王志成， 高志强， 尚伟涛， 姜晓鹏

(1.中国科学院 海岸带环境过程与生态修复重点实验室(烟台海岸带研究所), 山东 烟台 264003; 2.中国科学院大学,北京 100049; 3.山东省海岸带环境过程重点实验室, 中国科学院 烟台海岸带研究所, 山东 烟台 264003)

海岸线是海洋和陆地之间的分界线[1]，是近海环境要素的重要组成部分[2]，也是地球重要的线性特征[3]。影响海岸线变化的因素分为自然因素和人为因素[4]，自然因素包括河流泥沙淤积、潮汐和波浪作用等[5]，人为因素包括沿海的水产养殖、沿海城市扩张、港口和堤坝的修筑等[6]。

近年来，众多学者对海岸线展开了科学研究。刘鹏等[2]研究了黄河三角洲1959—2002年岸线的长度、变化速率以及分形维数；王建等[7]研究了莱州湾岸线在1973—2016年的演化并且探讨了海岸侵蚀和淤积的机理；温馨燃等[8]以环渤海为研究区，研究分析了1985—2017年环渤海地区的围填海岸线演化、岸线围垦强度演化等；李亚宁等[9]研究了近20 a渤海岸线和围填海的时空演变；李博炎等[10]对环渤海地区的岸线和围填海信息进行提取，研究了其具体进程和驱动因素；李刚等[11]研究分析了浙江三沙湾海岸类型的演变以及岸线的变迁；沈昆明等[12]利用DSAS分析了海州湾的岸线变化；Mujabar等[13]分析了Kanyakumari和Tuticorin之间的岸线变化；Addo等[14]检测了加纳阿克拉海岸岸线的衰退，并对岸线的衰退进行了预测；Sui等[15]分析了印度尼西亚海岸线在1990—2018年的时空变化特征；Emran等[16]研究了孟加拉国Sandwip岛的海岸线变化和侵蚀—冲积演化；Esteves等[17]分析了季节和年际对巴西南部南大河段海岸线变化规律的影响。大多数研究聚焦于海岸线的分形维数、变化速率等方面，从土地利用方面对海岸线的研究较少。

莱州湾内的滩涂为淤泥质滩涂，适合填海以及围海养殖，受黄河泥沙入海以及人类活动的影响，湾内的海岸线在近30 a间发生了显著变化，黄河泥沙淤积填海、人工填海、围海均使得海岸线发生了变化，使得莱州湾在此方面具有一定的典型性。因此，有必要从土地利用的角度对莱州湾内的海岸线进行研究，以期从土地利用变化的角度认识海岸线的变化及其变化原因，进而为政府以及相关部门在进行海岸线规划时提供土地利用方面的数据支撑。

1 研究区概况

研究区位于山东省北部，经纬度范围为118.441°—119.792°E，36.79°—38.29°N，主要包括东营市东北部、烟台市西部以及潍坊市北部地区等，地形以平原为主。气候为温带季风气候，夏季炎热且降水较多，冬季寒冷且干燥。区内的河流主要有黄河、小清河、白浪河以及广利河。自然资源主要包括地下卤水、渔业资源、油气资源等，其中矿产资源主要以石油为主。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

研究所用数据分为遥感数据、GPS实测土地利用数据以及无人机航拍数据。使用遥感数据进行土地利用分类以及海岸线提取，所用遥感数据包括Landsat TM/ETM+/OLI数据，均从地理空间数据云网站获取(http:∥www.gscloud.cn/)，研究所选时间范围为1987—2017年，成像时间均在10月份，时间间隔为6 a；其中，1987年与1993年选用Landsat TM数据，1999，2005年以及2011年选用Landsat ETM+数据，而2017年则选用Landsat OLI数据。使用GPS轨迹所记录的实地的土地利用数据以及无人机航拍数据对分类结果进行修正以使其达到精度要求。

2.2 莱州湾土地利用分类及海岸线提取

基于面向对象的分类方法，对遥感影像进行分类，将其分为耕地、建设用地、林地、内陆水体、裸地、草地、水产养殖、潮滩、盐场用地。由于研究区范围较大、土地利用类型较多以及“异物同谱”现象的存在，若对分割后的整个研究区影像进行决策树分类，会产生大量的“错分、漏分”现象，从而导致分类结果的精度较低。因此，本研究采用“先分块，后分类”的策略，首先利用一个相对较大的尺度参数对研究区影像进行分割，将影像分割为几个较大的影像块，此时每个较大影像块内的土地利用类型数目相对于整个研究区影像有所减少；随后根据每个较大影像块内的土地利用类型的尺寸，选取小尺度参数对每个较大的影像块进一步分割；最后，在每一个较大影像块内均选择训练样本，训练其专属的决策树分类器，并利用各自的分类器实现分类(图1)。为了保证莱州湾海岸线的提取精度，采用人工解译的方式提取莱州湾海岸线。

图1 莱州湾土地利用分类示意图

土地利用分类完毕后，进行实地考察，实地考察主要包括无人机航拍以及对室内分类时不确定的分类结果进行实地验证(图2)。无人机航拍所选站点主要考虑的因素有：①航拍站点处的分类结果存疑；②航拍站点处的地物类型丰富；③交通便利，容易到达。因此选取潍坊求是公园、东营小清河入海口、东营滨海公园、东营仙河公园以及东营黄河故道进行航拍。对于不确定的分类结果的实地验证，则运用GPS轨迹数据，GPS轨迹数据包括了一系列标识点，这些标识点记录了其所在位置的土地利用类型。数据采集完毕后，以航拍数据为参考，通过将标识点数据同分类结果叠加分析以及人工修正的方式对分类结果进行修正。修正完毕后，在ArcGIS软件中生成随机点，并结合谷歌地球中的高分辨率影像，利用混淆矩阵进行精度验证。分类结果的总体精度大于86%，Kappa系数大于0.83，满足后续的分析要求。

图2 GPS轨迹、标识点与航拍点位示意图

2.3 土地利用程度

土地利用程度指数定量表征某一时期某一区域人类利用土地的程度，计算公式[18]为：

(1)

式中：L为土地利用程度指数;Ai为第i级土地利用程度分级指数;Ci为第i级土地利用程度分级面积百分比。土地利用程度分级指数Ai采用刘纪远[18]提出的土地利用程度分级指数参与计算,其中,盐场用地、水产养殖用地的分级指数为3。

2.4 末点变化速率(end point rate， EPR)计算

末点变化速率(EPR)用来表征海岸线变化速率，利用数字岸线分析系统(digital shoreline analysis system，简称DSAS)对该指标进行计算，DSAS首先在海岸线上生成一系列剖面线，随后计算每一条剖面线与海岸线之间交点的变化速率，该速率即为末点变化速率(EPR)，公式[19]如下：

(2)

式中：EPRij为第i年和第j年之间的末点变化速率； Δdij为剖面线与第i年海岸线和第j年海岸线交点间的距离； Δtij为第i年和第j年之间的时间间隔。

3 结果与分析

3.1 1987-2017年土地利用变化分析

在时间变化方面，莱州湾近岸的土地利用类型在1987—2017年变化明显(表1)。主要表现为：水产养殖用地面积比例在1987—2017年逐渐增加，从1987年的2.63%增加到2017年的8.01%；盐场用地面积比例逐渐增加，1987年的面积比例最小，为3.38%，而2017年的面积比例最大，为12.68%；建设用地面积比例逐渐增加，在1987—2017年，从2.29%增加到12.80%。

表1 1987-2017年莱州湾沿岸各土地利用类型面积比例 %

对于其他土地利用类型，内陆水体面积比例总体上呈现出增加的趋势；林地变化不明显，其面积比例在2%附近上下波动；裸地的面积比例在总体上呈现出减少的趋势；而草地和耕地的面积比例在总体上则呈现出先增加后减少的趋势。在空间分布方面(图3)，水产养殖用地以及盐场用地主要分布于研究区内的沿海地区，耕地分布于研究区内的西北和东南部，草地和裸地主要分布于研究区的西北部，而其他土地利用类型则零散地分布于研究区内。水产养殖用地、盐场用地以及建设用地逐渐增加，耕地和裸地总体呈现减少趋势，这符合中国近30 a间的经济社会发展的用地规律；草地与内陆水体的变化主要与其同裸地和耕地之间的转换有关；由于研究区内的林地主要零散分布于乡村附近，且面积较小，未有大面积的林地，因此变化不明显。由于潮滩受到潮汐影响，研究所提取的潮滩仅为传感器成像时刻的瞬时潮滩，并非常时间的潮滩；海水并非土地利用类型，因此本文不对二者进行分析。

图3 1987-2017年莱州湾沿岸土地利用类型空间分布

综上所述可知，莱州湾沿岸水产养殖用地、盐场用地以及建设用地面积比例在1987—2017年呈现出逐渐增加的趋势，且水产养殖用地和盐场用地分布于研究区内的沿海地区，建设用地零散分布于研究区；而内陆水体面积比例总体呈现出增加趋势，且呈零散分布；裸地面积比例总体呈现出减少的趋势，分布于研究区西北部；草地和耕地的面积比例总体呈现出先增加后减少的趋势，前者主要分布于研究区西北部，后者则分布于西北和东南部；林地变化不明显且呈零散分布。

3.2 1987-2017年土地利用程度分析

由于自然断点的分级方法(natural breaks)能够通过迭代计算类间的间断点，使得类内差异最小，类间差异最大，能够对数据进行最恰当的分组，且保留了数据的统计特性[20]，因此本文采用自然断点的分级方法将土地利用程度分为弱、中、较强、强4级(图4—5)。

图4 1987-2017年莱州湾沿岸土地利用程度空间分布

由图4—5可知，土地利用程度强等级的面积比例在1987—2017年逐渐增加，从1987年的2.41%增加到2017年的12.41%，且从零星的点分布变为集中的面状分布；土地利用程度弱等级的面积比例在1987—2011年逐年减少，从1987年的37.22%减少到2011年的10.51%，但在2011—2017年，又有较小程度的增加，从10.51%增加到2017年的12.71%，主要分布于沿海地区；土地利用程度中等级面积比例在22%～31%之间变化，且分布于研究区的西北部；土地利用程度较强等级面积比例在1987—2017年先增加后降低，2011年比例最大，为56.26%，1987年最小，为35.94%，此等级主要分布于研究区的西北和东南地区。弱等级为1987年的主导土地利用程度等级，而较强等级则为1993—2017年的主导土地利用程度等级。

综上所述，研究区土地利用程度逐渐变强，土地利用程度为弱等级的面积比例总体呈现减少趋势，主要分布于沿海地区；而强等级的面积比例逐渐增加，且从零星的点分布变为集中的面状分布。

3.3 土地利用对海岸线变化速率的影响分析

由图6—7可知，莱州湾沿岸土地利用以围填海的形式影响着海岸线的变化速率。围海面积在近30 a间呈现出“减少—增大—减少”的变化趋势，围海活动使得对应的岸线表现为向海推进，1999—2005年围海面积最大，为175.07 km2，使得海岸线推进速度在207～1 364 m/a之间；而1993—1999年围海面积最小，仅为23.56 km2，对应的岸线推进速度大多低于592.25 m/a；其余时间段的围海面积在100～138 km2之间，岸线的向海推进速度在各速率区间均有分布。

图5 1987-2017年莱州湾沿岸土地利用程度等级比例

图6 1987-2017年莱州湾沿岸不同岸线段的变化速率、围填海空间分布

本文将填海活动分为人工填海和黄河泥沙淤积填海，前者主要位于莱州湾内部，而后者位于黄河入海口附近。人工填海面积在1987—2017年逐渐增多，从初期的1.55 km2增加到19.33 km2，使得对应的岸线表现为向海推进；人工填海使得岸线向海推进的速率最大，2005—2011年以及2011—2017年的最大推进速率均为人工填海活动所致，分别为1 215.88 m/a和2 286.62 m/a。黄河泥沙淤积填海面积在近30 a无规律可循，1987—1993年的淤积填海面积最大，为162.61 km2，对应的岸线表现为向海推进，且该处岸线在该时间段向海推进速度最大，为779.67～1 488.61 m/a；而2005—2011年为0 km2，岸线表现为背海移动，这主要受到海水影响，移动速度在244～693 m/a之间；其余时间段的黄河泥沙淤积填海面积在38～53 km2之间，对应岸线向海推进速度均低于592.25 m/a。

综上所述，围海和人工填海均使得莱州湾内部海岸线向海推进，由黄河泥沙淤积所形成的填海使得黄河三角洲处的海岸线在1987—2017年既有向海推进，又有背海移动。

3.4 不同土地利用类型对海岸线长度的影响分析

本研究认为，若某处的海岸线是某种土地利用类型的边界，则该处海岸线即为土地利用类型在此处所对应的海岸线。对不同土地利用类型对应的海岸线总长度比例进行统计，结果见表2。

表2 1987-2017年莱州湾沿岸不同土地利用类型对应的岸线海总长度比例 %

不同土地利用类型对海岸线长度影响明显，1987—2005年，影响海岸线长度的主导土地利用类型为裸地和水产养殖，二者对应的岸线长度比例分别在34%～58%和23%～32%之间；而2005—2017年，影响海岸线长度的主导土地利用类型为建设用地和裸地，影响长度比例分别在22%～45%和19%～30%之间。1987—2017年的30 a间，建设用地对岸线长度的影响日益显著，该土地利用类型对应的岸线长度逐渐增长，从1987年的2.94%增长到2017年的45.44%；裸地对岸线长度的影响表现为逐渐减弱，其对应的岸线长度比例在1987年最大，为57.28%，而2017年最小，为19.73%；水产养殖、草地以及盐场用地在1987—2017年对岸线的影响均呈现出“增强—减弱”的趋势；其余土地利用类型对岸线长度的影响微弱，在各年份对应的岸线长度比例均低于5%。

图7 1987-2017年莱州湾沿岸围填海面积统计

综上所述，裸地和水产养殖用地是1987—2005年影响海岸线长度的主导土地利用类型，而建设用地和裸地是2005—2017年影响海岸线的主导土地利用类型，建设用地对岸线长度的影响日益显著，裸地对岸线长度的影响逐渐减弱。

4 讨论与结论

4.1 结 论

本文从土地利用的角度，以莱州湾为研究区，分析了莱州湾近岸1987—2017年土地利用变化情况、土地利用程度、影响海岸线变化速率以及海岸线长度的因素。

(1) 在1987—2017年30 a间，莱州湾近岸的土地利用变化明显，主要表现为水产养殖用地、盐场用地以及建设用地逐渐增加，水产养殖用地和盐场用地分布于研究区内的沿海地区，建设用地零散分布于研究区；内陆水体总体呈增加趋势，呈零散分布；裸地总体呈减少趋势，分布于研究区西北部；草地和耕地则先增加后减少，前者分布于研究区西北部，后者则分布于西北和东南部；林地变化不明显，呈零散分布。

(2) 研究区土地利用程度逐渐变强，弱等级面积比例呈现减少趋势，强等级面积比例呈现增加趋势，弱等级分布于沿海地区，强等级由零散点分布变为集中面状分布。

(3) 土地利用以围填海的形式影响海岸线的变化速率，莱州湾内部的围海和人工填海使得岸线向海推进；黄河泥沙淤积填海使得黄河三角洲处的岸线向海推进，而该处岸线的背海移动则主要受到海水影响。

(4) 1987—2005年影响海岸线长度的主导土地利用类型为裸地和水产养殖用地，而2005—2017年建设用地和裸地成为影响海岸线长度的主导因素，建设用地对岸线长度的影响日益显著，裸地对岸线长度的影响表现为逐渐减弱，其余土地利用类型对岸线长度的影响微弱。

4.2 讨 论

本文分析了莱州湾近岸1987—2017年的土地利用变化及其对海岸线的影响。水产养殖用地、盐场用地以及建设用地逐渐增加，耕地和裸地总体呈现减少趋势，相应的，土地利用程度强等级逐渐增加，弱等级逐渐减少，这符合中国同时期的经济社会发展的用地规律。土地利用以围填海的形式影响海岸线的变化速率，不同土地利用类型对海岸线的长度有所影响。海岸线的变化所产生的影响具有两面性，一方面，海岸线的变化会带来社会经济效益，莱州湾内部岸线的向海推进使得海域转变为陆地[21]，新形成的陆地主要用于港口建设、旅游开发以及水产养殖等，由此带来经济效益，此外，1987—2017年建设用地所对应的岸线长度逐渐增加，硬化的岸线能够抵御海水入侵，对近岸陆地起到了一定的保护作用；另一方面，海岸线的变化会危害近海生态，海岸线的向海推进以及海岸线类型的变化会使得近海海域或者滩涂生物的生存环境在较短的时间内发生巨大的变化，导致生物被掩埋而死亡，生物多样性因此降低[22]。在对海岸线进行变动时，应综合考虑其变化所带来的两面性。

对于本文的研究，仍有一些不足之处需要改进。由于研究区范围较小，因此采用了目视解译的方法进行海岸线的提取，若研究区范围较大，采用目视解译的方法效率将会显著底下，因此后续应重点采用海岸线的自动提取技术进行海岸线提取；对于土地利用分类而言，在对遥感影像分割完毕后便采用了决策树分类器对影像分类，这样仅能避免分类结果的“椒盐效应”，后续应重点研究如何构建不同地物所对应的最优尺度，以及如何利用空间拓扑关系对最优尺度之下的影像对象进行分类。