基于Landsat影像的福州市海岸线变迁特征分析

林 旺，付石林，秦艳芳，马晓钐，何 媛

(闽江学院海洋学院， 福建 福州 350108)

0 引言

海岸线是海陆分界线，由地质因素、河流海洋沉积物淤积、气象条件、海洋条件以及人类社会经济活动耦合作用形成[1-4]。海岸冲淤、海平面上升等自然变化和人工堤坝、围垦、采砂等社会因素的变化都会导致海岸线的变迁[5-6]。海岸线的变化会直接改变潮间带滩涂资源量及海岸带环境，从而改变海岸带多种资源与生态过程，影响沿海人民的生存和发展[7]。因此对海岸线的变迁进行分析，了解海岸线变迁的趋势，对港口建设、围垦、养殖、旅游和海岸能源等自然资源合理开发利用有着十分重要的意义[8]。

近年来在海岸线变迁方面的研究成果较为丰富，新的海岸线提取方法不断提出。相较于传统测绘方法，利用遥感影像提取海岸线具有快速、准确、实时的优势[9-11]。目前，海岸线的遥感提取方法主要是针对水陆边界的提取，其中人机交互法[12-13]、多光谱分类法[14]、指数阈值法[15]等运用较多。随着海岸线提取方法不断地成熟，有许多学者对于海岸线的变迁特征也进行了不同程度的研究，目前主要集中在岸线长度变迁、海陆面积变化、岸线类型转变及曲折度/分形维数变化等[16]。

本研究利用4期Landsat遥感影像数据，通过谱间关系法，提取了近25年福州市的海岸线矢量数据，并对海岸线的变迁特征进行深入分析，为福州市合理开发海岸线、推进海岸带资源的可持续利用提供数据参考。

1 数据获取与研究方法

1.1 数据获取与预处理

使用Landsat遥感影像(30 m分辨率)作为基础数据源，并利用福州市1963年1∶10万地形图和福州2015年1∶100万行政区划图(来源国家基础地理信息中心：www.ngcc.cn)作为辅助数据。本文尽可能选择海岸线区域无云雾覆盖的影像，确保海陆界线清晰可辨，同时注意相邻两幅影像选择相近时段或同一季节以保证数据的一致性和可比性。所选卫星遥感影像均来自地理空间数据云网站(www.gscloud.cn)其具体参数如表1所示。

表1 1994—2018年福州市影像数据源Tab.1 The chosen remote sensing images of Fuzhou during 1994-2018

首先对遥感影像进行大气校正，以获取各类地物的正确光谱曲线特征；其次，以2018年遥感影像为准，对其他几期影像进行几何精校正，以保证各期影像在空间上的一致性；再对影像进行增强处理，使水陆边界显示更为清晰；最后对同一时期不同行列号的影像进行拼接、裁切处理，获取覆盖研究区范围的整幅影像数据。

1.2 海岸线提取与属性赋值

采用谱间关系法[17-18]提取福州市的海岸线，利用水体具有的独特谱间关系特性计算水体指数，并结合阈值法分割水体和陆地，如下所示：

(GREEN+RED)-(NIR+MIR)>x

(1)

式中，GREEN、RED、NIR、MIR分别表示Landsat遥感影像的绿、红、近红外、中红外4个波段的地面反射率，x表示分割水体和陆地的阈值，可通过影像上水体指数的统计特征选定。

首先，利用该方法提取得到的海岸线会将图像上部分陆地水域(河流、湖泊等)和少量云、阴影等地物边界也提取出来，需要通过目视解译进行筛选只保留陆地和海域的边界数据，并将其转换为矢量线数据。其次，对提取的矢量线进行平滑、简化，结合早期地形图和奥维地图软件的高清影像进行人工修订，最终获取4期福州市海岸线矢量数据。最后，根据早期地形图中海岸线的属性类别进行分类，并结合奥维地图软件的高清影像，对不同时期的海岸线进行分段属性赋值。将海岸线分自然岸线与人工岸线两大类，自然岸线包括基岩岸线、沙质岸线、岛屿岸线、淤泥质岸线，人工岸线包括建设围堤、农田围堤、养殖围堤、防护岸线[19]。

1.3 海岸线变迁特征分析

为对比福州市不同区域的海岸线变迁特征，本文将整个海岸线分为福清、连江、罗源、闽江口、平潭、长乐6个部分，分别从整体和各部分进行对比分析，技术路线如图1所示。

图1 海岸线变迁特征分析技术路线Fig.1 Analysis of the characteristics of coastline changes technology roadmap

1.3.1 变迁强度。通过计算同一区域在某个时间段的海岸线长度的年平均变化百分比来表示该区域的海岸线变迁强度[20]，利用岸线的变迁强度可对福州市及各区域海岸线的长度变迁进行分析，具体计算如下所示：

(2)

式中：LCIij表示某一区域从i年至j年的海岸线变迁强度，Li、Lj表示同一区域不同时间的海岸线长度，LCIij的绝对值越大表示海岸线变迁强度越大。

1.3.2 曲折度。海岸线分形维数作为岸线空间形态的数学表达，可以用来描述岸线的弯曲度和复杂程度。参考已有研究成果[21]，首先确定不同的网格边长(r)，生成覆盖研究区海岸线的全部正方形面状网格，并统计出海岸线穿过的面状网格个数(N)，最后在对数坐标系中对lnN、lnr进行线性回归，得到lnN-lnr的平均斜率，其绝对值即为所求的分形维数。

由于使用的遥感影像数据的分辨率为30 m，因此网格的边长(r)选取30的整数倍300、600、900、1 200、1 500、1 800、2 100、2 400 m来计算分形维数，分形维数值越大说明海岸线曲折度越大。

1.3.3 陆地面积变化。由于海岸线不是闭合的曲线，因此将海岸线与福州市及沿海县市的行政区划内陆边界结合形成闭合多边形，得到各行政区域的陆地范围，用来分析因海岸线变迁导致的陆地面积变化。

1.3.4 岸线人工化指数。然海岸线在人类活动的影响下转变为人工岸线的过程即岸线的人工化过程，人类活动对岸线的影响程度也可以用岸线人工化指数[15]来表示，具体公式如下所示：

(3)

式中：M表示区域内人工岸线长度；L表示该区域内岸线总长度；R表示岸线人工化指数，R值越大，代表区域内海岸线的人工化程度越高。

1.3.5 岸线开发利用强度。岸线开发利用强度[20]能定量表征不同海岸类型对海岸带资源环境的影响程度，具体公式如下所示：

(4)

式中：A为岸线开发利用强度；n为岸线类型数量；li为研究区内第i种岸线类型的长度；Pi为第i类岸线的资源环境影响因子(0

本文根据参考文献[20]确定了福州市各类型海岸线的资源环境影响因子，如表2所示。

表2 各类型岸线的资源环境影响因子Tab.2 Resource and environment influencing factors for each type of coastlines

1.4 福州市海岸线分析结果

1.4.1 福州市海岸线提取结果。福州市4期海岸线矢量成果，如图2所示。福州市海岸线较为曲折且周边零散分布着众多岛屿，近年来福州市海岸线不断向海推进，部分区域的海岸线明显呈现出由曲变直的特征，变化最为显著的区域主要分布在罗源(A)、长乐(B)、平潭(C)、福清(D)等地。

1.4.2 岸线变迁强度分析。根据式(2)计算出福州市各期海岸线的变迁强度如表3所示，可见整体海岸线呈缩短的趋势，年平均缩短3.47 km。

1994—2002年期间，海岸线长度变化最明显的区域有罗源和长乐两地，年均变迁强度分别为-1.38%和-1.45%，主要与罗源湾金港工业区建设围填海和闽江口湿地公园生态修复工程有关。2002—2010年期间，海岸线长度变化最明显的区域是平潭，年均变迁强度为-1.03%，主要与平潭西岸围填海有关。2010—2018年期间，福清地区岸线呈明显缩短趋势，岸线年均变迁强度为-0.38%，但长乐地区明显增长，年均变迁强度为1.62%。

表3 1994—2018年福州市整体与各部分海岸线长度变化Tab.3 The length changes of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

1.4.3 岸线曲折度变化分析。如表4所示，在自然因素和人类活动的综合作用下，25年间福州市海岸线整体的平均分形维数为由1.153 2减少为1.144 9，整体变化不大。其中，1994—2002年间，全市及各区域的岸线分形维数均呈减小趋势，说明岸线曲折度变小，尤其是长乐地区变化最为明显。2002—2010年间，除连江和闽江口外其他各区也呈减小趋势。曲折度的降低，与围填海、港口建设等密切有关，原本曲折弯曲的自然岸线转变为相对平直的人工岸线。

表4 1994—2018年福州市整体与各部分海岸线分形维数Tab.4 The fractal dimension values of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

而在2010—2018年间，除连江和福清之外，全市岸线分形维数呈微弱增大趋势。其中，罗源与长乐地区的分形维数上升较高，主要是由于该时期罗源湾与长乐地区分别建设了鲁能陆岛码头和松下港口，岸线呈向外扩张的趋势，曲折程度略有增加。

1.4.4 陆地面积变化分析。各个时期不同区域的陆地面积如表5所示。1994—2018年间，福州市陆地面积总计增加了118.67 km2，陆地面积逐年增长，说明近25年来海岸带人为开发活动越发明显，围填海工程不断进行。其中，平潭综合实验区近25年来由于大型的填海造地工程与港口建设使得平潭地区的陆地面积总计增加19.13 km2；福清地区近年来不断加强对于兴化湾北岸的港口建设，岸线逐步向海推进，陆地面积总计增加47.69 km2。

表5 1994—2018年福州市整体与各部分陆地面积变化Tab.5 The land area variation of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

1.4.5 岸线开发利用强度变化分析。借助早期地形图与奥维高清影像等，将海岸线进行属性赋值，并计算出各个类型岸线的长度，如表6。可以看出，近25年来福州市的人工海岸线在逐年递增，自然岸线在不断地减少。从整体上来看，沿海的港口建设等围填海活动对于福州市海岸线变迁的影响较大，建设围堤由1994年的38.42 km升至2018年的129.93 km。

表6 1994—2018年福州市整体与各部分海岸线类型及长度Tab.6 The type and length of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

1)岸线人工化指数。通过式(3)计算出福州市海岸线及各个区域的人工化指数，如表7所示。得出岸线人工化指数整体呈上升趋势，岸线的开发强度不断上升，人工化指数从0.23提升至0.34，纵观福州市各个区域的岸线人工化指数，也都呈上升趋势，可见各个分区的海岸线都受到人为活动的影响。

表7 1994—2018年福州市整体与各部分海岸线人工化指数Tab.7 The artificialization index of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

2)海岸线开发利用强度。根据式(4)，计算了福州市海岸线开发利用强度，如表8所示。可以看出福州市海岸线开发强度不断上升，由1994年的0.21上升至2018年的0.28，人类活动对岸线的影响程度不断提高。在2002—2010年期间，福州市海岸线开发利用强度提升了0.05，相比于其他时期岸线的开发程度较大。在1994—2002年，长乐地区开发利用程度下降，主要是由于闽江口湿地公园生态修复工程和淤泥质岸线的增加导致的。

表8 1994—2018年福州市整体与各部分海岸线开发利用强度指数Tab.8 The development/utilization intensity index of the whole Fuzhou and each part coastline during 1994—2018

综上所述，福州市海岸线的人工化指数与岸线开发利用强度都在逐年递增。岸线人工化指数体现了福州市海岸线中人工岸线的占比程度，而岸线开发利用强度代表了人类活动对于海岸线的影响程度。两者结合，更能够体现出人为因素对于海岸线的影响，两者的变化趋势也较为吻合，均表现出人为因素对于海岸线的影响逐年递增，尤其是2002—2010年间人工化指数与岸线开发利用强度的变化量都达到了最高。

1.5 福州市海岸线变迁驱动因素分析

1.5.1 自然因素。自然因素主要有板块运动、地质演变、岸线侵蚀等，引起这些变化的周期都相对较长。由于自然因素引起的岸线变迁痕迹不明显，在影像上很难找到受自然因素影响而变化的区域。因此，对于自然因素对福州市海岸线变迁的影响，本文不做讨论。

1.5.2 人为因素。近年来福州市陆地面积逐年递增，总增长了118.67 km2，可见福州市海岸线呈向海扩张趋势。福州市海岸线曲折度呈减少趋势，1994—2010年岸线曲折度呈减少趋势，在2010—2018年岸线曲折度上升，分形维数总体减少0.003。福州市岸线人工化指数与岸线开发强度都是逐年递增，可见人工岸线在不断地增加。综上所述，人为因素是造成福州市海岸线变化最主要的原因。主要驱动因素有以下4点：

1)政策因素。福州不仅是沿海开放城市之一，也是“海上丝绸之路”的重要城市之一。在20世纪90年代初，福州市委、市政府在平潭推出了“海上福州”的发展战略。在2004年《福州港总体布局规划》审批通过，规划中重点提出建设江阴、罗源湾、松下3个外海港区和闽江口内港区。

2)人口因素。世界上有着约60%的人口居住在沿海地区，沿海地区具有较好的经济条件且发展迅速。根据福州市统计年鉴，2017年福州市人口达到了766.46万人，其中沿海地区人口占了46%[22]。福州市沿海地区的人口占比几乎达到了福州市总人口的一半，人口的增加代表着海岸线地区开发程度的增加。

3)港口码头建设。近年来“海上福州”战略构想的实施，推动了沿海区域的发展，作为“海上丝绸之路”的重要城市之一，福州市各个区域的沿海港口的建设成为福州市海岸线变迁的重要原因。综合岸线类型变化，近年来福州市建设围堤呈上升趋势，由1994年的38.42 km升至2018年的129.93 km。在25年间，福州市不断的新建沿海港口码头，引起福州岸线变化明显的主要港口建设有罗源湾的狮岐码头、连江的可门港、长乐松下港、平潭金井码头和福清江阴港等。由于大型的围填海工程，岸线明显向海推进，岸线的长度，曲折度，区域陆地面积，岸线类型都在不同程度上产生变化。

4)工业区、新城区建设。除了港口码头的建设，大型的工业区和新城区的建设也是引起福州市岸线变迁的原因之一。福州作为沿海开放城市之一，近年来也注重于推动各个区域的经济发展，如罗源湾的金港工业区、平潭综合实验区等，这些大型的围填海工程对海岸线的变迁有着十分明显的作用。

2 研究结论与展望

本文利用RS和GIS技术分析了福州市1994-2018年海岸线长度、分形维数及陆地面积时空变化特征，引入岸线人工化指数、岸线开发强度指数分析了福州市海岸线人为因素对海岸线变迁的影响，综合反映了福州市海岸线的变迁特征及开发利用状况。

根据结果显示福州市海岸线近年来变迁特征明显，海岸线逐年缩短，不断向海推进，全市岸线长度的平均变迁强度为-0.22%；海岸线由向内弯曲逐渐向外扩张，海岸线的曲折程度不断下降，平均分形维数为1.147，近25年间分形维数下降了0.008；福州市陆地面积逐年增加，年均增加约4.9 km2；岸线人工化指数与岸线开发利用强度不断上升，各个区域海岸线都在不同程度上受到人类开发活动的影响，人工岸线的长度在不断地增加。

引起岸线变迁的主要因素是人类活动，近年来福州市加强了对福州市沿海地区的建设，港口码头的建设对于福州市海岸线的影响最为明显。在人为活动的作用下，海岸线逐渐由曲折变为平直，人工岸线日益增多，自然岸线逐渐转变为人工岸线，且大都是不可转变的。总的来说，福州市海岸线的变迁主要是由于人为因素的影响，而自然因素的影响很少。

由于Landsat遥感影像的获取时间每天都是相对固定的，但潮汐位的变化使得每天同一时间的海平面往往不在同一高度，这就导致不同时期获取的遥感影像，其瞬时海岸线是不在同一潮汐位的，也为海岸线的提取带来了一定的误差。要减小这一误差，需要将潮汐的影响考虑在内。