遥感技术在海岸带监测中的应用

蔡舒翔

(茂名市国土资源勘探测绘院，广东 茂名 525000)

多年来，受自然因素和人类生产活动的影响，海岸线的变化快速且复杂，对海岸带造成了不可逆的破坏，如海平面上升、海岸侵蚀和沉积等加剧功能区受损的变化。世界上近70%的海滩正在遭受海岸侵蚀，在大部分沿海地区，侵蚀速度惊人，成为一种严重的危害[1-2]。因此，实时监测海岸带的变化给海岸带的保护和修复提供了至关重要的理论依据。

随着遥感技术的快速发展，国内外众多学者利用遥感技术对海岸线变迁及滩涂围垦等开展了大量研究，并已取得了大量成果。孙孟昊等人[3]基于1979～2019年Landsat数据在青岛地区展开研究，提出了利用潮汐规律修正海岸线的方法，得到了利用潮汐规律进行潮位校正的方法可行且精度高的结论；张云芝等人[4]依托谷歌地球平台提供的时序高分辨率卫星遥感影像，提取了2010～2017年珠江河口地区海岸线信息，对不同时期的海岸线长度、类型及围海造地面积的变化情况进行了统计分析；Ghosh 等人[1]利用TM和ETM传感器获取的卫星遥感影像，定量分析了特定时期内Hatiya岛海岸带的时空变化，结果表明，该岛北部和西部侵蚀严重，南部和东部则是通过沉积作用获得土地；Li 等人[5]为了克服所获取海岸线数据在时间频率和空间分辨率存在的不足，特别是在变化很小的海岸线上，利用1984～2013年Landsat时间序列数据，提出一个新的模型在年尺度和亚像素尺度上连续监测了西佛罗里达州淤泥质海岸线的动态变化；Wang 等人[6]利用1994～2006年间的SAR数据对雅宾—帕姆利科海湾的岸线演变进行了研究。因此，本研究在前人的研究基础上，充分发挥遥感技术的时效性、时空连续性等特点[7]，利用1990～2018年的Landsat系列卫星携带的TM和OLI传感器所获取的7期卫星遥感影像，进行了黄河三角洲河口段海岸带水体面积的提取工作，并在ENVI和GIS软件的依托下，对这29年间研究区的海岸线、滩涂围垦等海岸带水体面积的动态变化进行了定性和定量分析。

1 研究区概况与数据选取

1.1 研究区概况

选取黄河三角洲的河口段作为研究区，如图1所示。黄河三角洲地处东经118°30′～119°30′，北纬37°05′～38°10′，位于山东省东部，是黄河入海口携带泥沙在渤海凹陷处沉积形成的冲积平原。由于其位置优越，形成了独特的生态类型，国家已在此建立“山东黄河三角洲国家级自然保护区”，是以保护黄河口新生湿地生态系统和珍稀濒危鸟类为主体的湿地类型自然保护区。因此，研究该区海岸带的动态变化并分析其长时间序列的动态变化规律，是黄河三角洲地区开发利用的理论依据，对黄河三角洲的空间规划具有至关重要的现实意义[8]。

图1 研究区概况

1.2 数据选取

本研究选用Landsat系列卫星携带的TM和OLI传感器所获取的7个时相遥感数据，每个时相数据的成像时间、数据类型、所涉及的波段数、空间分辨率以及云覆盖情况等详细信息如表1所示。

表1 影像数据

2 研究方法

2.1 数据预处理

为了更好地从卫星遥感影像中提取重要信息，本研究以ENVI 5.1软件为操作平台，对下载的7个时相的数据作预处理。首先，为了消除传感器本身的误差和大气散射、吸收、反射引起的误差，确定传感器入口处的准确辐射值，分别对卫星遥感影像进行辐射定标和大气校正处理。然后，为了消除传感器的形态，角度、高度等自身的不稳定性以及地球曲率、空气折射等客观条件的不确定性所造成影像的几何形变，本研究采用影像的“Image to Image”几何校正方法，以2018年黄河三角洲地区已经校正的TM卫星遥感影像为参考图像，共选取28个控制点，使用三次多项式模型和双线性内插重采样方法对7景影像进行了几何校正[9-10]。其次，基于ArcGIS 10.1平台，使用python脚本语言对预处理后的数据进行批量裁剪，获取研究区范围内的影像。最后，分别在ENVI 5.1和ArcGIS 10.1中完成数据的统计和分析工作。

2.2 信息提取

当前，区分水体与其他地物信息的方法主要有单波段阈值法、谱间关系法、指数模型法、监督分类法和决策树法，其中，水体指数法结合阈值分割提取水体较为快捷可靠，且已经成为最普遍的提取水体的方法[11]。水体指数是根据各地物在不同波段下反射率不同的特性所构成的归一化差值方法，得到归一化差异水体指数(Normalized Difference Water Index，简称：NDWI)。由绿光波段(Green)和近红外波段(NIR)计算的水体指数信息通常会因为混有建筑物等信息而出现水体提取范围和面积扩大现象。因此，采用改进的归一化差异水体指数(Modified Normalized Difference Water Index，简称：MNDWI)进行水体信息提取，MNDWI是由绿光波段和中红外波段(MIR)计算得到[12]。公式如下：

MNDWI=(Green-MIR)/(Green+MIR)

(1)

式中，由TM传感器获取的影像中，波段2表示的是Green，波段5表示的是MIR；由OLI传感器获取的影像中，波段3表示的是Green，波段5表示的是MIR。

通过计算得到改进后的归一化差异水体指数后，裁剪影像，只获取研究区域内的MNDWI，进而分析研究区水体面积演变情况。以1990年3月12日TM影像为例，研究区的MNDWI影像图如图2所示。其中，浅色部分表示的是水体，深色代表非水体部分。

图2 河口段1990年3月12日的MNDWI影像图

3 结果与讨论

3.1 水体面积变化

分别统计了研究区7个时期的MNDWI影像的水体面积，如表2所示，详细地记录了不同时期影像中像元是水体的像元个数(Npts)、研究区像元总数(Total)以及研究区内水体面积的占比情况(Percent)。此外，图3描述了这29年以来，黄河三角洲河口段水体面积的变化趋势。结合表2和图3可以看出，黄河三角洲的河口段在1990～2000年这10年期间，水体面积呈现逐年减少趋势，并且面积降低速率平稳，其速度为-0.95%/a；2000～2005年期间，水体面积略有增加，增加速度为0.53%；在2005～2010年期间，研究区的水体面积呈现出明显的增长趋势，其增长速度为1.71%；河口段在2010～2018年期间，水体面积呈现持续减少趋势，降低速度先快后缓慢，几乎接近不变的状态，这8年里，降低的平均速度为0.68%。

为了更清楚、更形象地表示黄河三角洲河口段水体面积的变化情况，列出了研究区在7个不同时期的水体面积分布影像图，如图4所示。自1970年以来，黄河进行了两次改道，且对比7期影像便可以明显地发现河流方向的更改以及入海口逐步向海推进。此外，通过比较1995年与1990年陆地基本形态，可知陆地面积存在显著的增加，河流河道正在持续变长。2000年与1995年的对比结果显示由于河口段失去补给沙源，处于蚀退状态，中心河道持续变短并趋于废弃，随之增加的陆地促进了新河道的形成。2000～2005年入海沙嘴形态逐渐由“宽形”变为“楔形”，入海河流流经区域逐渐形成不同大小的水体。而2010年是这7期统计中水体面积最大的年份，陆地的中心区域出现了大面积水体。2015～2018年水体面积呈现一个收敛的趋势，陆地中心区域的水体面积逐渐减小，但仍伴随着新的大小水体的出现，并且由于水体的侵蚀作用东北方向入海河道在2018年宽度达到最大。

表2 7个时期水体面积比例

图3 1990年～2018年河口段水体面积变化趋势

3.2 成因分析

为了探究河口段水体及陆地面积变化的成因，本文结合黄河三角洲区域的人类工程经济活动等因素进一步讨论。影响黄河三角洲地区海岸线变化的自然影响因素主要分为两种，黄河泥沙淤积和海水动力侵蚀[8]。1990～1995年，黄河入海口的三角洲随着河流的搬运抵达渤海，并且沿东南方向弯曲，三角洲较1990年更窄更长。1996年6月，黄河三角洲经历了第二次改道，原三角洲地区黄河的河道被封锁，工程措施迫使河流向东北方向偏转，2000年影像图显示三角洲河流已转至东北方向。由于黄河携带泥沙量巨大，东北方向新形成的半岛在5年时间范围内不断扩大，到2005年就可以发现新半岛的面积基本上就与原三角洲相当。在随后的五年，由于经济区、港口、人工养殖等的不断开发、建设、围垦，导致人工海岸线占比越来越高。相比之下，受黄河三角洲自然保护区建设的实施影响[13]，使得在2010年研究区的水体面积占比呈现了增加趋势。到了2015年，黄河三角洲由于黄河泥沙淤积继续增长，而旧的河口仍不断萎缩，并且新的河口又在尾端分隔成两条河。随后的三年，由于海水的动力侵蚀作用，黄河的河道不断拓宽，但由于泥沙淤积黄河尾闾不断抬高，加之黄河来水以及来沙量的减少，黄河三角洲的推进速率变得缓慢。

图4 研究区在7个不同时期的水体面积分布影像

4 结 论

利用1990～2018年7个时相的卫星遥感影像对黄河三角洲的河口段水体面积在29年里的变化进行了监测与分析，通过对研究区水体与非水体的变化可以看出，卫星遥感技术足以实现水体面积演变以及海岸线变迁的研究分析。本研究结果表明，1990～2000年期间，河口段水体面积逐年匀速连续降低，海岸线逐渐向前推移；2000～2010年期间，随着黄河三角洲自然保护区的建设，研究区水体面积呈上升趋势，并且在2010年达到29年里的峰值；随着人类生产活动的增加，人工海岸线占比不断增加，使得研究区内水体面积再一次持续降低，后又接近平稳状态。在这29年里，黄河三角洲河口段的水体面积呈现了降低—增长—降低—平稳的特点。