叶小敏，丁静，徐莹，刘宇昕

(1. 国家海洋局 国家卫星海洋应用中心　北京　100081； 2. 卫星海洋环境动力学国家重点实验室(国家海洋局第二海洋研究所) 杭州　310012； 3. 国家海洋局空间海洋遥感与应用研究重点实验室　北京　100081)



渤海湾近30年海岸线变迁与分析

叶小敏1，2，3，丁静1，3，徐莹1，3，刘宇昕1，3

(1. 国家海洋局 国家卫星海洋应用中心北京100081； 2. 卫星海洋环境动力学国家重点实验室(国家海洋局第二海洋研究所) 杭州310012； 3. 国家海洋局空间海洋遥感与应用研究重点实验室北京100081)

海湾岸线是海湾变迁监测的重要对象。文章利用美国陆地资源卫星Landsat-5/TM、Landsat-7/ETM和中国环境减灾星HJ-1A、B/CCD遥感数据，对渤海湾1986-2014年近30年来的水域面积、岸线长度和岸线分形维数进行了解译测算。结果表明，渤海湾平均高潮位的水域面积呈现不断减小的趋势，其数值由1986年的(13 909.97±3.53)km2减少至2014年的(12 641.99±11.50)km2；岸线长度呈现先减小再增加的变化规律，其数值由1986年的(968.41±1.84)km减少至1998年的(642.43±2.59)km，再增加至2014年的(850.94±10.78)km；渤海湾岸线分形维数从1986年的1.110 2下降至2014年的1.064 9；同时分析发现养殖场建造、围填海和港口建设等海洋工程是渤海湾岸线变迁的主要驱动力因素；渤海湾岸线分形维数与天津市国内生产总值(GDP)的倒数变化呈现线性相关系数为0.95的高相关性。文章的测算和分析结果对海湾动力学研究、环境变迁评估和海湾开发管理具有参考价值。

渤海湾；岸线变迁；分形分析；遥感

1　引言

海岸线长度是海湾的基本参数之一，它被广泛地应用于海湾动力学研究、海湾环境变迁评估、海岸带开发与管理以及海岸工程设计。海岸线可反映海域使用情况，用于沿岸海域开发情况变迁监测与分析，为海域合理使用与开发提供基础参考数据。海岸线为分数维图形，岸线长度的测量结果具有一定程度的不确定性[1]。分形维数可统一不同尺度下测量的海岸线长度，同时也可反映沿岸海域的人工开发程度。

渤海的海洋环境不仅影响着环渤海地区的气候，而且影响着环渤海地区乃至整个中国的经济、生态等方面的长期可持续发展。利用卫星遥感的优势，对渤海湾海岸线进行监测，并对其监测结果进行分析，可研究分析渤海近岸海域开发现状与历史变化，对海域使用动态监测与评价具有一定的作用和意义。

利用卫星遥感不仅可对海湾的水域面积、岸线长度、水深、纳潮量等环境属性开展监测和历史变迁研究[2-8]，还可在海岸线分形研究中发挥其资料来源广、大面积和可长时间序列监测的优势。不同测尺下，所获得的海岸线具有不同的长度，即海岸线具有分数维，使用分形维数可以表达海岸线这一特性。

对海岸线分形维数计算和分形维数历史变迁分析研究中，国内外学者进行了大量工作。Mandelbrot[1]分析了海岸线长度的不确定性问题，首次提出了海岸线的分形与分维概念，并且计算了英国等国海岸线的分形维数。朱晓华等研究海岸线分形维数计算方法并进行了比较研究，研究结果表明，不同方法计算的分形维数可能不同，但使用同一种方法对不同海岸线进行分形维数比较，不会影响海岸线的分形维数比较结果[9-10]。高俊国和边淑华[11]使用分形分析法，以胶州湾为研究实例，根据其面积和总岸线长度的变化情况定性分析了海岸线分形维数的变化状况。叶小敏等[12]以Landsat-5/TM卫星图像为基础资料，计算了胶州湾海岸线的分形维数，并分析了胶州湾海岸线分形维数历史变迁趋势与原因。马小锋等[13]和张华国等[14-15]利用分形维数理论对海岸线开展了土地覆盖类型分析、遥感信息空间尺度、遥感分类与变迁研究。

渤海湾三面环陆，位于渤海西部，在河北省唐山，天津，河北省沧州和山东省东营市黄河口之间，北起河北省乐亭县大清河口，南到山东省黄河口。平均潮差(塘沽)2.5 m，最大可能潮差5.1 m，平均高潮潮位3.63 m，平均低潮潮位1.18 m。渤海湾海底地势由岸向湾中缓慢加深，平均水深12.5 m。渤海湾中有丰富的石油储藏和著名的旅游和度假区，西部塘沽是重要港口——天津港，是京津的海上门户，华北海运枢纽。大规模的围填海工程导致人为改变海岸线形状和位置，威胁着岸线和近海的生态平衡。渤海湾的海洋环境不仅影响着环渤海地区的气候，而且影响着环渤海地区乃至整个中国的经济、生态等方面的长期可持续发展。利用卫星遥感监对渤海湾海岸线进行监测并对其监测结果进行分析，可间接反映渤海近岸海域开发现状与历史变化，对环渤海海域使用动态监测与评价具有一定的作用和意义。

本文以渤海湾为研究区域，利用卫星遥感数据对1986—2014年近30年来的海岸线变迁进行测算，并进行历史变迁分析。

2　卫星资料与处理方法

2.1卫星资料

用于本文的卫星资料包括美国陆地卫星5号(Landsat-5)主题绘图仪(TM)图像资料、陆地卫星7号(Landsat-7)增强主题绘图仪(ETM)图像资料和中国环境与灾害预报小卫星星座A、B星(HJ-1A/B)CCD图像资料。

Landsat-5为光学观测卫星，是美国陆地卫星系列(Landsat卫星)的第5颗卫星，于1984年3月发射，成功在轨运行27年。其主题绘图仪为7个波段扫描成像仪，第1～5(0.45～0.52 μm、0.52～0.60 μm、0.63～0.69 μm 、0.76～0.90 μm 、1.55～0.175 μm)、第7(2.08～2.35 μm)波段的地面分辨率为30 m，第6(10.40～12.50 μm)波段的地面分辨率为120 m。Landsat-7为Landsat-5的后续星，于1999年4月发射。相比于Landsat-5/TM，Landsat-7/ETM的主要差别为增加了15 m分辨率的全色波段(0.52～0.90 μm)；第6波段分辨率从120 m提高到60 m。本文所用的Landsat-5/TM和Landsat-7/ETM数据资料为L2级几何校正产品。

HJ-1A/B卫星于2008年9月发射。其上装载的CCD相机以星下点对称放置，平分视场、并行观测，联合完成对地700 km刈幅宽度、30 m地面像元分辨率、4个谱段推扫成像。4个光谱波长范围分别为0.43～0.52 μm、0.52～0.60 μm、0.63～0.69 μm和0.76～0.90 μm。本文所用HJ-1A/B星CCD相机多光谱数据为2级系统几何校正产品，已经过辐射校正和系统几何校正。

本文使用的卫星数据资料详细信息见表1。

表1　渤海湾海岸线变迁使用的卫星数据信息

*注：表中潮高基准面在平均海平面下241 cm.

当潮间带大部分或全部被海水淹没时，目视解译法能较容易地确定海岸线的位置，为此本文选择的覆盖渤海湾或覆盖渤海湾主要部分的遥感影像成像时间均尽量接近高潮时刻。

2.2岸线提取

海岸线是指平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线，一般可根据当地的海蚀阶地，海滩堆积物或者海滨植被确定。海陆相互作用的结果，使得受潮汐作用的地带在微地貌和纹理结构上与未受作用的地带迥然不同，这种差异导致了地物光谱特性的不同，从而在遥感影像上呈现不同的灰度或色调[2]。相关文献的研究与实践结果证明，TM/ETM卫星遥感资料采用第7(2.08～2.35 μm)、第4(0.76～0.90 μm)、第3(0.63～0.69 μm)，HJ-1卫星CCD资料采用第4(0.76～0.90 μm)、第3(0.63～0.69 μm)、第2(0.52～0.60 μm)波段合成的假彩色图像，海岸线信息清楚，易于判定。不同类型的岸线具有明显的信息特征和提取标准[12，16]；河口两侧的水陆分界线与河口入海口门两岸交点之连线定义为河口的水陆分界线；渤海湾分界点分别为黄河口和清河口，河口的分界点定义为海岸线与河口交线的中心点；渤海湾的海上分界线为清河口和黄河口海岸线中心点的海上连线。对于面积测算，海湾中的岛屿与人工建筑均分别量算出面积，再从海湾总面积中减去[8]。由于河口泥沙冲积的原因，不同历史时期黄河口的位置有所改变，为了便于定量比较不同历史时期渤海湾的水域面积和岸线变化，以2014年黄河口作为渤海湾的分界点。

在ArcGIS9.3软件平台下对表1中所列的卫星遥感资料进行处理和岸线解译。TM和HJ星CCD的2级产品已基本达到了定量量算地物面积的要求，对于少量畸变较严重的图像则进行几何精校正。为了突出水陆边界线，对假彩色合成的影像进行适当的线性拉伸以增强信息。本文使用的1986年Landsat-5卫星TM遥感影像和2014年HJ-1A卫星CCD卫星遥感影像及渤海湾海岸线见图1。

图1　Landsat-5卫星TM、HJ-1A卫星CCD卫星遥感影像及1986年和2014年渤海湾海岸线

2.3分形维数计算

分形或分维是指具有分数维数的几何体，分形的主要特征在于它具有自相似性，即局部与整体相似。如直线是1维的，平面是2维的，而普通空间是3维的。而描述海岸线这一类具有弯曲非规则几何形态的几何体特征时，需要引入分数维数，即分形维数(或分维数)。

在海岸线分形维数的计算方法中，常用的有量规法和网格法。网格法就是使用不同长度的正方形网格去覆盖被测海岸线。当正方形网格长度r出现变化时，则海岸线覆盖的网格数目N(r)也发生变化，根据分形理论有以下方程式成立[1]:

(1)

当网格长度r取不同值时，N(r)也对应不同的值。对式(1)两边同时取对数，可以得到:

lnN(r)=-Dlnr+C

(2)

式中：C为待定常数；D即为被测海岸线的分形维数。采用不同的r值和对应的N(r)值，通过拟合分析即可得到分形维数D。

计算同一条海岸线的分形维数，通常网格法计算得到的结果小于量规法得到的结果。然而，如使用同一种方法对不同海岸线进行分形维数比较的话，不会影响比较结果[6]。相比较而言，网格法较其他计算方法简单方便。因此，本文采用网格法计算胶州湾海岸线的分形维数。

3　结果与分析

3.1测算结果

为降低解译与测算误差，提取岸线采用多次解译，取平均的方法获得渤海湾岸线长度和水域面积。在对同一时间的岸线多次解译的结果中，选择最接近平均岸线长度的解译结果进行分形维数计算。

利用表1中的卫星遥感数据，解译提取的渤海湾水域面积和岸线长度结果见表2。

表2　渤海湾(1986-2014年)水域面积、岸线长度和岸线分形维数的卫星遥感影像测算结果

本文测算的水域面积和岸线长度数值和相关文献数量级相同，由于定义的海湾分界点位置和部分人工建筑岸线标准存在差异，致使具体数值不完全相同(如文献[17]中定义老黄河口为渤海湾和莱州湾的分界点，本文定义2014年黄河口中间位置为渤海湾与莱州湾的分界点；本文不考虑宽度小于两个像素的栈桥式人工建筑对岸线影响)，然而本文在相同标准下解译的岸线，不影响其历史变迁趋势分析。

由表2的测算结果可见，渤海湾在1986-2014年近30年中，平均高潮位下的水域面积从1986年的(13 909.97±3.53)km2减少至2014年的(12 641.99±11.50)km2，呈不断减小趋势；而岸线长度先减小[从1986年的(968.41±1.84)km减少至1998年的(642.43±2.59)km]，再增加的变化规律(2014年增加至850.94±10.78 km)，渤海湾水域面积与岸线长度变化曲线见图2。

图2　渤海湾(1986-2014年)水域面积和岸线长度变化曲线

采用网格法，分别以150 m、300 m、750 m和1.5 km的网格长度获得有岸线覆盖的网格数，使用最小二乘法和本文公式(2)拟合计算得到的渤海湾岸线分形维数(表2)。渤海湾分形维数数值从1986年的1.110 2下降至2014年的1.064 9。

3.2历史变迁分析

表2和图2的卫星遥感测算结果显示了渤海湾水域面积和岸线长度的变化，使用表1中的一系列卫星遥感影像对比发现：2002年以前，水域面积和岸线长度同步减少是由于渤海湾海岸带被利用开发，海岸线从陆地逐渐向外推所造成；而2002年后，水域面积减少，岸线长度增加，这是由于围填海减小了水域面积，增加了人造海岸线，如图1(b)和图3中所示的曹妃甸、天津港、南港工业区和黄骅港等。

图3　渤海湾水域面积和岸线历史变迁(1986—2014年)空间分布

图3是使用1986年、2002年和2014年解译的结果进行比较获得的渤海湾海岸线和水域面积变化情况的空间分布图。

由图3可以看出，1986—2002年间，渤海湾水域面积减少约543 km2，主要变化包括北岸大清河口至涧河口之间的岸线整体外推，外推距离约2 km；南岸的大河口、套尔河口和老黄河口地带海岸滩涂的开发，减少了水域面积并开发为水产养殖场。这一时期的变迁主要表现为河北唐山市和沧州市、山东滨州市和东营市的近岸海洋养殖业对渤海湾海岸滩涂的开发利用。2002—2014年间，水域面积减少约724 km2，主要为河北的曹妃甸、黄骅港；天津的天津港和南港工业区建设围填海对渤海湾海域的使用，造成了渤海湾水域面积减小，人造岸线增加。

海岸线分形维数的变化大小，可直接反映海湾自然岸线的人为改变程度[12]。海岸线在自然演化过程中，将趋于固定值，然而港口建设、养殖场开发和其他围填海等大型人工海岸工程将使局部海岸线的变得平直，降低岸线的分形维数。从表1的测算结果分析，渤海湾1986—2014年近30年间海岸线分形维数呈现不断减小的变迁趋势，这表明该历史时期内渤海湾地区的海岸工程建设在逐步开展，不断改变海岸环境。

从图3的测算结果分析，1986—2002年间，岸线改变主要表现为自然岸线被改造为养殖场；2002—2014年间，岸线改变主要表现为港口建设增加了人造岸线。两者均降低了岸线的分形维数。

对海岸线的开发利用，一般伴随着当地经济的发展。搜集天津市国内生产总值(GDP)数据(数据来源于国家统计局，http://data.stats.gov.cn/)，分析发现GDP(单位：亿元)的倒数与渤海湾岸线分形维数具有基本一致的变化趋势(图4)，两者变化的线性相关系数R=0.95(图5，R2=0.91)。

图4　渤海湾(1986-2014年)岸线分形维数与天津市GDP倒数变迁趋势[直方图上方数值为当年GDP(单位：亿元)]

图5　渤海湾(1986-2014年)岸线分形维数与天津市GDP倒数对比

本文所使用的岸线为渤海湾海岸线，渤海湾紧邻河北省唐山市和沧州市、天津市、山东省滨州市和东营市，近年来全国各省市均保持较高的经济发展水平，且沿海区域占据整个行政省市经济的一定比例，因此仅利用天津市历年GDP值可代表整个渤海湾沿海地区的经济水平。图4和5的结果表明，渤海湾海岸线的分形维数的变化可反应该地区的经济发展变化，这是因为沿海地区海洋养殖业发展、围填海和人工港口等海洋工程建设与开发影响了整个地区的GDP数值，此类人类活动直接改变了海湾岸线，进而改变了岸线的分形维数。

4　总结

在海湾动力学的卫星遥感研究领域，水域面积、岸线长度和岸线分形维数是测算海湾变迁的主要参数，它们可用于海湾纳潮量、潮流、泥沙输运、污染物扩散和海水交换速率等海湾动力学参数的计算。

本文通过高分辨率卫星遥感数据对渤海湾海岸线解译和计算，获得了1986-2014年间渤海湾的水域面积、岸线长度和岸线分形维数。通过对测算结果的分析显示高分辨卫星遥感数据不仅可用于测算海湾水域面积和岸线，还可分析其变迁的驱动力因素，同时分析结果显示岸线分形维数与当地GDP等经济发展指标具有高相关性。

分析结果表明，影响渤海湾岸线变迁的主要驱动力因素是养殖场开发建造、围填海和港口建设等海洋工程，渤海湾岸线分形维数与天津市年GDP的倒数具有一致的历史变迁趋势，其线性相关系数为0.95。本文解译的海岸线分形维数、水域面积、岸线长度及其历史变迁趋势和驱动力因素分析结果可为渤海湾动力学研究、海洋环境变迁评估和海洋开发与管理提供基础参考数据。

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On the Changes of the Coastline in Bohai Bay during the Last 30 Years

YE Xiaomin1,2,3，DING Jing1,3，XU Ying1,3，LIU Yuxin1,3

(1. National Satellite Ocean Application Service, State Oceanic Administration, Beijing 100081，China； 2. Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Hangzhou 310012，China; 3. Key Laboratory of Space Ocean Remote Sensing and Application, State Oceanic Administration, Beijing 100081，China)

The coastline of a bay is an important object to be monitored for the changes of the Bay. In this paper, the surface area of sea water in Bohai Bay, length and fractal dimension of its coastline in the last 30 years from 1986 to 2014 were interpreted by using American Landsat-5/TM, Landsat-7/ETM and Chinese HJ1A,B/CCD remote sensing images. The results showed that the sea water surface area has been decreasing with the value of 13 909.97±1.84 km2in 1986 and 12 641.99±11.50 km2in 2014; the length of the coastline decreased at first 12 years with the value of 968.41±1.84 km in 1986 and 642.43±2.59 km in 1998, and then increased with the value of 850.94±10.78 km in 2014; The fractal dimension decreased from 1.110 2 in 1986 to 1.064 9 in 2014. The results also showed that sea reclamation, the construction of marine farm and port were the driving factors of the changes of the coastline in Bohai Bay; the fractal dimension was correlated with the reciprocal of the Gross Domestic Product (GDP) of Tianjin Municipality linearly with the linearly correlation coefficient of 0.95. The results of measurement and analysis could be a reference for dynamic research of a bay and, changes of environment evaluation and management of bay development.

Bohai Bay，Changes of coastline，Fractal analysis, Remote sensing

卫星海洋环境动力学国家重点实验室开放课题——基于多源卫星遥感数据的渤海海岸线变迁分形分析(SOED1411).

叶小敏，博士研究生，助理研究员，研究方向为海洋遥感研究，电子信箱: yxm@mail.nsoas.org.cn

P7

A

1005-9857(2016)02-0056-07