舟山群島海岸線遙感信息提取及時空演變分析

陳超，陳慧欣，陳東，張自力，張旭鋒，莊悅，褚衍麗，陳建裕，鄭紅

(1.浙江海洋大學海洋科學與技術學院，舟山 316022；2.浙江省生態環境監測中心(浙江省生態環境監測預警及質控研究重點實驗室)，杭州 310012；3.衛星海洋環境動力學國家重點實驗室(自然資源部第二海洋研究所)，杭州 310012；4.國家信息中心，北京 100045；5.廈門水務原水投資運營有限公司，廈門 361000；6.浙江海洋大學經濟與管理學院，舟山 316022)

0 引言

海岸線是劃分陸域和海域的界線，其形態上曲直各異，是水體、大氣、人類活動共同作用的結果，國際地理信息委員會將海岸線確定為27個最重要的地表特征之一[1-3]。精準、快速、全面地監測海岸線動態信息，對于加強海洋資源開發與管理，實現海洋可持續發展具有重要的意義[4-6]。長期以來，以“測量拐點坐標，順序連接成線”方式進行的野外實地測量是海岸線信息獲取的重要手段，雖然精度較高，但是花費人工多、效率低下、工作周期長，而且受地理條件的限制，存在測量困難和無法到達區域，無法滿足大范圍提取的要求[7-10]。遙感技術憑借時效性強、觀測范圍大、成像譜段多、經濟效益好等特點，能夠有效克服海岸線實地測量中可能遇到的各種限制[11-14]。海岸線遙感信息提取方法可以分為2類：目視解譯和自動解譯[15-16]。其中，目視解譯法適用于范圍較小的區域，雖然精度較高、提取結果連續性好，但易受操作人員主觀因素影響，效率低下，難以滿足海岸線信息快速提取和時空演變分析的時效性要求，而自動解譯法以其時效性高、復用性強等特點成為了海岸線遙感信息提取的主要手段[17-21]。

海岸線信息遙感自動解譯方法主要包括邊緣檢測法、面向對象法、閾值分割法、區域生長法和元胞自動機法等[22-23]。邊緣檢測法利用邊緣檢測算子提取水陸分界線，該方法對平直、簡單海岸線效果較好，但抗噪性差，海岸線容易中斷[24-26]。面向對象法綜合利用遙感圖像的光譜、空間和紋理對水陸進行分割，并結合解譯標志提取海岸線信息，該方法精度較高，但規則設置復雜，時效性差[27-30]。閾值分割法利用目標物與背景地物的像元灰度值不同，通過設置相應的閾值分割出水體區域，該方法簡單，運算速度快，但容易受到光譜相似性地物的影響[31-34]。區域生長法在一定規則支持下集合具備相似特性的像元，該方法較為成熟，但易受噪聲影響，且在地物背景復雜的情況下易變形[35-37]。元胞自動機法通過計算某一鄰域內各個方向的突變值來進行水陸分離，該方法在提取淤泥質海岸線時精度較高，但需要多次迭代，耗時較長[38-41]。

海岸線遙感信息提取往往建立在水體、陸地準確分離的基礎上，在特定領域取得了成功，時效性較野外實地測量法有了很大提高。但是，由于近岸水體受人類活動、區域地形等影響很大，懸浮泥沙含量較高，光譜特征較正常情況下差異明顯，使得傳統水陸分離方法存在局限。為此，考慮纓帽變換在表征地物含水量方面的優勢，發展基于纓帽變換的海岸線遙感信息提取方法，基于長時間序列衛星遙感數據分析舟山群島區域海岸線的時空演變特征。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

舟山群島(圖1)地處滬、浙沿岸與長江流域各省通道之門戶，又背靠經濟發達的長江三角洲，有著極大的資源優勢。作為我國第一個以群島建制的地級市，舟山群島包括1 390個島嶼，其中舟山本島面積最大，承載了最多的人口，經濟活動也最為豐富[42]。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Location of the study area

1.2 數據源

本文選擇中國科學院空天信息創新研究院(http://ids.ceode.ac.cn/)提供的2000—2018年間，7個時相(2000年、2003年、2006年、2009年、2012年、2015年、2018年)的Landsat5與Landsat8衛星遙感圖像開展研究，具體如表1所示。Landsat系列衛星是目前在軌運行時間最長的光學遙感衛星系列之一，其中，Landsat5衛星和Landsat8衛星分別發射于1984年和2013年，幅寬為185 km×185 km，其中Landsat5搭載有專題制圖儀(thematic mapper，TM)，Landsat8搭載有陸地成像儀(operational land imager，OLI)，多光譜波段的空間分辨率均為30 m[43-44]。

表1 本文所用遙感數據情況Tab.1 Landsat image data

2 研究方法

準確提取水體信息是實現海岸線精準監測的基礎和關鍵。本研究針對懸浮泥沙、潮灘等導致傳統水體信息提取方法精度較低、準確性較差的問題開展研究，基于纓帽變換在地物含水量表征方面的優勢，提取長時間序列海岸線信息，開展海岸線時空演變分析。本研究技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線圖Fig.2 Flowchart of the study

首先，對衛星遙感影像進行輻射定標、大氣校正、圖像拼接與裁剪等預處理操作。其中，輻射定標將數字量化值轉換為具有明確物理含義的輻亮度，大氣校正去除大氣吸收和散射的影響[45-47]。然后，利用衛星傳感器對應的纓帽變換系數，對預處理后遙感影像進行纓帽變換，獲取各纓帽變換分量，并基于綠度指數和濕度指數準確區分水體和陸地，進而提取海岸線信息。最后，基于長時間序列海岸線信息，從時間和空間2個角度探索海岸線演變特征，開展海岸線時空演變分析。

由于研究區地理位置特殊，懸浮泥沙含量較多，導致傳統水體信息提取方法精度較低，因此，考慮不同地物在含水量方面的差異，構建基于纓帽變換的海岸線遙感信息提取模型。纓帽變換通過線性正交變換、空間軸旋轉，能夠有效消除多光譜波段之間的相關性，更有利于特征提取，被廣泛應用于遙感生態監測與評價的諸多領域[48-49]。纓帽變換后特征空間如圖3所示，各典型地物(海水、人工地物、灘涂、植被)均分布于特征空間的特定區域，其中僅有海水對應像元具備“濕度指數大于綠度指數”的特點，同時考慮灘涂、人工地物的干擾，構建水體信息提取模型為：

圖3 典型地物纓帽變換特征空間圖(綠度指數-濕度指數)Fig.3 Scatter plot of typical feature in study area (greeness-wetness)

Iw>Ig&Iw>K，

(1)

式中：Iw和Ig分別為纓帽變換后濕度指數和綠度指數；K為濕度指數特征值，通常情況下取0.025。

3 結果與分析

3.1 海岸線遙感信息提取

對水陸分離之后的水體信息進行矢量化，得到初始海岸線信息，基于數學形態學進行后處理，去除河流、湖泊、水庫等形成的噪聲，填充船舶等造成的孔洞，精確獲取海岸線信息。通過目視解譯獲取參考數據，對海岸線遙感信息提取結果進行精度評價，結果如表2所示。通過表2可以看出，不同時相的生產者精度和用戶精度分別高于86.00%和89.00%，漏分誤差和錯分誤差分別低于14.00%和11.00%，生產者精度、用戶精度、漏分誤差和錯分誤差的平均值分別為93.62%，96.15%，6.38%和3.85%。這表明本文方法所獲取海岸線信息較為準確，能夠滿足后續時空演變分析的要求，不僅所得結果在目視解譯數據中占比較大，漏分誤差較小，而且所得結果中正確提取的比例較高。

表2 海岸線遙感信息提取結果準確性評估Tab.2 Accuracy assessment of coastline information (%)

3.2 海岸線時空演變分析

將不同時相的海岸線遙感信息提取結果進行空間疊加，并統計主要島嶼和整體海岸線長度，結果如圖4和表3所示?？梢钥闯?，舟山市海岸線長度在2000—2018年間整體呈現增加趨勢，空間上局部區域變化明顯。

圖4 2000—2018年陸地范圍對比Fig.4 Contrast map of land range from 2000 to 2018

表3 各島嶼2000—2018年間的海岸線長度和面積統計Tab.3 Coastline length and area of different islands during 2000 to 2018

3.2.1 時間演變特征分析

統計了不同年份的海岸線長度、長度變化、所圍面積和面積變化，具體如圖5所示?？梢钥闯?，舟山市海岸線總長度從2000年的2 534.19 km變化為2018年的2 861.55 km，增加了約327.36 km，年均增加長度為18.19 km/a，年均增長速率為0.72%，其中2000—2003年間和2009—2012年間增加較多，2003—2006年間出現減少。在面積方面，舟山市海岸線所圍成的陸地面積從2000年的1 298.26 km2變化為2018年的1 410.52 km2，增加了約112.26 km2，年均增加面積為6.24 km2/a，年均增長速率為0.49%，其中2003—2006年增加較多，2000—2003年間出現減少。

(a)海岸線長度 (b)海岸線長度變化

3.2.2 空間演變特征分析

通過分析發現，2000—2018年間海岸線變化最為明顯的區域主要集中在舟山本島、長峙島及小干島、朱家尖、嵊泗、岱山、漁山、衢山、洋山、六橫等區域。

1)舟山本島區域。2000—2018年間，舟山本島的海岸線變化主要發生區域為東港(圖6)、北蟬(圖7)和岑港(圖8)。在東港，2000—2003年間海岸線向海擴張，至2006年通過圍堤閉合，通過圍填海形成陸地。在北蟬，圍堤使得海灣凹處閉合，橋梁使得東部島嶼和舟山本島相連，海岸線發生了較大的形態變化。在岑港，沿岸人工建筑明顯增多，使得海岸線從陸地向海擴張。

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2003年遙感影像 (d)2006年遙感影像

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2006年遙感影像

2)長峙島及小干島。如圖9所示，對于小干島來說，海岸線變化主要是由于淤積和人工建設引起的，其中淤積發生在西北區域，使得原本分離的多個島嶼連接成為一個整體，人工建設使得海岸線由陸地向海擴張。對于長峙島來說，大學園區的建設使得東部區域向外圍成弧形海堤。

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2003年遙感影像

(d)2006年遙感影像 (e)2012年遙感影像

3)朱家尖。2000—2018年間，朱家尖的海岸線變化情況如圖10。2000—2009年間，由于海堤修建，海灣被填平，陸地區域向海擴張；2009—2012年間，由于填海造陸，陸地區域向海擴張進一步加??；2012—2015年間，各處修建的海堤相互連接形成閉合；2015—2018年間，圍填海完成，形成完整的陸地區域。

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2009年遙感影像

4)嵊泗。2000—2018年間，嵊泗的海岸線變化主要包括2種情況(圖11)：一種是圍填海，導致曲折的海灣自然海岸線變化為較短的直線型人工海岸線，如泗礁山島和金雞島；第二種是由海堤、橋梁將相鄰島嶼連接，并同時建造碼頭，使得人工海岸線長度增加，如馬跡島。另外，劍門大橋和馬跡門大橋的修建使得泗礁山島、金雞島和馬跡島連接成為一個整體。

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2003年遙感影像 (d)2006年遙感影像

5)岱山。2000—2018年間，岱山的海岸線變化情況如圖12所示。在岱山島中部和大長涂島南部區域，由于海堤的修建，海岸向陸凹進處逐漸形成閉合，使得曲折復雜岸線變得較為平直。另一方面，隨著港口、碼頭等臨海工程的建設，小長涂島北部和東部的土地利用類型發生了較大變化，并持續向海擴張。

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2006年遙感影像

6)魚山。2000—2018年間，魚山的海岸線變化情況如圖13所示。2000—2015年間，海岸形態較為穩定，以海水自然侵蝕和小規模人工建設為主。2015—2018年間，由于舟山綠色石化基地工程建設的開展，大魚山和小魚山的海岸線及島嶼形態發生了劇烈變化。

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2003年遙感影像 (d)2006年遙感影像

7)金塘。2000—2018年間，金塘的海岸線變化情況如圖14所示。2000—2009年間，金塘島的西南海灣處發生了填海造陸；2009—2012年間，金塘島的西邊區域和東北區域的凹處被圍海填平，西南海灣處繼續由陸地向海擴張；2012—2015年間，金塘島和大鵬山島的北部發生較為明顯的圍填海；2015—2018年間，圍填海完成，改變了海岸形態。

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2009年遙感影像

8)衢山。2000—2018年間，衢山的海岸線變化情況如圖15所示，主要發生在衢山島、黃澤山、雙子山、鼠浪湖等區域。其中，礦石中轉碼頭項目的建設使得鼠浪湖島土地利用類型發生了較大變化，并持續向海擴張；衢山島南邊修建了海堤，使得海灣封閉，改變了原始海岸形態。

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2009年遙感影像

9)洋山。2000—2018年間，洋山的海岸線變化情況如圖16所示。在研究期間內，洋山水深港區的開發建設使得小洋山島和大烏龜島的土地利用類型發生較大變化，并且圍填海工程使得小洋山島與周圍幾個面積較小的島嶼連接成為一個整體；在大洋山島，圍墾工程使得海岸線向海擴張，島嶼陸地面積持續增加。

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2003年遙感影像 (d)2006年遙感影像

10)六橫。2000—2018年間，六橫的海岸線變化情況如圖17所示。在研究期間內，船舶修造、臨港石化、港口物流等臨港產業的發展使得沿岸灘涂被圍墾作為建設用地，海岸線不斷由陸地向海擴展。另一方面，海堤、港口、碼頭等設施的修建使得原本開闊的海灣封閉。

(a)不同時相海岸線 (b)2000年遙感影像 (c)2006年遙感影像

4 結論與討論

在分析傳統海岸線遙感信息提取算法的基礎上，針對高懸浮泥沙含量水域、灘涂等區域開展研究，考慮不同地物在含水量方面的差異，發展了基于纓帽變換的海岸線遙感信息提取方法，并基于長時間序列衛星遙感數據，分析海岸線時空演變。主要結論如下：

1)本文方法能夠準確提取復雜海洋環境下的海岸線信息，生產者精度、用戶精度、漏分誤差和錯分誤差的平均值分別為93.62%，96.15%，6.38%和3.85%；海岸線長度從2000年的2 534.19 km變化為2018年的2 861.55 km，年均增加長度為18.19 km/a，年均增長率為0.72%；海岸線所圍成的陸地面積從2000年的1 298.26 km2變化為2018年的1 410.52 km2，增加了約112.26 km2，年均增加面積為6.24 km2/a，年均增長速率為0.49%。

2)舟山群島區域海岸線和海岸形態變化主要集中在舟山本島、長峙島及小干島、朱家尖、嵊泗、岱山、漁山、衢山、洋山、六橫等區域，圍填海和臨海工程建設使得較多的自然海岸線變化為人工海岸線，海岸線形態也由曲折復雜變化為平直。

本研究雖然準確提取了高懸浮泥沙含量水域、灘涂區域的海岸線信息，并開展了時空演變分析，但仍然存在一些問題需要未來進一步開展研究：①結合高精度的區域地形數據和潮位數據，開展潮汐校正，獲取空間位置更加準確的海岸線信息；②構建海岸線時空演變定量分析指標體系，明確海岸線總體進退情況和空間差異。