馮永玖，劉 丹，韓 震

遙感和GIS支持下的九段沙岸線提取及變遷研究

馮永玖，劉 丹，韓 震

(上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306)

在遙感和GIS的支持下，利用集成了非監(jiān)督分類、地圖綜合、離散地物去除和岸線追蹤等技術(shù)的shoreline-Extractor軟件，解譯上海市九段沙自然保護區(qū)2001年、2005年和2008年的岸線信息;對解譯的目標岸線分別進行空間分辨率為30 m，90 m，150 m，210 m和270 m的重采樣，計算其分維數(shù)，并進行岸線長度、沙洲面積和分形特征的分析，進而對九段沙岸線變遷的重點區(qū)域進行了分析。研究表明，隨時間推移，九段沙的上沙、中沙和下沙3個沙洲淤長的部位并不一致，其中上沙北部區(qū)域、中沙東北和西南區(qū)域、下沙東北和西南區(qū)域淤長較為明顯;岸線長度與沙洲面積的變化區(qū)域幾乎一致，即上沙增長較快、下沙次之、中沙緩慢;九段沙岸線具有顯著的分形性質(zhì)，整體分維數(shù)呈增加態(tài)勢，其中上沙和中沙的分維數(shù)小于整體分維數(shù)，而下沙的分維數(shù)大于整體分維數(shù)。

海岸線;遙感影像;變遷分析;分形;九段沙

0 引言

海岸帶是由海洋向陸地過渡及兩者相互作用的地帶，是承載我國社會經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域。海岸線的調(diào)查、信息提取及變遷研究，是海岸帶研究的一項重要內(nèi)容［1］。海岸線是多年平均大潮高潮所形成的海水和陸地分界的痕跡線，是確定領(lǐng)海內(nèi)水和陸地的分界線，也是區(qū)分海洋深度基準和陸地高程基準的分界線［2］。遙感和GIS技術(shù)的不斷發(fā)展和逐步成熟，為海岸帶的調(diào)查提供了實時、快速、全天候的技術(shù)支撐。

目前，可用于海岸帶提取的數(shù)據(jù)來源多樣，主要有 Landsat，SPOT，SAR，QuickBird，IKONOS，LiDAR及高分辨率航空影像等［3－7］。不同數(shù)據(jù)源對應(yīng)的光譜分辨率各異，相應(yīng)的海岸帶提取方法也有差異。國內(nèi)外常用的海岸帶提取方法有邊緣檢測算法(如Sobel，Canny，Roberts，Prewitt，Laplacian 等經(jīng)典算子)［8－10］、區(qū)域生長法［11］、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)［12］和小波分析［13］等。在邊緣檢測及小波分析等岸線檢測方法中，存在著算法復(fù)雜與岸線提取結(jié)果不連續(xù)的不足［14］。Liu 等［6］提出了一種基于遙感分類(密度分割)和GIS邊緣追蹤的海岸線檢測方法，并形成了運行在ArcInfo環(huán)境下的岸線檢測宿主軟件shorelineExtractor。該方法可以對多源遙感數(shù)據(jù)(如多波段影像和LiDAR數(shù)據(jù))進行處理，提取海岸線信息。相應(yīng)的案例研究表明該方法和軟件是行之有效的。

本文利用Liu等［6］提出的方法，對上海市九段沙自然保護區(qū)2001年、2005年和2008年的岸線信息進行提取;以多人對SPOT影像的目視解譯作為基準，評價利用shorelineExtractor軟件提取的目標岸線;對解譯的目標岸線進行空間分辨率為30 m，90 m，150 m，210 m和270 m的重采樣，計算其分維數(shù)，繼而研究該區(qū)域2001年來的岸線變遷過程與趨勢，為九段沙自然保護區(qū)綜合管理提供參考。

1 數(shù)據(jù)源與研究方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

九段沙位于長江口外南側(cè)水道的南北槽之間的攔門沙地段，包括江亞南沙、上沙、中沙和下沙4個沙島，周圍分別設(shè)有中浚、橫沙、北槽中和牛皮礁4個潮位觀測站［15］。1980年以來，九段沙持續(xù)快速淤長，其0 m線范圍(除江亞南沙之外的面積)由1986 年的69.41 km2擴大至2000 年的114.63 km2，是一塊不可多得的濕地生態(tài)資源和土地資源［16－17］。何茂兵等［15］認為，近年來對九段沙潮灘沖淤演變及合理開發(fā)的研究越來越受到人們的重視，其中潮灘高程的獲取及水邊線提取是重要的研究內(nèi)容。

本文選擇2001年7月3日、2005年8月15日和2008年3月24日獲取的3組Landsat ETM影像作為基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)，以九段沙的上沙、中沙和下沙作為研究對象，利用Liu等［6］提出的方法進行岸線提取，研究九段沙2001—2008年間岸線的變遷過程與分形特征［18］。

1.2 研究方法

在利用Liu等［6］于2011年提出的方法和軟件對九段沙海岸線進行提取的基礎(chǔ)上，利用分形理論對海岸線變遷進行分析［19－21］。該方法基于遙感和GIS技術(shù)實現(xiàn)，其執(zhí)行程序為shorelineExtractor，其技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 基于shorelineExtractor軟件的岸線信息提取流程Fig.1 Flow chart of shoreline extraction based on shorelineExtractor software

首先進行遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括輻射校正、幾何糾正和均值濾波;然后進行海陸信息分離，包括非監(jiān)督分類、地物類別歸并和離散地物去除;最后，進行目標岸線的追蹤和綜合。

為了分析九段沙岸線的時空變遷過程，進一步利用量規(guī)法進行海岸線分形維數(shù)的量算。量規(guī)法的思想是，岸線長度L(r)由尺子長度r和該尺子量測的次數(shù)N(r)決定，若尺子長度r出現(xiàn)變化，則被量測的海岸線的長度也必然出現(xiàn)變化［18－21］。如果存在

則海岸線是具有分形性質(zhì)的。式中:L(r)為被測海岸線的長度;r為度量標度(尺子長度);M為待定常數(shù);D為被量測的海岸線的分維數(shù)。對式(1)兩邊同取對數(shù)，則有

式中:C為待定常數(shù);D為海岸線的分維數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 九段沙岸線提取結(jié)果

選取能夠較好地反映海陸界線的ETM5波段數(shù)據(jù)作為解譯海岸線的原始數(shù)據(jù)。以九段沙2008年獲取的ETM數(shù)據(jù)為例，解譯過程及結(jié)果如圖2所示。

圖2 九段沙海岸線提取過程Fig.2 Shoreline extracting process of Jiuduansha Islands

在圖2中，(a)為ETM5波段(短波紅外波段)影像;(b)為均值平滑后的ETM第5波段影像，在有效保留海陸分界信息的基礎(chǔ)上，消除了噪聲，去除了內(nèi)陸地物過于細節(jié)性的變化;(c)為利用ISODA-TA非監(jiān)督分類方法對原始數(shù)據(jù)進行分類的結(jié)果(類別數(shù)為6，分別為蘆葦、海三梭藨草、互花米草、潮灘、高含泥沙水體和海水)，分離陸地與海洋，同時又不能忽略細節(jié)的變化;(d)為對初步分類結(jié)果進行簡化的結(jié)果，鑒于海陸分離的目標，將3種植被歸并為一類;(e)為在簡化分類的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的二值化影像(將潮灘、高含泥沙水體和海水歸并為一類);(f)為利用ArcInfo對二值化影像的邊緣進行自動追蹤獲取的岸線結(jié)果。利用相同方法，以2001年和2005年獲取的ETM5波段影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別解譯了該兩年的九段沙岸線，并與解譯的2008年岸線進行疊加對比(圖3)。

圖3 三個時相遙感解譯九段沙海岸線對比Fig.3 Comparison of shorelines of Jiuduansha Islands extracted from three remote sensing images

圖3 表明，九段沙海岸線從2001年到2005年再到2008年發(fā)生了較為顯著的變遷，其中2001年到2005年間發(fā)生的變遷尤為明顯。對于上沙區(qū)域，其北部區(qū)域(圖3(a))發(fā)生的變化較為顯著;對于中沙區(qū)域，其東北區(qū)域(圖3(b))和西南區(qū)域(圖3(c))發(fā)生的變化較為顯著;對于下沙區(qū)域，其東北區(qū)域(圖3(d))和西南區(qū)域(圖3(e))發(fā)生的變化較為顯著;變化不顯著的區(qū)域為上沙南部、中沙西北部和下沙西南部。

九段沙海岸帶地形起伏小，因此潮差會導(dǎo)致海岸線位置存在顯著差異，因此，用衛(wèi)星影像提取海岸線時必須考慮潮位的影響，對水邊線進行潮位校正。本文根據(jù)衛(wèi)星成像時刻的潮位高度、平均大潮高位的潮水高度以及海岸坡度信息，計算出瞬時海岸線至潮淺的水平距離，從而確定海岸線的真正位置。本文采用2001年、2005年和2008年國家海洋觀測資料中心的潮位表(長江口至臺灣海峽)數(shù)據(jù)進行潮位校正［22］，這里忽略了地形起伏的影響。

為了驗證目標岸線的提取精度，在缺少實測數(shù)據(jù)的情況下，將shorelineExtractor方法獲取的岸線與目視解譯獲取的岸線進行比較，從而評價其精度。由于目視解譯方法具有一定的主觀因素，采用空間分辨率較高的SPOT影像進行解譯，解譯結(jié)果經(jīng)3人以上討論決定［4］。采用的評價標準為

即在30 m空間分辨率的情況下所有岸線像元的誤差的平均值。式中:E為相對誤差;L測為測量值;L真為真值。以此方法對2001年、2005年和2008年的目標岸線進行評定，其相對誤差分別為0.033%，0.048%和0.026%?？梢姡瑂horelineExtractor方法的岸線解譯效果較好。

2.2 岸線變遷分析

為了進一步分析九段沙岸線長度和沙洲面積的變化，在原始30 m空間分辨率的情況下，量測了各年份上沙、中沙和下沙的岸線長度及沙洲面積(表1)。

表1 九段沙岸線長度和沙洲面積的變化Tab.1 Changes of the lengths and areas of Jiuduansha Islands

與2001年相比，九段沙2005年和2008年岸線長度發(fā)生了顯著增加。其中，2005年上沙岸線長度比2001年增加了10.9 km，而2008年比2005年增加了 2.6 km;中沙 2005年比 2001年增加了3.9 km，而2008年比2005年增加了0.9 km;下沙2005年比2001年增加了11.4 km，而2008年比2005年減少了5.2 km，其原因是2005年潮溝較多且較長，而2005—2008年之間，雖然整個下沙沙洲向外擴展，但是部分潮溝被沖於填塞，減少了海岸線的長度。

九段沙沙洲面積的變化與岸線長度類似。2005年和2008年比2001年有了顯著的增加，其中上沙沙洲面積2005年比2001年增加了828 hm2，而2008年比2005年僅增加了77.7 hm2;中沙2005年比2001年增加了298.2 hm2，而2008年比2005年卻有所減少;下沙2005年比2001年增加了1 960.7 hm2，而2008年與 2005年基本一致，表明2001—2005年之間九段沙沙洲面積增加顯著，而2005—2008年之間變化較小。

關(guān)于九段沙岸線長度和沙洲面積的上述結(jié)論，是基于30 m空間分辨率做出的。由于遙感影像及定量指標具有一定的尺度敏感性，因此在其他尺度(空間分辨率)下量測得到的數(shù)值，很可能會發(fā)生一定的變化。研究表明，沙洲面積對空間尺度的依賴性較弱，而海岸線長度對空間尺度的依賴性卻較高。針對不同尺度下量測得到的海岸線長度不一的問題，已有研究引出了著名的分形理論［19－20］。本文利用分形理論研究各年份不同區(qū)域的岸線，計算其分維數(shù)，從而進行定量刻畫［21］。在30 m空間分辨率的基礎(chǔ)之上，將岸線分別重采樣為90 m，150 m，210 m和270 m，計算所得的分維數(shù)如表2所示。

表2 2001—2008年九段沙海岸線的分維數(shù)Tab.2 Fractal dimensions of Jiuduansha Islands from 2001 to 2008

擬合優(yōu)度表明了各年份、各區(qū)域岸線分形性質(zhì)的強弱。從表2可以看出，九段沙分形分析的擬合優(yōu)度均較高，可見其各區(qū)域岸線的分形性質(zhì)較強，因此利用分形理論進行岸線變遷的研究是行之有效的。從區(qū)域比較分析可以看出，上沙和中沙的分維數(shù)小于整體分維數(shù)，而下沙的分維數(shù)大于整體分維數(shù);對于2001年和2005年，上沙的分維數(shù)大于中沙，而2008年上沙的分維數(shù)小于中沙。在整體上，九段沙岸線分維數(shù)呈增加態(tài)勢，但2005年大于2008年，分維數(shù)的變化暗含了九段沙海陸之間交互變化的信息，表明在整體上九段沙岸線結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化。

3 結(jié)論

1)在遙感和GIS的支持下，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、非監(jiān)督分類、分類綜合、離散地物去除和岸線追蹤等系列技術(shù)，能夠較好地解譯和獲取沙洲岸線信息。該方法與常用的邊緣檢測方法差異較大，不但可以利用單波段影像進行岸線信息提取，而且可以利用3波段假彩色合成影像和多波段影像信息進行輔助解譯，所獲取的岸線信息準確可靠。最近由Liu等開發(fā)的在ArcInfo環(huán)境下運行的岸線信息解譯宿主軟件shorelineExtractor證明了該方法的可行性。因此，利用該方法進行九段沙岸線的提取，在理論和技術(shù)上均是行之有效的。

2)利用shorelineExtractor軟件提取九段沙2001年、2005年和2008年岸線信息，通過與從SPOT影像進行目視解譯的結(jié)果進行比較，評定了九段沙岸線提取的相對精度;從空間形態(tài)的視角對九段沙岸線變遷的重點區(qū)域進行了時空演變分析。研究表明，九段沙上沙、中沙和下沙3個沙洲隨時間推移其淤長的部位并不一致，其中上沙北部區(qū)域、中沙東北區(qū)域和西南區(qū)域、下沙東北區(qū)域和西南區(qū)域淤長較為明顯。就沙洲岸線長度而言，2005年和2008年比2001年顯著增加，其中上沙岸線增長較快;下沙岸線長度基礎(chǔ)較大，增長速度僅次于上沙;中沙岸線增加速度最慢。就沙洲面積而言，上沙和中沙面積相當，而下沙面積較大;2005年和2008年相對于2001年增加較為顯著，而2008年相對于2005年變化不明顯。

3)利用分形理論研究沙洲岸線的變遷，不僅在理論上有據(jù)可依，而且所計算的定量指標不依賴于所采用的遙感影像的空間分辨率和量算尺度。對目標岸線進行空間分辨率為30 m，90 m，150 m，210 m和270 m的重采樣，計算其分維數(shù)及對應(yīng)的擬合優(yōu)度。結(jié)果表明，在分維數(shù)測算過程中，較高的擬合優(yōu)度顯示了九段沙岸線具有顯著的分形性質(zhì);上沙和中沙的分維數(shù)小于整體分維數(shù)，而下沙的分維數(shù)大于整體分維數(shù);對于2001年和2005年，上沙分維數(shù)大于中沙，但2008年上沙分維數(shù)小于中沙，而九段沙岸線的整體分維數(shù)呈增加態(tài)勢。

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Shoreline Extraction and Change Analysis of the Jiuduansha Islands with the Support of Remote Sensing and GIS Technologies

FENG Yong－jiu，LIU Dan，HAN Zhen
(College of Marine Sciences，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China)

With the support of remote sensing and GIS technologies，the shoreline information of the Jiuduansha Wetland Nature Reserve in Shanghai obtained in 2001，2005 and 2008 was interpreted respectively through an ArcInfo embedded software，shorelineExtractor，which integrates unsupervised classifiers，map generalization，discrete surface features removal and shoreline tracking.The extracted shorelines were re － sampled at 30，90，150，210，and 270 m respectively to compute the fractal dimensions.A consequent analysis of the shoreline lengths，shoal areas and key positions experiencing growth was conducted in detail.The results demonstrate that there are remarkable differences between the positions of silt growth in three shoals of the Jiuduansha Islands，i.e.upper，middle and lower shoals.The silt growth is dramatically fast in northern upper shoal，northeastern and southwestern middle shoal，and northeastern and southwestern lower shoal.The growths of shoreline length and shore area have the same tendency，indicating a fast growth in upper shoal，a moderate growth in lower shoal and a slow growth in middle shoal.In addition，the fractal property of the Jiuduansha Island is evident，with high values of goodness － of－ fit.The fractal dimension of the whole Jiuduansha Island was growing from 2001 to 2008，and the fractal dimensions of upper and middle shoals are less than the dimension of the whole Jiuduansha，whereas the fractal dimension of lower shoal is larger than that of the whole Jiuduansha.

shoreline;remote sensing imagery;change analysis;fractal;Jiuduansha Island

TP 79

A

1001－070X(2012)01－0065－05

10.6046/gtzyyg.2012.01.12

2011－05－13;

2011－06－13

上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目“基于CA的海岸線遙感信息提取及其變遷研究”(編號:11YZ154)、上海高校選拔培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師科研專項基金(編號:SSC09018)和上海海洋大學(xué)校博士啟動基金暨環(huán)境工程重點學(xué)科基金(編號:A－2400－10－0134)共同資助。

馮永玖(1981－)，男，博士，講師，主要研究方向為海岸帶遙感與GIS。E－mail:yjfeng@shou.edu.cn。

(責任編輯:李 瑜)