基于GEE的杭州湾海岸线遥感提取与时空演变分析_朱琳.pdf

第 卷，第 期自 然 资 源 遥 感，年 月 ，：引用格式：朱琳，黄玉玲，杨刚，等 基于 的杭州湾海岸线遥感提取与时空演变分析 自然资源遥感，（）：（，（）：）基于 的杭州湾海岸线遥感提取与时空演变分析朱 琳，黄玉玲，杨 刚，孙伟伟，陈 超，黄 可（宁波大学地理与空间信息技术系，宁波；苏州科技大学地理科学与测绘工程学院，苏州）摘要：持续海岸线动态变化监测对于掌握海岸线变迁规律和演变特征至关重要。长时间序列的海岸线数据集能够在时空维度上详细刻画海岸线的动态变化，进而反映人为活动和自然因素对滨海区域的影响，有利于滨海湿地空间资源的科学管理和可持续发展。该研究基于 （）平台，利用长时间序列 影像，研究了 年杭州湾海岸线的变化特征；利用像元级修正归一化水体指数（，）时间序列重构技术方法，结合 算法阈值分割和数字化海岸分析系统，实现长时间序列海岸线信息自动提取和时空变化分析。结果表明，年间杭州湾海岸线总长度增加了约 ，陆域面积增加了约 ，年均增加速率为 ，平均终点变化速率和平均线性回归变化速率分别为 和 。文章通过对 间杭州湾海岸线进行时空演变分析，为实现杭州湾海岸线资源的可持续发展和综合管理提供了基础支撑。关键词：海岸线；杭州湾；时空演变中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目“海岸带高光谱遥感”（编号：）、“多时相高光谱遥感自适应解混的滨海湿地精细变化分析”（编号：）、“人类活动影响下的群岛区域海岸线时空演变机制分析”（编号：）、宁波市科技创新 重大专项项目“地空星遥感协同的作物病虫害信息智能感知与测报系统研发及示范应用”（编号：）、宁波市公益项目“多源遥感信息融合的长三角城市群热环境精细监测关键技术研发”（编号：）、中国博士后科学基金项目“顾及先验知识的遥感时间序列数据时域重建方法”（编号：）和浙江省省属高校基本科研业务费专项资金资助项目“国产高分辨率遥感影像支撑下的大尺度赤潮变化检测方法研究”（编号：）共同资助。第一作者：朱 琳（），女，硕士研究生，研究方向为海岸带资源与环境监测。：。通信作者：杨 刚（），男，博士，副教授，研究方向为遥感影像数据质量改善与信息提取理论和方法、遥感滨海健康监测技术与应用研究。：。引言海岸线是海洋与陆地的分界线，是描述海岸地区生态环境的重要地理要素和土地资源的重要组成部分，已被国际地理信息委员会认定为 个最重要的地标特征之一。海岸线作为海洋开发的主体，是保护环境、维持海岸带生态平衡的重要载体。从 世纪开始，沿海国家的经济重心逐渐向沿海地区转移，全球近 的人口居住在海岸线 以内的地区。随着经济发展重心的转移，海岸线资源发生较大变化，对沿海地区的经济、社会、生态和环境等方面产生了较大影响。近岸地区人类开发强度加剧，海岸线资源萎缩，导致海岸线开发与保护矛盾日益突出。因此，了解海岸线资源开发现状对于区域可持续发展具有重要作用。实现海岸线信息准确、快速提取是海岸线研究的关键。在长期的海岸线监测中，传统的人工实地测量方法通常存在耗时长、时效性差、人工成本高等问题，而且易受到复杂地理环境条件的制约。相对而言，遥感具有覆盖范围广、重访周期短、获取成本低等优势，逐渐成为海岸线监测的重要技术手段。海岸线提取方法可分为目视解译和自动提取。目视解译主要根据遥感影像解译标志，采用人机交互的方式识别海岸线，该方法对研究人员的海岸识别技能要求高，且容易受到主观因素的影响，难以满足大规模、长时间序列的海岸线信息提取。自动提取方法依靠影像地物光谱特征差异识别海岸线，相比目视解译方法，其普适性和时效性更好，成为海岸线遥感提取的重要手段 。基于遥感影像的海岸线自动提取方法主要有影像分类、图像处理和指数阈值分割等方法。影像分类利用监督或无监督的分类方法 对沿海地区土地覆盖类型进行划分，能够获得较高的海岸第 期朱 琳，等：基于 的杭州湾海岸线遥感提取与时空演变分析线精度和属性信息，但其精度会受到分类器选择以及样本点选取的影响。图像处理方法主要包括边缘活动轮廓模型和边缘检测算子模型，通过检测图像中灰度变化最明显的点获取边缘信息，当水陆边缘特征不清晰时，该方法得到的分割效果不理想。指数阈值分割方法利用光谱指数，通过选择适当的阈值对水体和其他地物进行区分，从而获取水体边界。常见的用于水体提取的指数包括归一化水体指数（，）、修 正归 一 化 水 体 指 数（，）和陆表水指数（，）。等基于 影像，使用 阈值并结合像元出现频率实现对水体、陆地以及潜在潮滩的划分，确定详细的海岸动态变化；使用，和 阈值算法，得到水体和非水体二值化图像，通过 边缘检测提取水体边界。相比影像分类和图像处理方法，指数阈值分割简单高效、易于实现，更适合于长时间序列数据处理。杭州湾作为中国经济高度发达的地区之一，城市化水平高，人口密度高，沿岸湿地资源丰富，具有重要的生态和经济价值。随着经济的快速发展，杭州湾地区空间格局发生变化，对海岸线造成影响。等使用 年 影像并结合夜间灯光数据监测杭州湾海岸线变化和人类活动，发现在热点地区，人类活动显著增加并且海岸线移动达到 以上，揭示了人类活动对海岸线的影响；等使用 年多时相 数据，分析杭州湾宁波地区海岸线时空变化特征，结果表明海岸线形态由曲折转换为平直，且海岸线年平均净移动达到 ，向海一侧不断推进。针对长时间序列的杭州湾海岸线变化分析，多数研究基于若干时间节点（例如监测周期为 或 ）的遥感影像展开，往往易丢失连续变化的信息，难以准确反映海岸线的精细变化特征。因此，本研究基于 （）平台，提出光学遥感影像的水体指数时间序列重构方法，获得高频次的长时间序列水体指数数据集，通过 算法进行水陆分割，实现长时间序列杭州湾海岸线自动提取，并使用专业的数字化海岸线分析系统，深入分析海岸线特征，对海岸线时空演变特征进行研究。研究区及其数据源 研究区概况杭州湾（图）位于中国东海岸长江三角洲南部，浙江省东北部，与上海、浙江嘉兴、杭州、绍兴、宁波毗邻。杭州湾是钱塘江河口外海滨部分，呈喇叭状，属于河口海岸。该区地势平坦，南部有大片滩涂湿地，属于亚热带海洋性季风气候。作为全国第二大湾区，长江经济带、长江城市群与“一带一路”等国家战略的交汇点，经济发展具有举足轻重的地位。本研究以杭州湾南北两岸的海岸线为研究对象，海岸线范围以芦潮港为起点，甬江河口为终点。图 研究区示意图 数据源 平台可提供高性能计算能力和丰富的地理空间数据集。基于 平台（：），选取了研究区 年所有可用的行列号为 的，和 系列表面反射率遥感影像共 景，空间分辨率 ，时间分辨率为 。考虑到南方云雾天气和潮汐的影响，在云掩模的基础上利用谐波线性拟合函数对时间序列数据进行重构以获取高质量的时间序列数据，最终选取每年 月接近高潮位时的影像（表）用于海岸线提取。表 用于海岸线提取的 影像 序号传感器获取时间高潮位 时间序号传感器获取时间高潮位 时间（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：高潮位及对应时间来自于海黄山港。自 然 资 源 遥 感 年（续表）序号传感器获取时间高潮位 时间序号传感器获取时间高潮位 时间（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：（：）：研究方法本研究把遥感成像时刻的水陆边界线定义为海岸线，使用 年 数据，基于指数阈值分割方法进行杭州湾海岸线信息提取，并对其进行时空演变分析。首先，基于像素计算，并使用时间序列谐波分析（，）对 时间序列数据进行重构；其次，使用 算法确定阈值区分水体和陆地以获取水体边界；然后，利用 软件进行矢量转换和后处理；最后，基于生成的海岸线进行时空变化分析。具体技术路线如图 所示。图 海岸线提取技术路线 海岸线遥感提取基于 影像计算 对陆地和水体进行区分，该方法优于，在海岸线提取方面得到广泛应用。其计算公式为：（）（），（）式中 和 分别为绿光波段反射率和中红外波段反射率，分别对应 影像的 和 波段，影像的 和 波段。是一种基于快速傅里叶变换改进的算法，通过傅里叶变换和最小二乘法拟合，可以有效去除异常值。本研究使用 对 时间序列数据进行重构，去除 年期间的异常观测值，并通过拟合填补云掩模生成的空洞。是一种使用灰度直方图选择阈值分割水体和陆地的方法。该方法通过选择一个合适的阈值，使用最大类间方差分离背景和目标对象。本研究使用 自动阈值分割得到 二值图像，利用 软件将二值图像转换为矢量，得到包括湖泊、河流的水域范围。为了提取海岸线边界，通过计算最大水体面积得到海洋区域，并去除面积小于 （个像元大小）碎斑。然后将面矢量转换为线矢量，并使用 工具去除边界锯齿，最后生成 年杭州湾海岸线数据集。海岸线时空变化分析数字海岸线分析系统（，）版于 年 月发布，是美国地质调查局研发的用以分析海岸线时空变化速率的分析系统，在 软件内操作。通过 可以生成海岸带剖面，并计算时间序列海岸线变化率。本文使用 （）分析近 间杭州湾海岸线的变化率，包括终点变化速率（，）和线性回归变化速率（，）。计算公式为：，（）式中：为最远年份和最近年份的海岸线距离海岸线基线距离，；为最近年份与最远年份之间的时间间隔，。通过将最小二乘法拟合剖面线与海岸线相交的点来确定，计算海岸线的变化速率。线性回归方法使用所有的数据，不考虑趋势和准确性的变化。计算公式为：，（）第 期朱 琳，等：基于 的杭州湾海岸线遥感提取与时空演变分析 （）（）（），（），（）式中：和 分别为年份的自变量和海岸线的空间位置；为第 年；为第 年剖面与海岸线交点到基线的距离；和 分别为 和 的平均值；为拟合常数的截距；为回归斜率，即。结果与分析 海岸线提取结果精度评价通过本文方法得到了 年杭州湾海岸线数据集，如图 所示。通过 高空间分辨率影像随机选取了 年、年、年和 年各 个样本点，并以这 个年份的海岸线为基准建立半径 和 的缓冲区，统计样本点落在缓冲区内的个数和误差允许范围内（）的数量，并计算其平均误差和精度。海岸线提取精图 年杭州湾海岸线分布 度如表 所示，平均误差控制在 个像元以内，精度都在 以上，满足对海岸线变化分析的要求。表 海岸线提取结果精度评价 年份样本个数 个大于 像元个数（）个小于 像元个数（）个平均误差 准确度 年 年 年 年 海岸线时空演变分析 年海岸线长度及面积变化分析 年的杭州湾海岸线长度、长度变化、所围陆域面积和面积变化情况如图 所示。在研究时间段内，杭州湾海岸线长度从 年的 增加到 年的 ，增加了 ，增 长 率 为 ，年 均 增 长 率 约 为。海岸线整体呈现增长趋势，但增长速率缓慢，年际间长度变化幅度大。从海岸线长度变化情况来看，海岸线长度增加主要发生在 年、年、年 和 年，增加分别为 ，和 ；海岸线长度缩减主要发生在 年、年、年、年和 年，分别减少了 ，和 。在面积方面，年杭州湾海岸线所围成的陆域面积呈显著的增长趋势，从 年的 增加到 年的 ，共增加了约 ，增长率为 ，年均增加速率为 。其中，面积增加较大的年份主要发生在 年、年、年和 年，分别为，和 ；极少数面积减小的年份主要发生在 年、年、年和 年，分别为 ，和 。（）海岸线长度 （）海岸线长度变化图 年杭州湾海岸线长度和面积变化 自 然 资 源 遥 感 年（）海岸线所围陆域面积 （）海岸线所围陆域面积变化图 年杭州湾海岸线长度和面积变化 海岸线扩张或后退过程会引起海岸线的海陆格局发生变化，陆地向海洋扩张表现为陆地面积增加，称为淤积，海洋向陆地退却表现为陆地面积减少，称为侵蚀。陆地面积的变化可以反映海岸线变化的方向和幅度。本文研究了 年间杭州湾陆域面积的变化，并根据陆域面积变化情况，分阶段对杭州湾海岸线海陆格局的时空变化进行分析，结果如图 所示。在整个研究时间段内，杭州湾区域基本处于淤积状态，尤其以南岸为主，北岸基本保持稳定。在 年和 年，杭州湾北岸嘉兴南部区域有明显淤积。年曹娥江大闸枢纽工程竣工，使曹娥江区域海岸线向外扩张，出现淤积情况。从 年开始，杭州湾