基于遥感影像的南通市海岸带变迁分析

周建波张云涛殷 飞

(1.靖江市国土资源局,江苏 靖江214500;2.江苏省地质测绘院,江苏 南京211102)

0 引 言

近年来,随着沿海地区环境变化和人类活动的影响,海岸带变迁剧烈。海岸线是陆地和海洋的分界线。中华人民共和国国家标准《中国海图图示》(GB/T 5791-93)给自然海岸线的定义是“研究区多年平均大潮高潮时水路分界的痕迹线”[1]。海岸线具有独特的地理形态,是海岸带最直接的表现形式。研究海岸线的动态变化特征,实现准确、高效的海岸线动态变化监测,对沿海地区的经济发展和海洋资源的可持续开发利用具有重要意义。基于遥感影像,海岸带进行变迁研究,国内外学者已有许多成功先例。孙晓宇等[2]以中国渤海湾为研究区域,通过统计渤海湾海岸线长度变化、空间面积变化等,分析了研究区海岸带的时空变迁特征,该方法弥补了海岸带变迁研究过程中的时效性差、时间分辨率低的缺陷。海岸带变迁特征的分析方法,已经从最简单的平均速率、端点速率发展成为较为复杂的线性回归分析以及空间变化的模型分析等。

本文基于GIS、RS技术,利用人工目视解译和计算机自动解译相结合的方法提取了南通市1986-2016年的6期海岸线,对南通市海岸带变迁进行了分析研究。

1 研究区遥感影像数据处理

1.1 研究区概况

南通市地处北纬31°01'—32°43'、东经120°12'—121°55'之间,位于江苏省东南部,长江三角洲入海口的北部,拥有226km的海岸线,海岸线北起盐城与南通交界的20号界碑处,南至启东市的连兴港。南通市沿岸分布着大量的滩涂资源,潮上带滩涂面积39.666 7 km2,潮间带面积1 342 km2。大量的滩涂不但提供了大量的土地资源,而且带来了巨大的经济效益,南通市也被誉为是“黄金海岸”(图1)。

图1 研究区域图

1.2 数据源及数据处理

本文以空间分辨率为30 m的Landsat TM、ETM+和空间分辨率为15 m的Landsat OLI共6个时期12景的南通市卫星遥感影像为数据源,以2016年拍摄的空间分辨率为2.5 m的1景ALOS江苏省卫星遥感影像作为校正影像的基准影像;以南通市相关的各类地理信息数据作为参考资料。遥感卫星在采集地面数据时会受到传感器自身误差、卫星姿态、飞行高度、气球曲率、大气辐射等因素的影响,这些误差很大程度上降低了数据质量,影响了分析地物信息的精度[3]。需要对影像进行预处理,消除在影像获取过程中带来的误差影响,并通过镶嵌与裁剪,得到完整的南通市海岸带遥感影像。最终得到江苏省南通市近30年6期海岸线叠加图(图2)。

图2 南通市6期海岸线叠加图

2 海岸带变迁分析

2.1 海岸线长度变化分析

根据江苏省南通市1987-2016年6期海岸线,计算各时期海岸线总长度(图3)。1986-1996年海岸线长度呈现缩减趋势。2006—2016年,以江苏南部为首的沿海地区迅速发展,海岸线累计增长65.21 km,占2006年海岸线全长的31.52%。

图3 1986—2016年海岸线长度变化折线图

为了更加直观地分析近30年南通市各类海岸线的变化幅度,本文采用任意时期内不同类型的海岸线长度的年均变化率来表示各类型海岸线的变化强度[4]:

式(1)中,LCI ij表示第i年到j年所选的海岸线长度的变化强度;L i、L j分别表示第i年和第j年所选的海岸线的长度。

根据式(1),计算得到南通市近30年不同类型海岸线长度的变化强度(表1)。

表1 海岸线长度变化强度/%

2.2 基于分形维数的海岸线变化分析

“分形维数”能够度量复杂形体的不规则性,海岸线受到自然因素和人为因素等多种因素的影响。将南通市海岸线的分形维数作为海岸线变迁的分析依据,具有重要意义。

分形维数的计算模型主要有量规法、网格法和随机噪声法等。本文基于ArcGIS平台,利用网格法计算海岸线的分形维数。网格法的基本原理是利用不同长度的正方形网格连续并且不重复地去覆盖被测量的海岸线,当网格的长度r取不同值时,覆盖整条海岸线所需要的网格数目N(r)则相应会出现不同的变化[6]。理论公式如下:

对式(2)两边同时进行对数运算,得到:

式(3)中,D表示分形维数,C是常数。通过计算一系列的r值和相对应的N(r)值,通过拟合,就可以求得分形维数D。分形维数D越大,则表示所分析的岸线曲折度和复杂程度越大。本文所使用的遥感影像空间分辨率为30 m,网格的长度r取值则为30的倍数,取30 m、60 m、90 m、120 m、150 m、180 m、210 m、240 m、270 m 和300 m作为网格的长度,通过建立以上10个网格长度指标的格网,覆盖需要分析的海岸线,并统计覆盖整条海岸线所需要的网格数目N(r)。最后根据式(2)利用最小二乘的方法进行拟合和回归分析,便可得到所分析海岸线的分形维数(表2)。

表2 各时期海岸线分形维数统计

通过网格长度r与网格数目N(r)进行线性拟合,计算得到拟合系数R2均为0.999 9,表明分形维数质量可靠,数值精确可以使用。许宁等[7]计算了1980—2015年中国大陆海岸线的分形维数,其中,1980年江苏省海岸线的分形维数为1.009 2,海岸线的分形维数逐年增大。本文使用网格法计算的分形维数显示,1986年分形维数为1.014 1,此后逐年呈现增大趋势,到2016年,分形维数为1.037 2,符合许宁等的研究成果。

3 结 语

本文主要基于GIS和RS技术,利用ArcGIS和ENVI遥感数据处理平台,提取了1986-2016年6个时期的南通市海岸线。从各时期海岸线的类型分布、长度变化、空间变迁及分形维数多个角度进行了分析研究,主要结论如下。

(1)1986—2016年间,南通市海岸带面积主要以向海扩张为主,累计扩张面积约为637.237 7 km2,扩张速率21.243 km2/a。南通市岸线类型转化情况比较剧烈,主要是淤泥质岸线减少,人工岸线增加,各类型岸线变迁主要是从自然岸线向人工岸线转化。

(2)南通市海岸线的分形维数基本呈增长趋势,人类的海岸开发是导致海岸线分形维数剧烈波动的主要原因。

(3)南通市海岸带受到自然因素和人为因素双重作用的影响,基于分析结果,人类的近海活动是造成南通市海岸带变迁的最主要的驱动因素。