最优分割尺度下盘锦海岸线的时空变迁

付杰,宋伦,雷利元,李京忠

(1.辽宁省海洋水产科学研究院 大连 116023;2.许昌学院城市与环境学院 许昌 461000)

0 引言

《海洋学术语:海洋地质学》(GB/T 18190-2000)将海岸线定义为海洋与陆地的分界线,在我国系指多年大潮平均高潮位时的海陆分界线。精准提取海岸线是海岸带调查的重要内容,充分利用现代、先进和成熟的航空摄影测量、高分辨率卫星遥感、无人机正射影像获取等遥感和地理信息手段快速获取海岸线信息,并对其变化情况进行统计、分析和评价,对于研究海岸带生态系统的结构和功能以及促进海岸带经济、社会和生态的协调发展具有十分重要的现实意义。

海岸线提取是海岸线监测的必要工作。与传统海岸线探测手段相比,遥感技术以高时效、大范围和动态性等优势逐渐成为高效快捷的海岸线提取技术。Tigny等[1]利用1977-2000 年的卫星数据,分析意大利塞丁尼亚西海岸的海岸线变迁情况,并预测海岸线的演化趋势;王靖雯等[2]针对潮间带遥感监测中存在的时相限制的“瓶颈”,依据卫星过境时的潮位信息建立潮位改正模型,将自动提取的瞬时水边线校正至平均高潮线位置;倪绍起等[3]利用机载LiDAR 系统获取的正射影像瞬时水边线,结合该系统提取的DEM,利用已知控制点建立高程系统转换模型,通过潮汐模型反推研究区的海岸线;王建步等[4]通过人工建立不同类型的海岸线遥感解译标志,开展30余年来辽河口海岸线的遥感变迁研究。

上述海岸线提取方法尚处在遥感图像人工解译和基于像素的光谱自动分类阶段。本研究采用面向对象的多尺度分割技术,提出基于局部方差变化率的算法,计算水体对应的最优分割尺度,确定水边线,并通过潮汐改正提取辽宁盘锦1990 年、2002年、2013年和2018年4个时相的海岸线;借助数字岸线分析系统,结合GIS空间分析技术,系统研究1990-2018年盘锦海岸线的长度、变化距离和变化率以及海岸带向海推进面积等的时空变化特征及其驱动因素,为辽河口“退养还滩”湿地生态修复专项整治行动以及辽东湾新区“港产城校”联动发展战略提供科学的决策支持。

1 研究区和数据源

1.1 研究区

盘锦地处辽西中部的辽河三角洲中心地带,海岸带蕴藏丰富的渔业资源、湿地资源、旅游资源、油气资源和港口资源。原始岸线类型以淤泥质自然岸线为主,经港口和新城建设,目前多为港口岸线和围填海岸线等人工岸线。根据辽东湾新区和辽河口生态区的建设需求,盘锦东部的养殖圈已全部退出,西部沿海正在开展“退养还滩”湿地修复工作,以期保护湿地资源环境、恢复滩涂湿地自然生态以及改善滩涂湿地生态环境。

根据盘锦海岸带的开发利用程度,本研究划分4个研究区,即辽河口、临港工业区、盘锦港区和辽滨主城区。①辽河口有河海交汇景观、芦苇荡景观和红海滩景观,海岸线从大凌河口东侧至二界沟渔港新港区南侧;②临港工业区以海洋装备制造、石油精细化工、综合工业和科技产业四大支柱产业为主体,海岸线从西防波堤主体工程北侧至盘锦港荣兴港区西侧边界线;③盘锦港区以发展大型临港产业为依托,重点发展油品、液体散货、粮食和集装箱等货物运输,已逐步发展为多功能和现代化的综合性港口,海岸线从盘锦船舶工业基地海上引堤工程至东防波堤主体工程;④辽滨主城区是市政府、新区管委会和大学城文体中心所在地,海岸线从盘锦港保税物流区东侧天山路至大辽河口南侧盘锦与营口海域分界线。

1.2 数据源

本研究的数据源选用1990-2018 年的Landsat遥感影像,各年份对应的传感器类型分别为1990年TM 影像、2002年ETM+影像、2013年OLI影像和2018年OLI影像,每个年份选取同年的2期影像,用于水边线提取和潮位改正计算。搜集2002年的1∶5万地形图,比例尺精度为5 m,主要用于影像的几何精校正和提取海岸线的精度评价。搜集12.5 m 分辨率的DEM 进行正射校正,对研究区影像同时进行倾斜改正和投影差改正。

2 研究方法

2.1 技术路线

海岸线提取和变化研究主要包含4 个部分:①Landsat数据预处理的目的是获取高空间分辨率的正射影像图。对影像进行辐射定标、大气校正和几何配准,配准误差在1个像素之内;采用DEM 数据进行正射校正后,将不同传感器的多光谱以及与之对应的全色波段进行波段融合。②获取最优分割尺度。定量计算影像分割后的局部方差变化率,直观显示局部方差变化率随分割尺度的变化曲线,曲线对应的峰值即指向最优分割尺度。③采用面向对象的隶属度分类提取水边线并进行潮位改正,解译4个时相的海岸线。④分析海岸线的长度、变化距离、变化率、向海扩张面积和驱动力。

2.2 最优分割尺度获取

图像分割是面向对象分类技术中最基础和重要的问题,本研究采用多尺度分割算法,可在给定尺度获得较好的地物斑块提取效果。多尺度分割是自下而上的分割方式,其目的是实现分割后影像对象内部异质性的最小化。在分割过程中须综合考虑分割尺度和同质性准则组合参数(形状因子)。其中,分割尺度是核心,分割尺度越大,分割得到的对象数量越少,地物类别处于“欠分割”状态;而分割尺度越小,分割得到的对象数量越多,地物类别处于“过拟合”状态。形状因子决定形状异质性相对于光谱异质性的加权百分比,包括光滑度和紧致度2个因子[5]。

影像对象总异质性的计算公式为:

式中:f为影像对象的总异质性,由光谱异质性和形状异质性的加权平均值构成;h为异质性;W为权重。光滑度(smooth)与紧致度(compact)之和以及光谱(spectrum)与形状(shape)权重之和均为1。

引入局部方差变化率,用于评价不同尺度分割结果的整体最大异质性。利用ESP 2 模块[6]确定最佳分割尺度,使分割对象内同质性最大且对象间异质性最大。计算公式为:

式中:LV 为局部方差;ROC-LV 为局部方差变化率;m为影像对象总个数;CL为单个影像对象在第L波段的亮度值;CL为所有影像对象在第L波段的亮度均值;LVL-1为以L目标层为基准的下一层局部方差。

2.3 隶属度分类

隶属度分类属于规则分类,与阈值分类相对应,是模糊逻辑分类器。本研究通过选择合适的特征,利用隶属度函数建立模糊分类判别规则,实现影像对象分类。分类中用于区分海洋与陆地的指数是改进的归一化差异水体指数,该算法被证明为有效的提取水边线算法[7]:

式中:MNDWI为归一化差异水体指数;pGreen为绿色波段亮度值;pMIR为中红外波段亮度值。

采用上述方法建立类描述的隶属度函数,在将海陆分离后导出水体的线状矢量图层,所得结果即水边线。

2.4 潮位改正

面向对象分割分类后提取的是卫星过顶时的瞬时水边线,然而盘锦地势平缓,除人工岸线受潮汐影响较小外,淤泥质岸线的微小水位差距即会对海岸线造成较大的偏差[8]。因此,须对研究区的淤泥质水边线进行潮位改正,从而获取准确的海岸线位置。

潮位改正即根据卫星成像时刻的潮位高度、平均大潮高潮位高度和岸滩坡度角等信息,计算水边线至高潮线的水平距离。其中,岸滩坡度角的计算公式为:

式中:θ为岸滩坡度角;h1和h2分别为同年内2期影像卫星过顶时的潮位高度;ΔL为提取的瞬时水边线的水平距离。

潮位改正距离的计算公式为:

式中:L为潮位改正距离;H为平均大潮高潮位高度。

本研究以根据盘锦四道沟水文站1952-1972年和2003年统计资料求得的主要潮位特征值为计算依据,以当地四道沟的理论最低潮面为基准面起算,H取值为3.32 m。卫星过顶时的潮位高度和其他潮位信息可在国家海洋信息中心提供的全球潮汐预报服务平台(http://global-tide.nmdis.org.cn)查询,历史数据可通过国家海洋信息中心编制的“年度潮汐表”获取。

根据上述潮位改正原理,结合当地验潮站的统计资料,对盘锦的淤泥质岸线进行潮位改正,并完成各期海岸线的提取。

2.5 海岸线变化分析

通过上述方法得到4个时相修正后的海岸线数据,利用基于ArcGIS平台开发的数字岸线分析系统的功能模块[9],计算海岸线的距离变化量和年变化速率,主要包括累积变化量(SCE)、净变化量(NSM)、端点变化率(EPR)和线性回归变化率(LRR)4种算法。

(1)SCE为每个断面上最远离基线和最接近基线的海岸线之间的距离,表示所有时相海岸线位置的海岸线运动的距离总变化,与时间无关。计算公式为:

式中:dj为最近海岸线与断面线的交点到基线的距离;di为最远海岸线与断面线的交点到基线的距离。

(2)NSM 为每个断面上最远年份和最近年份的海岸线之间的距离,仅与2条海岸线的获取时间有关。计算公式为:

式中:dr为最近年份海岸线与断面线的交点到基线的距离;do为最远年份海岸线与断面线的交点到基线的距离。

(3)EPR 的主要优点是计算简单,且仅需2条海岸线的数据;主要缺点是在有更多时相的海岸线数据可用的情况下,额外的信息被忽略了。计算公式为:

式中:ΔYr,o为最近年份海岸线与最远年份海岸线之间的时间间隔。

(4)LRR 根据最小二乘法拟合多时相海岸线的变化速率,其最大特点是无论趋势或精度如何变化而使用所有时期内的海岸线数据,但易受离群值的影响,且相对于其他统计方法得到的变化率倾向于低估。计算公式为:

式中:y为因变量,即海岸线与断面线交点的空间位置;a为拟合的截距;b为回归斜率即LRR;x为时间的自变量;xi为某时相海岸线的获取时间;yi为某时相海岸线与断面线的交点到基线的距离;x-为多时相海岸线的平均获取时间;y-为多时相海岸线与断面线的交点到基线的平均距离;n为所有时相海岸线的总和。

3 数据处理

3.1 最佳同质性准则组合参数

不同的同质性准则组合参数对图像分割结果的影响显著。为探究最优分割尺度,应首先寻求形状因子和紧致度因子的最佳组合。分别采用默认参数、随机参数和参数在极值状态下的方法,图像分割效果并不理想,因此在不确定分割尺度时,有必要分析不同同质性准则组合参数下分割结果的差异。

本研究采用固定单一参数因子法,将最优分割尺度假定为100,寻找其他最佳组合参数[10]。试验设计:①形状因子分别设置为0.4、0.5、0.6、0.7和0.8,紧致度因子分别设置为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8,参数配对30组,用4期影像分别参与30组分割试验;②在影像中选定2类“纯净”地物即居民地和水域,随机选取样本数分别为10个和15个,均匀布设在研究区内;③统计不同组合参数下分割的2类地物的过拟合和欠分割的样本数,计算多边形与实际地物的重叠度(重叠面积占实际地物面积的比例),并统计重叠度低于90%的样本数;④采用权重赋分法,过拟合、欠分割和低重叠度的权重比为3∶3∶4,排除分割过于破碎、分割不足和边界重叠度低的组合参数[11],并对参数组合打分,得分越低则参数组合越好,直至得到4期最佳同质性准则组合参数(得分最低)(表1)。

表1 最佳同质性准则组合参数试验结果

3.2 最优分割尺度

基于最佳同质性准则组合参数,在20～120的分割尺度范围内对4期影像开展以单位步长为1递增的多尺度分割测试,将形状因子和紧致度因子分别设置为上述4种最佳组合来计算最优分割尺度。

(1)组1(1990年,Wshape＝0.8,Wcompact＝0.6)

(2)组2(2002年,Wshape＝0.4,Wcompact＝0.5)

(3)组3(2013年,Wshape＝0.8,Wcompact＝0.8)

(4)组4(2018年,Wshape＝0.8,Wcompact＝0.5)

根据局部方差变化率随分割尺度的变化曲线,较明显的3处变化率(ROC)峰值即对应的最优分割尺度。组1 对应的最优分割尺度为35、50 和118,组2对应的最优分割尺度为49、85和91,组3对应的最优分割尺度为34、56和114,组4对应的最优分割尺度为39、69和104。

根据最佳同质性准则组合参数的试验结果,当最优分割尺度假定为100时,所得水域对象较为破碎。由于水域属于大面积分布的地物,应采用较大尺度分割,避免水域内部的浅滩分割过于破碎。因此,4期影像水边线提取的最优分割尺度为118、91、114和104。

4 结果分析

海岸线长度与尺度和基准密切相关,海岸线提取受诸多主、客观因素的制约[12-16]。遥感影像具有不同的时间分辨率和空间分辨率,且采用的大潮高潮线不同以及坐标系基准不统一,由此得到的海岸线数据毫无意义。因此,须建立统一的海岸线提取标准。

本研究的地理坐标系采用CGCS 2000坐标系,投影坐标系采用3度分带高斯克吕格坐标系(带号41 N),潮位改正采用当地平均大潮高潮线,以此提取盘锦各时相的海岸线。

根据海岸线的形态、结构和功能确定基线数量,基线可为向陆或向海一侧,但前提是不同时相的海岸线应在基线的同一侧。以横断面的最大搜索半径为长度,从基线向海岸线一侧设置断面线,确保断面线与各时期的海岸线相交。通过交点至基线的距离,结合海岸线提取日期,获得海岸线变化的时空特征。

4.1 辽河口

在辽河口西向海一侧设置基线1段,搜索半径为8.00km;在辽河口东向海一侧设置基线1段,搜索半径为12.00km;在辽河口东向陆一侧设置基线3段,搜索半径为3.00km。生成断面线的空间间隔为100m,累计生成断面线691条。

根据辽河口的基线和断面线可知:1990-2002年自然岸线减少30.94km,人工岸线增长50.78km;2002—2013年自然岸线增长5.80km,人工岸线增长30.77km;2013—2018 年自然岸线增长1.83km,人工岸线减少1.65km。2018年海岸线长度为176.16 km,其中自然岸线占比为31.16%;与1990 年相比,人工岸线的增长速度为2.85km/年,自然岸线的减少速度为0.83km/年。人工岸线增长的主要原因为辽河口西侧的自然滩涂开展围海养殖,海岸线不断向海推进;2002年后自然岸线增长的主要原因为河口泥沙淤积使淤泥质岸线向海推进,此外“退养还滩”整治修复措施也初见成效。

1990—2018年辽河口西侧海岸线变化剧烈的岸段集中在小河-三道沟-酒壶嘴;整个西侧岸段海岸线的平均变化距离为2364m(SCE)和2212m(NSM),平均变化率为79 m/年(EPR),累计多年平均回归变化率为82m/年(LRR);最大变化距离为6197m(SCE),最大变化率为221m/年(EPR),均位于盘山贝类增殖站裤裆沟管理站南侧向海推进处;最大累计多年回归变化率为240 m/年(LRR),位于小河东侧向海推进处;最大侵蚀距离为-1129m(NSM),最大侵蚀变化率为-40m/年(EPR),均位于鸳鸯沟向陆推进处。

1990—2018年辽河口东侧海岸线变化剧烈的岸段分布在红海滩风景廊道入口的人工造地工程区以及三角洲水库南侧的围海养殖区和水稻田种植区;整个东侧岸段海岸线的平均变化距离为727m(SCE)和693m(NSM),平均变化率为25m/年(EPR),累计多年平均回归变化率为24 m/年(LRR);最大变化距离为10314 m(SCE),最大变化率为369m/年(EPR),最大累计多年回归变化率为349m/年(LRR),均位于三角洲水库管理所南侧向海推进处,水库、水稻田和养殖区均在自然滩涂和河道基础上人工建设;最大侵蚀距离为-337 m(NSM),最大侵蚀变化率为-12m/年(EPR),均位于河道与干鱼沟交汇处。

4.2 临港工业区

在辽东湾新区(包含临港工业区、盘锦港区和辽滨主城区)向海一侧设置基线1 段,搜索半径为12.00km;在大辽河口西向海一侧设置基线1段,搜索半径为1.50km。生成断面线的空间间隔为100m,生成断面线为临港工业区87条、盘锦港区41条和辽滨主城区129条。

根据临港工业区的基线和断面线可知:1990—2002年双井子村南侧的自然岸线减少1.88km 即全部消失,人工岸线减少1.23km,主要原因为大规模建设养殖围堤和盐田围堤;2002—2013年人工岸线增长10.46km,主要原因为在围堤基础上开展大规模填海造地工程建设,养殖业和盐业逐步退出,海岸线持续向海推进;2013—2018年人工岸线增长12.61km,辽东湾新区填海造地工程建设结束并形成最终轮廓线。2018 年海岸线长度为35.78km,全部为人工岸线,较1990 年的增长速度为0.78km/年,主要原因为该区借助港口优势大力发展石化和海洋装备制造业。

1990—2018年临港工业区海岸线的平均变化距离为6939 m(SCE 和NSM),平均变化率为248m/年(EPR),累计多年平均回归变化率为231m/年(LRR);最大变化距离为9607m(SCE),最大变化率为344m/年(EPR),最大累计多年回归变化率为339m/年(LRR),均位于西大堤向海外缘线处;整个岸段无侵蚀和后退现象。

4.3 盘锦港区

根据盘锦港区的基线和断面线可知:1990—2002年海滨村南侧的自然岸线减少1.40km 即全部消失,人工岸线增长1.30km,主要原因为淤泥质岸线向盐田围堤岸线转化;2002—2013年人工岸线增长7.98 km,主要原因为2008年荣兴港区在海上引堤的基础上建设起步工程并于2010年开港,早期包含3 个5 000 吨级油品泊位以及3 个3 000～5 000吨级多用途泊位和航道等配套项目,海岸线随引堤向海推进;2013—2018 年人工岸线增长1.70 km,基本形成向海东防波堤与临港工业区西大堤的“双堤环抱”。2018 年海岸线长度为14.89 km,全部为人工岸线,较1990年的增长速度为0.39 km/年,主要原因为该区是盘锦转型资源型城市、拓展城市功能、优化产业结构和发展外向型经济的重要依托。

1990—2018年盘锦港区海岸线的平均变化距离为7 391 m(SCE 和NSM),平均变化率为264 m/年(EPR),累计多年平均回归变化率为296 m/年(LRR);最大变化距离为9 795 m(SCE),最大变化率为350 m/年(EPR),最大累计多年回归变化率为382 m/年(LRR),均位于某突堤码头向海外缘线处。

4.4 辽滨主城区

根据辽滨主城区的基线和断面线可知:1990—2002年大辽河口西侧的自然岸线减少1.85 km 即全部消失,斗沟子村-有雁沟村南部的人工岸线减少7.87 km,主要原因为将“凹”型自然滩涂全部“截弯取直”开展围堤养殖;2002—2013年人工岸线增长6.12 km,主要原因为养殖业全部退出后开展大规模填海造地工程建设,并基本形成3座人工岛的雏形;2013—2018 年人工岸线增长0.44 km,主要原因为建设体育场和含章湖东侧填海。2018年海岸线长度为50.94 km(含人工岛),较1990年的增长速度为1.09 km/年,主要原因为该区重点发展金融服务、现代高端商务、房地产和旅游度假等产业。

1990—2018年辽滨主城区海岸线的平均变化距离为2 462 m(SCE)和2 391 m(NSM),平均变化率为86 m/年(EPR),累计多年平均回归变化率为98 m/年(LRR);最大变化距离为8 180 m(SCE),最大变化率为293 m/年(EPR),最大累计多年回归变化率为321 m/年(LRR),均位于人工岛生态区斜坡护岸处。

4.5 海岸带向海推进面积

1990—2018年辽河口、临港工业区、盘锦港区和辽滨主城区海岸带向海推进面积分别为99.96 km2、43.96 km2、26.62 km2和26.91 km2。

1990—2002年围海养殖、围海晒盐、农田开垦和渔港码头建设等活动大量占用盘锦的潮间带和陆地湿地,海岸带向海推进面积为98.08 km2。随着船舶工业基地引堤项目的完工,盘锦港区多用途码头后方堆场建设拉开大规模填海造地工程建设的“序幕”,2002—2013年人为活动继续占用大片的自然滩涂、盐田坑塘和自然海域,海岸带向海推进面积为67.88 km2(不包含3 个人工岛形成的15.85 km2)。2013—2018年盘锦的海洋产业结构在新一轮的发展中改变,港口建设、临港工业和城镇建设等逐步替代渔业,辽东湾新区的发展已初具规模,填海造地工程建设基本结束,海岸带向海推进面积为15.64 km2。

5 精度验证

本研究采用缓冲区分析法[17]进行精度验证:对已有参考的2002年海岸线建立以1个像素为半径的缓冲区,将同期提取海岸线在缓冲区内的长度记为匹配长度,其他记为不匹配长度;建立提取海岸线的缓冲区,同样计算参考海岸线的匹配长度和不匹配长度。定量评价海岸线提取的准确度、完整度和总体精度,计算公式为:

式中:A为准确度;I为完整度;F为总体精度;TL和FL分别为提取海岸线的匹配长度和不匹配长度;FN 为参考海岸线的不匹配长度。

准确度反映海岸线提取的准确性,完整度反映正确提取真实海岸线的占比,总体精度则结合准确度与完整度。总体精度值越大,提取结果越精确。计算结果表明,本研究采用的面向对象的海岸线提取方法有效且可靠(表2)。

表2 以2002年海岸线为参考的精度验证结果

6 结语

本研究采用1990 年、2002 年、2013 年 和2018年的Landsat数据以及面向对象的方法,利用局部方差变化率算法计算水域所对应的最优分割尺度,使用隶属度分类得到水边线,通过潮汐改正提取海岸线,分析1990—2018年盘锦沿海4个研究区的海岸线长度、变化距离和变化率以及海岸带向海推进面积的时空变化特征及其驱动因素。

已有研究成果大多基于经验,通过反复试验目视判别并确定多尺度分割的重要参数(如分割尺度和形状因子),主观性较强。本研究采用固定单一参数因子法,对随机选取样本的过拟合、欠分割和重叠度进行综合评价,筛选最佳同质性准则组合参数;基于最佳同质性准则组合参数,定量计算4期影像在多分割尺度下的局部方差变化率并绘制曲线图,峰值指向水边线提取的最优分割尺度。

1990—2018年盘锦海岸线的巨大变化主要是由于资源枯竭型城市向海发展、全面转型和以港强市的政策导向作用。未来通过“退养还滩”生态整治修复措施,盘锦辽河口内集中连片分布的养殖围堰人工岸线将恢复滩涂湿地自然岸线原貌,辽东湾新区的海岸线将趋向稳定。