基于遥感和GIS的长岛南五岛近30年海岸线时空变迁分析

康波，林宁，徐文斌，王娜，刘庆群

（1.上海海洋大学，上海201306；2.国家海洋信息中心，天津300171）

基于遥感和GIS的长岛南五岛近30年海岸线时空变迁分析

康波1，林宁2，徐文斌2，王娜2，刘庆群2

（1.上海海洋大学，上海201306；2.国家海洋信息中心，天津300171）

海岛不仅具有很高的资源、生态和经济价值，而且对维护国家海洋权益具有重大意义。本文基于遥感和GIS技术，利用1982、1995、2006和2015年的Landsat卫星遥感影像，分析了近30年来长岛南五岛海岸线的时空变化特征。结果表明：1982年以来，长岛南五岛近30年的海岸线长度增加了9.54 km，海岸线呈向海推进趋势，平均推进速度为0.54 m/a。海岸线变化主要受人为因素的影响，变化比较大的岸段主要分布在南长山岛和北长山岛的西部，以养殖开发、填海造陆与港口建设为主。研究认为，海岸线的变化，将会导致诸如岸线侵蚀等环境问题，应注意合理开发、利用海岸线资源。

长岛南五岛；海岛；遥感；海岸线变迁分析

海岛作为海陆兼备的国家疆土，对于维护国家的海洋权益和海洋安全作用日益突出。然而，随着经济的快速发展和土地资源的紧缺，开发利用海岛海岸带不同程度地对海岛海岸线资源造成了破坏，从而引发了一系列问题，如岸线侵蚀，海岸带土地资源减少，土地承载力下降，海水入侵；岸线固化，陆海间的水沙供给过程中断；人工岸线扩张，围填海严重，破坏了海岸带湿地资源，造成海岸带环境污染，海水富营养化加剧等问题（毋亭等，2016）。因此，开展海岛海岸线的时空变化研究，对于海岛海岸带环境监测、资源的开发和可持续利用具有重要的意义。

近年来国内外学者基于多源遥感影像和GIS技术对我国自北向南多个区域开展了海岸线时空变化的研究，如高义等（2013）基于遥感和GIS的方法与技术，以1982、1995、2006和2015年4个时期为特征年，对近30年来我国大陆海岸线时空变化特征进行了分析研究。姜义等（2003）对渤海湾西岸近百年来海岸线变迁进行了遥感分析。杨金中（2002）以多时相遥感资料为基础，分析了杭州湾南北两岸的岸线变迁规律。周相君（2014）对广西防城湾海岸线进行了变迁分析。Li等（2010）通过RS和GIS技术对珠江口海岸线变化进行了系统分析。姚晓静等（2013）基于遥感技术与GIS技术，提取了海南岛1980、1990、2000和2010年4个时期的海岸线，并对30年的海岸线时空变化特征进行了系统分析。

综上所述，当前针对中国大陆沿海、海湾以及较大岛屿的海岸线研究较多，且主要集中在显著变化岸段的研究。针对海岛海岸线变迁的研究比较少。

长岛县作为山东省唯一的海岛县，在黄渤海交汇处，地处环渤海经济圈的连接带，是整个渤海湾的屏障，东临韩国、日本，是海上的交通要道、华北的咽喉，军事作用显著，自古就是兵家必争之地。近年来，随着社会经济的快速发展和旅游业的兴起，海岛开发利用的程度不断加大，海岛面临的生态环境压力也越来越大。本研究利用高空遥感影像，采用人机交互解译方式结合GIS软件提取了长岛南五岛1982、1995、2006和2015年4个时期的海岸线数据，并对本区近30年来海岸线的时空变迁进行了监测和分析。

1 研究区概况及数据基础

1.1 研究区概况

长岛南五岛由北长山岛、南长山岛、大黑山岛、小黑山岛和庙岛5个岛屿组成（图1）。位于渤海、黄海交汇处，胶东半岛和辽东半岛之间，南临烟台，北依大连，西靠京津，东与韩国、日本隔黄海相望，隶属山东省烟台市的长岛县管辖。地跨37°54'-37°60'N，120°36'-120°46'E，长岛境内属低山丘陵区，滨海地带有小面积平原。长岛属于国家级重点风景名胜区、国家级自然保护区和国家森林公园，被评选为“全国最美丽十大海岛”之一。

图1 研究区示意图

1.2 数据基础

数据源主要以长岛南五岛1982、1995、2006与2015共4个时期的Landsat遥感影像为基础，其中包括1景MSS影像，1景TM影像，1景ETM影像，1景OLI影像。所获取的影像云覆盖面积较少，数据质量较好。获得的Landsat卫星影像处理产品均为经过正射校正的数据，90%的影像地形校正精度优于12 m（高义等，2011）。因此，3个时期的卫星遥感影像空间定位中误差为两个像元左右。以“908”专项海岛岸线专题数据、海图和2015年Google影像为辅助数据源。其中，海岛专题数据作为海岸线提取结果的精度验证，空间分辨率为2 m的Google影像在海岸线类型判别解译过程中可作为精度参考，海图数据用来综合分析和辅助人工目视解译判断海岸线的位置。对1982、1995、2006和2015年四期影像进行几何校正，以经过几何精矫正的2015年Landsat8影像为基准对所使用的其他影像进行配准，经对比分析，配准后的1982、1995、2006和2015年卫星遥感影像空间定位误差均小于一个像元，四期影像均采用WGS-84坐标系。

为了更好地解译海岸线信息，本文对不同时期的遥感影像做相应的增强处理，首先将2006年ETM数据和2015年OLI数据分别进行数据融合，即将低分辨率的多光谱影像和高分辨率的单波段影像重采样，生成后的2006年和2015年影像空间分辨率分别为30 m和15 m。然后对不同波段进行组合：其中MSS影像将7、5、4波段进行假彩色合成，水陆界限比较明显；TM/ETM影像对3、2、1波段进行假彩色合成；OLI影像则将7、5、4 3个波段进行假彩色合成。最后综合利用光谱增强线性拉伸的方式进行图像增强处理。

2 研究方法

2.1 海岸线类型划分和提取原则

海岛海岸线与大陆海岸线的分类大体上是一致的。然而海岛海岸线四面被海水包围，相较于大陆海岸线，海岛海岸线在形成与发育过程中，受到波浪、潮汐、海平面变化、地壳运动、地质构造、地貌特征等因素的综合影响更为显著，不同的海岸类型呈现其独特的形态特征。本文根据海岸线在遥感影像上所呈现的不同色调、纹理、空间形态等特征，结合长岛南五岛海岸物质构成，将海岸线分为5种（表1）。

现有研究主要是基于卫星遥感影像，利用遥感技术自动提取大潮时水边线，将其视为海岸线（李猷等，2009）。本文参照成像时刻的潮汐规律，并结合海岸线在遥感影像上的特征和实地调查资料，建立海岸线目视解译标志，在ArcGIS10.0中提取长岛南五岛海岸线。参考2015年的Google影像，基于Landsat影像对2015年海岸线进行提取，利用“908”专项海岛海岸线专题数据对海岸线提取结果进行精度评价，其误差在0.5～1.0个像元以内，然后在已经提取的2015年海岸线基础上，以相邻海岸线提取结果进行参照，对其他三期海岸线进行提取，四个时期海岸线均采用WGS-84坐标系。

表1 海岸线分类体系划分

2.2 海岸线变迁分析方法

目前，海岸线变迁的分析方法主要有地图叠加法、平均速率法、数字岸线分析法、面积法、动态分割法和非线性缓冲区迭代法等（朱国强等，2015）。本文选用平均速率法和数字岸线分析法进行研究区海岸线时空变化分析。

2.2.1 平均速率法

为了更好地表现研究区不同类型海岸线在各个时期变化速率的时空差异，采用一定时期内海岸线长度的年平均变化百分比来表示海岸线的变化强度（徐勇进，2013）。平均变化速率计算公式如下：

式中：LCI是在nm时间段内，不同类型海岸线的年均变化速率。其中，Lm表示m年某一类型海岸线的统计长度，Ln表示n年某一类型海岸线的统计长度。

2.2.2 数字岸线分析法

数字岸线系统是由Thieler等人开发，形成基于ArcGIS平台的DSAS（Digital Shoreline Analysis System)功能模块，对海岸线进行定量化分析。DSAS通过回归分析方法计算海岸线的变化速率，工作原理如图2所示，首先由海岸线向陆或向海纵深得到一条基线（Baseline)，要求海岸线位于基线的同一侧；然后由基线向海岸线生成长度为D的切线“Transect（i）”，Transect（i）、Transect（i+1）与基线交点间的距离为基线采样间隔（Transect space），每条垂线与各时期海岸线相交，通过交点与海岸线的距离可以求解海岸线的变化d。

图2 数字岸线分析法原理示意图

划定基线的方法主要有两种，一种是由已有岸线向陆或向海一侧做缓冲区，另一种是人工绘制基线。在本研究中，由于海岛岸线比较曲折，采用缓冲区法会造成较多的基线相互覆盖，所以本文采用手绘法。在绘制基线的过程中，尽量保证与已有的岸线走向一致，并经过多次拟合、修改和调整，将基线确定为4个时期海岸线向海一侧。为了获得长岛南五岛海岸线整体的变化情况，本研究所绘制基线区域范围尽量反映岸线变化的整体趋势，且数据冗余较小，并针对岸线变化比较明显的区域进行变迁分析。基线总长为74.13 km，采样间距设置为100 m，为了表现围填海、修建码头和修筑养殖池等岸线变化距离比较剧烈的区域，由基线向海岸线生成长度为900 m的切线，并经过修改和调整，共749条。

根据岸线变迁分析需要，计算了不同年份岸线长度、不同时段岸线年平均终点变化速率等参数，用于对长岛南五岛海岸线变迁进行定量分析研究。其中，岸线长度、岸线年平均变化速率反映岸线的总体进退情况，而终点变化速率则反映岸线变化的空间差异。

终点变化速率（End Point Rate）计算公式如下：

式中，Em，n是在nm时间段内，两期岸线沿切线D的终点变化速率；dm是第m期岸线沿切线D到基线的距离；dn是第n期岸线沿切线D到基线的距离。

3 结果分析

3.1 海岸线总长度变化分析

用ArcGIS软件提取了1982、1995、2006和2015年的长岛南五岛海岸线数据。这里为了便于描述，分别将1982-1995、1995-2006和2006-2015称为前期、中期和后期。从表2可以看出，海岸线总体呈增加的趋势，前期增加了3.49 km，中期增加了2.7 km，后期增加了3.51 km。其中人口比较集中、经济发展较快的南长山岛、北长山岛、庙岛和大黑山岛岸线长度增加的较快，而人口较少的小黑山岛岸线长度变化比较小。前期，各岛海岸线长度均呈增加的趋势，其中南长山岛增加最快，增加了1.48 km；后期，北长山岛岸线增加较快，增加了3.14 km，通过遥感监测和实地调查得知，这和该岛西部大面积的围填海活动有关。而北长山岛和小黑山岛岸线长度则出现了小幅度的减少，分别减少了0.12 km和0.19 km，由于北长山岛和小黑山岛北部基岩岸段较长，海岸线表现为缓慢侵蚀，而且，在这个时期海岸带开发活动减弱，部分自然岸线得到修复，使两岛的海岸线长度减少。

3.2 海岸线类型的空间分布特征

不同类型的海岸线与其海岸带的地质构造、地貌形态、水陆相互作用以及人类活动密切相关。从1982、1995、2006和2015年海岸线类型分布图（图3）可以看出，长岛南五岛岸线类型主要以基岩岸线、砂砾质岸线、人工岸线为主，而淤泥质岸线分布较少。

表2 长岛南五岛（1982-2015）各岛海岸线长度变化

图3 4个时期海岸线类型空间分布

整体而言，研究区砂砾质岸线分布最多，主要分布于海岛基岩岬角之间较为开阔的海湾内，如南长山岛的东部、北长山岛的东部，北长山岛北部、大黑山岛西部、小黑山岛东南部和庙岛西部；粉砂淤泥质岸线在研究区分布较少，只在南长山岛西部有分布。基岩岸线主要分布在大黑山岛北部、南长山岛的东北部和西北部、北长山岛的东北部和西北部、庙岛和小长山岛的北部。人工岸线主要分布在人口比较集中、经济发达且易于开发的南长山岛和北长山岛的西部、大长山岛和庙岛的东部。

3.3 不同时期海岸线类型构成变化分析

表3是各个时期不同岸线类型的长度和所占比例。海岸线在由自然岸线变为人工岸线的过程中会出现海岸线平直化，海岸线长度也随之增加或减少，如围垦养殖和修建防波堤会使淤泥质海岸和基岩海岸变得平缓，随之岸线也会变短；而围填海和修建码头等工程活动则会使海岸变“凸”，致使岸线变长。

从岸线统计结果可以看出，长岛南五岛海岸线类型主要以砂砾质岸线和基岩岸线为主，近30年来长岛南五岛海岸线类型发生了明显的变化。其中，砂砾质岸线、粉砂淤泥质岸线和基岩岸线长度都不同程度的减少。其中以粉砂淤泥质岸线最为明显，在1982年长度为1.29 km，然而在人类围填海过程中，都转变成了人工岸线。砂砾质岸线长度变化最为剧烈，在1982年总长度为39.05 km，占岸线总长度的50.8%，到2015年砂砾质岸线减少到35.81km，占海岸线总长度的41.4%，减少了3.24km。基岩岸线长度由1982年的20.42 km减少到2015年的17.38 km，减少了3.04 km。近30年中，人工岸线长度变化最多，1982年岸线长度为16.14 km，2015年则增长到33.26 km，增加了17.12 km。

表3 长岛南五岛（1982-2015）海岸线类型变化

研究区近30年岸线类型变化速率如图4所示。1982-1995年间，岸线变化最快的是淤泥质岸线，变化速率为-7.69%，另外人工岸线也有明显的增加，变化速率为2.95%，而这个时期基岩岸线和砂砾质岸线变化比较缓慢，分别为-0.05%和-0.29%；1995-2006年间，人工岸线增长速度略有放缓，变化速率为2.42%，基岩岸线明显的减少，变化速率为-1.27%，砂砾质岸线变化速率仍旧较为稳定；2006-2015年间，岸线变化速率整体变缓，人工岸线依然增速最快，变化速率为1.96%，基岩岸线较中期变化速率下降，变化速率为-0.21%，砂砾质岸线则略有上升，变化速率为-0.34%。

图4 不同时间段海岸线类型变化速率

总体来看，近30年来随着海岛经济的发展，海岸线开发以砂砾质岸线为主，主要是围垦养殖和围填海工程。而中后期基岩岸线的减少，一方面是由于海岛旅游业兴起，码头的修建逐渐增多；另一方面因为工业和捕鱼业继续发展，依靠基岩岸线修建了大量的港口。

3.4 海岸线类型变化速率的时空分布

不同时期的岸线终点变化速率可以反映研究区相应时期对其海岸带开发利用强度的不同（图5）。图中的断面号是在切线生成过程中形成的，对应于相应切线的位置。根据沿切线计算的终点变化率，在1982到2015年近30年中，长岛南五岛海岸线的变化具有明显的阶段性和区域性特征。

图5 1982-2015年长岛南五岛不同时期的岸线终点速率及其分布

从时间上看，岸线速率的变化过程主要包括三个阶段。在1982年到1995年的13年中，长岛南五岛海岸线的变化速率比较快，从图5中可以清楚看出海岸线发生明显变化的区域。如断面号为12的大黑山岛东部、断面号为318的南长山岛东部，部分砂砾质岸线转变成养殖池；另外，断面号为600附近的南长山岛西部，岸线速率变化比较明显，主要是这个时期南长山岛开发活动开始活跃，围填海工程、围垦养殖、修建码头和广场使自然岸线转为人工岸线。而断面号为60～75的岸段为大黑山岛北部，海岸地貌类型主要有海蚀崖、海蚀洞穴、海蚀平台等，岸线变化为缓慢侵蚀。整体来看，这个时期研究区开发活动比较频繁，说明长岛南五岛开始进入城镇化阶段。

从1995年到2006年，除部分岸线变化速率比较快，长岛南五岛在这个时期岸线变化速率较为平缓，岸线变化主要表现为人工岸线的增加，如断面号为50的大黑山岛东北部以及断面号为50的大黑山岛西南部，岸线分别开发为港口和养殖池。南长山岛仍旧是岸线变化速率最为明显的区域，修建码头、围填海活动进一步加剧。

从2006年到2015年，长岛南五岛岸线变化速率较为剧烈。其中，断面号为461的北长山岛西南部岸线以及断面号为531、558、733的南长山岛东部和西南部岸线转变为养殖池；其次，断面号为469的北长山岛西南部岸线被开发为码头；而断面号为600-630的南长山岛西部岸线变化速率在这个时期达到顶峰，主要是该海域近年来大面积的进行填海造陆，使岸线长度急剧增加。

从岸线进退的空间分布看，在从1982年到2015年的近30年中，长岛南五岛岸线变化速率比较快的岸段主要集中在南长山岛、北长山岛和大黑山岛。其中，南长山岛西部、北长山岛西部和南部、大黑山岛的西部等地区，人口相对集中，经济发展比较快，岸线变化速率最为显著。

4 海岸线变迁的原因及其影响

4.1 海岸线变迁的原因分析

长岛南五岛海岸线的变迁原因主要是自然侵蚀和人类的开发活动。其中，人类的开发活动是主要因素。

4.1.1 海岸侵蚀

海岸侵蚀导致海岸线后退，此类变迁主要分布在大黑山岛和北长山岛的北部，以基岩岸线为主，海岸地貌类型有海蚀崖、海蚀洞穴、海蚀平台等。由于长岛南五岛地处开阔海域，基岩岸段直接遭受波浪的强烈冲蚀和沿岸流的冲刷作用，海岸切割剧烈，岸前几乎无海滩沉积，海岛周边岸壁不断坍塌，如大黑山岛北部的海蚀崖在1982-2015年间，海岸线发生了明显的侵蚀后退。

4.1.2 人类的开发活动

改革开放以来，长岛南五岛开始大力发展沿海区域经济，因此海岸带开发利用主要集中在80年代末期和90年代初期，城市扩展和养殖业发展是这个时期导致海岸线变化的的主要因素。与1982-1995年相比，1995-2006年间长岛南五岛海岸线变化趋于平缓，岸线变化的区域主要还是新增的城市用地、养殖区以及原有的填海区继续扩大。

2006-2015年间，随着海岛旅游业的兴起，以及2011年长岛休闲度假岛建设列入了《山东半岛蓝色经济区发展规划》，长岛南五岛经济快速发展，城市化水平不断提高，这直接刺激了许多地区填海造陆来满足城市扩展的需求。同时，随着旅游人口的急剧增多，长岛南五岛积极兴建和扩建码头、港口，以满足货运、客运的需要；此外，市场加大了对海产品的需求，直接导致了大面积的围海养殖。

4.2 海岸线变迁对海岛的影响

人类对海岛海岸线的开发活动不仅改变了海岛的数量、地貌等，而且不同程度的对海岸带环境带来改变。如海岸线的淤进会改变河道；海岸线的蚀退将导致海水入侵、土壤盐φ化加剧（周健等，2000）。同时海岸侵蚀也将对海岛领海基点资源构成威胁，甚至使某些领海基点面临丧失。海岸带的人工建造物，如养殖池、港口码头、防潮堤都会干扰沿岸流的方向及速率（Saranathan et al，2011)。如南长山岛西北部由于大范围的填海造陆和港口建设，使周围水域环境及其水动力条件发生改变，从而导致海岸带发生淤积或者侵蚀变化。

5 结论

（1）综上所述，近30年长岛南五岛海岸线时空变化区域性显著。整体而言，在1982-2015年间，海岸线总长度增加了9.54 km，人工岸线变化最为明显，年均变化速率为3.21%，基岩岸线和砂砾质岸线消失情况较为严重，年均变化速率分别为-0.49%和-0.23%。人类活动对海岸线的开发是海岸线时空变化的主要因素，而局部岸段表现为自然的缓慢侵蚀。

（2）从海岸线空间变化距离和区域特征来看，研究区大部分区域海岸线呈向海推进趋势，平均推进速度为0.54 m/a。而大黑山岛北部、北长山岛北部等基岩海岸，受海水侵蚀作用，具有向陆缓慢蚀退的趋势。岸线变化较为剧烈的岸段，主要集中在经济发展水平较快的南长山岛、北长山岛和大黑山岛。

（3）长岛南五岛在不同时期海岸线类型的变化，尤其是人工岸线的变化，反映了海岸带的开发利用程度，以及该岛的经济发展水平。同时，如何合理的开发利用海岛海岸线资源以达到环境与经济的双赢，是目前海岛发展过程中需要亟待解决的问题之一。

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Spatial-temporal changes of the coastline in Five South Island of Long Island in recent three decades on RS and GIS

KANG Bo1,2,LIN Ning2,XU Wen-bin2,WANG Na2,LIU Qing-qun2

（1.Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China;2.National MarineData and Information Service,Tianjin 300171,China)

Oceanic islands contain abundant resource which have great economical value and effectively sustain the ecosystem,and they also play a significant role in preserving marine right and interests of the country.In this paper,based on the technology of RS and GIS,using Landsat of 1982,1995,2006 and 2015,the spatial and temporal changes of the coastline in the past 30 years were analyzed.The results showed that the total length of the coastline had increased by 9.54 km in the past 30 years,and the coastline had the trend toward sea at the speed of 0.54 m/a.Coastline changes were mainly affected by human factors,which are mainly reflected in aquaculture reclamation,construction land use and port construction.Relatively large changes are mainly in the west of the South Long Island and North Long Island.These results implyed that the changes of the coastline might lead to a set of environment problems such as coastline erosion,and attention should be paid to the coastline development and reasonable coastal resources uses.

Five South Island of Long Island;island;remote sensing;analysis of coastline change

P737.17

A

1001原6932（圆园17）05原园585原09

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.05.015

2015-09-07；

2016-12-18

康波（1989-），硕士研究生，主要从事遥感和GIS相关研究。电子邮箱：1614574623@qq.com。

（本文编辑：袁泽轶）