基于GF-1卫星遥感影像的海岸线生态化监测与评价研究——以营口市为例

索安宁， 曹可，初佳兰，于永海，王权明，关道明*

(1.国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023; 2.国家海洋局海域管理技术重点实验室，辽宁 大连116023)



基于GF-1卫星遥感影像的海岸线生态化监测与评价研究
——以营口市为例

索安宁1,2， 曹可1,2，初佳兰1,2，于永海1,2，王权明1,2，关道明1,2*

(1.国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023; 2.国家海洋局海域管理技术重点实验室，辽宁 大连116023)

海岸线是海洋与陆地的分界线，也是重要的生态交错线。本文采用GF-1卫星遥感影像，通过监测大潮高潮时刻和小潮低潮时刻海岸水陆边界线，构建了潮间带完整性系数，以此为依据将海岸线划分为自然海岸线、具有基本生态功能的人工海岸线、具有部分生态功能的人工海岸线、具有有限生态功能的人工海岸线、具有少量生态功能的人工海岸线和无生态功能的人工海岸线。在此基础上，结合潮间带完整性系数及其毗邻海岸线长度，构建了海岸线生态化指数，用以评价区域海岸线的生态化程度。营口市海岸线以无生态功能的人工海岸线、自然海岸线和具有少量生态功能的人工海岸线为主，分别占到海岸线总长度的45.74%、18.31%和15.53%。营口市总体海岸线生态化指数为0.29，其中西城区、老边区、盖州北、鲅鱼圈区和盖州南分别为0.55、0.17、0.40、0.10和0.55。

海岸线；卫星遥感影像；潮间带完整性；水陆边界线；生态功能

1 引言

海岸线是海洋与陆地的分界线，但受到潮汐、波浪、风暴潮等海洋水动力环境的影响，海岸线有进有退，时刻处于变化过程中[1—2]。这种海岸线的往复进退变化造就了海洋与陆地之间一种独特的生态系统——潮间带生态系统。潮间带生态系统受海水涨落影响，涨潮为海，落潮为滩，具有海洋、陆地、湿地等多种生境特征，是许多海洋生物、湿地生物、水陆两栖生物、乃至鸟类的重要栖息地，被称为全球生物多样性最为丰富的生态系统之一。

为此，海岸线一直成为全球地理学、海洋学、生态学研究的热点区域，1967年英国科学家Mandelbrot在《Science》杂志发表了不列颠海岸线有多长的研究报道，引起了全球科学家对海岸线研究的关注[3]。1985年美国科学家Bird出版的《Coastline Changes, A Global Review》全面分析了近几十年全球海岸线进退，并将海岸线划分为冰川悬崖海岸、三角洲海岸、沼泽湿地海岸和人工海岸等类型[4]。随着卫星遥感技术的发展，利用卫星遥感影像提取海岸线并研究其变化过程成为海岸线研究的一个重要领域，1990年Jong等最早利用SAR卫星遥感影像建立了海岸水陆边界线探测与信息提取方法，此后相关学者对基于SAR卫星遥感影像提取海岸线的方法进行了不断探究完善[5—7]。2000年以来，利用各类卫星遥感影像提取海岸线的研究大量报道，这些研究工作大致可以分为两个方面：一是利用卫星遥感影像提取海岸线技术方法的研究探讨，如Giancarlo等利用遥感影像建立海岸线半自动探测技术[8]，陆立明等建立的基于合成孔径雷达回波数据的海岸线提取方法[9—12]；二是针对某一区域的海岸线类型、位置、形态变化的遥感监测与驱动机制分析，如Asmar、Nuuyen、Sagheer等分别利用卫星遥感影像研究了尼罗河口海岸线、湄公河口海岸线、红海地区海岸线的变化过程，并分析了海岸线变化的原因[13—15]。我国近几十年的大规模海岸开发活动导致了海岸线发生了较大变化，王建步等[16]、李行等[17]分别开展了辽河口、江苏省海岸线变化的遥感分析研究，高志强等[18]、高义等[19]、刘百桥等[20]分别对近30年全国海岸线进行了遥感监测和变化情况分析。2014年Ma等在《Science》杂志发表了关于中国海岸新长城再思考的研究报道，提出2010年我国人工海堤长度已达到11 000 km，占全国大陆海岸线总长度的61%[21]。这些人工海岸线大多是以占用和破坏潮间带湿地为代价的，由此产生的生态影响也受到众多学者的关注[22]。

纵观国内外海岸线研究，发现一些学者虽然将海岸线划分为基岩海岸、砂质海岸、淤泥质海岸、人工海岸等类型，并建立了各类海岸线的遥感影像特征及解译标志，但关于自然海岸线和人工海岸线的科学界定，一直缺乏详细的理论探讨[23—25]，以至于许多研究仅通过遥感影像就将海岸带存在人工构筑物的岸段全部划分为人工海岸线，这与海岸线的实际情况是相悖的。对于人工海岸线，也不能完全否认其生态功能，而应通过监测人工堤坝在潮间带的空间位置，评价其对潮间带生态系统完整性的影响程度。对于那些处于潮间带中上部，对潮间带生态系统完整性影响不大的人工防潮堤坝岸段，不能完全视为人工海岸线。

为明晰自然海岸线遥感监测的理论依据和技术方法，本文采用国产GF-1卫星遥感影像，以营口市海岸为例，构建自然海岸线与人工海岸线界定的潮间带生态系统完整性理论基础，建立了海岸潮间带完整性遥感监测的技术方法，及其海岸线生态化评价模型，以期为海岸线生态化遥感监测与评价提供理论与技术依据。

2 研究区概况

营口市海岸位于辽东湾东北部，大辽河入海口以南，浮渡河入海口以北，地理位置40°25′～40°40′N，122°5′～122°25′E，海岸直线长度122 km，北部靠近营口市区为淤泥质海岸，中部团山-鲅鱼圈岸段为基岩海岸，南部鲅鱼圈港以南为砂质海岸，两端的大辽河口和浮渡河口为河口海岸。近几十年来，受围海晒盐、围海养殖、港口码头建设、填海造地等人类开发利用活动的影响，海岸潮间带存在土石围堰堤坝、 斜坡式防潮防浪堤坝、直立码头堤坝等形态和用途不一的海岸人工构筑物。多样的海岸底质类型与复杂的海岸开发利用方式使营口市海岸成为我国北方海岸特征的一个缩影。营口市海岸按行政区划分为西城区、老边区、盖州市、鲅鱼圈区，具体空间位置见图1。

2 研究方法

2.1 数据源

根据营口市海岸区域潮汐表，该区域平均大潮高潮位418.59 cm，出现在每年6月、7月、8月和9月的15-19时；平均小潮低潮位2.33 cm，出现在每年1月、2月、3月、11月和12月的12-24时。

GF-1卫星是我国自主研发的对地观测卫星，搭载了两台2.0 m空间分辨率全色与8.0 m空间分辨率多光谱相机，处于太阳同步回归轨道，同一地点重复回访周期为4 d。GF-1卫星遥感影像具有B、G、R、NIR四个多光谱和一个全色波段，全色波段空间分辨率2.0 m。为了提取研究区域高潮时刻和低潮时刻的水陆边界线，本文收集到覆盖研究区域小潮低潮时刻采集的GF-1卫星遥感影像4景，影像获取时间为2015年2月23日至3月24日之间的每天11—18时；大潮高潮时刻采集的GF-1卫星遥感影像5景，获取时间为2015年7月17日至8月26日之间的每天11—19时。同时收集到覆盖研究区域大潮高潮时刻采集的资源三号卫星遥感影像作为高潮时刻水陆边界线提取的补充数据。参考数据1∶10 000数字地形图。

2.2 数据预处理

由于大气校正和辐射校正在卫星地面接收站已进行了处理。本文的数据预处理主要进行几何精校正。具体方法如下：(1)在覆盖研究区域的卫星遥感影像上均匀布设地面控制点25个，地面控制点主要选取道路交叉口或围堰交叉口，交叉口尽量呈直角，定于两条道路或围堰相交边线的直角顶点，便于实测定位；(2)利用手持GPS在现场找到卫星遥感影像上的控制点位置，采用高精度信标机在控制点上进行现场定位；(3)利用遥感影像处理软件ERDAS IMAGE9.2采用二元三次多项式对卫星遥感影像全色波段进行几何精校正，校正方法见参考文献[26]。利用1∶10 000数字地形图对比检查精校正好的卫星遥感影像。

图1 研究区空间位置图Fig.1 Location of study area

2.3 水陆边界线卫星遥感影像信息提取

水陆边界线在卫星遥感影像上可以看作影像灰度值发生阶跃变化的边缘点集合，可用边缘检测算法自动提取水陆边界线，常用的边缘检测算法有Roberts算法、Prewitt算法、Sobel算法、Laplace算法、Canny算法等，其中Canny算法对于卫星遥感影像中水陆边界线的阶梯型边缘检测效果最好[27—28]。为此，本文采用Canny算法分别提取研究区大潮高潮时刻和小潮低潮时刻获取的卫星遥感影像上的水陆边界线，在卫星遥感影像提取的水陆边界线中选取大潮高潮时刻的最高线和小潮低潮时刻的最低线分别作为营口市海岸大潮高潮时刻和小潮低潮时刻的水陆边界线(图2)。将遥感影像提取的高潮时刻水陆边界线与低潮时刻水陆边界线与1∶10 000地形图中的4.0 m等高线和0 m等高线进行叠加对比，并在高潮时刻水陆边界线和低潮时刻水陆边界线随机各选取25个检验点，高潮时刻水陆边界线有24个检验点两线重合，低潮时刻全部25个检验点两线重合。

图2 营口市海岸高潮时刻和低潮时刻水陆边界线Fig.2 Land boundary line at time of high tide and low tide in Yingkou

图3 潮间带剖面结构示意图Fig.3 Section drawing of tidal zone

2.4 潮间带生态系统完整性识别与类型划分

根据潮间带定义，海岸平均大潮高潮时刻的水陆边界线与平均小潮低潮时刻的水陆边界线之间为潮间带[2]，具体如图3所示。潮间带在自然状态下，平均小潮低潮时刻水陆边界线至平均大潮高潮时刻水陆边界线之间的平面直线距离为L。如果因人类活动，在潮间带构筑了海岸人工堤坝，平均大潮高潮时刻的水陆边界线就会向海推进，平均小潮低潮时刻水陆边界线至平均大潮高潮时刻水陆边界线之间的平面直接距离就会变化。为了定量描述海岸人工堤坝对潮间带生态系统完整性的影响程度，本文构建了潮间带完整性系数如下：

(1)

式中，Q为潮间带完整性系数，L为潮间带无人类干扰情况下平均小潮低潮时刻水陆边界线至平均大潮高潮时刻水陆边界线的平面直线距离，k为潮间带存在海岸人工堤坝情况下平均小潮低潮位时刻水陆边界线至海岸人工堤坝坡脚的平面直线距离。在潮间带存在海岸人工堤坝情况下L一般难以直接测量，但可以通过测量高潮时刻海岸人工堤坝坡脚处水深和潮间带平均坡度间接推算，具体推算公式如下：

L=k+hcotα,

(2)

式中，h为高潮时刻海岸人工堤坝坡脚处水深，a为海岸潮间带平均坡度。

通过潮间带完整性系数Q可以判断潮间带的完整性程度，当Q≥1.0时，说明海岸人工堤坝位于潮间带平均大潮高潮时刻水陆边界线以上，海岸人工堤坝对潮间带完整性没有影响，属于自然海岸线；当Q≤0时，说明海岸人工堤坝位于潮间带平均小潮低潮时刻水陆边界线以下，海岸人工堤坝全部占用了潮间带空间，潮间带生态系统完全消失，属于无生态功能的人工海岸线；当0

表1 海岸线生态化类型划分

2.5 海岸线生态化评价指标

为了定量描述一个区域海岸线生态化水平总体状况，或者反映一个区域海岸线生态功能受人类活动影响程度的总体状况，本文在海岸潮间带完整性系数的基础上，构建了海岸线生态化指数，计算方法如下：

(1)

图4 营口市海岸潮间带完整性系数分布图Fig.4 Completeness index for tidal zone in Yingkou

式中，ECi为第i区域海岸线生态化指数，Qj为第j岸段海岸潮间带完整性系数，lj为第j岸段长度，j为第i区域岸段数量。

根据研究区域海岸潮间带生态系统完整性程度，本文开展了具有一定生态功能的人工海岸线的现场测量，包括海岸人工堤坝高潮痕迹线至坡脚高度，及其潮间带滩涂平均坡度，共测量岸段数据32组。

3 结果分析

3.1 营口市海岸潮间带完整性分析与生态化类型划分

图4为营口市海岸潮间带完整性系数分布图，可以看出营口市潮间带完整性系数为1.0的岸段，主要分布在团山、月亮湾、仙人岛和白沙湾，长度分别为5.62 km、4.09 km、3.93 km和11.15 km，其中团山岸段和仙人岛岸段为基岩海岸线，月亮湾岸段和白沙湾岸段为砂质海岸线。潮间带完整性系数为0的岸段，主要分布在鲅鱼圈港口码头区、仙人岛石化工业区、鞍钢工业区以及蓝旗海岸围海养殖区，长度分别为36.56 km、17.84 km、17.55 km和6.10 km，全部为人工堤坝海岸线。潮间带完整性系数处于0.80～1.0之间的海岸线长度为8.83 km，占研究区海岸线总长度的3.73%，主要分布在仙人岛、北海局部岸段，长度分别为2.79 km和4.52 km。潮间带完整性系数处于0.50～0.80之间的海岸线长度为24.67 km，占研究区海岸线总长度的10.43%，主要分布在北海、红旗桥、月亮湾等局部岸段。潮间带完整性系数处于0.20～0.50之间的海岸线长度为14.82 km，占研究区海岸线总长度的6.26%，主要分布在四道沟、新海大街、大清河局部岸段，长度分别为2.05 km、1.84 km和2.85 km。潮间带完整性系数处于0～0.20之间的海岸线长度为36.75 km，占研究区海岸线总长度的15.53%，主要分布在四道沟以南、沿海产业基地岸段，长度分别为4.95 km和27.95 km。

根据潮间带完整性系数，营口市海岸线可划分为自然海岸线、具有基本生态功能的人工海岸线、具有部分生态功能的人工海岸线、具有有限生态功能的人工海岸线、具有少量生态功能的人工海岸线和无生态功能的人工海岸线6种类型，各类海岸线生态化类型长度与分布具体见表2。

3.2 营口市海岸线生态化状况分析

图5为研究区海岸线生态化指数区域分布图，可以看出，研究区海岸线生态化指数总体为0.29，但各个区域差异比较大。盖州南部岸段海岸线生态化指数最大，为0.55，主要因为该区域自然砂质海岸线占比例很大，海岸人工构筑物多位于高潮带，对潮间带生态系统完整性影响较小。西城区岸段海岸线生态化指数略小于盖州南部岸段，该岸段处于大辽河入海口，人类活动干扰较少，滨海公路多处通过涵洞与公路以上芦苇湿地连通，海岸基本保持自然状态。盖州北岸段海岸线生态化指数为0.40，该岸段北部海岸线主要以团山岸段的基岩海岸线和其以南的砂质海岸线为主，潮间带人工构筑物相对比较少，人类活动对海岸线的干扰小。老边区海岸线生态化指数为0.17， 该岸段北部人工堤坝外存在较宽的潮间带湿地，具有一定的生态功能，南部海岸近年来实施了大规模的围海养殖工程，使养殖堤坝深入到低潮线以下区域，潮间带滩涂湿地基本消失，海岸生态功能十分有限。鲅鱼圈区海岸线生态化指数最小，仅为0.10，主要因为该区域海岸修建了鲅鱼圈港、鞍钢工业区，港口码头岸线直接进入深水海域，海岸堤坝大多位于潮间带低潮线以下，海岸潮间带生态系统多已不复存在。

表2 营口市海岸线生态化类型表

图5 营口市各区域海岸线生态化指数Fig.5 Ecological index of coastline in sub-region of Yingkou

4 讨论

海岸线不仅是海洋与陆地管理的分界线，更是海洋生态系统向陆地生态系统过渡的生态交错线，因此海洋综合管理非常重视海岸线的生态功能[1]。《全国海洋功能区划2011-2020年》提出到2020年全国大陆自然岸线保有率不低于35%，各省级海洋功能区划也都提出了各自区域的大陆自然岸线保有率目标。2015年国务院发布的《水污染防治行动计划》也提出到2020年全国自然岸线保有率不低于35%(不包括海岛岸线)。环渤海三省一市划定的渤海海洋生态红线保护自然海岸线800 km以上，确保环渤海自然海岸线保有率不低于30%。另外，相关的专家学者开展了全国性的海岸线监测研究，Ma等报道2010年全国大陆人工堤坝岸线占大陆海岸线总长度的61%[21]。高义等报道2010年全国大陆人工海岸线所占比例由1990年的24.60%上升到2010年的56.10%[19]。刘百桥等报道2013年全国大陆自然海岸线长度8 298.12 km，占海岸线总长度的比例为43.71%[20]。虽然政府管理部门和专家学者都十分关心海岸线的生态功能，但对于自然海岸线和人工海岸线的界定一直缺乏具体的阐述，索安宁等2015年指出自然海岸线的界定应该以潮间带生态系统完整性为原则，只要海岸人工构筑物不影响潮间带生态系统结构功能完整性，则可认为其为自然海岸线，当海岸人工构筑物已影响到潮间带生态系统结构功能完整性时，才能认定为人工海岸线[1]。实际上，在人类活动干扰破坏和自然水动力冲淤过程相互作用下，海岸区域地形、地物环境十分复杂，笔者认为以下情况下，仍可以看作自然海岸线：(1)在最大高潮线以下存在非透水构筑物，但非透水构筑物体积较小，涨潮后海水能没过这些构筑物或环绕这些构筑物的海岸线，例如滩涂上修筑的桥墩、非透水岛状坝体、带有涵洞或纳潮通道的实堤公路；(2)有些淤泥质海岸，水浅滩平，围海养殖池塘聚集，养殖池塘围堰一般为淤泥质土坝，坝低坡缓，坝外海域滩涂仍然十分宽阔，坝体处于平均高潮线以上，基本不影响潮间带生态系统完整性的海岸线；(3)有些淤涨型海岸，围海或填海后，围堰或堤坝外缘处于不断淤涨状态，当海水涨潮时高潮线达不到围堰或堤坝根基线，即围堰或堤坝不影响海水涨落潮过程的海岸线；(4)海岸筑坝围塘，坝体处于平均高潮线以下，但围塘内仍为自然滩涂或废弃的养殖围塘，且涨潮时围塘内外仍具有水动力交换条件的海岸线。

海岸线所在的潮间带滩涂湿地被认为具有重要的生态功能与环境价值[29—30]，而我国目前的用海项目多聚集于潮间带滩涂湿地区域，用海项目的实施，尤其是围填海项目的实施基本都是以填埋占用潮间带滩涂湿地，破坏自然海岸线生态功能为代价。如何化解这种大规模用海活动压缩自然海岸线的生态功能问题，笔者认为美国近年来实施的湿地补偿银行可为我国海岸线生态化建设提供借鉴[31]，即所有用海项目应尽量少占用潮间带滩涂湿地，对于必须围填占用潮间带滩涂湿地的用海项目，项目建设方必须在毗邻岸线海域重新营造等面积的滩涂湿地，以保证围填新形成的海岸线达到本文界定的自然海岸线要求，实现区域自然海岸线零减少的总体目标。同时，要加大对各类生态功能受损的人工海岸线生态化建设，逐步修复无生态功能的人工海岸线、具有少量生态功能的人工海岸线等生态功能受损岸段的海岸生态功能，不断提高海岸潮间带完整性系数，直至满足自然海岸线的界定要求。

5 结论

本文以营口市海岸为例，采用GF-1卫星遥感影像结合现场调查方法，探索构建了潮间带生态系统完整性判定的理论方法，以此为基础来划分自然海岸线和人工海岸线，并根据人工海岸线潮间带生态系统完整性的受损程度，将人工海岸线细化为具有基本生态功能的人工海岸线、具有部分生态功能的人工海岸线、具有有限生态功能的人工海岸线、具有少量生态功能的人工海岸线和无生态功能的人工海岸线5种类型。在此基础上，构建了海岸线生态化指数，为海岸线类型划分及其生态化监测与评估提供技术方法。营口市海岸线研究结果表明：GF-1卫星遥感影像结合海岸潮汐过程，能够较好地提取高、低潮时刻的水陆边界线，实现潮间带完整性系数计算、海岸线类型划分和区域海岸线生态化状况总体评价。希望本文能够为自然海岸线的界定、海岸线生态化监测、生态用海模式探索及人工海岸线生态化建设等海洋生态文明建设提供思路与技术方法。

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A study on monitoring and analysis of ecological coastline based on GF-1 Satellite remote sensing images: A case study in Yingkou

Suo Anning1,2, Cao Ke1,2, Chu Jialan1,2, Yu Yonghai1,2, Wang Quanming1,2, Guan Daoming1,2

(1.NationalMarineEnvironmentMonitoringCenter,Dalian116023，China；2.KeyLaboraryofSeaFieldManagementTechnology,StateOceanicAdministration,Dalian116023,China)

Coastline is boundary line of land and sea, it is also an ecotone between land ecosystem and marine ecosystem. This paper employ GF-1 Satellite remote sensing images to monitor land boundary line at time of high tide and low tide, and create a tidal zone completeness index. The coastline is divided into natural coastline, artificial coastline with basic ecological function, artificial coastline with part ecological function, artificial coastline with limited ecological function, artificial coastline with few ecological function and artificial coastline with none ecological function based on tidal zone completeness index. Then the ecological index of coastline is established to evaluate the ecological condition of coastline in regional scale. The coastline in Yingkou is dominated by artificial coastline with none ecological function, natural coastline and artificial coastline with few ecological function. Their length is account for 45.74%, 18.31% and 15.53% of total coastline in Yingkou. The ecological index of coastline for total region is 0.29, and exist difference in sub-regions of Xicheng, Liaobian, Gaizhoubei, Bayuquan, Gaizhounan with value of 0.55, 0.17, 0.40, 0.10 and 0.55.

coastline; satellite remote sensing images; tidal zone completeness; land boundary line; ecological function

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.013

2016-04-05；

2016-08-23。

国家自然科学面上基金(41376120)；海洋行业公益性科研专项(201005011，201405025)。

索安宁(1977—)，甘肃省庆阳市人，博士，研究员，主要从事海岸带遥感监测与评价科研与业务支撑工作。E-mail:san720@sina.com

*通信作者：关道明(1960—)，研究员，博士生导师，主要从事海洋开发资源环境监测与评价方法研究。E-mail:dmguan@nmemc.org.cn

P737；P715.7

A

0253-4193(2017)01-0121-09

索安宁, 曹可, 初佳兰, 等. 基于GF-1卫星遥感影像的海岸线生态化监测与评价研究——以营口市为例[J]. 海洋学报, 2017, 39(1): 121-129,

Suo Anning, Cao Ke, Chu Jialan, et al. A study on monitoring and analysis of ecological coastline based on GF-1 Satellite remote sensing images: A case study in Yingkou[J]. Haiyang Xuebao, 2017, 39(1): 121-129, doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.01.013