渤海湾海岸带遥感监测及时空变化

李秀梅，袁承志，李月洋

(天津科技大学海洋科学与工程学院，天津 300222)

0 引言

渤海湾海岸带是人类活动频繁的区域，生态环境较为脆弱。海岸线是水陆分界线，受物理、化学和生物等一系列环境要素的影响［1－3］，与此同时，其变化又会加剧生态环境的改变，进而影响人类的生产和生活。因此研究海岸线的变迁和由此产生的沿岸土地扩张对了解海岸带生态变化的机制具有重要意义。长期以来，由于受到自然和人为等因素的影响，渤海湾海岸线一直在不停地演变，但多以自然因素为主导，演变较为缓慢［4－5］。近年来，随着环渤海地区经济的发展，人类活动加快了海岸线的演变速度，传统的测量手段已无法实时跟踪海岸线和土地利用的快速变化［6］。遥感技术在海岸线和土地利用快速变迁研究中显现出无可比拟的优势［7］。有很多学者在我国沿海和河口地区的海岸线遥感提取［8－9］和海岸线变迁遥感应用方面［10－15］进行了深入研究，基于遥感技术的土地利用定性定量分析亦有大量研究成果［16－19］，但鲜有学者将海岸线变迁和沿岸土地利用结合起来进行定量研究。本研究借助于遥感和GIS技术，将定性和定量相结合分析10 a间渤海湾海岸线和沿岸土地利用的时空变化，为该区域的可持续发展提供有效的决策支持。

1 研究区概况及数据源

1．1 研究区概况

渤海湾位于渤海西部 E 117°35'～ 118°51'，N 38°0'～39°14'之间。湾口北部为冀东沿海的大清河口，南至老黄河口。南北长约130 km，东西宽约111 km，是北方沿海地区重要的政治、经济、文化中心，横跨天津、河北和山东。天然海岸类型为淤泥质海岸，后经人工改造，多为人工海岸类型。在渤海湾内大部分地区为不规则的半日潮，最大潮差出现在8月，最小潮差出现在1月。最大潮流到达渤海湾西岸的时刻是先北后南呈逆时针方向旋转［20］。

根据渤海湾海岸的改造程度，本文将渤海湾划分为5个重点研究区域，包括天津港、曹妃甸港、黄骅港、天津汉沽和天津大港(图1)。其中，天津港位于渤海湾西岸海河入海口，是中国最大的人工海港，主要分为北疆、南疆、东疆及海河4大港区，本研究还包括南部临港工业区和产业区;唐山曹妃甸港原为渤海湾北岸的一个小岛，位于津京唐之间，因其气象、水文、地质条件良好，极具建港开发潜力;黄骅港位于河北省沧州市以东，恰置河北、山东2省交界处，渤海湾的西南部，是地区性重要港口;天津汉沽位于滨海新区北部，研究范围是北塘河口到汉沽大神堂村，作为天津经济建设战略前沿的一部分，其经济发展相对滞后，近年来经济变化也日益加快;天津大港地区南起歧口河，北到独流减河。

图1 渤海湾海岸带研究区范围Fig．1 Study area of Bohai Bay coastlines

1．2 数据及预处理

本研究采用的遥感数据主要为2000年、2005年和2010年3个年份的Landsat TMETM数据。每个年份各选3景数据用于海岸线变化的比较研究。为了能更准确地提取淤泥质海岸线信息，每个年份还备有1～2景图像作为解译参考(表1)。

表1 遥感数据及其所处潮位信息Tab．1 RS data and tide information

首先，采用1∶5万地形图进行几何精校正，将对比度较差的图像进行直方图均衡化、图像融合和去薄云等图像增强处理;由于研究区范围涉及3景遥感图像，因此还需镶嵌配准。然后，选择合适的波段进行假彩色合成。TMETM的中红外波段(TM7)处于水的强吸收带，水体呈黑色，可明显区别于其他地物;近红外波段(TM4)对绿色植物最敏感，可突出潮滩植被，利于水域判别，同时可用于陆地植被提取;此外，TMETM图像的中红外、近红外和可见光3组波段具有相关性最小、信息量最大化的特点。因此，本研究选取7(R)，4(G)，2(B)波段合成图像用于海岸线变化解译，并配合4(R)，3(G)，2(B)标准假彩色合成图像进行植被解译。

2 研究方法

首先对整个研究区域的海岸带进行分析，确定研究范围和研究方法;然后对划分出的天津港、曹妃甸港、黄骅港、天津汉沽和天津大港等5个改造变化明显的区域分别进行海岸线变迁、面积变化和土地利用变化的解译分析。

本研究根据不同海岸类型采用不同方法对多年大潮平均高潮位时的海陆分界线［21］进行提取。渤海湾大多为典型的粉砂淤泥质海岸带，但由于沿海经济活动频繁，多水产养殖池和填海围地工程，海岸大多建有堤坝进行保护，这些沿岸堤坝和港口便成为人工海岸线;只有湾南仍保留有小部分天然淤泥质海岸线。

采用Canny算子半自动地提取人工海岸线是当前公认较好的方法之一。本研究提取人工海岸线时先用ERDAS进行分类和密度分割等处理，然后在Matlab平台上人工确定阈值，采用Canny算子提取水边线，最后可在ArcGIS平台上进行后期修正。

天然淤泥质海岸线的提取较为复杂，本文总结了前人经验，确定了适合本研究的提取方案。采用三角形模型［22－24］，推算大潮平均高潮位的水边线。首先选取每年2景影像，获取瞬时水边线;由于淤泥质海岸近岸水体浑浊度较高，为了降低浑浊度的影响，选用修复归一化水体指数法结合短波红外波段(TM7)提取瞬时水边线;其次应用当日高潮的潮位、潮差、落潮历时、高潮时至遥感图像获取时间的间隔等参数获取当前图像过境时刻的潮高［24］;然后根据不同年份影像的岸线情况将研究区域划分为若干小区域以符合模型要求，对每个小区域量算出图像上两水边线的距离，求出地形坡度;最后根据多年验潮资料算出大潮平均高潮位的潮高，从而推算出高潮位的水边线作为岸线。此外，以高潮位或接近高潮位的图像为解译标准(表1)，根据以下特征进行人工筛选和调整:①由于滩涂多为面积宽阔、坡度较缓的区域，解译标志不如人工海岸线明显，但潮位下降时，滩涂上会有较多的残留水，显现树枝状潮沟发育等潮滩特征［7］，影像上较易分辨，海岸线应该在滩涂向陆一侧;②潮位更迭，使得海岸线向海一侧被海水不断冲刷，海岸两侧形成不同的植被特征，向陆一侧一般植被生长茂盛，向海一侧植物稀疏;③部分滩涂上有人工建筑和人工养殖池，说明这些区域已建有人工堤坝，人工痕迹应划归为陆地。最后，用1∶15万海图进行校验和修正。

沿岸土地利用变化采用监督分类和专家系统分类法，并对分类后图像进行矢量化处理，导入GIS环境中叠加3个年份的数据进行后期评估和属性统计。由于每个区域的土地利用变化情况不同，为了突出区域变化，根据不同的区域分别划分其类别。

3 海岸带时空变化分析

3．1 海岸线变迁和面积变化

分析2000年、2005年和2010年3个代表性年份的TMETM图像所显示的海岸线和陆域面积变化情况。结果表明整个渤海湾区域海岸线和陆域面积呈现增长的趋势，海岸线长度增加了331．6 km，海岸面积约增加了322 km2。其中5个典型区域的海岸带变化情况见表2。

表2 渤海湾海岸线长度和海岸面积变化统计Tab．2 Statistics of the coastline length and coastal area change of Bohai Bay

从表2中可看出:①10 a间天津港地区海岸线和陆域面积变化非常大，呈现向海中快速突进的增加趋势。海岸线曲折度也明显增加，致使海岸线长度增加了约101．1 km。其中2000—2005年间增加42．7 km，速率为 8．5 km/a;2005—2010 年增加了58．4 km，变化速率为 11．7 km/a。前5 a陆地面积增加了15．8 km2，速率为3．2 km2/a;后5 a面积增加了89．7 km2，速率为17．9 km2/a，明显快于前5 a，而且平均每年的陆域增长都超过了前5 a的总增长量。②曹妃甸港于2003年正式开发，到2005年围填面积 9．6 km2，海岸线增加了33．2 km，增速分别为1．9 km2/a和6．6 km/a;2006年被列入国家“十一五”发展规划项目;2010年面积又增加了163．2 km2，海岸线又增加了69．0 km，后5 a增长速率分别为32．6 km2/a和13．8 km/a。该地区也是渤海湾海岸带由陆向海延伸速度最快的地区。③黄骅港于2005年之前变化较为缓慢，填海速率是0．9 km2/a，2005年之后海岸面积增速约3．3 km2/a;10 a间海岸线变化的长度和曲折度都在增加，海岸线增量为41 km，陆域面积增长20．9 km2。④天津汉沽2个5 a间海岸线向海中推进分别为1．4 km和34．9 km，面积分别增加了 0．2 km2和11．0 km2，前5 a该地区的变化非常小，2005年后增幅明显变大。⑤天津大港地区2000—2005年海岸线变化不明显，在独流减河附近和青静黄排水渠与歧口河之间滩涂上有开发养殖池等人类活动的痕迹，海岸线增加了0．5 km。但从图1明显看出2010年海岸线向海中推进，最大幅度可达4．0 km，致使陆地面积增长15．2 km2。而统计数据(表2)显示海岸线长度增加很少，这主要是由于该区域人工围填海后，岸线的曲折度降低造成的。

3．2 土地利用的时空变化

3．2．1 天津港

天津港是天津地区改造强度最大的地方，为了便于分析该区土地利用变化，按其土地利用类型分为11个分区:北疆港区、东疆港区、南疆港区、海河港区、临港工业区、临港产业区、开发区、天津散货物流中心、盐田坑塘养殖池、海滩、河流海洋(图2)。

图2 天津港土地利用分布图Fig．2 Distribution map of Tianjin Port land use classification

随着我国经济的不断发展和对外贸易的增加，作为北方最大港口的天津港的建设受到政府的高度重视。为了进一步增强其核心竞争力，加快了填海造陆的步伐，从10 a间土地利用来看(图2、表3)，东疆港是围填海项目，在海中增长24．5 km2，南疆港2000年以前只有6．9 km2，到2010年持续围海造陆14．0 km2，此外还有2000年始建的临港工业区和2005年起开发的临港产业区不仅向海中延伸，还占用了陆地上大片的海滩、盐田坑塘养殖池等湿地资源。同样占用湿地资源的还有天津散货物流中心等人工建筑和其他人为填充地，致使天然海滩减少25．8 km2，盐田坑塘养殖池减少了 25．9 km2。人类频繁的改造活动使得该地区的湿地减少，天然海滩几近消失。

表3 天津港土地利用统计表Tab．3 Statistics of Tianjin Port land use (km2)

3．2．2 曹妃甸港

根据曹妃甸港区的具体情况将土地利用类型分为建筑用地、滩涂、曹妃甸港、海岛、开垦未利用地、盐田坑塘养殖池、河流海洋等类别(图3)，并统计其面积(表4)。

图3 曹妃甸港土地利用分布图Fig．3 Distribution map of Caofeidian Port land use classification

表4 曹妃甸港土地利用统计表Tab．4 Statistics of Caofeidian Port land use (km2)

从图3和表4可以看出，10 a间曹妃甸港区不断向海中和陆上扩张，海中将最初的天然小岛和大陆通过人工填海连成了一体，总面积200．3km2，沿岸滩涂基本消失，由 2000年的23 km2减少到6．8 km2，陆上占用了大片的湿地，加上人工填充的未利用地和村庄的扩建使得盐田等湿地减少4 km2。

3．2．3 黄骅港

2000年黄骅港已经开始建设，沿岸土地类型以盐田等湿地为主。经过5 a建设，港口的土地面积增加了7．5 km2，主要来源于填海造陆和沿岸湿地占地。到2010年盐田坑塘养殖池和天然滩涂已分别减少了12．5 km2和6．9 km2，建筑用地和黄骅港区共增加了40．2 km2，人为干预比较明显(图4、表5)。

图4 黄骅港土地利用分布图Fig．4 Distribution map of Huanghua Port land use classification

表5 黄骅港土地利用统计表Tab．5 Statistics of Huanghua Port land use (km2)

3．2．4 天津汉沽

从图5可以看出，作为滨海新区十大战役之一的天津汉沽的滨海旅游航母主题公园到2005年已经建成，而中新生态城、中心渔港和北疆电厂的建设都是2005年国务院批准推进滨海新区开发开放之后开始建设的。

图5 天津汉沽土地利用分布图Fig．5 Distribution map of Tianjin hangu land use classification

从整体上看，天津汉沽围填海面积与上述港口地区相比较小，10 a间只增长了11．3 km2，但沿岸盐田等湿地和天然海滩被大量占用，分别损失56%和49%，反之，建筑用地大幅度增长(图5、表6)。变化明显的区域主要集中在航母主题公园、中新生态城、中心渔港和北疆电厂等地区。

表6 天津汉沽土地利用统计表Tab．6 Statistics of Tianjin hangu land use(km2)

3．2．5 天津大港

该区域土地利用主要分为河流海洋、盐田坑塘养殖池、建筑用地和未利用地、滩涂等4类(图6)。

图6 天津大港土地利用分布图Fig．6 Distribution map of Tianjin dagang land use classification

其中滩涂和海洋面积都在逐年递减。2005年盐田、坑塘、养殖池面积最大，建筑用地和未利用地面积最少，主要因为2000年以后沿岸开发人工养殖池和降雨的影响使得天然未利用地减少，而2005年后开始大规模人工占用陆上湿地资源使人为的建筑用地和未利用地大量增加。总之，10 a间沿岸土地利用类型的变化主要体现为以盐田等湿地为主过渡到以建筑用地为主的类型(图6、表7)。

表7 天津大港土地利用统计表Tab．7 Statistics of Tianjin dagang land use (km2)

4 海岸带变化原因分析

渤海湾海岸带的整体变化趋势是陆域面积增加，海岸线增长。但具体来看，随着经济的发展，人类在海岸带改造活动的日益频繁，10 a来渤海湾西岸和北岸的人工海岸线发生了巨大变化，变化趋势主要表现为由陆向海扩张，曲度更加复杂;渤海湾南岸仍保留着的部分天然淤泥质海岸线，受风暴潮、海平面上升等自然现象的影响有被冲蚀后退的迹象［25］。

自2000年以来，随着我国对外经济贸易活动的日益增加，渤海湾天津海岸带一直承受着人类经济改造的巨大压力。天津港位于海河入海口，受季风和潮汐的影响，港口内淤积了大量的泥沙，每年的清淤量达2000万m3以上［26］。利用这些疏浚泥沙填海造陆，可减少淤积，增加港口吞吐量，加上城市用地资源的稀缺，填海造陆能有效缓解快速经济发展与建设用地不足的矛盾，使之成为这一地区海岸地形变化的主要原因。曹妃甸港因其良好的天然地理优势，在环渤海经济发展布局中占有重要地位，2006年被列入国家级开发项目，10 a间曹妃甸已从一个面积仅16 km2海上小岛建设成面积200．3 km2的国际港口和工业区，随着该地区工业用地的日益扩张和生态城的大规模建设，陆上湿地资源必将被大量占用。黄骅港发展方向是建成能源输出港，开发速度略低于天津港和曹妃甸港，但从其发展空间和占地规模来看都不容小觑。天津汉沽从北到南的北疆电厂、中心渔港和中新生态城等项目的大规模开发建设，不仅向海中延伸，还占用了沿岸大片土地，使得当地的蛏头沽、北塘、青坨子、蔡家堡等原始渔村已经从地图上消失。独流减河到歧口河之间天津大港的南港工业区正在围堤填海，使得该区域海岸线变得平直，此外养殖池的扩建等人类活动也对该区域海岸有改造作用。

上述开发改造工程正在导致渤海湾海岸线和陆域面积逐年增加，海洋面积逐年减少，较大程度地干扰着该地区的生态环境，使固有的生态系统面临着巨大挑战。

5 结论

本研究采用2000年、2005年和2010年的遥感数据对渤海湾5个重点改造区域进行了海岸线陆域面积和土地利用变化等时空演变分析，得到以下结论:

1)渤海湾为粉砂淤泥质海岸，但是由于人类对该地区的频繁改造，大部分地区特别是西岸和北岸已经形成人工海岸，只有渤海湾南岸还保留有少部分天然淤泥质海岸线。

2)渤海湾海岸在2000—2010年10 a内发生了大幅度的变化，变化趋势是由陆向海推进，陆地面积增加了约322 km2，海岸线增长了约331．6 km;从沿岸土地类型来看，人工建筑和建筑未利用地不断增加，天然裸地、湿地被占用而大幅减少。

3)渤海湾地区的海岸变化存在着时空差异，人类改造强度最大的5个子区域中，2000—2005年天津港地区的海岸线和陆地面积快速变化，速度分别为8．5 km/a和3．2 km2/a;2005—2010年曹妃甸港围填海速度最快，其海岸线和陆地变化速度分别高达13．8 km/a和32．6 km2/a;10 a间滩涂损失最多的区域是天津港地区，为89%;盐田坑塘养殖池被占用最多的是天津汉沽段，为55%;2个5 a期间黄骅港和天津大港段的海岸线都在匀速增长，海岸线曲折度降低，但陆域面积则在加速增长。总体来说，2005年以后的渤海湾地区的变化有显著加快趋势。

4)渤海湾海岸10 a间的巨大变化主要是由于人类经济活动带来的过度开发。

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