天津市滨海新区历史遥感影像1970-2010年海岸线动态监测

 

一、项目背景
  北京拓普视野科技有限公司和天津市某单位合作,就天津市滨海新区海岸线从1970年到2010年间的变迁,实施了海岸线的动态监测,重点研究了利用历史遥感影像进行海岸线动态监测的优势及当地海岸线变迁的基本特点和变化规律,为海洋局和城市规划部门制定相关的决策提供技术支持。
  海岸线是划分海洋与陆地管理区域的基准线,快速而又准确地测定海岸线的动态变化,对于海域使用管理具有十分重要的意义,但是由于河口淤积、气候变暖等自然条件的变化导致的海平面上升,及围垦、填海造地、海洋工程等人类活动的影响,导致海岸线在不断地发生着变化,传统的野外实地调查方法花费人工多、效率低、工作周期长而且获取的数据不易统计。
  遥感是一种以物理手段、数学方法和地学分析为基础的综合性应用技术,卫星观测的大面积,同步、高精度的特点可准确地记录海岸线状况及其相关的地面信息,有效地克服地面调查中可能遇到的各种限制,独有的时效性可以使之在短时间内对同一地区进行重复探测,在海岸线调查中具有显而易见的优势。
二、天津概况
  天津是中国四个直辖市之一,它位于环渤海经济圈的中心,是我国北方最大的沿海开放城市、近代工业的发源地、我国北方的海运与工业中心。拥有中国第四大工业基地和第三大外贸港口。是中国大陆经济、金融、贸易和航运的三大中心之一,经历600余年的沧海桑田,特别是近代百年,造就了天津中西合璧、古今兼容的独特城市风貌。目前有超过1000万人居住和生活,市中心距北京137公里。
三、海岸线定义
  海岸线是潮滩与海的连接线(海陆分界线),根据不同的需要,往往对于海岸线的定义有所不同。
  (1)在测绘学中海图上的海岸线为多年平均大潮高潮的水陆分界线。
  (2)航海图上的海岸线以最低低潮线为分界线,为了航海安全上的需要,实际绘制的航海图上的海岸线会比最低低潮线还略微低一些。
  (3)在自然地理学中,通常是用海洋最高的暴风浪在陆地上所达到的位置来划定海岸线。
  (4)在我国海域使用管理中海岸线即指多年大潮平均高潮位时海陆分界线。
    本次监测的海岸线即指多年大潮平均高潮位时海陆分界线。
  通常的海岸线确定方法是由水边线高度、潮汐表数据、地形坡度等参数计算求得。利用从遥感图像上提取到的信息和从验潮站直接搜集或根据潮汐表计算得到的潮位数据,建立计算潮位修正参量的数学关系式,便可以在不同时相的遥感资料上通过计算获得统一的海岸基准线。
  由于遥感影像图上的水陆边界线(又称水边线)并非实际的海岸线,我们在无法获取验潮站潮汐信息的情况下,根据遥感影像解译标志,由计算机自动提取卫星成像时的瞬时水边线,再根据沙滩反射率的变化提取平均高潮位时的海路分界线,得到想要的海岸线数据。虽然有一定的误差,但基本满足了海岸线提取的要求。
四、数据预处理
  本次动态监测使用数据为天津塘沽1970年5月影像、1999年8月影像、2010年8月影像和相关的地面控制资料。

 

图4.1  1970年影像

 

 

图4.2  1999年影像               图4.3  2010年影像

  数据预处理主要包括去霾处理和几何校正。去霾处理能够减少水汽和薄云产生的噪声对解译造成的影像。几何校正是以天津地区地面控制资料作为基础图件,用二阶多项式对影像进行纠正,并用双线性内插法对影像进行重采样,总误差不超过1个像元,然后,以其为控制参考图件,将其他时相影像进行几何校正。由于时相跨度较大,地物变化大,我们采用多项式校正方法进行校正,校正后误差在2个象元左右。最后,从校正好的影像上裁取覆盖研究区的子区,以减少数据量,提高处理速度。
五、海岸线提取
  考虑到近红外波段的水体反射辐射率明显单一并低于其他地物,拟采用阈值法来划分水陆边界。因此,选用近红外波段,定出其水体阈值,将低于该值的像元定为水体,高于该值的像元则为非水体,这样就把水体与其他地物分开。
  由此直接获取的水陆边界线只是海岸线在卫星成像时的瞬时水边线,而水陆边界线位置受潮汐,海岸地形等因素的影响变化很大,为了真实反映海岸线的动态变化,本文运用在海洋潮流发生一般高潮时,海水所淹没的平均界线方法来提取海岸线。
  研究表明,平均高潮线法与传统提取方法的分析结果基本相近,能够满足宏观分析所需的精度,同时,平均高潮线可以通过对遥感影像的分类处理来确定,因此简单易行,而且这个平均值受潮汐及海平面的影响较小,可以看作一个常值,一般来讲,平均高潮线介于高潮滩与中潮滩之间,由于潮滩物质成分的差异以及暴露于水上时间的长短而导致含水量的不同,必然在光谱特征上有所变化,在遥感影像上表现出不同的灰阶和彩色特征信息,因此潮滩地貌特征是重要的解译标志。1999年影像上可明显看出其特征,而由于近几年港口建设的飞速发展,2010年的影像上未出现明显的沙滩,因此在自动分类时,将2010年的影像按照阈值法分为两类处理。
   1970年的历史遥感影像采用阈值法的自动分类结果见图5.1所示:

 

图5.1阈值法自动提取1970年海水沙地陆地


  根据自动分类可以得出大致的沙滩轮廓,但海岸线显示比较模糊,用目视判读法弥补其自动分类的不足。
  1999年及2010年塘沽影像的计算机初始分类(将海水分离出来)见图5.2、图5.3所示。

 

 
图5.2 1999年阈值法自动提取海水沙地陆地    图5.3 2010年阈值法自动提取海水和陆地


  但是,由于只是根据在红外波段大陆和水体的反射率不同进行了初始分类,其中水体包括了鱼塘部分,陆地包括了云层和海滩的干扰。可用人工目视判读辅助自动分类解决以上问题。
  根据相关规定,水塘的处理上,我们将封闭水塘的边界划分为海岸线的一部分,非封闭的水塘作为海洋内部处理。在影像上,沙滩具有明显的高潮位分界线,需要再根据目视判读及海岸线连贯性,最终得到海岸线如图5.4、图5.5、图5.6所示。

 

六、海岸线的动态对比分析
  将塘沽区1970年、1999年和2010年三个时期的海岸线叠加到一起,得到塘沽1970、1999、2010海岸线对比图(图6.1)。

 

 

  图6.1  塘沽1970、1999、2010年海岸线对比图


  运用Arcgis平台的空间分析功能和统计功能,统计得出监测区域1970年、1999年、2010年海岸线动态变化表,如表6.1所示。

 

  根据统计结果,为了直观地看出其海岸线长度和面积的变化速度,我们做了两个折线图说明情况:

 

   
  图6.2海岸线长度变化

   

图6.3水陆面积的变化


  由以上图表资料分析,可得出以下结论:
      1、从1970年到1999年间,虽经历了约30年,但海岸线的自然形态及长度都没发生太大变化,大陆逐渐向海洋延伸,但趋势较平缓。导致其海岸线向海洋处扩张的主要原因是河流入海口处带来的泥沙沉积。海岸线的演变仍属于自然变迁,人工参与度不大。
      2、从1999到2010年海岸线对比可看出,近些年来由于天津大搞经济建设和港口建设,其海岸线类型由以前的自然泥沙类变为了有明显建造痕迹且有规则形状的人工海岸。
      3、1970年至1999年之间海岸线逐步向海洋处延伸,但变化趋势较缓慢。1999年到2010年间,人工建造的港口鱼塘等设施,使得海岸线向海洋处延伸的速度增加,海洋利用率增加。
      4、1999与2010年的海岸线对比可以看出,港口建设导致海岸线的长度大大增加,这样就增加了港口船只的吞吐量,有利于发展海上贸易。


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