深圳市南山区30余年填海造地遥感监测与分析

陈小平，雷呈斌，王勇强，姚玲

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院建筑学院，广东 深圳 518040;2.深圳市房地产评估发展中心，广东 深圳 518040)



深圳市南山区30余年填海造地遥感监测与分析

陈小平1，2，雷呈斌2，王勇强2，姚玲1，2

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院建筑学院，广东 深圳 518040;2.深圳市房地产评估发展中心，广东 深圳 518040)

基于1981—2013年间15个时相的陆地卫星遥感影像，利用光谱特征识别技术建立模型，提取深圳市南山区填海造地动态变化信息.根据填海时空变化特点，将南山区填海分为4个阶段：1981—1988年，1988—1994年，1994—2003年，2003—2013年.研究表明，1994年以前，南山区填海规模小、呈斑块镶嵌状，主要分布在港口及其辐射区；1994年以后，填海呈规模大、分布集中、成片状分布的特点.数据分析结果显示，南山区填海速度经历了起步、加速、高速以及减慢的过程.填海速度的变化受区位因素、政策法规因素、社会经济因素和自然生态因素的综合影响.提取填海造地时空分布变化为实现海岸带土地利用、生态环境的科学管理提供基础数据.

遥感；深圳市南山区；填海造地

0 引言

世界超过半数的人口、经济活动集中在占全球面积不到10%的海岸带地区[1]，海岸带地区是地表陆域和海域区位优势的集合体[2-3].随着人口增加与经济发展，人们对土地的需求不断增加，填海造地成为海岸带地区人们解决“土地赤字”的主要方式[4].

填海造地在为城市提供新的发展空间，缓解土地供求矛盾的同时，也永久性地改变了海岸带生态系统的自然属性[5].大肆填海造地改变了海湾的形状，破坏了海岸线生态环境，如天然湿地减少、海岸线上生物多样性迅速下降，水质恶化等[6].近年来中国沿海经济带迅速发展，沿海土地资源的稀缺加剧填海造地活动，填海造地的科学化、规范化的管理与研究成为现实需要[7].

目前国内外学者对填海的研究主要集中在填海的工程技术手段、填海对海岸线生态环境的影响以及填海信息提取等领域[8-12].其中，提取填海边界信息进而获得填海造地时空分布变化是实现海岸带土地利用、生态环境管理和发展战略决策的基础工作[13].宋红等基于1988年、1994年以及2000年3年的遥感影像，利用单波段信息提取陆地边界，对深圳湾的填海造地进行了初步解读[14].于海波基于5期遥感影像(1978年、1986年、1995年、1999年及2004年)，利用单波段信息提取深圳填海造地动态变化信息并对驱动因素展开了分析[15].仅利用个别波段信息设定阈值提取陆地边界精度有限，且仅利用有限年份的遥感数据，也忽略了填海造地变化的细节.

本文中基于1981—2013年期间15个时相遥感影像，利用光谱特征识别技术建立模型，提取深圳市南山区填海造地动态变化信息，研究该区域在33年期间填海造地的动态变化特点并分析主要影响因素.

1 研究区域

自1979年被列为中国第一个经济特区后，经过30余年的改革开放，深圳市从昔日的边陲小镇发展成为国际大都会.随着经济建设的发展，城市规模日益扩大，建设用地日显不足.而深圳地形以山地丘陵为主，平原地区仅占26.5%，这无疑进一步加剧了土地供求矛盾[16].因此，深圳自1980年以来，实施了多次较大范围的填海造地工程.

2 数据源与数据处理

表1 常用陆地卫星参数表

表2 MSS传感器(Landsat-3/4/5)参数表

表3 TM传感器(Landsat-4/5)参数表

表4 ETM+传感器(Landsat-7)参数表

用于提取深圳市填海造地的空间数据包括1981—2013年33年期间15个时相的陆地卫星影像数据(表5)，数据选择的标准为：覆盖深圳市南山区全区，影像清晰，云覆盖量少，尽量覆盖不同年份.

表5 南山区陆地卫星目录(1981—2013年)

图1 数据处理步

2.2 数据处理 利用15景陆地卫星数据提取陆地边界，具体数据处理步骤如图1.

1) 影像相对配准.选用2013年3月10日的Landsat-7/ ETM+为参照，使用envi软件，对其余14个时相影像采取二次多项式拟合进行几何配准，用最邻近内插法重采样生成新影像文件，配准精度控制在1个像素内.1981年的MSS数据空间分辨率与ETM+传感器空间分辨率不一致，配准前需将ETM+数据空间分辨率重采样到78 m.

2) 光谱特征识别与模型建立.随着遥感技术往高光谱方向的发展，陆地卫星影像的波段数以及光谱分辨率都有了不同程度的增加.已经由原来的4个波段(MSS)，增加到8个波段(ETM+).波段数量的增加大大地提高了对地物的辨识能力.

选用2013年3月10日的Landsat-7/ ETM+，根据目视判别，初步选取建筑物、公园植被、裸土、山体植被、稀疏植被、水体等6种典型地物类型，提取相应光谱曲线如图2.

图2 深圳市南山区典型地物光谱曲

本文中通过提取水体信息，间接获取陆地边界.常见的水体指数NDWI(normalized difference water index)基于第2波段和第4波段的差值除以两者之和的计算得到公式(1)[18]，这种计算方式可以突出影像中的水体信息，忽略建筑物、土壤的影响.由图2可知，建筑物、公园植被、裸土、稀疏植被以及水体的NDWI<0，仅山体植被的NDWI>0.因此，针对本区域数据，利用NDWI不能有效提取水体信息.

NDWI=(DNof band4-DNof band2)/(DNof band4+DNof band2)

(1)

DN(digital number)为影像灰度值，band表示波段，band4表示第4个波段.

通过分析6类典型地物的光谱曲线，可以发现，只有水体的光谱曲线满足第2波段灰度值大于第3波段灰度值，第3波段灰度值大于第4波段灰度值，第4波段灰度值大于第5波段灰度值的条件，因此建立水体信息提取模型如下：

DNof band 2>DNof band 3 且DNof band 3>DNof band 4且DNof band 4>DNof band 5.

满足上述判断的像素即被判断为水体.在envi决策树中输入上述判断，得到二值化影像结果.在arcgis中经过矢量处理与整饰，提取各时相的陆地边界，与通过已有南山区行政边界叠加取交集，获得各个时相南山区陆地边界数据.

3) 人工判读纠正.在根据模型提取边界及后期矢量化的过程中，影像中存在少量误判的像素，需要对比遥感影像，结合经验进行人工判读辅助处理.

4) 填海动态变化图.叠加各时相边界矢量数据，可得到南山区填海动态变化图.

3 研究结果与分析

3.1 南山区边界信息提取结果 根据2.2中分类模型，对历年遥感数据进行处理，提取水体信息(含海洋、河流、内陆湖泊)，对提取结果二值化后，经过矢量处理与整饰，获得各时相南山区边界(图3).

图3 深圳市南山区陆地边界矢量

3.2 南山区填海时空变化分析 叠加各时相边界矢量数据，得到南山区填海动态变化图(图4).

按填海时空分布特点，将南山区填海分为4个阶段：

1) 第一阶段：1981—1988年.初始填海阶段，南山区填海造地主要集中在4个港口：蛇口港、赤湾港、东角头港以及妈湾港(图5).由图可知，此阶段填海造地具有“规模小、分散”的特点.

2) 第二阶段：1988—1994年.此阶段填海造地分布在4个港口周边辐射范围，用于满足港口建设的要求.

3) 第三阶段：1994—2003年.此阶段填海造地呈线状沿海岸线圈层外延，主要集中在南山区的东海岸：1994—2001年，滨海大道北侧，西起科苑，东至红树林鸟类自然保护区大量填海；2001—2003年填海主要集中在滨海大道南侧深圳湾一带.由图4可知，此阶段填海具有“规模大、分布集中”的特点.

4) 第四阶段：2003—2013年.此阶段填海主要集中在南山区的西海岸——前海一带.由图4可知，自1994年起，前海就开展填海工作，经过20年(1994—2013年)，填海工作仍在继续.前海片区填海具有“填海跨时长、填海边界变化复杂”的特点.

3.3 南山区填海速度变化及影响因素分析 叠加各时相边界矢量数据，得到南山区填海动态变化图(图4).

统计不同时相的影像面积，得到各个时期南山区面积(不含内伶仃岛)与填海速度(表6).2004年2月与2004年11月这2期影像获取时间接近，地表变化较小，故只统计了2004年2月这一期影像的南山区面积.

图4 深圳市南山区陆地边界变化图(1987—2013年)表6 各时期南山区面积与填海速度

阶段年面积/km2平均填海速度/(km2/年)第一阶段(1981—1988年)1981136.2561988136.5070.036第二阶段(1988—1994年)1988136.5071994144.7631.376第三阶段(1994—2003年)1994144.7631996148.1702001158.4902003164.0342.141第四阶段(2003—2013年)2003164.0342004166.2522005166.5382007171.7692008170.1772009173.7332011173.5052012175.8812013174.8851.085

图5 深圳市南山区填海初期港口建

由图6可知，1981—2013年，深圳市南山区(不含内伶仃岛)面积由136.3 km2增加至174.9 km2，增加了38.6 km2，占南山区总面积的28.4%.

由图7可知，1981—2003年的22年间，南山区填海速度经历了起步、加速以及高速发展三个阶段，南山区填海速度逐步增加；2003年后，填海速度急剧下降.经分析，填海速度受区位因素、政策因素、生态环境保护需求以及人口经济发展对土地的需求等因素的综合影响，各个阶段主导因素有所不同.具体分析如下.

第一阶段、第二阶段：本阶段填海主要影响因素是区位优势及特区政策因素.南山区区位优势表现在毗邻香港，于20世纪80年代承接了香港产业转移.这一时期填海主要集中在与香港水上运输最为便利的4个港口及其辐射区.在政策因素方面：1980年设立深圳经济特区时实行的工业企业税收优惠等政策刺激了经济发展，从而带来了城市空间扩展需求的连锁效应.1986年出台的《土地管理法》中“土地资源集中管理、耕地保护以及国有土地资源有偿使用”等制度，对耕地的保护限制了土地的总量，客观上增加了填海的需求，而土地的有偿使用也为填海提供了动力.

图6 南山区(不含内伶仃岛)面积变化图(1981—2013年)

图7 南山区各阶段填海速度(1981—2013年)

第三阶段：这一阶段填海主要集中在南山区东海岸滨海大道及深圳湾一带，这两个地段东临深圳湾，与福田区接壤，与香港元郎一水相隔，华侨城的旅游开发和房地产成功运作，使得该地段填海地区周边地价高，填海增加的大量土地获得丰厚的资金回报.在经济效益促使下，南山区填海速度达到顶峰.

第四阶段：随着填海工程的开展，填海对海岸带生态环境的负面影响逐渐凸显.1999年根据实践需要，修订了《海洋环境保护法》，新规定了若干管理制度，大大加强了对海洋环境的保护力度.2001年颁布的《海域使用管理办法》以法律的形式规定了海域功能区划、海域使用权、海域使用的申请与审批等制度，使海洋开发从无序转向科学合理.这些政策的修订与法规的出台对南山区填海起到了阻滞作用，降低了填海速度，南山区填海由此进入理性增长阶段.

4 结论

本文中基于1981—2013年期间15个时段卫星遥感影像，利用光谱特征识别技术建立模型，提取深圳市南山区填海造地动态变化信息，研究该区域在33年期间填海造地的动态变化及主要影响因素.

根据时空分布变化，1994年以前，南山区填海规模小、呈斑块镶嵌状，主要分布在港口及其辐射区；1994年以后，填海呈规模大、分布集中、成片状分布的特点.数据分析结果显示，南山区填海速度经历了起步、加速、高速以及减慢的过程.填海速度的变化受区位因素、政策法规因素、社会经济因素和自然生态因素的综合影响.

经过30余年的填海造地，南山区陆地分布与海岸线发生了巨大的变化.这些变化将对海湾生态系统产生持续的、多方面的影响.了解填海造地的动态变化仅仅是实现海岸带土地利用、生态环境管理和可持续发展战略决策的第一步，进一步评估这些变化带来的影响需要深入研究.

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(责任编辑 郭定和)

Study on the dynamic changes of land reclamation in Nanshan district of Shenzhen based on remote sensing data

CHEN Xiaoping1,2，LEI Chengbin2，WANG Yongqiang2，YAO Ling1,2

(1. School of Architecture,Shenzhen Graduate School of Harbin Institute of Technology ，Shenzhen 518040，China；2.Center for Assessment and Development of Real Estate，Shenzhen 518040，China)

Dynamic changes of land reclamation in Nanshan district of Shenzhen were studied，using spectral features identification technique on the basis of 15 remote sensing images between 1981 and 2013. In this paper，the temporal and spatial variation characteristics of land reclamation were studied，and the process was distributed into four stages：1981—1988，1988—1994，1994—2003 and 2003—2013. Land reclamation of Nanshan district before 1994 mainly distributed in four ports and their surrounding area and had small scale. After 1994，land reclamation of Nanshan district had much larger scale，in plate-like pattern. The rate of land reclamation between 1981 and 2003 increased gradually. However，the rate reduced dramatically after 2003. Studies showed that four factors，including local，policy，socio-economy and coastal natural conditions，produced a great impact on the rate of land reclamation of Nanshan district. Obtaining dynamic changes of land reclamation provides basic data for scientific administration of coastal land utilization and ecological environment.

remote sensing; Nanshan district of Shenzhen; reclamation

2016-01-11

国家自然科学基金(41371359)和国家高技术研究发展计划(2012AA12A309)资助

陈小平(1987-)，女，博士，讲师，E-mail:xp_sparrow@163.com

1000-2375(2016)06-0502-08

P237;TP753

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2016.06.006