基于遥感与GIS的象山湾海岸线时空变化研究
Temporal and Spatial Changes of Xiangshan Bay Coastline Based on Remote Sensing and GIS

作者: 付发群 :浙江师范大学地理与环境科学学院,浙江 金华;

关键词: 遥感海岸线变迁土地覆被变化时空变化Remote Sensing Coastline Change Land Cover Change Time and Space Change

摘要:
本文为研究近20年来宁波象山湾海岸线的变迁过程,以及了解目前象山湾领域岸线开发利用情况,以TM及Landsat 8遥感影像为数据源,分别提取1995、2007、2016年三个时期的海岸线和变化区内的土地覆盖类型,并分析1995~2007和2007~2016两个时间段内岸线长度变化,和变化区域内的土地覆盖类型的转变。结果表明:1) 象山湾大陆岸线在不断缩减,20年期间共减少19.11 km,其中自然岸线缩减较多,人工岸线增加明显;2) 1995~2016年岸线整体向海域移动,陆域面积增加了30.885 km2,其中,增长最多的为建设用地及围海养殖用地,增长的用地多为新建城镇、住宅区、工业用地、或者海洋公园以及港口码头等。

Abstract: This paper is to study the transition process of the Xiangshan Bay coastline in Ningbo in the past 20 years, and to understand the current development and utilization of the coastline in the Xiangshan Bay area. Extracting the coastline and the types of land cover in the change areas of the three periods of 1995, 2007 and 2016, then analyzes the change of coastline length during the two periods of 1995-2007 and 2007-2016 and the change of land cover types in the changed area. The results show that: 1) The coastline of the Xiangshan Bay is shrinking, with a total reduction of 19.11 km, among them, the natural shoreline has been reduced, and the artificial shoreline has increased significantly; 2) From 1995 to 2016, the coastline has moved to the ocean by a land area of 30.885 km2, among then, the most growth type is construction land, and the growth area consists of towns, residence, industrial areas, industrial areas, or tourist area, marine park, and port terminal.

1. 引言

海岸线是响应全球变化最迅速、生态环境最敏感、最脆弱的地带,海岸线位于陆地海洋的交界处,会受到陆地、海洋、周边人类活动等因素的共同影响 [1] 。随着城市城镇化发展,对城市用地需求的增加,沿海国家、区域以围填海等方式来增加陆地面积,海岸线的形态、长度变化等能反映海洋以及全球的环境变化过程,反映人类活动对环境造成的影响程度,也反映了沿海城市的经济发展、国家政策走向、与生态环境之间的相互作用关系 [2] [3] [4] [5] 。对海岸线进行动态的变化监测是进行海岸带研究、环境监测、资源开发规划的基础,这为国家进行海洋资源可持续开发、海洋环境保护提供数据支撑,从而促进海岸带资源的可持续发展。

近年来,随着浙江沿海经济的发展,对陆地面积的需求增大,致使围海造地、港口建设等开发增多,其对沿海海域产生很大影响,沿岸资源不合理开发会引起资源短缺、环境恶化等问题,目前,传统的测量手段进行大范围的海岸线监测需要大量的人力物力资源支撑,而且实施起来较为困难,随着遥感技术的发展,其具有多时相、大范围、长时间序列等优势,被应用到国内外的海岸线研究中 [6] 。叶梦姚等人使用6期TM影像,研究了2010~2015年浙江省大陆岸线的变迁及开发空间格局变化,通过分形维数及人工化指数进行研究 [7] ;吴培强等使用ETM+数据,分析2010~2015年环渤海大陆海岸线和逐年岸线摆动区内土地覆被变化,研究岸线开发方式及时空变化 [8] ;康波等人使用RS与GIS技术,分析近30年间长岛南五岛海岸线时空变化特征 [9] 。

本文使用1995年、2007年、2016年3个时期象山湾区域的遥感影像,通过目视解译结合实地考察提取出各个时期的海岸线,同时得到相邻时期间变化区域的土地用地类型,从而分析了近20年来象山湾海岸线的时空分布特征,研究变化区域内的土地使用情况,研究成果反映出目前象山湾海岸开发的现状,为象山湾海岸带未来的资源开发提供数据支撑。

2. 研究区概况

宁波象山湾为湾南岸的礁山角至北岸的黄牛礁海岸区域,南北长约4.2海里,东西宽约26海里(图1)。象山湾位于浙江象山县领域,北临杭州湾,南邻三门湾,是一个半封闭式狭长海湾,象山湾的海岸线曲折,水域宽阔,象山海域水产资源丰富,湾内渔业资源品种多,海洋渔业则为沿海居民的主要经济来源,象山湾内的渔业主要包括围海养殖、滩涂养殖和网箱养殖。港内的交通工业发展成熟,象山湾岸线分为生产岸线、生活岸线及自然岸线,岸线资源主要用于海水养殖、旅游休闲区建设、港口码头等,岸线类型主要以基岩海岸和淤泥质海岸为主 [10] 。

Figure 1. Study area map

图1. 研究区域图

3. 数据与方法

3.1. 数据源及预处理

本文选取1995年、2007年及2016年三期的Landsat遥感影像,其中,2016年为Landsat 8 OLI影像,分辨率为15m,1995、2007年影像则为Landsat 5 TM影像,影像分辨率30m,影像条带号为118-40和118-39,象山湾所在区域需两幅遥感影拼接,表1为遥感影像详细信息。

Table 1. Remote sensing image data information

表1. 遥感影像数据信息

将各时期影像分别运用ENVI 5.0软件进行预处理操作,首先对影像进行几何校正、辐射校正等操作,将同一时期两幅影像加入ENVI,进行拼接,后对2016年影像选取751波段进行彩色合成,2007和1995年影像选取543彩色合成,为了使影像更加清晰,对图像进行5%拉升增强图像,将ENVI预处理完成的影像加载入ArcGIS软件,使用目视解译的方法,参考GoogleEarth软件,将各时期遥感影像中的海岸线矢量化提取出来,从而得到各时期海岸线图及变化区内土地类型图。

3.2. 海岸线提取

本文采用参考文献中的定义,海岸线即海陆分界线,指平均大潮高潮位时的海陆分界线 [11] ,本文是使用ArcGIS 10.1软件,将预处理完成的遥感影像加载入ArcMap中,使用矢量化方法沿影像中海岸分界线处,分别提取出各时期海岸线,根据常见的海岸线类型,结合象山湾地区岸线特点,将海岸线类型分为基岩岸线、砂质岸线、淤泥质岸线、河口岸线及人工岸线五种,参照国家对海岸线分类及定义方案,各种岸线的定义及在遥感影像中的分类标准见表2,本文根据表2图2标志在ArcMap中分别提取出各时期的海岸线类型。

Table 2. Coastline classification system

表2. 海岸线分类系统

图2为2016年遥感影像在ENVI中采用751彩色合成时,各种海岸线类型的典型解译标志,根据遥感影像特征及表2中的各种岸线的定义,同时参照GoogleEarth影像,分别提取出各个时期的海岸线类型。提取出三个时期海岸线类型后,即可以通过统计分析得出近20年来,岸线类型随时间的变化规律,以及各类型岸线长度及空间位置的变化,从而通过两段时期类岸线类型及长度变化,分析20年内人类活动对海岸线的影响及岸线的开发利用程度,进而推进海岸环境可持续发展。

Figure 2. The remote sensing interpretation sign of coastline type

图2. 岸线类型遥感解译标志

3.3. 变化区内土地分类

本文将相邻两个时期内变化区域的土地进行分类,将三个时期预处理完成的遥感影像加入ArcMap中,首先比较1995年和2007年两个时期遥感影像,将提取出的两个时期海岸线同时加载,对海岸线之间的区域内土地进行分类,由于区域较小,故本文采用人工分类,不使用机器自动分类,将变化区域内各种土地类型矢量化,得到变化区域内的土地覆被类型图,从而可以研究出,相邻两时期岸线变化区域内具体的用地变化类型,以相同的方法对2007~2016年间变化区域进行解译。根据象山湾的实际情况,主要将变化区内土地分为5种类型,分别是交通运输用地、建设用地、围海养殖用地、淤泥滩和水域,各土地分类系统见表3

Table 3. Land classification system in the changing area

表3. 变化区内土地分类系统

本文按表3用地类型,分别提取1995~2007年和2007~2016年间的土地类型,比较两个时间段内,各种用地类型的变化情况,可以得到变化区域内的土地类型图,可以分析出增加的土地的用地类型,比较个用地类型的面积等,即可得到该时期内,人为海岸线的开发主要方向,主要用地类型,从而可以研究该时期内围填海的速度、海岸线开发程度,进而分析象山湾的资源开发是否合理,目前的开发现状等。

4. 结果与分析

4.1. 海岸线时空特征分析

表4可知,从1995至2007再到2016年,象山湾海岸线持续减少,1995至2016年间,总长度减少19.11千米,其中,2007年~2016年,岸线减少速度较快,减少了11.66 km,岸线减少的主要原因是,象山湾是内凹形状的海湾,由于围填海等人为干扰及自然侵蚀等,海岸线向海域扩张,从而使得岸线长度减少。宁波象山湾是浙江省海岸资源中一个较为重要的海岸带区域,在1995~2016近20年期间,象山湾海域建设利用程度显著增加,宁波大量建设港口、桥梁、船厂等各种设施,致使海岸总体长度变化明显。

Table 4. The length of coastline in 1995, 2007 and 2016 (km)

表4. 1995、2007、2016年海岸线长度(km)

同时,分别分析上表各岸线类型长度变化可知,几种岸线中人工岸线变化最大且长度不断增加,由1995年的132.71 km增加到2016年的167.94 km,共增加35.23 km,其中,1995~2007年期间增长更多,分析宁波这10年期间,人工岸线的增加主要是由于经济发展,围海养殖增加、开始建设港口码头、船坞等交通用地。因此,其他类型岸线逐年减少,其中淤泥质岸线被开发为建设用地、围海养殖区域等,使其减少了29.86 km;砂质岸线减少了17.21 km,变化也较大,主要是受到海水侵蚀和人为养殖的共同影响;基岩岸线也有明显的改变,减少了4.67 km,河口岸线则变化细微。

图3各时期海岸线图可知,从1995至2016年期间,岸线整体在向海洋区域移动,增加的陆地区域主要用于建设堤坝、围海养殖或者旅游区域开发等,图中丰化市内海岸线变化最为明显,丰化市西南角处,为丰化市莼湖镇域内翡翠湾区域,此处建设了翡翠湾休闲渔船项目等,市政府在此建设了翡翠湾海洋公园、宁海湾度假区、海塘渔乐区等旅游休闲设施,其他区域都有些许变化。

Figure 3. Xiangshan bay coastline map of each period

图3. 各时期象山湾海岸线图

图4为2016年的各类型岸线分布图,从图中可以看出,人工岸线分布区域较广,岸线长度最长,其次为淤泥质岸线和砂质岸线,由于潮汐作用的影响,淤泥质岸线大部分分布在象山湾南岸,人工岸线则分布较为均匀,多为围海进行养殖区域、居民区、工业工厂和港口等,砂质岸线、基岩岸线及河口岸线分布较分散且占比较少。

Figure 4. Xiangshan bay shoreline type distribution map of 2016

图4. 2016年象山湾岸线类型分布图

4.2. 变化区内土地覆盖类型分析

为了研究象山湾的海岸开发利用情况,本文使用ArcGIS进行矢量化得到1995~2016年变化区内土地覆盖类型分布图(图5),两个相邻时期内面积变化图(图6)和变化区内土地覆盖面积表(表5)。

Table 5. The land coverage area in the Xiangshan Bay change area (km2)

表5. 象山湾变化区内土地覆盖面积(km2)

Figure 5. Distribution map of land cover types in the change area from 1995 to 2016

图5. 1995~2016年变化区内土地覆盖类型分布图

Figure 6. Area change in adjacent period from 1995-2016

图6. 1995~2016年相邻时期内面积变化

分析表5图5图6可知,1995~2016年期间,象山湾岸线的变化使得大陆面积增长约30 km2,相对于1995~2007年,2007~2016年增长更快,增加了18.824km2。同时,象山湾主要用地类型为建设用地、围海养殖用地,共约占总变化面积的90%,其中,增长最多的是建设用地,占总增加面积的46.5 %;围海养殖增长也较多,大多分布于海湾和河口区域、或者淤泥滩附近,增加了8.796 km2;2007~2016年,建设用地增加10.899 km2,相比于1995~2007年的3.463 km2,飞速增长。

5. 结论

本文基于Landsat遥感影像数据,提取出1995~2016年象山湾海岸线分析其时间及长度变化,同时提取岸线变化区内土地覆盖类型,分析变化区内结果很好的反映了近20年来象山湾海岸开发利用状况。主要研究结果表明:

1) 1995~2016近20年间,象山湾海岸线总长度都在缩短,岸线整体向海洋移动,至2016年时,岸线总长226.62 km,减少了19.11 km,2007~2016年期间岸线缩减速度较快。象山湾海岸线以人工岸线为主,占比74%,共增长35.23 km,主要是由于沿海城市经济发展加速,且象山湾海域有较好的渔业资源,促使其进行围海养殖、港口码头和临港工业区建设等。其他几种岸线类型都不同程度的减少,其中淤泥质岸线被开发利用最多变化最大,减少了29.86 km。

2) 象山湾沿岸的主要用地类型是建设用地和围海养殖用地,约占了用海总面积的90%,其中,增长最多的是建设用地,增长面积占总增长用地面积的46.5%,通过观测遥感影像及实地考察,增长的建设用地为新建设的城镇房屋、工厂、港区或者用于休闲旅游的海洋公园等,如建设了穿山南、梅山和象山港区等三大港区。

文章引用: 付发群 (2019) 基于遥感与GIS的象山湾海岸线时空变化研究。 地球科学前沿, 9, 764-771. doi: 10.12677/AG.2019.99082

参考文献

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