用格式： 王集宁，蒙永辉，张丽霞.近42年黄河口海岸线遥感监测与变迁分析[J].国土资源遥感,2016,28(3):188-193.(WangJN，MengYH，ZhangLX.RemotesensingmonitoringandchangeanalysisofYellowRiverEstuarycoastlineinthepast42years[J].RemoteSensingforLandandResources,2016,28(3):188-193.)