李春雷,王 新,徐慶華,宋立松
(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)
海岸線是海陸分界線,是指多年大潮高潮位時(shí)的海陸界線,在測(cè)繪部門也被稱為大潮高潮位時(shí)海陸分界的痕跡線。海岸線是由各種地質(zhì)因素相互作用、河流和海洋沉積物淤積、各種氣象和海洋條件以及人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)造成的[1]。隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展導(dǎo)致用地需求猛增,圍墾工程開始大量開展。在自然條件和人類活動(dòng)的共同作用下,使沿岸地理?xiàng)l件發(fā)生了巨大變化。這種變化可能對(duì)沿海灘涂面積和濕地生態(tài)系統(tǒng)衰退具有重要的影響,其變化改變了灘涂資源量及海岸帶環(huán)境,影響沿海人民的生存與發(fā)展[2]。因此,海岸線變化和生態(tài)研究對(duì)海岸、灘涂的開發(fā)利用以及周圍生態(tài)環(huán)境的保護(hù)等都具有十分重要的意義。
遙感技術(shù)可以及時(shí)、準(zhǔn)確、高效地獲取地物信息,在變化監(jiān)測(cè)方面具有范圍廣、時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn),已成為海岸線監(jiān)測(cè)的重要手段。CORONA影像是美國(guó)在冷戰(zhàn)時(shí)期發(fā)射的間諜衛(wèi)星所拍攝的衛(wèi)星影像,是當(dāng)時(shí)重要的情報(bào)資料來(lái)源。1995年美國(guó)宣布將冷戰(zhàn)時(shí)期拍攝的間諜衛(wèi)星影像開放[3],這些影像填補(bǔ)了1960—1970年代衛(wèi)星影像的空白,并且其分辨率高、價(jià)格便宜的特點(diǎn)得到了很多研究者的認(rèn)可。CORONA影像對(duì)海岸線變遷的應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多成功的先例,如Bayram等人就曾采用過(guò)CORONA影像研究海岸帶的變遷[4]。自1995年以來(lái)CORONA衛(wèi)星影像在制圖、環(huán)境、地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用,為研究全球半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的環(huán)境變化提供了新的途徑。
本文采用了CORONA影像、TM影像、Landsat 8影像等多源數(shù)據(jù),將浙江省慈溪市作為研究區(qū)域,對(duì)近40a來(lái)慈溪的海岸線的變化情況進(jìn)行了研究,為浙江省沿海的海岸線變化趨勢(shì)以及對(duì)生態(tài)環(huán)境變化影響研究提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
慈溪市地處浙東杭州灣南岸,東南接寧波市鎮(zhèn)海、江北區(qū),西南連余姚市,北面臨杭州灣。介于北緯30°21′~30°24′和東經(jīng)121°02′~121°42′,為滬、杭、甬三角地區(qū)結(jié)合部,屬寧波市管轄。根據(jù)慈溪市水利志,慈溪市陸域東西長(zhǎng)55.00km,南北寬28.00km,最寬處30.00km,總面積1717.60km2。其中海域面積342.35km2,岸線至理論基面的海涂面積433.05km2,陸地面積942.20km2。陸地中平原面積775.40km2,占陸地面積的82.3%;丘陵面積166.80km2,占陸地面積的17.7%,海岸線北凸成弧形,長(zhǎng)77.56km。
2.2.1 海岸線提取與分析
本文將采用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)獲取不同年份的海岸線空間分布,比較與分析可以很好地反映海岸線的變化情況。但根據(jù)海岸線的定義,海岸線位置的確定與潮位有關(guān),對(duì)海岸線提取帶來(lái)了一定的難度。本文以慈溪市為研究區(qū)域,其海岸線的變遷主要由人類活動(dòng)造成,并且通過(guò)近年來(lái)大規(guī)模的圍墾,海岸已經(jīng)筑有多處海塘堤防。這些海塘在遙感影像中具有高反射率,規(guī)則的線狀結(jié)構(gòu),在TM的5、4、3波段組合圖像中非常明顯[5]。因此,直接采用人工解譯方法提取海岸線,根據(jù)各個(gè)時(shí)間段的海岸線對(duì)比,并結(jié)合歷史資料,分析海岸線變遷趨勢(shì)。
2.2.2 植被生態(tài)影響分析
植被的生長(zhǎng)狀況與多個(gè)因素有關(guān),在植被遙感中NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)無(wú)疑是應(yīng)用最廣泛的,它與植物生物量、葉面積指數(shù)以及植被覆蓋度都有密切的關(guān)系,是反應(yīng)植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指標(biāo),與植被分布密度呈線性關(guān)系。NDVI是歸一化植被指數(shù),其定義為近紅外波段與可見(jiàn)光紅波段數(shù)值之差和這2個(gè)波段數(shù)值之和的比值。公式如下:
式中:DNNIR為近紅外波段的像元亮度值;DNR為可見(jiàn)光紅波段的像元亮度值。
本文根據(jù)提取的各個(gè)時(shí)間段的海岸線與慈溪市行政邊界作為區(qū)域范圍裁剪慈溪市遙感影像,并對(duì)裁剪后的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行NDVI計(jì)算。在此基礎(chǔ)上得到海岸線周圍以及擴(kuò)張區(qū)域的植被覆蓋狀況,對(duì)多個(gè)時(shí)相的NDVI進(jìn)行比較分析,分析海岸線變遷對(duì)植被生態(tài)的影響。
本文采用的數(shù)據(jù)為CORONA影像、Landsat 5的TM影像、Landsat 8影像以及Spot-5影像。其中CORONA影像包括3景1964年12月的影像,都為黑白影像,分辨率為2.75m。由于單景影像都只覆蓋了研究區(qū)部分范圍,所以需要進(jìn)行影像拼接。TM影像包括1景1984年4月影像和1景2003年8月影像,分辨率都為30.00m。Landsat 8影像為1景2013年8月影像,除了熱紅外波段分辨率為100.00m和全色波段分辨率為15.00m外,其他分辨率都為30.00m。Spot-5影像包括4個(gè)分辨率為10.00m的多光譜波段和1個(gè)分辨率為2.50m的全色波段。其中將多光譜波段和全色波段經(jīng)過(guò)影像融合處理,最終可獲得分辨率2.50m的多波段影像數(shù)據(jù)。
CORONA數(shù)據(jù)雖然分辨率高,但缺點(diǎn)也很明顯。首先由于其采用的是全景攝影系統(tǒng),本身就會(huì)產(chǎn)生全景變形[6],并且當(dāng)時(shí)沒(méi)有GPS全球定位系統(tǒng),影像數(shù)據(jù)缺少空間坐標(biāo)參數(shù)。其次衛(wèi)星數(shù)據(jù)為膠片格式,目前是通過(guò)電子掃描獲得的數(shù)碼影像,導(dǎo)致了二次形變。因此CORONA影像有很大的幾何形變誤差,常規(guī)的三角測(cè)量和幾何校正都比較困難。美國(guó)普林斯頓大學(xué)的Ramon等人曾利用多項(xiàng)式模型借助ETM第8波段的15.00m分辨率的影像選取控制點(diǎn)對(duì)CORONA影像進(jìn)行過(guò)校正,然而CORONA影像的分辨率遠(yuǎn)高于ETM的分辨率,這樣帶來(lái)了很大的誤差。
本文根據(jù)Ramon等人的研究基礎(chǔ)上,選取Spot-5影像為基準(zhǔn)對(duì)CORONA影像進(jìn)行幾何校正。本次Spot-5影像使用的是CGCS2000坐標(biāo)系,分辨率為2.50m。與CORONA影像的分辨率比較接近,校正時(shí)可以對(duì)地物進(jìn)行更為精確的比較,可以很大程度上減少誤差。海岸線處在海洋和陸地的交接處,在海洋部分較難得到理想的地面控制點(diǎn),為了確保海岸線周圍的校正,應(yīng)盡量選擇沿海的建筑物、海島的邊緣、海塘堤防等地物作為控制點(diǎn)。經(jīng)過(guò)幾何校正后,對(duì)CORONA影像進(jìn)行拼接完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理。在提取海岸線時(shí),TM影像與Landsat 8影像需要進(jìn)行波段組合。TM影像采用5、4、3波段組合,Landsat 8影像采用6、5、4的波段組合,最終提取海岸線并裁剪出研究區(qū)域。
采用上文所述的海岸線提取方案,最終獲得1964年、1984年、2003年和2013年4個(gè)時(shí)期的海岸線 (見(jiàn)圖1、2):
從圖1和圖2中可以看出,整體上慈溪市海岸線都是往東北方向大幅擴(kuò)張,海岸線變遷趨勢(shì)非常明顯,可以分為2類進(jìn)行對(duì)比:在變化距離方面,1964—2013年最長(zhǎng)擴(kuò)張了8350.00m,最短擴(kuò)張了2112.00m。在變化面積方面,1964—1984年擴(kuò)張了47.30km2,從1985年至2003年擴(kuò)張了120.86km2,2004—2013年擴(kuò)張了154.30km2。
圖1 Landsat 8影像與各時(shí)期海岸線疊加圖
圖2 CORONA影像與各時(shí)期海岸線疊加圖
如圖2所示,本文將慈溪市海岸線擴(kuò)張分為4個(gè)方向進(jìn)行統(tǒng)計(jì),圖中標(biāo)注了A、B、C、D四個(gè)方向。在4個(gè)方向上擴(kuò)張情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。
表1 4個(gè)方向海岸線擴(kuò)張長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)表
表1可得,A、B段海岸線擴(kuò)張幅度要比C、D段大,是由于不同岸段自然環(huán)境與人為活動(dòng)不同,其岸線變化速度與特點(diǎn)也不相同。其中1984年后海岸線的擴(kuò)張速度比1984年前的擴(kuò)張速度明顯加快。這是由于慈溪市開始大規(guī)模圍墾是由20世紀(jì)80年代后開始的,并且2004—2013年其擴(kuò)張速度依然不減,預(yù)示未來(lái)還將進(jìn)一步增加海岸線東擴(kuò)的趨勢(shì)。
根據(jù)前文所述的植被影響分析方案,獲得1984年、2003年和2013年3個(gè)時(shí)期的 (圖3~5)。
圖3 1984年NDVI圖
圖4 2003年NDVI圖
圖5 2013年NDVI圖
從圖3、4、5對(duì)比可以看出:
(1)在慈溪市中心地區(qū)NDVI整體呈下降趨勢(shì),植被覆蓋逐漸減少。究其原因,可能是隨著現(xiàn)代化建設(shè),土地的稀缺導(dǎo)致城區(qū)對(duì)于土地的利用更加集中,建設(shè)用地所占比重大,致使植被覆蓋減少;
(2)在海岸線擴(kuò)張新增的區(qū)域NDVI開始有增加其后減少。是由于圍墾的工程量大,時(shí)間跨度久,圍墾過(guò)程中有一段很長(zhǎng)的建設(shè)空窗期。在這段時(shí)間內(nèi)隨著海水外排,土壤改善,植被開始較好地生長(zhǎng)。但是隨著圍墾區(qū)土地的日漸穩(wěn)定和成熟,新增的土地需要投入新一輪的建設(shè),植被覆蓋又開始減少,直至一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài);
(3)截取海岸線周圍的情況與內(nèi)陸情況進(jìn)行對(duì)比,各個(gè)時(shí)期海岸線周圍NDVI比內(nèi)陸要低一些,是由于圍墾區(qū)內(nèi)海水和土壤共存,環(huán)境是逐步改善的,而周圍土地比較成熟和穩(wěn)定,相對(duì)植被覆蓋也會(huì)比較好。
通過(guò)較高分辨率影像,利用遙感技術(shù)可以較好地反應(yīng)海岸線的變遷情況。慈溪市海岸線的變化速率在不同時(shí)期不同岸段的差異較大,主要是受人類活動(dòng)的影響,特別是受20世紀(jì)80年代之后的圍墾影響。并且隨著時(shí)間的推移,海岸線向外擴(kuò)張的趨勢(shì)依然很明顯。從海岸線周圍的植被覆蓋狀況可以看出,海岸線變遷對(duì)植被生態(tài)的影響還是比較大的。隨著圍墾區(qū)內(nèi)土壤的改善,滿足了植被生長(zhǎng)所需的條件,也變相增加了適合植被生存的土地。但隨著圍墾區(qū)的建設(shè),植被覆蓋會(huì)相應(yīng)的減少,所以需要對(duì)圍墾區(qū)有更好的規(guī)劃利用,才能實(shí)現(xiàn)人類生活與生態(tài)環(huán)境的共贏。
本文只對(duì)海岸線周圍的植被覆蓋進(jìn)行了分析,對(duì)于生態(tài)影響研究只是冰山一角,主觀性較強(qiáng)。下一步工作需要對(duì)生態(tài)綜合評(píng)估方法進(jìn)行研究,從而進(jìn)一步探索海岸線變遷對(duì)周圍生態(tài)的影響。
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