基于GIS和RS的山东日照海岸带1988—2018年间演化分析

苗苗，谢小平

(曲阜师范大学地理与旅游学院，日照 276826)

0 引言

海岸带作为海、陆、气交互作用的地带，不仅是海洋生态系统向陆地生态系统的过渡区域，也是全球最重要的生态交错带，各种过程耦合多变，机制复杂，叠加人类活动，使得海岸带成为响应全球变化最敏感的区域[1-4]。随着改革开放的发展，我国的海岸带开发加速，海岸带局部侵蚀问题日益严重，海岸侵蚀已经与风暴潮和巨浪灾害并列为我国三大海洋灾害，海岸带变化的研究也日趋受到研究学者们的重视[5-7]。中国海岸分布主要集中于辽东半岛、山东半岛和华南海岸3个区域，国内学者对山东半岛海岸变化情况研究较多，但是对日照海岸带时空变化的研究却很少。山东省日照市作为山东半岛蓝色经济区的重要组成部分和我国东部沿海地区的新兴港口城市，近年来经济发展迅速，海岸带地区面临日趋严峻的生态环境风险。因此，对日照海岸带进行系统研究，了解其发展趋势是极其重要的。

遥感(remote sensing,RS)和地理信息系统(geographic information system,GIS)技术作为新的监测手段在海岸带动态变化监测上得到了广泛应用[8-9]，国内学者基于RS和GIS技术对我国自北向南多个区域海岸线变化进行了研究，如姚晓静等[10]利用卫星遥感资料与现场实测资料对海南岛30 a海岸线时空变化进行了研究；陈金月[11]结合GIS和RS技术分析了珠江三角洲40 a间海岸线变迁及驱动因素；康波等[12]基于遥感和GIS技术对长岛南五岛30 a来海岸线时空变迁进行详细分析。近年来，一些学者对日照海岸带地貌和地质景观、海岸线形态、海岸带景观格局变化过程进行了研究[13-15]，但只是对日照海岸带的局部特性做了研究。因此，本文综合利用RS与GIS技术，对日照海岸带1988—2018年间近30 a的时空变化特征及其演变的驱动力进行了探究。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

山东省日照市海岸带位于黄海中部，北起日照市东港区两城河口，与青岛胶南市海岸接壤，南至岚山区绣针河入海口，与江苏赣榆县相连，西至204国道，东至20 m水深线附近(图1)。沿岸发育平直的基岩砂砾质海岸，中部的奎山、南部的岚山两段为剥蚀丘陵，形成突出的岬角滨海陡崖和水下岩滩；南北部的剥蚀平原和现代海岸线之间为宽广的沙坝潟湖沉积体系。区域断裂构造以NE向的日照—青岛断裂和NW向的梭罗树断裂为主，海岸呈NE-SW走向。境内地表水水体发育，河流为内陆河入海段，流向多为NW-SE向，自北而南主要有白马河、两城河、潮白河、付疃河、巨峰河、龙王河和绣针河，除傅疃河等为永久性河流外，其他多属季节性河流。由于该地区地理位置优越，形成了众多的天然良港，海岸线上的主要港湾包括石臼湾、佛手湾与日照港、岚山港组成日照港群。日照海岸带是日照经济、文化发展中心，现已发展成集临海工业、港口贸易、商贸、金融、交通运输、旅游度假等多功能、外向型、综合性、现代化的海岸带[16-18]。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

1.2 数据源及其预处理

本文选取的数据包括：研究区1988年、1998年、2008年和2018年4期遥感影像数据，来自地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)，其中2018年影像数据为Landsat8 OLI，2008年、1998年和1988年影像数据为Landsat5 TM；研究区各年潮汐数据来源于中国港口网(http://www.chinaports.com)；参考数据包括日照市行政区划、1∶50 000基础地理信息数据、数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据，以10 a为间隔来研究日照海岸带时空变化特征。采用ENVI5.2软件数据处理平台，对研究区4期遥感影像依次进行辐射校正、几何纠正、镶嵌、裁剪等数据预处理操作，以消除空间上和辐射物理量上的畸变或噪声，得到研究区各时相遥感影像图[19-20]。

2 研究方法

2.1 海岸线类型的划分及提取

海岸线是指平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线，本文根据海岸形态、成因、物质组成和发展阶段等特征将日照市海岸线划分为基岩海岸线、砂质海岸线、淤泥质海岸线、人工海岸线4类，使用红光、近红外和短波红外1波段合成遥感影像，根据不同海岸线的纹理、形状、色调等特征建立各海岸线的解译标志(表1)[21]。

表1 日照市海岸线类型Tab.1 Coastline type in Rizhao City

在提取海岸线前，先利用滤波器突出各类型海岸线的水陆分界线[22-23]。采用修正归一化差异水体指数(modified normalized difference water index，MNDWI)提取Landsat5遥感影像的水陆分界线，表达式为：

MNDWI=(G-MIR)/(G+MIR)，

(1)

式中：MIR为中红外波段的反射率；G为绿光波段的反射率。采用自动提取水体指数(automatic extraction water index，AWEI)提取Landsat8遥感影像的水陆分界线，表达式为：

AWEI=B+2.5G-1.5(NIR+S1)-0.25S2，

(2)

式中：B为蓝光波段的反射率；NIR为近红外波段的反射率；S1和S2分别为2个短波红外波段的反射率。运用式(1)—(2)获得4个时相的水体指数影像，分别设定 MNDWI和AWEI的取值范围来提取水陆分界线[24-26]。由于卫星过境时刻获取的海岸线影像不能保证其为平均大潮高潮线，而海岸线的位置又易受潮汐等因素的影响，故需要对瞬时水边线进行潮位校正[27-29]。人工海岸和基岩海岸水陆分明、坡度大而陡，潮汐影响小，不需要做潮位校正，仅对砂质海岸和淤泥质海岸做潮位校正。本文采用外牵引法[30]进行潮位校正，根据卫星过境时潮位和日最高潮位计算出潮位差，再由潮位差和海岸平均坡度计算外牵引距离(L)，计算公式为：

L=(H2-H1)/tanα，

(3)

式中：H1为瞬时潮位高度；H2为最高潮位高度；α为海岸平均坡度(°)。海岸线位置计算的原理如图2所示，将需要校正的水边线向前移动距离L就可以得到真正意义的海岸线位置。

图2 海岸线位置计算原理Fig.2 Theory of counting coastline position

2.2 海岸带土地利用时空变化研究方法

海岸带是指海陆之间相互作用的地带，是海岸线向陆海两侧扩展一定宽度的带状区域，包括陆域与近岸水域，对于其范围，至今尚无统一的界定。本文规定的海岸带调查范围为：由海岸线向陆地方向延伸10 km，向海方向延伸2 km。利用各时相海岸线向陆区域做距离为10 km的缓冲区，向海区域做距离为2 km的缓冲区，以缓冲区为掩模裁剪各时相遥感影像。根据《土地利用现状分类标准》的中的一级分类体系和研究区特征，将研究区土地利用类型分为水体、林地、耕地/草地和建设用地(主要为盐田和养殖池)。在ENVI5.2软件支持下，对各时相影像采用最大似然法与传统目视解译相结合的方法进行监督分类，以Google地图与2018年9—10月实地考察数据为验证数据，对分类结果进行精度验证[31-33]。

2.3 研究方法

在ArcMap10.2软件支持下，基于研究区DEM数据，运用水文分析工具，依次进行洼地填充、流向分析、汇流累积量计算、提取河流网络栅格，进行流域分析，生成河网。把集水阈值设为10 000的河网图层与研究区各时相海岸线图层叠加，分析河口区海岸线变化特征。再结合各时相入海河流遥感影像解译标志，分析1988—2018年30 a间研究区入海河流河口区演化特征。

3 结果与分析

3.1 海岸线演变分析

3.1.1 海岸线潮位校正及精度验证

海水在天体引潮力作用下产生的潮汐现象具有规律性，日照海岸带潮汐属于半日潮型，即一日有2次高潮和低潮[34]。本文获取了研究区2017—2019年6月的大潮日的潮高数据，并用2017—2019年各个时刻潮位数据拟合潮位曲线(图3)。

图3 2017—2019年潮位拟合曲线Fig.3 The fit curve of tidal level in 2017—2019

由图3可知，不同年份潮位曲线具有相似的走势，对高低潮时刻和潮高做相关性分析，相关系数均达到0.99以上。计算图4中任意2条曲线同一时刻的潮位高度差，可以得到2017—2019年时刻的平均潮位高差为30.23 cm，根据三角函数关系计算此误差在水平方向上为7.5 m，而卫星分辨率为30 m，误差在合理范围内，故可利用潮汐规律可以对缺失数据的年份做潮位修正。利用研究区DEM图像生成坡度图(图4)，计算可得从水边线向陆地推80 m的范围内平均坡度为2.3°，通过计算可得潮位校正外牵引距离(表2)。

图4 研究区坡度图Fig.4 Slope map of the study area

表2 潮位数据以及计算结果Tab.2 Tidal level data and calculation results

由表2可知，为得到研究区各时相正确的海岸线，需将获得的1988年、1998年、2008年、2018年的未利用的淤泥质海岸和砂质海岸的瞬时水边线分别向前移动88 m，83 m，8 m和70 m，获得各时相完整的海岸线。为了验证提取效果，首先在各时相原图像不同类型海岸线上分别随机取40个像素点，然后在提取出的海岸线图像上找出相对应的像素点，比较二者之间的位置变化。如果2个像素点的位置重叠则表示该点海岸线提取效果好；如果2个像素点相邻则表示该点海岸线提取效果在误差允许范围之内；否则，则表示该点海岸线提取失败。经计算可获得不同时相海岸线像素点位置的检验结果(表3)[35-36]。

表3 像素点位置检验结果Tab.3 The veracity of pixel position

从检验结果可以看出基岩海岸和人工海岸的提取效果最好，砂质海岸提取效果较差，这是因为砂质海岸海岸线平直，易产生点的位移；而基岩海岸、砂质海岸和未开发淤泥质海岸的海岸线相对曲折，海岸线位置变化不大。

3.1.2 海岸线动态演变分析

把各时相海岸线叠加显示(图5)，通过ArcMap的数据统计功能提取出各类型海岸线的长度(表4)，综合分析不同类型海岸线时空变化情况。结合图5和表4分析可知，1988—2019年30 a间日照海岸线变化剧烈，海岸线演变整体趋势为向海推进。海岸线长度及增速均呈现逐年增加的趋势，海岸线长度总体增加达49.17 km，其中，1988—1998年增加12.1 km，年变化率为1.21 km/a；1998—2008年增加22.4 km，年变化率为2.24 km/a；2018年比2008年增加14.8 km，年变化率为1.48 km/a，3个时期均保持较快增长，1998—2008年增速最快。1988—1998年间，除日照港附近的海岸线向海推进外，其他地区海岸线均后退；1998—2008年，海岸线变迁显著，随着日照港到傅疃河口沿岸建设幅度增大，海岸线向海方向增加明显；2008—2018年，韩家营子到绣针河口段为岚山港建设开发区，此段海岸线变化剧烈。在不同类型海岸线中，人工海岸线所占比重呈逐年上升趋势，30 a内净增加85.72 km，到2018年比重已达70.04%，海岸工程、养殖池是人工海岸线的主要形式，如中部的奎山和南部的岚山两段目前改造为码头、养殖池，南部的沙坝外普遍修筑了人工堤坝，沙坝间的潟湖区被改造为养殖池；砂质海岸线分布较多，受海水侵蚀作用小，使沿海地区向陆面积变化小，但是1988年以后，砂质海岸线长度呈逐年递减趋势，30 a间减少12.84 km；基岩海岸线相间分布所占比例很少，主要分布在任家台咀、石臼咀、岚山咀和奎山咀，近几年基岩海岸线变化很小；淤泥质海岸线保持缓慢下降趋势，主要分布在河流入海口处。

(a)1988—1998年 (b)1998—2008年

表4 各时期各类型海岸线长度统计Tab.4 Length and proportion statistics of coastline in each period

3.2 海岸带土地利用变化过程

3.2.1 海岸带土地利用分类精度验证

在ENVI5.2软件支持下，以Google地图与2018年9—10月实地考察数据为验证数据，对进行监督分类后的分类结果进行精度验证，以总体分类精度和Kappa系数来表示分类精度(表5)。由于本文分类系统简单，主要分为了4类，且各地类在光谱上有明显区别，故而分类精度较高，从表5中可以看出其Kappa系数均在0.9以上，表明分类结果可以满足研究目的。利用Post Classification工具消除噪声，获得研究区各时相海岸带土地利用图(图6)[37-38]。

表5 分类精度Tab.5 Classification accuracy

3.2.2 海岸带土地利用变化结果分析

得到研究区各时相土地利用分类结果后，利用分类后处理工具统计并计算各地类所占面积及其所占百分比(表6)，分析其结构组成的时空变化。由表6可知，1988—2018年30 a间建设用地面积呈现逐年增加的趋势，由1988年的213.77 km2增加到2018年的413.93 km2，其所占总地类面积的比重由21.73%增加到39.43%；30 a间耕地和草地面积则逐年减少，由1988年的445.50 km2减少到2018年的287.03 km2，其所占总地类面积的比重从45.29%减少到27.34%，岚山区、东港区附近的大部分耕地转换为建设用地；水体和林地分布时空变化起伏不大。

(a)1988年 (b)1998年

表6 1988—2018年日照海岸带各土地利用类型面积及比例Tab.6 Land cover type area and proportion from 1988 to 2018 in Rizhao coastal zone

用2018年海岸带缓冲区作为感兴趣区裁剪1988年和2018年遥感影像，进行监督分类，制作1988—2018年转移矩阵表(表7)，分析日照海岸带30 a间各地类转化情况。由表7可知，1988—2018年各地类相互转化情况如下：有60.82 km2建设用地转化为耕地/草地，占其转化总面积的27.69%，相对应的有185.51 km2耕地/草地转化为建设用地，占其转化总面积的比重最大，为39.60%，两者间净转移量为124.69 km2；其次，水体转化为建设用地的面积占其转化为其他地类的总面积的比重最大，转为建设用地的面积84.63 km2，占其转化总面积的12.97%；林地转为建设用地的面积也最大，为33.8 km2，占其转化总面积的31.97%。总体来看，建设用地在各地类使用中的重要程度逐渐加大。

表7 1988—2018年日照海岸带土地利用面积转移矩阵Tab.7 Transition matrix of land over types in Rizhao coastal zone from 1988 to 2018

3.3 入海河流对海岸带的影响

研究区沿岸的主要入海河流有两城河、付疃河和绣针河，根据入海河流河口区特征(表8)和河口区海岸线位置变化(图7)对日照海岸带河口区演化进行分析。结合表8和图7分析可知，1988—1998年间，两城河口段海岸线处于蚀退状态，1988年后两城河河口南侧的沙坝潟湖水域出现了大面积围海和向陆开挖养殖池的活动，导致潟湖消失；1998—2008年间，在两城河下游和河道内建设虾池、育苗厂，大面积占用河道；2008—2018年间，对占用河道的设施进行清除，并建立地下水库拦蓄和调节地下水流，向海输出的泥沙持续淤积，在河口区重新堆积砂体[39]。

表8 河口区特征Tab.8 The characteristics of the estuary

(a)1988—1998年两城河河口区 (b)1988—1998年付疃河河口区 (c)1988—1998年绣针河河口区

(g)2008—2018年两城河河口区 (h)2008—2018年付疃河河口区 (i)2008—2018年绣针河河口区

1988—1998年间，付疃河有一半泥沙被日照水库拦淤，河流供沙大幅度减少，淤进速度减缓，河口附近海岸线还被用于建设养殖池，转变为人工海岸；1998—2008年间，在付疃河流域境内分布着多处采沙点，严重影响了付疃河的泄洪能力；2008年以来，对付疃河进行了综合治理，使其向海输出的泥沙持续淤积，向海伸出形成突滩[40-41]。

1988—1998年间，岚山港相继建成防波堤和多个吨级泊位，拦阻了大量泥沙，使河口区蚀退；1998—2008年间，又在河口湾潟湖中修建了人工砌石护岸，岸滩泥沙被阻挡，人工开采海滩沙和兴修水库也使入海泥沙大为减少，导致河口东岸的长条状沙嘴消失；2008—2018年间，由于政策保护河口湿地，河口三角洲处转蚀为淤，河口处形成向陆微凹的小型三角洲冲积平原[42-43]。

4 讨论

研究区海岸线变化与沿海土地利用之间是有直接联系的，海岸线剧烈变化的区域也是海岸带土地利用变化剧烈的区域。30 a间，研究区海岸线变化剧烈，北岸海岸线较为完整，变化不大；中岸和南岸海岸线变化较大，海岸线破碎。海岸线长度持续增加，自然海岸线持续减少，人工海岸线持续增加，其中变化较大的区域主要集中在日照港、岚山港及河流入海口附近，如日照港和岚山港相继建成防波堤和多个吨级港作泊位和生产泊位，作为建设开发区；在河口区出现了大面积围海和向陆开挖养殖池的活动、分布着多处采沙点。30 a间，研究区主要土地利用类型为建设用地、耕地/草地，建设用地面积呈现逐年增加的趋势，养殖池和盐田增加面积所占比重较大，区域内岚山区、东港区附近的大部分耕地转换为建设用地，且建设用地扩张呈现中心扩张趋势；随着入海口河流携带的泥沙逐渐减少及大面积围海和向陆开挖养殖池、采沙活动的增加，沿岸水体减少，相应建设用地增多；在海岸线变化较小的任家台咀、石臼咀、岚山咀、奎山咀地区，沿岸土地利用变化也相应较小。由此可知，在海岸线变化剧烈的时间段内沿岸土地利用速率也相应变化。

5 结论

本文系统总结了日照海岸带影像解译标志，并结合前人研究成果，利用RS和GIS技术，分析了日照海岸带时空变化特征及其驱动力，得出如下结论：

1)1988—2018年的30 a间日照海岸线变化剧烈，海岸线演变整体趋势为明显的向海推进。海岸线长度及增速均呈现逐年增加的趋势，3个时期均保持较快增长。在不同类型海岸线中，人工海岸线所占比重呈逐年上升趋势；砂质海岸线逐年减少；基岩海岸线相间分布于砂质海岸之间，所占比例很少，几乎不发生变化；淤泥质海岸线始终变化不大，保持缓慢下降趋势。

2)30 a间日照海岸带各土地利用类型中，建设用地面积及其所占比重逐年递增，且养殖池和盐田所占比重较大；耕地和草地面积及其所占比重逐年减少；林地和水体面积时空变化不明显。转移矩阵表显示各地类转化以耕地/草地转化为建设用地为主要趋势。

3)30 a间河口区海岸线动态变化明显，1988—1998年间河口区进入蚀退阶段，沙嘴前端变浅，甚至部分解体，河口附近岸段基本上转为人工海岸线；1998—2008年间各入海河流河口地貌保持相对稳定，说明河口区水动力对沉积物的冲蚀和淤积基本保持动态平衡；2008—2018年间河口区恢复以堆积状态为主，在河流的两侧分布有规模较小的带状冲积平原。