2001—2013年辽东湾海岸带空间变化分析
杨长坤1,2, 刘召芹2, 王崇倡1, 刘斌2, 彭嫚2
1.辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院,阜新 123000
2.中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室,北京 100101
通信作者:刘召芹(1973-),男,副研究员,主要从事遥感制图与导航定位方面的研究。Email: liuzq@radi.ac.cn

第一作者简介: 杨长坤(1988-),男,硕士,主要从事遥感图像处理方面的研究。Email: yck2488585@163.com

摘要

选用2001年、2006年、2009年和2013年的Landsat5/8遥感数据,利用面向对象的方法和GIS空间分析技术,对辽东湾的海岸线变迁和海岸带土地利用变化情况进行研究。通过定量和定性分析,总结该区域海岸线变迁的速度与土地利用变化幅度。结果表明: 12 a来,辽东湾海岸带发生了巨大变化,整体变化趋势是由陆地向海洋方向扩展,海岸线总长度增加了514 km,海岸带总面积增加了404 km2; 从土地利用方面来看,港口不断扩建,建筑用地和未利用土地不断增加,绿地、湿地和滩涂大幅减少; 这些变化主要是人类经济活动开发导致的。

关键词: 辽东湾; 面向对象; 海岸线; 土地利用
中图分类号:TP 79 文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2015)04-0150-08 doi: 10.6046/gtzyyg.2015.04.23
Spatial change analysis of the coastal zone of Liaodong Bay from 2001 to 2013
YANG Changkun1,2, LIU Zhaoqin2, WANG Chongchang1, LIU Bin2, PENG Man2
1. School of Geomatics, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China
2. State Key Laboratory of Remote Sensing Science,Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
Abstract

In this paper, the changes of the study area were studied comprehensively using Landsat5 and Landsat8 images from 2001 to 2013 based on the techniques of object-oriented classification and spatial analysis. The results based on quantitative and qualitative analysis show that great changes of the land use have taken place in coastal zone in the past 12 years, and the total length of the coastline has increased by 514 km, with the total area of the coast increasing by 404 km2. The results achieved by the authors further show that large areas of green land, wetlands and tidal flats have changed into port, construction land and unused land due to rapid economic development in the coastal zone.

Keyword: Liaodong Bay; object-oriented; coastline; land use
0 引言

海岸带是指陆地和海洋之间相互作用的交汇地带。海岸线是海陆的分界线, 在我国定义为多年大潮平均高潮位时的海陆界限[1, 2]。海岸线对生态环境影响较大, 如湿地退化、生态服务功能下降及生物多样性受到破坏等[3]。国内外许多学者采用遥感手段研究海岸线的变迁。Descombes等[4]采用SAR影像提取了海岸线; Frihy等[5]检测了尼罗河三角洲东北部海岸线的变化; 冯兰娣等[6]采用小波变换提取了黄河三角洲岸线; 姜义等[7]提取了渤海百年来岸线变化信息; 张旭凯等[8]结合海岸类型和潮位校正对海岸线进行了提取。许多学者对沿海土地利用也进行了研究。吴泉源等[9]分析了1984— 2004年龙口市海岸带变化特点; 朱会义等[10]分析了环渤海区1985— 1995年间土地利用的变化特征; 杜培军等[11]分析了江苏滨海湿地土地利用变化情况; 郑宗生等[12]分析了崇明东滩湿地的演变情况。然而, 很少有学者将海岸线变迁和沿岸土地利用相结合来对海岸带进行分析。本文采用面向对象的遥感解译方法和GIS空间分析技术, 定性与定量相结合对辽东湾2001— 2013年海岸线变迁以及海岸带的土地利用变化情况进行了全面分析, 可为辽东湾地区的可持续发展提供决策数据支持。

1 研究区概况及数据源
1.1 研究区概况

辽东湾是中国渤海三大海湾之一, 地理位置在长兴岛(E121° 13.5', N39° 31', )与秦皇岛(E119° 31.7', N39° 48.8')连线以北[13]。平均潮差(营口站)2.7 m, 最大可能潮差5.4 m[14]。根据辽东湾海岸的变迁状况和类型, 本文对改造程度较大的秦皇岛港、山海关港、葫芦岛港、锦州港、鲅鱼圈港和仙人岛港6个区域及辽东湾北部特征明显的淤泥质海岸带辽河口区进行了分析, 位置如图1所示。

图1 辽东湾海岸带及其重点研究区Fig.1 Liaodong Bay coastlines and its key study area

1.2 数据源及其预处理

本文以Landsat5 TM(时相为2001-08-10, 2001-09-02, 2006-10-02, 2006-10-11, 2009-10-03及2009-10-10)和Landsat8 OLI_TIRS(时相为2013-11-15和2013-11-22)图像为数据源, 空间分辨率为30 m。采用1:5万比例尺地形图对图像进行几何精纠正, 然后对其镶嵌。

2 研究方法

首先, 分析整个辽东湾地区变化情况, 确定重点区; 然后, 对重点区进行海岸线变迁和土地利用变化分析。海岸线提取采用面向对象的方法[15, 16], 具体流程见文献[17]。提取的海岸线是多年平均高潮位时的海陆分界线[18]。由于不能保证卫星过境时正好处于大潮高潮位, 因此需对提取的不同类型海岸线分别进行潮位纠正。辽东湾多为淤泥质平原海岸, 受潮位影响较大, 需纠正才能得到准确的海岸线; 同理, 砂质岸线也需纠正; 部分人工海岸建设有坑塘养殖地、大坝和海港等, 由于潮位对其影响较小, 将不予纠正; 少许基岩海岸也无需纠正。海岸线潮位校正的原理基于三角形模型[19, 20], 如图2所示。

图2 海岸线位置纠正原理Fig.2 Principle of coastline position modification

设2景图像成像时刻的水边线位置为D1D2, 水平间距为△ L, 卫星过境时刻的潮位高度分别为h1h2, 则有

θ=arctan[(h2-h1)L]L=(H-h2)/tanθ, (1)

式中: θ 为海岸坡度; L为水边线到海岸线的距离; H为平均高潮位的潮水高度。

海岸线潮位纠正需要潮汐站的观测数据, 包括卫星过境时的潮位和平均高潮位。潮位信息来自中国海事服务网, 卫星过境的潮位高度如表1所示。

表1 卫星过境时刻潮位信息 Tab.1 Tide information at satellite transit time

首先, 根据式(1)和潮位信息, 对淤泥质和砂质海岸线进行纠正, 并在GIS软件中完成海岸线合并, 获得辽东湾及各研究区纠正后的海岸线, 如图3所示。

图3 辽东湾重点研究区海岸线Fig.3 Coastlines of key study area of Liaodong Bay

然后, 采用支持向量机分类法对研究区海岸带进行分类, 并对分类结果进行矢量化; 最后, 利用GIS空间分析功能和地图代数功能进行后期评估和属性统计。由于每个研究区土地利用变化情况各不相同, 所以不同区域的分类也有所不同。

3 海岸线提取精度验证

采用Google Earth 1 m空间分辨率图像对不同年份的海岸线提取精度进行验证。首先, 在提取的海岸线附近(1个像素距离内)分别随机选取500个样点, 利用空间分析软件, 将其分类为海洋或陆地; 然后, 将Google Earth中查询得到所需的辽东湾高分辨率影像, 分别用1:5万地形图对图像进行几何精纠正, 使其与海岸线矢量图投影一致; 最后, 验证上述样本的分类精度, 结果如表2所示。

表2 辽东湾海岸线提取精度 Tab.2 Accuracy of the extraction of coastlines in Liaodong Bay

表2可以看出, 4期海岸线的提取精度都在90%以上, Kappa均在0.85以上, 说明面向对象和潮汐校正结合后提取的海岸线精度较好。

4 海岸带时空变化分析
4.1 海岸线变迁和面积变化

辽东湾海岸线和陆地面积变化情况见图4

图4 辽东湾海岸线长度(左)及面积(右)变化Fig.4 Changes of coasline length(left) and area(right) of Liaodong Bay

图4可以看出, 2001— 2013年海岸线和陆地面积呈增长趋势; 2006年后海岸线增速明显加快。2001— 2013年海岸线总长度增加了514 km; 海岸面积增速逐年上升, 2009— 2013年增加的海岸面积超过了2001— 2009年增加的面积, 2001— 2013年海岸面积总共增加404 km2

7个重点研究区的海岸带变化情况(表3)为:

表3 辽东湾海岸线长度和海岸面积变化统计 Tab.3 Statistics of the coastline length and coastal area change of Liaodong Bay

1)2001— 2013年秦皇岛港海岸线和陆地面积变化不大, 海岸线总长度增加了10.52 km, 陆地总面积增加了2.37 km2。其中, 2001— 2006年海岸线增速最快, 增加了7.41 km, 速率为1.48 km/a; 2001— 2006年陆地面积增加了2.04 km2, 速率为0.41 km2/a; 2006— 2013年陆地面积总共增加0.33 km2, 增速减慢, 低于前5 a平均每年增长的面积。

2)山海关港2006年之前海岸线仅增加0.23 km, 面积增加0.17 km2; 2006— 2009年, 海岸线增加了3.02 km, 增速为1.00 m/a, 面积增加1.35 km2, 速率为0.45 km2/a; 2009— 2013年海岸线增加14.33 km, 增速为3.58 km/a, 面积增加了1.45 km2, 增速为0.36 km2/a。

3)葫芦岛港2006— 2009年3 a间的变化较大, 海岸线增加10.82 km, 陆地面积增加7.28 km2, 增速分别为3.60 km/a和2.43 km2/a; 前5 a和后4 a增速较缓, 海岸线总增加8.59 km, 陆地面积增加2.54 km2

4)锦州港2001— 2006年面积增加3.56km2, 超过2006— 2013年变化总和; 2009— 2013年海岸线增加21.23 km, 面积仅增加1.35 km2

5)鲅鱼圈港前5 a海岸线增加21.46 km, 面积增加8.22 km2, 增速分别为4.29 km/a和1.64 km2/a; 中间3 a海岸线增长6.58 km, 面积增加2.19 km2, 增速分别为2.19 km/a和0.73 km2/a; 2009— 2013年海岸线增长29.62 km, 面积增加12.81 km2, 增速分别为7.41 km/a和3.20 km2/a。该区成为主要港口中增速最快的港。

6)仙人岛港的变化较大, 2001— 2013年海岸线总增加45.08 km, 面积增加10.81 km2, 增速仅次于鲅鱼圈区。

7)辽河口区2001— 2013年海岸线增加了5.75 km, 面积增加了41.36 km2, 从2006年开始, 面积增加速度加快, 主要原因是养殖业快速发展, 大量的坑塘被建造。

4.2 土地利用的时空变化

4.2.1 秦皇岛港

根据秦皇岛港的具体情况, 可将土地利用类型分为东港区、西港区、建筑用地、绿地、水湾和河流海洋, 4期结果和统计数据分别如图5表4所示。

图5 秦皇岛港土地利用分类图Fig.5 Classification map of Qinhuangdao Port land use

表4 秦皇岛港土地利用统计表 Tab.4 Statistics of Qinhuangdao Port land use(km2)

表4可以看出, 东港区和西港区处于持续增长的趋势。2001— 2013年东港区增加了1.69 km2, 西港区增加了0.42 km2。建筑用地和绿地面积呈负相关, 2001— 2013年建筑用地增加了3.04 km2, 绿地面积减少了2.63 km2。绿地的减少主要是被建筑用地占用。水湾面积不断减少形成绿地。

4.2.2 山海关港

根据具体情况可将山海关港区土地类型分为建筑用地、河流海洋、水湾、山海关港和滩涂和绿地、未利用土地, 4期结果和统计数据分别如图6表5所示。

图6 山海关港土地利用分类图Fig.6 Classification map of Shanhaiguan Port land use

表5 山海关港土地利用统计表 Tab.5 Statistics of Shanhaiguan Port land use(km2)

山海关港2006年开始续建, 经过7 a的建设, 港口面积增加了2.64 km2。2001— 2013年建筑用地增加4.14 km2, 绿地和未利用土地减少4.1 km2。滩涂基本无变化。

4.2.3 葫芦岛港

根据实际情况可以将葫芦岛港区土地利用类型分为葫芦岛港、绿地、水湾、坑塘、河流海洋、建筑用地和未利用土地, 4期结果和统计数据分别如图7表6所示。

图7 葫芦岛港土地利用分类图Fig.7 Classification map of Huludao Port land use

表6 葫芦岛港土地利用统计表 Tab.6 Statistics of Huludao Port land use(km2)

葫芦岛港由陆地不断向海中扩张, 从2001年的2.07 km2扩大为4.87 km2。坑塘逐渐被建筑用地和未利用土地占用。滩涂到2009年完全消失, 被港口和建筑用地占用。建筑用地和未利用土地12 a增加了14.83 km2(表6)。

4.2.4 锦州港

图8表7可以看出, 锦州港区12 a来建筑用地和未利用土地共增加了24.85 km2, 绿地减少了12.05 km2。水湾的变化较明显, 随着港口的扩建, 没有被填埋的海水区形成临时水湾。水湾被填埋后, 变为港口。12 a来, 锦州港增加了9.78 km2, 锦州新港增加了0.98 km2, 坑塘消失, 笔架山岛增加了0.4 km2, 河流海洋减少了18.91 km2

图8 锦州港土地利用分类图Fig.8 Classification map of Jinzhou Port land use

表7 锦州港土地利用统计表 Tab.7 Statistics of Jinzhou Port land use(km2)

4.2.5 鲅鱼圈港

鲅鱼圈港土地利用类型分为鲅鱼圈港、绿地、水湾、河流海洋和建筑用地、未利用土地, 4期结果和统计数据分别如图9表8所示。

图9 鲅鱼圈港土地利用分类图Fig.9 Classification map of Bayuquan Port land use

表8 鲅鱼圈港土地利用统计表 Tab.8 Statistics of Bayuquan Port land use(km2)

表8可以看出, 12 a来鲅鱼圈港扩建了15.41 km2, 是研究的港区中变化最大的。建筑用地、未利用土地共增加了30.06 km2, 绿地减少了19.43 km2。绿地基本被建筑用地和未利用土地占用, 从侧面反映了鲅鱼圈地区经济发展很快。

4.2.6 仙人岛港

仙人岛港的土地利用类型可分为坑塘、建筑用地、未利用土地、水湾、河流海洋、滩涂和绿地, 4期结果和统计数据分别如图10表9所示。

图10 仙人岛港土地利用分类图Fig.10 Classification map of Xianrendao Port land use

表9 仙人岛港土地利用统计表 Tab.9 Statistics of Xianrendao Port land use(km2)

表9可以看出, 建筑用地和绿地变化较大。2001— 2013年建筑用地增加了16.67 km2; 绿地减少了8.32 km2。坑塘2001— 2006年5 a增加了1.44 km2, 2006— 2013年又减少了1.52 km2, 成为未利用土地。

4.2.7 辽河口区

辽河口区土地利用类型分为芦苇地、农田、坑塘、建筑用地、滩涂和水体, 分类结果见图11表10

图11 辽河口区土地利用分类图Fig.11 Classification map of Liaohe Estuary area land use

表10 辽河口区土地利用统计表 Tab.10 Statistics of Liaohe Estuary area land use(km2)

表10可以看出, 芦苇地几乎不变, 农田先减少后增加; 2001— 2013年坑塘共增加了44.43 km2, 变化最显著, 这与经济发展息息相关; 建筑用地在2001— 2009年间变化不大, 2009— 2013年增速加快; 2001— 2006年滩涂增加了2.9 km2, 这是由于河流输送的泥沙不断沉积, 导致滩涂面积增大, 2006— 2013年滩涂面积开始减少, 主要是被坑塘和建筑用地占用。

5 成因分析

辽东湾海岸带整体变化趋势是陆地面积增加, 海岸线呈增长趋势。随着人口增长和经济发展, 人类对海岸带的作用增强, 导致辽东湾的人工海岸线变化巨大, 主要表现为向海洋方向扩张, 曲度增大。

秦皇岛是我国煤炭、原油运输的主要港口, 为适应船泊大型化和我国进口原油形势, 将被进一步改造。港口扩建是导致该地区海岸带变化的主要原因; 山海关港围堰、防波堤、护岸及填海造地等使得海岸线不断向海中延伸; 葫芦岛港随着产业园、工业园和物流园的建设, 滩涂、湿地和绿地被占用; 锦州港是辽宁省重点发展的北方区域性枢纽港口; 鲅鱼圈港区经过数年的开发建设, 由原来的小渔村, 一跃成为初具规模的港口城市, 各类基础设施和服务设施的完善, 工业用地的扩建对该区海岸带有较大改造; 仙人岛港区是营口港正在建设的以石油化工等工业布局为依托的综合性港区, 随着港区的建设必定会对该区海岸带产生影响; 辽河口区由于河流输送的泥沙不断沉积, 导致滩涂面积不断增加, 淤泥滩土质肥沃, 适宜滩涂养殖, 因此导致该地养殖业快速发展, 大量的坑塘被建造。

以上因素导致了辽东湾海岸带面积逐年增加和海岸线逐年增长, 改变了该区的生态环境, 这将对原有的生态系统产生冲击。

6 结论

本研究采用2001年、2006年、2009年和2013年的遥感数据对辽东湾海岸带7个重点地区进行了海岸线变迁、陆地面积变化和土地利用变化的定性和定量的分析, 得出以下结论:

1)辽东湾为淤泥质平原海岸, 由于人类在该区域频繁活动, 使得大部分地区被改造成为人工海岸, 辽东湾北部的淤泥质海滩也正逐渐被养殖业及工业用地占用。

2)辽东湾海岸在2001— 2013年12 a内变化明显, 整体变化趋势是由陆地向海洋扩展, 海岸线长度总增加了514 km, 海岸面积总增加了404 km2; 从土地利用方面来看, 港口不断扩建, 建筑用地和未利用土地不断增加, 绿地、湿地和滩涂大幅减少。

3)辽东湾海岸带不同区域变化不同, 2001— 2013年7个重点研究区域中鲅鱼圈区的变化程度最强, 陆地面积增加了23.22 km2, 海岸线增加了57.70 km, 增速分别为1.94 km2/a和4.81 km/a; 变化最小的是秦皇岛港, 面积增加了2.37 km2, 海岸线增加了10.50 km, 增速分别为0.20 km2/a和0.86 km/a; 12 a间滩涂损失最多的是葫芦岛港地区; 坑塘损失最多的是锦州港地区; 海岸带面积变化最多的是辽河口地区。总体来说, 2006年以后辽东湾地区的变化速度加快。

4)辽东湾海岸带12 a来发生的巨大变化主要是人类经济活动开发导致的。

The authors have declared that no competing interests exist.

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