基于Landsat影像的连云港1984—2018年海岸线时空变化分析

刘惠惠，车向红，李丽，徐胜华，刘纪平

(1.江苏海洋大学，江苏 连云港 222023；2.中国测绘科学研究院，北京 100036)

0 引言

海岸线处于海洋与陆地的交汇处，载负着丰富的环境信息[1]，对于海岸带资源使用、管理、保护和规划具有十分重要的意义[2]。20世纪50年代以来，东部沿海地区开发力度加大，人口迅速增长且社会生产力不断提高，土地利用方式发生了转变，海岸线受此影响不断变化，主要变化表现为岸线侵蚀与海水后退，生态环境也遭受了一定程度的破坏[3]，因此土地利用变化与海岸线变化的研究也逐渐成为关键而迫切的研究课题。

90年代以来，我国开展图像处理技术和海洋信息提取及海洋应用研究，取得的进展巨大[4]。利用卫星遥感图像实现海岸线的动态监测已经成为遥感应用的一个重要方向，国内外学者已经开展了大量的算法研究和实际应用。冯永玖等[5]使用迭代自组织数据分析技术(iterative self-organizing data analysis technique，ISODATA)从遥感数据中提取不同时期海岸线，并计算比较了海岸线长度和分形维数等指标，对岸线变化的驱动力进行了分析。夏真等[6]选用大亚湾海区TM数据，经过叠加对比等研究，讨论了海岸线变迁程度以及海岸类型和人类活动的关系。而土地利用/覆被变化与海岸线的变迁都是表征人类活动对地球表层系统影响的最直接的表现形式[7]，但目前对海岸线变迁的研究成果陈旧，因此开展土地利用变迁与海岸线变迁的相互关系研究刻不容缓。

连云港为国家首批对外开放的滨海城市之一，对其海岸线的研究存在成果少且时间序列不足、忽视了土地利用情况进行客观分析等问题。因此，本文选取1984—2018年共8期的美国陆地资源卫星(Landsat)系列数据(1984年5月7日、1989年8月9日、1993年11月24日、1999年6月18日、2003年3月9日、2008年3月14日、2013年12月1日、2018年4月19日)，利用ArcGIS与ENVI平台对连云港市海岸带进行解译、提取，使用分形模型对连云港海岸线的变化趋势进行分析，并对2000、2010、2020年3期30 m空间分辨率的全球土地覆盖数据(GlobeLand 30)采用土地利用程度综合指数、转移矩阵法进行分析，对海岸线变迁与土地利用变化的相互关系进行探究。本文的研究对连云港海岸线保护和恢复具有重要的科学参考意义。

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

本文研究区为江苏省连云港市海岸带。连云港位于中国大陆东部沿海，地处江苏省东北部，是江苏省海洋经济的主要来源之一，介于118°24′E～119°48′E，34°N～34°07′N之间，土地总面积约7 615 km2，辖区海岸带狭长曲折，北起苏鲁交界的绣针河口，南至灌河口，其海岸线主要用于旅游、海水养殖、港口码头、工程用海等，拥有江苏省最大海港连云港港口[8]。具体的研究区范围为沿连云港海岸线向陆延伸10 km、向海方向延伸5 km。

1.2 数据源及预处理

本文所采用数据主要有遥感影像数据以及土地利用数据，遥感影像数据为Landsat数据，土地利用数据选用GlobeLand 30数据。

1)Landsat数据。本文所采用的Landsat数据空间分辨率为30 m，来源于地理空间数据云官网(http：//www.gscloud.cn/)。在保证影像少云覆盖的条件下，若某期影像缺失或是质量不佳，则在该期前一年或后一年的影像数据中选择质量优且契合度高的影像，最终共下载1984—2018年间满足要求的Landsat 5、7、8影像数据共8景，具体的影像信息如表1所示。

表1 影像数据详细信息

由于研究区由所选用影像的一幅覆盖，因此无需进行“影像镶嵌”，可直接在ENVI中进行辐射定标、大气校正，随后对处理后的遥感影像进行矢量裁剪。

2)GlobeLand 30数据。本文采用的GlobeLand 30数据空间分辨率为30 m，产品配准精度达1像素，分类误判率低于10%，显著高于其他全球地表覆盖产品，被联合国有关机构评价为世界上首套高分辨率全要素全球地表覆盖数据产品和全球性的重要基础数据[9]。

本文研究区在此数据分区编号系统中跨两区，所下载的数据为V2000、V2010、V2020的N50_30、N50_35分幅数据，共计6幅。由于研究区外冗余数据较多，需要对冗余数据进行剔除，以获取研究区范围内的土地覆盖数据。根据本文研究区实际情况将此数据重分类为耕地、森林、草地、湿地、水体、人造地表、海域7个地类。

2 研究方法

首先，利用Landsat数据进行波段合成，对海岸线边界进行突出显示。以Landsat影像为基准，判读获取1984—2018年共8期研究区海岸线分布及其类型信息，并对获取的海岸线进行时空变化分析，分析重点集中在海岸线长度和类型的变化情况以及其分形特征；其次，基于2000、2010、2020共3期土地覆盖数据，对其土地利用程度与转移矩阵进行分析；最后，利用所获得的海岸线数据与土地利用数据对二者之间的相互关系进行分析。

2.1 海岸线提取及评价

1)海岸线提取。海岸线提取主要对经过预处理的遥感影像利用GIS技术与目视解译相结合的方法，对1984—2018年间的连云港市海岸线进行提取。具体方法为：①参照2008年的遥感影像，对于2008年的海岸线进行人工提取；②将提取的2008年的海岸线作为基准，分别载入1984、1989、1993、1999、2003、2013、2018年的遥感影像，对有变化的区段进行修改，没有变化的区段不做操作。

2)海岸线变化分析模型。分型模型是对海岸线的形态结构、弯曲程度等固有特征的评价。本文采用网格法[10]实现1984—2018年8期海岸线分形维数的特征计算。

根据本文的研究区范围，选取120、180、240、300、360、420、480、540、600、660、720、780、840、900共计14个网格作为覆盖海岸线网格的长度。通过上述方法得出网格长度与网格数目之间的双对数散点图，利用最小二乘法进行线性回归分析，得到海岸线分形维数。

2.2 土地利用分析模型

1)土地利用程度综合指数。综合指数[11]一方面可反映特定时期的土地利用程度，另一方面研究期内该指数的变化可反映区域土地利用程度的变化。

本文计算出2000、2010、2020年的土地利用程度综合指数，并对其展开分析工作。

2)土地利用转移矩阵。土地利用转移矩阵[12]一方面可反映研究期初以及期末各地类面积之间的转换关系，另一方面可描述各地类在某一时间段的变化特征。

本文生成2000—2010年、2010—2020年两个时段的连云港海岸带的土地利用转移矩阵，并对其进行变迁分析。

3 结果与分析

3.1 数据精度评定

已有国内外学者利用此数据分别对拉各斯、墨西哥、青藏高原、哈密市、缅甸等地区开展了土地利用变化的相关研究，表明该数据可用于土地利用变化分析[13-14]。为明确其在本文研究区的适用性，以2000、2010、2020年的Landsat影像为数据源，从影像中随机选取样本区(共7个地类，每个地类选取30个样本，总计210个样本区)，采用混淆矩阵法对本数据在研究区范围内的精度进行评定，评定结果如表2所示。从表2可见，2000、2010、2020年土地覆盖数据在研究区的总体精度均高于80%[15]，Kappa系数均介于0.6～0.8[16]，分类结果较好，满足本文海岸线土地利用变化研究对数据精度的要求，可作为本文的可靠研究数据。

表2 GlobeLand 30研究区精度评定表

3.2 岸线变迁分析

1)岸线长度变化分析。根据相关的解译知识，对1984—2018年共8个时期的海岸线信息进行人工解译提取，并将其分为人工岸线及自然岸线。

海岸线长度变化由图1所示，8期岸线的总长度分别为201.337 km、199.27 km、175.912 km、171.264 km、167.366 km、166.979 km、167.545 km、165.296 km。

1984—2018年间连云港岸线总长度呈增长趋势，其中2008—2013年岸线长度变化最明显。1984—1999年间岸线相对稳定，增长幅度为1.25%，平均每年增长速率为0.14 km/a；1999—2008年间岸线长度增长速度逐渐加快，共增长8.546 km，增长幅度为5.04%，平均年增长率为0.95 km/a；2008—2013年间岸线长度增长最为猛烈，从2008年的175.912 km增长至2013年的199.27 km，共计增长23.358 km，增长幅度为13.28%，平均年增长率为4.67 km/a；2013—2018年间岸线长度增长幅度减缓，该时段内岸线长度共计增长2.067 km，增长幅度为1.04%，平均年增长率为0.41 km/a。

人工岸线整体呈增长趋势，而自然岸线则相反。从1984年二者长度分别为76.061 km、89.225 km发展至2018年，二者长度分别变化为61.256 km、140.081 km。由此可见，自然岸线减少了14.815 km，缩减幅度为19.48%，年平均缩减率为0.41 km/a；人工岸线共计增长了50.856 km，增长幅度为56.67%。由此可知，2018年人工岸线长度大致为1984年的1.5倍。

2)岸线分形维数变化分析。除了对长度进行分析之外，为了进一步了解连云港海岸线的分形特征，对所提取的8期海岸线进行拟合，得到其分形维数，如图2所示。

1984—1989年，整体海岸线分形维数有所增大，这表示在该时间段内，海岸线的整体复杂度和曲折度都有所增加。1989—1999年，岸线分形维数先减小后增大，表示该研究期间的复杂度和曲折度都呈现出先减小再增加的趋势。2003年，分形维数再次减小，降至1.063 3，表明该时期的岸线较1999年及2008年更为平滑；2003年后分形维数逐渐增加，直至2018年，分形维数增加至1.079 1。总体来说，由于改革开放的高速推进，使得沿海地区经济迅速发展、人口快速膨胀，现有的陆地资源对于沿海城市来说已经供不应求。因此，人类逐渐加大对沿海滩涂开发利用，导致人工岸线增加，分形维数逐渐增大。

3.3 海岸线与土地利用变化关系分析

1)土地利用变化分析。对GlobeLand 30数据使用GDAL-Warp进行裁剪，得到2000—2020年连云港海岸带土地利用数据，并根据此数据绘制各土地利用类型占比示意图(图3)。连云港耕地、水体、海域等在早期占地面积较大，2000—2010年耕地分布在研究区北部，至2020年耕地面积高达41.75%；水体在2000—2010年间占比较大，期间由于对水体的利用使得水体占比由2000年的28%锐减至2020年的1.54%；人造地表占地面积呈逐步增长趋势，其中2010—2020年期间增长迅猛；海域在2000—2020年间始终占比最大，但由于人类对海岸进行人工围垦，导致海域也呈减少的趋势；森林资源在2000—2020期间变化微小；草地占地面积较小，且由于农业发展导致其面积持续减小，至2020年减小量约为2000年草地面积的65%；湿地面积总体呈增加趋势，共增加了40.65 km2。

上述面积增加的土地利用类型都是人工参与程度较高的土地利用类型(如耕地、人造地表)。结合实际土地利用类型图的变化可知，人类的参与导致水体及海域面积的缩减、耕地及人造地表面积的增加，进而导致同期岸线增长，但由于土地利用变化程度相对较弱，导致岸线增长速度也较为缓慢。

2)土地利用程度分析。采用土地利用综合指数模型对连云港海岸带2000、2010、2020年3个时期的土地利用程度综合指数进行计算，结果分别为235.62、241.48、278.32，土地利用程度综合指数整体较高。相邻时段间土地利用强度增长幅度分别为2.48%、15.26%，其中2010—2020年增速最高，说明2010—2020年土地利用程度变化最大。

3)土地利用转移分析。由于研究期为2000、2010、2020年，因此可将土地利用转移划分为2000—2010年及2010—2020年两个阶段，基于ArcGIS对以上两个阶段的土地利用类型数据进行转移矩阵分析，并对转移矩阵进行制图以更加直观地表示出各个地类间的转换关系。

2000—2010年土地利用转移矩阵如表3所示，转移面积最大的是耕地、水体、人造地表，草地、海域、森林、湿地转移面积相对较小。草地主要转移为人造地表、水体，且转移主要发生在连云区，转移面积为12.56 km2，转移比例为36.80%。耕地主要转移为人造地表、水体、湿地，转移面积为73.13 km2，转移比例为15.50%。海域转移量较小，主要转移为水体，转移面积为4.10 km2，转移比例为0.71%。人造地表主要转移为草地、耕地、水体，转移面积为51.69 km2，转移比例为42.43%。森林主要转移为草地，转移面积为4.61 km2，转移比例为10.17%。水体主要转移为耕地、海域、湿地，转移面积为56.13 km2，转移比例为12.04%。湿地主要转移为海域，转移面积为6.34 km2，转移比例为80.51%。

2010—2020年转移如表4所示，转移面积最大的是耕地、人造地表、湿地，草地、海域、森林、水体转移面积较小。草地主要转移为森林，转移面积为5 km2，总转移比例为30.22%。耕地主要转移为水体，转移面积为365.78 km2，转移比例为50.70%。海域转移量较小，主要转移为水体，转移面积为1.97 km2，转移比例为0.36%。人造地表主要转移为草地、耕地、水体，转移面积为198.60 km2，转移比例为62.88%。森林主要转移为草地、耕地，转移面积为6.45 km2，转移比例为14.53%。水体主要转移为耕地、人造地表，转移面积为7.86 km2，转移比例为29.79%。湿地主要转移为耕地、海域，转移面积为53.45 km2，转移比例为96.38%。

表3 2000—2010年连云港市海岸带土地利用转移矩阵

表4 2010—2020年连云港市海岸带土地利用转移矩阵

4 结束语

本文通过对1984—2018年间影像质量较好的30 m空间分辨率的Landsat 5、7和8影像数据及GlobeLand 30数据进行研究，将典型的沿海城市——连云港市，作为研究区，通过解译的海岸线时空数据，从不同角度分析了海岸线、土地利用的变化，得出以下结论。

1)1984—2018年间连云港海岸线总长度及人工岸线长度都呈增长趋势，而自然岸线则呈缩减趋势，海岸线分形维数增加，整体复杂度和曲折度都有所增加。

2)2000—2010年间草地、水体、海域面积大幅下降，耕地、人造地表面积都有明显的增加，同时段(1999—2008年)岸线增长速度逐渐加快，土地利用程度增长较缓。

3)2010—2020年间水体、草地面积大幅下降，耕地、人造地表的面积增加较为明显，同期(2008—2018年)海岸线长度总体呈增长的趋势，土地利用程度变化较快。

4)总体上，2010—2020年的土地利用程度变化率为2000—2010年的2倍，2010—2020年发生土地利用类型转移的面积为2000—2010年的4.5倍，2008—2018年岸线增长速率为1999—2008年的2.5倍。