基于遥感的环渤海地区海岸线变化及驱动力分析＊

吴春生，黄翀，刘高焕，褚琳，刘庆生，赵军

（1.中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室 北京 100101；2.中国科学院大学 北京100049；3.东营市人民政府办公室电子政务中心 东营 257091）

1 引言

海岸线位于大陆与海洋的交汇处，我国将其定义为“海岸线是海陆分界线，系指多年大潮高潮位时的海陆界线。”海岸线不单是一条分界曲线，同时附有一定的生态环境信息，随着自然变化和人工影响，海岸线长度和位置不断变化，海岸线两侧海陆生态环境处于非平衡状态，对沿海生物的生存和生活产生影响［1－3］。

自然条件变化和人类活动与海岸带生态环境之间长期相互影响，引起了国内外学者极大兴趣，海岸线作为水陆分界同样受到关注，在其类型确定和空间变化方面研究较广。在国内，马小峰根据不同海岸线地貌特点，利用IDL语言实现了Canny算子、中值滤波器和腐蚀算子，对大连和营口地区海岸线做了自动提取［4］；冯兰娣利用小波变换的图像边缘检测方法对黄河三角洲海岸线进行了提取［5］；姜义将历史资料和遥感影像结合获取了渤海湾西岸海岸线近百年来的变迁［6］；常军等采用平均高潮线法来确定黄河口周边潮滩岸线的位置［7］；同时在海岸线变化所引起的生态环境问题方面也做了深入研究［8－12］。国外对海岸线的研究也较广，如利用阈值法提取海岸线位置［13－14］；利用合成孔径雷达的后向散射和纹理特征确定水陆交界线［15］；利用多时相多光谱遥感影像对海岸线变化进行监测［16］；利用激光探测获取海岸DEM数据来提取海岸线［17］等。以上提取海岸线位置的技术为本文开展研究提供了方法依据。

环渤海地区港口密集，发展潜力大，是实现我国经济突破的重点区域［18］，国家和地方也颁布了多个发展渤海海洋经济的条例［19］；同时环渤海沿岸具有重要的生态功能，是大量鸟类和鱼类的栖息地，华北和东北地区南部重要的生态屏障，为区域可持续发展提供了基础；由于人类活动频繁，生态环境脆弱，该地区生态平衡受到严重威胁［20］。因此对该地区海岸线变化进行探测，及时掌握沿海开发状况，对合理控制规划沿岸土地利用和生态环境保护具有重要的现实意义。前期对该地区集中于渤海湾和黄河三角洲海岸带整体研究，而对渤海沿岸海岸线研究较少，对海岸线也未做具体分类，基于此，本文利用多期遥感影像对环渤海岸线进行位置提取，并做详细分类和分区统计各类型海岸线长度，通过总结各类型岸线长度变化强度和整体岸线分维数来展现其时空变化状况，结合社会经济资料，从自然和人工因素两方面对环渤海海岸线的变化做驱动力分析。

2 数据源和研究方法

2.1 研究区

本文以环渤海海岸作为研究区，起始端为黄海和渤海分界线两端，即大连市老铁山头（38°43′34.02″N，121°07′58.92″E）和蓬莱市蓬莱角（37°49′56.27″N，120°44′37.18″E）。涉及辽宁省、天津市、河北省和山东省，相关地市有大连、营口、盘锦、锦州、葫芦岛、秦皇岛、唐山、天津、沧州、滨州、东营、潍坊和烟台（图1）。

图1 研究范围

2.2 数据源的获取和预处理

本文所用数据源如下。

（1）主要研究数据：研究区3期TM影像，时相为2000年、2005年和2010年6－10月，分辨率为30 m×30 m，云量小于10%，每期共7景影像覆盖，合计21景（表1）。

表1 TM数据列表

续表

（2）辅助数据：包括2010年环境1号卫星多光谱数据、2009－2010年CBERS02b高分辨率全色波段数据，以及部分地区2009年SPOT5和ALOS数据，主要是辅助TM影像解译。

（3）调查数据：环渤海地区海岸线野外调查数据和统计数据，为海岸线和围填海类型解译精度评价提供支持。

对各遥感数据进行预处理，包括几何精校正、彩色增强、投影变换、图像融合，拼接与裁剪等；统计数据前期处理包括数据空间化和空间统计分析等。

2.3 海岸线分类与遥感识别

海岸线并非现实存在的一条曲线，而是人们对海陆交界的一种虚拟表示，其类型则根据海岸物质组成或用途进行定义。海岸线类型划分主要依据前期研究积累，结合本研究目的和研究区实际，综合海岸线物质组成及开发特点，将海岸线分为自然岸线和人工岸线；自然岸线根据位置和物质组成又分为河口岸线、淤泥质岸线、砂砾质岸线和基岩岸线；人工岸线根据开发目的分为建设围堤、养殖围堤、农田围堤和盐田围堤；对围填海主要根据海域圈围目的和现状进行分类，共3类，围海、填海和围海养殖。

各类型岸线的影像特征不同，本研究依据TM2、3、4和5波段组合进行提取。基岩岸线质地为岩石，波浪与岩石碰撞使岸线在影像中颜色较浅，形状多凹凸和弯曲，自然条件下多期影像无太大变化，岸线位置定于白色边界向海一侧［4，21］；河口岸线位于河道与海水相接处，根据水体颜色变化及河道宽度的改变来确定其位置，一般将河流入海口突然变宽处河口两岸连线作为河口岸线［22］。淤泥质岸线位于河口周边，由河流携带泥沙淤积形成，岸线提取较难，本文采用常军的平均高潮线法来确定位置［7］；砂砾质岸线在影像上比较平滑，具有一定弧度，其纹理特征是判断的主要依据，亮度较大［4］。人工岸线的人工信息明显；养殖围堤位于淤泥质或沙砾质海岸上，基岩岸线外围也有分布，养殖池呈多排长方形并列状，颜色与海水相近，养殖围堤平直，一般无弧度；盐田围堤位于淤泥质海岸上，一般为方形且面积较大，蒸发池颜色较深，与养殖池主要从形状上区分，结晶池颜色较亮，多为白色，盐田围堤也较平直，无弧度；农田围堤内部地块排列密集，与海域分界明显；建设围堤主要是港口和码头向海一侧岸线，一般伸向海域，建设特征明显，有船舶停靠或进出，无固定形状。围海和填海根据圈围海域是否已经填充进行区分，未填充为围海，已开始填充则为填海，而围海和围海养殖以是否具有养殖池作为区分依据。

首先对2010年TM影像进行解译，划分各岸线类型，并参考高分影像对分类结果进行修改。由于野外调查数据时间为2012年10月，故先将其与google earth中2010年和2012年岸线对比，提取未发生改变部分并对变化部分进行修改使其代表2010年野外数据；然后进行分类精度检验，得出海岸线总体分类精度为89.3%，满足本文要求。以2010年岸线类型为基准，参照2005年和2000年TM影像对产生变化的岸线做修改，获取2005年和2000年海岸线，避免3期影像独立解译产生的人为错误。

2.4 分维数计算方法

海岸线时空变化不正体现在长度和空间位置的变动，其形状结构变化也是一种表现方式，作为海岸线分形理论中常用的定量指数，分维数的大小可表达海岸线形状复杂程度，值越大，海岸线形状越复杂［2］。本文分维数计算采用网格法，用不同尺度网格覆盖海岸线，不同尺度对应不同网格总数，取网格数的对数与网格尺度的对数的斜率的绝对值作为海岸线的分维数［23－24］。网格尺度的选取参照文献［25］。分维数计算公式如下

式中：A为待定常数截距；ε为网格边长；N（ε）为边长为ε的网格数；－D为斜率；D即为分维数。

3 结果与分析

3.1 环渤海地区海岸线空间分布特征

根据解译结果，统计各类型岸线3期长度和空间分布（表2）。2010年岸线总长度为3 049.7 km，自然岸线和人工岸线分别为682.3 km和2 367.4 km；基岩岸线和沙砾质岸线为主要的自然岸线，长度分别为241.0 km和234.4 km，基岩岸线集中分布于辽东半岛沿岸，砂砾质岸线在莱州湾东部、秦皇岛和葫芦岛沿岸较多；其次是淤泥质岸线，主要位于黄河口周边，长度为179.4 km；河口岸线占比较少，不到1%；建设围堤和养殖围堤分别为1 145.9 km和1 108.4 km，农田围堤和盐田围堤长度较小。2005年海岸线总长度2 666.8 km，自然岸线和人工岸线比例各占29.0%和71.0%；自然岸线中砂砾质岸线最多，长度为269.9 km，其次为基岩岸线，长度为243.5 km，淤泥质岸线较2010年长，为234.0 km，河口岸线依然最少；建设围堤明显少于2010年，为635.6 km，养殖围堤变化不大。2000年岸线总长度为2 455.8 km，自然岸线和人工岸线分别为921.2 km和1 534.6 km；砂砾质岸线和淤泥质岸线较其他类型长，分别为348.9 km和287.0 km，基岩岸线长度为249.5 km，养殖围堤最长为1 111.3 km。

不同时期各省区海岸线总长度如表3所示，为表达方便，将河北省和天津市海岸线合并统计。辽宁省海岸线长度和比例始终大于其他地区，2010年各省区海岸线均达到最长，辽宁省为1 404.5 km，津冀地区为792.7 km，山东省为852.5 km，分别占当年海岸线总长度的46.0%、 26.0%和28.0%。

表2 2000年、2005年和2010年不同海岸线类型长度和比例

表3 2000年、2005年和2010年不同省区海岸线长度和比例

3.2 近10年环渤海海岸线变化特征

3.2.1 长度变化

2000年、2005年和2010年岸线逐渐增加，自然岸线减少，人工岸线增长明显。为比较清晰地对比各时段范围内变化差异，利用主要海岸线的年均变化百分比表示其变化强度（图2）。

图2 2000年、2005年和2010年间各类型海岸线变化强度

2005－2010年岸线变化强度高于2000－2005年，分别为2.9%和1.7%。10年间岸线共增长593.9 km，增加率为24.2%，前5年和后5年分别增加211.0 km和382.9 km。人工岸线前后5年变化强度分别为4.7%和5.0%，10年间增加832.8 km，增加率达54.3%，前后5年分别增加357.6 km和475.2 km。人工岸线高强度变化依赖于建设围堤增加，2000－2010年建设围堤变化强度为20.6%，长度增加771.3 km，前后5年分别增加261.1 km和510.2 km，远超其他岸线。自然岸线前后5年变化强度为－3.2%和－2.4%，10 年间 减 少 238.9 km，损 失 率 为25.9%，长度变化最大的为砂砾质岸线，减少114.5 km，其次为淤泥质岸线107.6 km，其他自然岸线减少量较小。

各省区岸线长度均呈逐年增长趋势，辽宁省前后5年变化强度分别为0.8%和3.2%，增长集中于2005－2010年，增加长度194.9 km；津冀地区各时间段内海岸线变化强度大于其他地区，前后5年分别为4.6%和3.4%，增加集中于2000－2005年，增加长度为125.8 km；山东省海岸线变化强度则相对较为平稳，10年间共增加113.3 km。

3.2.2 形状变化

对3期岸线按照不同尺度进行网格分割，获取各期岸线网格总数，并分省统计，得到2000年、2005年和2010年整体海岸线的分维数分别为1.078 3、1.086和1.103 6，分维数逐年增加，海岸线形状越来越复杂，局部地区海岸线的弯曲度增加，分维数大小的变化也反映出对原有岸线空间和长度上的改变程度（表4）。

表4 2000年、2005年和2010年环渤海地区海岸线分维数

各地区分维数与整体岸线趋势相同，呈增长态势，岸线长度和形状复杂度越来越大；山东省岸线分维数变化较小，2010年莱州湾南部岸线向海凸出，增加了局部岸线复杂度；津冀地区海岸线变化最为剧烈，海岸线向海域延伸频度增大，空间变广，极大增加了海岸线弯曲迂回程度。辽宁省海岸线分维数大于山东省和津冀地区，与其自身海岸形状有关，且辽宁海岸多基岩岸线分布，养殖围堤也较多，增加了整体岸线复杂度。

3.3 海岸线变化驱动力分析

本文从自然和人工因素对海岸线变化进行驱动力分析，自然因素无规律，具有偶然性，主要影响自然岸线；人工因素主要是经济建设活动，可能会完全改变原有自然或人工岸线的类型和空间位置。

3.3.1 自然蚀淤

淤积和蚀退是导致海岸线变化的主要自然因素；自然淤积是河流入海携带的泥沙在入海口周边沉积形成淤泥质岸线或沙砾质岸线，同时改变自然岸线的位置和长度；自然蚀退受海潮影响较重，遭侵蚀岸线主要为淤泥质、砂砾质和河口岸线，部分人工岸线也会受影响。据前人研究成果和相关部门的统计分析，黄渤海每年多达60次不同强度的风暴潮对环渤海岸线及海岸生态环境带来严重威胁，尤其是山东沿海。对比各地区岸线受自然因素影响程度，山东省最重，经现场调查和遥感分析可知，各时间段海岸蚀退大于淤积（表5和图3）。

表5 山东省渤海海岸蚀淤状况 km2

图3 山东省渤海海岸蚀淤分布

2000－2010年山东省海岸蚀退159.5 km2，淤积42.0 km2，海岸的蚀退和淤积造成海岸线在空间上向陆地后撤或向海域突进，最长距离分别为6.8 km和7.3 km，自然岸线增加113.27 km，变化的主要是淤泥质岸线；2000－2005年间渤海湾发生强风暴潮的次数增多，强度变大，5年间海岸蚀退117.8 km2，导致自然岸线后撤，而总长度却增加40.98 km；除此之外，北部刁口河河口自1976年黄河改道后，断绝了泥沙和河水补给，造成海水倒灌，海岸侵蚀严重，现黄河唇形入海口南部区域遭侵蚀原因相同，而北部由于黄河继续挟带泥沙如海，河口出现淤积；2005－2010年，海洋灾害减弱，黄河口和莱州湾南部河流入海泥沙沉积增加，被侵蚀海岸出现淤积，淤积面积增至57.7 km2，海岸线呈向海推进；2005年以来，国务院和黄委会商讨将刁口河作为黄河备用流路，于2009年7月借助黄河调水调沙工程进行注水试验，保持入海水量和泥沙量，有效阻止海水的进一步侵蚀。渤海沿岸其他河流如海河和辽河入海处以及淤泥质岸线分布区均存在蚀退和淤积状况，但面积和范围都较黄河三角洲地区小，且近些年其流路并未发生变化，所受自然因素影响明显小于人工因素，蚀退和淤积量较少，故未做详细分析。

3.3.2 围填海影响

随着人口增多，土地资源优势已不明显，经济发展压力及国家和地区政策的实施迫使沿海地区加大近海开发，海岸带人类活动频繁，尤其工业建设带来的近海格局变化导致海岸线类型和区位发生改变，围填海作为人类对海岸开发的外在表现，能够从定量角度展示岸线变化程度。

通过解译，获取研究区围填海面积和空间分布信息（图4），2000－2010年围填海面积达1 558.7 km2，围海、填海和围海养殖分别为410.0 km2、656.3 km2和486.2 km2；围填海空间上多分布于平直海岸，港口和码头建设用围海和填海向海域延伸较长；填海多出现在原有养殖围堤和建设围堤向海一侧，对自然岸线影响不明显，而围海和围海养殖在原自然和人工岸线上均有分布，尤其是对自然岸线中的砂质岸线和淤泥质岸线的占用，使两者在10年间连续减少，且减少长度较大，同时自然岸线大量缩短，人工岸线明显增加，而养殖围堤长度有增有减，整体长度未发生太大变化，建设围堤增加771.3 km。从表1中各类型岸线解译标志可知，建设围堤形状复杂度明显大于其他岸线，建设围堤的大量增加导致岸线分维数逐步变大。

从区位上看，填海主要分布在津冀地区，围海和围海养殖则在辽宁和山东海岸较多，这与国家和地区发展规划有关，津冀地区尤其是天津海岸港口经济是区域发展的重点，10年间新建港口有曹妃甸港、汉沽港、天津港、天津大港和黄骅港，建设围堤增长341.2 km，增加了近2.5倍。而辽宁和山东沿海则以海水养殖、海洋旅游以及盐化工为主，并未把港口建设作为重点建设项目，位于研究区内的港口规模较小；2005－2010年，因潍坊滨海生态旅游度假区建设开工，圈围大面积海域，造成此时间段内山东岸段围海面积陡增以及建设围堤突然变长，但沿海其他区域并未发生太大变化。后5年围填海总面积比前5年多703.0 km2，填海增加372.2 km2，围海增加347.9 km2，围海养殖减少17.2 km2；围海和填海面积增加反映海岸开发活动激烈程度加大，建设围堤长度后5年增加量超过前5年，分别为510.2 km和261.1 km。填海增加主要来自津冀地区港口建设，围海在辽东湾北部和莱州湾南部增加明显，而围海养殖在整个研究区内小幅减少。

图4 环渤海地区围填海面积统计

4 结论

本文利用遥感方法提取了不同类型海岸线和围填海分布，从自然因素和人工因素两方面对海岸线变化做了驱动力分析，主要结论有：

环渤海地区海岸线逐年增长，2000年、2005年和2010年总长度分别为2 455.8 km、2 666.8 km和3 049.7 km，自然岸线大量减少，人工岸线显著增加；建设围堤变化强度最高；整体海岸线分维数逐年变大，海岸线形状越来越复杂，特别是津冀地区复杂度最高。

海潮侵蚀和河流入海泥沙淤积对自然岸线空间分布影响较大，现黄河入海口和故道入海处淤积和侵蚀对比较为明显，海岸线突进和后撤最大距离分别为7.3 km和6.8 km，致使自然岸线增加。受人口增加和土地资源紧缺的压力，各地区对海洋开发加快，使围填海10年间总面积变化较大，后5年开发建设较前5年更为激烈。2000－2005年间以围海养殖为主，面积为238.1 km2，填海和围海面积较小；2005－2010年间各地区加大开发力度，以填海类型为主，面积为501.7 km2，港口、码头和城镇建设等已具有一定规模，围海养殖面积较前5年小，围海面积较前5年大，即未来建设活动还将进一步增多。

津冀地区港口和码头建设最频繁，岸线和围填海变化最大，港口面积成倍增加；辽宁岸线最长，根据当地海洋经济发展规划，人工岸线以养殖围堤为主，并逐年增长，部分岸段存在港口建设，但规模较小；山东海岸受岸线性质和稳定性因素影响，开发力度较其他两地区小，岸线变化主要由自然因素导致，用于保护油气资源开发而建设的堤坝较多，致使建设围堤有所增长，围填海类型主要为围海养殖。

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