李俊凱

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210000)

崇明島地處長(zhǎng)江三角洲,是我國(guó)的第三大島嶼,也是我國(guó)最大的河口沖積島和沙島[1]。長(zhǎng)江奔瀉東下,流入到長(zhǎng)江三角洲時(shí),由于高差比降變小,流速逐漸變緩等原因,流水中所挾帶的大量泥沙逐漸在此沉積,形成了星羅棋布的河口沙洲,而崇明島就是其中最大的河口沙洲。由于日積月累的泥沙淤積和興建大量的促淤圍墾工程,每隔數(shù)年就會(huì)形成新的岸線。因此,如何快速、準(zhǔn)確地獲取崇明島區(qū)域岸線變遷情況,是政府部門(mén)和人民群眾十分關(guān)心的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的繪制海岸線方法是人工實(shí)地測(cè)量,該方法所需時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用大,且難以保證精度,而利用遙感影像測(cè)圖,由于遙感技術(shù)的快速、動(dòng)態(tài)的特點(diǎn),可以有效地解決這個(gè)難題。將遙感與GIS技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于岸線變化監(jiān)測(cè),國(guó)內(nèi)學(xué)者做了一些研究。崔步禮等[2]以1976—2002年間18景多時(shí)相遙感影像為數(shù)據(jù)源,在遙感和GIS技術(shù)的支持下,獲取了黃河口海岸線時(shí)空變化的數(shù)據(jù),分析了黃河口海岸線變化的過(guò)程;常軍等[3]將遙感和GIS技術(shù)相結(jié)合,以1976年以來(lái)多期遙感影像為數(shù)據(jù)源,運(yùn)用平均高潮線法提取海岸線,分析了目前黃河河口海岸線的演變過(guò)程及其規(guī)律;馬小峰等[4]以遼寧省大連、營(yíng)口地區(qū)的海岸為研究對(duì)象,根據(jù)不同海岸類型的地貌特點(diǎn),提出了對(duì)衛(wèi)星圖像中海岸線的解譯方法,使用IDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)Canny算子、中值濾波器和腐蝕算子,完成了對(duì)衛(wèi)星圖像中海岸線的自動(dòng)提取。

目前,在利用RS和GIS技術(shù)進(jìn)行岸線變化監(jiān)測(cè)方面已展開(kāi)了一些研究,而崇明島區(qū)域岸線變化的研究還是基于海圖居多。研究是以Landsat系列遙感影像為數(shù)據(jù)源,選取了1985—2019年的5期遙感圖像,利用遙感和GIS技術(shù),建立不同的岸線解譯標(biāo)志,提取了長(zhǎng)江口崇明島區(qū)域岸線信息,對(duì)長(zhǎng)江口崇明島區(qū)域的時(shí)空變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

1 研究區(qū)概述

崇明島位于長(zhǎng)江入海口,三面臨江一面臨海,西、南分別與江蘇常熟、太倉(cāng)以及上海市嘉定等區(qū)、縣隔江相望,東、北分別與江蘇啟東市、海門(mén)市相鄰。全島總面積1 064 km2,其中縣屬817 km2。長(zhǎng)江口河道崇明島區(qū)域主要以第四系松散沉積物為主。沉積物類型主要有砂質(zhì)粉土及粘質(zhì)粉土、粉砂及含粘性土粉砂、粘土和淤泥及淤泥質(zhì)土。

長(zhǎng)江口崇明島岸線較長(zhǎng)且岸線類型多,沿海的灘涂濕地資源非常豐富,港口海灣多且深,這些條件都十分有利于灘涂產(chǎn)業(yè)和港口建設(shè)的發(fā)展。無(wú)論從工業(yè)和農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)、資源開(kāi)發(fā),還是從交通、勞動(dòng)力資源等社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件來(lái)看,長(zhǎng)江三角洲地區(qū)都具有優(yōu)越的地理位置。

2 數(shù)據(jù)收集與處理

2.1 數(shù)據(jù)收集

研究選取了1985—2019年間5期的Landsat系列衛(wèi)星影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),1985—2007年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat5系列衛(wèi)星TM影像,2019年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat8系列衛(wèi)星OLI影像。對(duì)于遙感影像的選取,主要考慮到2個(gè)方面:一方面是遙感影像的質(zhì)量問(wèn)題,如云量<5%,研究區(qū)域不能有云層;另一方面是遙感影像的時(shí)間問(wèn)題,根據(jù)前期收集的水文潮汐數(shù)據(jù)可知,2—4月是長(zhǎng)江的枯水期,所以數(shù)據(jù)收集都集中在2月份,而且衛(wèi)星的過(guò)境時(shí)間都大致相同,集中在上午2點(diǎn)左右。遙感影像收集的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為了提高獲取地面信息的精度,對(duì)下載的遙感影像進(jìn)行了大氣校正、重投影、幾何校正和裁剪等預(yù)處理。預(yù)處理后,再對(duì)遙感影像進(jìn)行增強(qiáng)處理,其中包括彩色合成和比值運(yùn)算。海岸線的提取選擇TM4和TM5波段,TM4(0.76～0.90 μm)波段為近紅外波段,主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)闇y(cè)定生物量和作物長(zhǎng)勢(shì),區(qū)分植被類型,繪制水體邊界,探測(cè)水中生物的含量和土壤濕度,TM5(1.55～1.75 μm)用于探測(cè)植物含水量及土壤濕度。經(jīng)過(guò)對(duì)比,TM543波段合成的岸線輪廓較為明顯,對(duì)于后續(xù)的比值運(yùn)算和岸線提取有較好效果。

表1 遙感影像收集數(shù)據(jù)

比值運(yùn)算是遙感圖像增強(qiáng)處理中十分常用的方法[5],海岸線的提取通常都是提取水陸界線[6]。因此,采用了歸一化水體指數(shù),即

NDWI=(p(NIR)-p(MIR))/(p(NIR)+p(MIR)),

其中:NDWI是基于中紅外與近紅外波段的歸一化比值指數(shù);NIR是中紅外波段;MIR是近紅外波段。

在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)歸一化比值運(yùn)算后,發(fā)現(xiàn)圖像增強(qiáng)明顯,水邊線輪廓明顯,具體圖像如圖1所示。

3 岸線提取研究

3.1 岸線解譯標(biāo)志的建立

(1) 淤泥岸線 淤泥岸線位于淤泥及淤泥質(zhì)土之上,淤泥質(zhì)岸邊主要是由水文潮汐作用形成的。淤泥質(zhì)平面坡度通常不會(huì)差異太大,都是趨于平緩,但是灘面一般都非常寬,有的甚至達(dá)到幾千米。淤泥質(zhì)岸線向海一側(cè)被潮水淹沒(méi),在遙感影像上呈暗黑色,而另一側(cè)是淤泥及淤泥質(zhì)土,在遙感影像上呈灰色或灰白色。因此,將水體與淤泥質(zhì)土的分界線作為淤泥岸線[7]。淤泥岸線位置如圖2所示。

圖1 比值運(yùn)算后圖像

(2) 基石岸線 基石岸線應(yīng)位于基石海岸之上,基石海岸線往往比較平直。在潮水的長(zhǎng)期作用下,海灘上部會(huì)逐漸堆積成一條與淤泥岸線平行的灘脊?fàn)钌百|(zhì)沉積帶,一般而言,灘脊的位置就是認(rèn)定的基石岸線的位置[8]。由于干燥灘面上含水量低,所以光譜反射率比較高,在遙感影像上一般偏亮;而在干燥的灘面下限處有一條色調(diào)偏暗痕跡線,因?yàn)榕R海岸面含水量較高,所以光譜反射率較低,在遙感影像上色調(diào)偏暗。因此,基石岸線在遙感影像中的位置往往都是干濕沙灘的分界線。基巖岸線位置如圖3所示。

圖2 淤泥岸線解譯標(biāo)志

圖3 基石岸線解譯標(biāo)志

3.2 岸線提取方法研究

由前文可知,岸線類型的差異會(huì)導(dǎo)致遙感影像上不同的特征,而且在不同傳感器類型以及影像成像時(shí)不同氣候狀況的條件下,同一種岸線提取方法也會(huì)有所不同。因此需要結(jié)合研究區(qū)域的特點(diǎn)、遙感影像的特征等多方面因素進(jìn)行具體分析,最后根據(jù)提取效果選擇出最優(yōu)的岸線提取方法。目前比較主流的岸線提取方法主要有閾值法、邊緣檢測(cè)法、面向?qū)ο蠓ê腿藱C(jī)交互法等[9]。研究選取了閾值法和人機(jī)交互法。

(1) 閾值法 閾值法是一種在遙感影像特征提取中廣泛使用的分割技術(shù)[10]。此方法較為簡(jiǎn)單,處理速度快,而且具有普適性。閾值法主要是利用遙感影像中可見(jiàn)光波段與近紅外波段來(lái)提取水體信息。這種方法主要利用土壤含水量小,在近紅外波段的反射強(qiáng)烈,而水體信息在該波段則具有很強(qiáng)的吸收性。因此,當(dāng)水體與土壤在遙感影像上差異較為顯著時(shí),遙感影像的直方圖會(huì)呈現(xiàn)明顯的雙峰形式,以影像直方圖的谷底值為閾值,將水體和土壤分開(kāi),最后把水陸界線作為提取的海岸線[11]。由于淤泥岸線的特點(diǎn),閾值法適用于淤泥質(zhì)岸線的提取。

(2) 人機(jī)交互法 傳統(tǒng)的人工目視解譯是對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的遙感影像進(jìn)行目視解譯,再以人工數(shù)字化的形式將解譯結(jié)果錄入計(jì)算機(jī)。這種方法具有耗費(fèi)時(shí)間多、岸線提取周期長(zhǎng)、工作效率低等缺點(diǎn),而且解譯結(jié)果容易受人工判讀經(jīng)驗(yàn)等主觀因素影響。而計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取技術(shù)雖然自動(dòng)化程度比較高、耗費(fèi)時(shí)間短,但是由于分類算法的局限性,分類的精度不能滿足要求?，F(xiàn)將計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的人工目視解譯方法相結(jié)合,可以起到相互補(bǔ)充的作用。在計(jì)算機(jī)上,通過(guò)縮放或平移遙感影像就能夠較大程度上提高提取的精度,同時(shí),解譯者可直接將提取信息錄入到地理信息系統(tǒng)中,從而使工作效率得到較大的改善[12]。由于基巖岸線較為復(fù)雜,不便于計(jì)算機(jī)直接提取,所以人機(jī)交互法更適用于基巖岸線的提取。

4 岸線提取結(jié)果與時(shí)空分析

4.1 岸線提取結(jié)果

根據(jù)研究所建立的岸線解譯標(biāo)志,結(jié)合最優(yōu)的提取方法,得出了 1985年、1991年、2000年、2007年和 2019年 5 期長(zhǎng)江口崇明島區(qū)域的海岸線,如圖4所示。

4.2 崇明島區(qū)域時(shí)空分析

在1985—2019年期間,長(zhǎng)江口崇明島區(qū)域岸線變化較大,如圖5所示。對(duì)岸線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,在1985—1991 年間崇明島區(qū)域陸地面積增加了35.85 km2,陸地面積變化不是很明顯,平均每年增加5.975 km2;1991—2000年崇明島區(qū)域陸地面積增加了27.260 km2,比上一階段稍有減少,平均每年陸地面積增加了3.028 km2;2000—2007年陸地面積增加較明顯,總體增加了62.632 km2,平均每年陸地面積增加了8.947 km2;2007—2019年岸線變化最為明顯,陸地面積總體增加了204.2 km2,平均每年增加了17.017 km2,岸線變化較大的區(qū)域主要分布在崇明島東灘、崇明島北岸、長(zhǎng)興島和橫沙島。

圖4 崇明島區(qū)域多年岸線提取結(jié)果

圖5 長(zhǎng)江口崇明島區(qū)域岸線變化

在21世紀(jì)之前,岸線變化較為平穩(wěn),1985—2000年岸線變化增加緩慢主要原因是入海河流沙減少,據(jù)水文資料顯示,1986—2002年期間輸沙量減少,僅為1951—1968年期間的70%。主要原因是上游的嘉陵江流域修建了寶珠寺等大型水庫(kù),從而導(dǎo)致嘉陵江流域進(jìn)入主干流域的泥沙銳減1億t/a左右,其次是自1988年開(kāi)始的退耕還林還草、水土保持工程的實(shí)施。

進(jìn)入21世紀(jì)以后,岸線變化增加明顯,除了自然因素的影響,最主要還是人為因素,主要包括圍墾耕地、填海造陸、修建港口等。由于長(zhǎng)江三角洲地區(qū)獨(dú)特的地理位置,人類對(duì)崇明島沿岸的河湖濕地進(jìn)行大量圍墾耕地、修堤筑壩,一方面為了防止侵蝕和抵抗洪水,另一個(gè)方面是增加耕地面積,擴(kuò)大邊界,開(kāi)發(fā)土地資源。長(zhǎng)江口是重要的交通要道,而崇明島北岸淤泥嚴(yán)重,枯水期航道無(wú)法使用,水面離河床底很近,船只常常擱淺,如果不制止淤泥淤積,會(huì)導(dǎo)致航道消失,因此,崇明島北岸岸線受人工因素影響明顯,通常人工采用各種大型機(jī)器進(jìn)行淤泥清理,航道疏通,從而也導(dǎo)致了岸線的變化。

5 結(jié)論

以長(zhǎng)江口崇明島區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,基于遙感和GIS技術(shù),利用1985年、1991年、2000年、2007年和2019年的遙感影像提取了長(zhǎng)江口崇明島區(qū)域岸線信息,研究了34年間長(zhǎng)江口崇明島區(qū)域岸線的時(shí)空變化,并分析了其成因。主要結(jié)論有:

(1) 不同的岸線在遙感影像上色調(diào)、紋理以及空間關(guān)系都不一樣,根據(jù)差異建立基石岸線、淤泥岸線這2類岸線的解譯標(biāo)志,選取適宜的提取方法提取不同岸線。計(jì)算分析選取5期岸線變化,定量分析變化結(jié)果。

(2) 長(zhǎng)江口崇明島區(qū)域在1985—2019年處于淤積狀態(tài),在研究區(qū)域內(nèi)陸地面積逐年增加,34年間陸地面積總共增加了330 km2,平均每年新增陸地面積為9.71 km2,其中變化最大的是崇明島北岸、崇明島東灘、長(zhǎng)興島北岸以及橫沙島東灘。

(3) 在21世紀(jì)以后,海岸線推進(jìn)除自然原因以外,更多是受到人為因素影響,包括修建水庫(kù)、圍墾耕地、填海造陸、修建港口等,人類活動(dòng)已經(jīng)與岸線變化密不可分,甚至逐漸成為了主導(dǎo)因素。