（自然地理学专业论文）海岸带空间数据表示与gis、rs应用的初步研究.pdf

福建师范大学蔡艺惠硕士学位论文 摘要 海岸带是海洋和陆地交互作用的地带，其环境演变是个活跃而复杂的过程。 海岸带的研究对于经济发展、环境保护、人类生产和生活具有重要的意义。 本文根据前人对海岸带和岸线的自然过程的研究结果，讨论了海岸带地图与g i s 研赶中的一些基础问题：使用r s 和g i s 方法，基于l a n d s a tt m e t m + 卫星影像数据， 研究了岸线长期变化过程中空间数据的表示和处理问题。利用改进的水体指数m n d w i 快速地提取水体信息，通过变化检测和信息提取等分析了岸线的变化：应用数字高 程模型( d e m ) 分析研究了主要由潮汐引起的岸线的短周期变化。利用己建立的d e m 和g i s 的空间分析功能，探讨了潮水位上升的淹没损失以及在滨海旅游中的应用， 并研究了不同水深岸线类型的自动识别；最后，结合研究区域的岸线变化，讨论了 岸线变化的预溯模型。 关键词：海岸带，岸线，动态变化，r s ，g i s ，d e m ，潮汐 塑壁塑翌查耋茎堇曼堡主堂堡丝苎 a b s t r a c t t h ec o a s t a lz o n ei st h e aa n dt h el a n dc o r r e l a t i o n 托画o n ，i t se n v i r o n m e n te v o l u t i o n i sa c t i v eb u tc o m p l i c a t e d t h er e s e a r c ho fc o a s t a iz o n eh a ss i g n i a n c ei ne c o n o m i c d e v e l o p m e n t , e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , a sw e l l 勰h u m a na c t i v i t i e s f i f s t b m ef o u n d a t i o nq u e s t i o n so ft h ec o a s t a lm a p sa n dt h eg i sr e s e a r c hh a v e b e e nd i s c u s s e d , a c c o r d i n gt ot h ef i n d i n g sa b o u tt h ec o a s t a lz o n ea n dt h es h o r e l i n en a t u r a l p r o c e s sb yt h ep r e d e c e s s o r ；s e c o n d l y , u t i l i z i n gl a n d s a tt m e t m + i m a g e s , d u r i n gt h e c o u r o f t b ec o a s t l i n es e c u i a rv a r i a t i o n , t h eq u e s t i o n so f t h es p a t i a ld a t ao r g a n i z a t i o na n d p r o c e s s i n gh a v eb e e ns t u d i e db yt h em e i so fr sa n d ( 3 1 8 t h e 、 憎l e fb o d yi n f o r m a t i o n h a sb e e nw i t h d r a w no u to f t h ei m a g e sq u i c k l y , u s i n gt h ei m p r o v e dw a t e ri n d e xm n d w i t h e n , t h es t u d yh a sr e v e a l e dt h es h o r e l i n ec h a n g e st h r o u g ht h ec h a n g ee x a m i n a t i o na n d t h ec h a n g ei n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ；f r r t h c l t a o r e , d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ( d e oi su s e dt o a n a l y z et h ec o a s t l i n es h o r t - t e r mp e r i o d i cc h a n g ew h i c hm a i n l yc a u s e db yt i d e b a s e d0 n t h ed e ma n dt h eg i ss p a t i a l a n a l y s i sf u n c t i o n , t h er c s e r r c h h a sd i s c u s s e dt h e s u b m e r g e n c el o s sa sw e l la st h ea p p f i c a t i o no f f i t t o r a lt o u r i s mi n f l u e n c e db yt h er i s eo f t h e t i d a ll e v e l a n da l s oh a ss t u d i e dt h ea u t o m a t i ca b s n a e t i o no f t y p e so f d i f f e r e n tr i v e r b a n k ； f i n a l l y , t h ep r e d i c t i o nm o d e l so fc o a s t l i n ec h a n g eh a v eb e e ns u m m e dl 叩，c o m b i n e dw i t h t h ec o a s t l i n ec h a n g eo f t h as p e c i f i cr e g i o n k e y w o r d s ：c o a s t a lz o n e ；c o a s t l i n e ；d y n a m i cc h a n g e ；r s ；g i s ；d e m ；t i d e 福建师范大学蔡艺惠硕士学位论文 中文文摘 自古以来，人类的生产生活就与海岸带有着密不可分的关系进入工业时代以 后，人类对于海岸带的依赖更是达到了史无前例的程度大量的工业和重要的城市 大都集中在海岸带但是海岸带也是地质环境、生态环境最敏感、最脆弱的地带， 它经受着海洋动力( 波浪、潮汐、潮流) 、入海河流、气候等一系列自然因素的作 用，接受着侵蚀或淤积的自然过程另一方面，人类活动也越来越显著地影响它的 变化速度和方向由于经济及社会发展的需求，大面积填海造陆，挖掘虾池，使海 岸线发生了显著的变化海岸带的自然过程和人类活动，对海岸及海洋环境都产生 了巨大的影响 遥感技术可作为海岸线变化监测的有力工具，特别是卫星遥感很适合于动态变 化的探测，因为它可以对相同的地区进行重复性观测，且能覆盖很大的区域。它的 多时相特点可以记录下同一地区在不同时间由于环境的变迁及人类活动所产生的变 化；它的多波段、多平台、多信息的特点，提供了地表无法观测到的宏观信息以及 人跟无法感受到的地物电磁波信息，这些对于研究海岸线动态变化是非常有利的 本文在广泛参考国内外岸线研究的基础上，研究了在海岸带动态变化过程中的空间 数据表示和地理信息系统及遥感技术的应用问题，并使用厦门海岸作为研究样例， 讨论了具体的技术实现文章主要内容分为六部分： 第一部分为绪论。讨论了海岸带与海岸线的概念、海岸带研究及岸线动态变化 分析的重要意义、海岸线变化的影响因子对在海岸带和岸线动态分析研究方面， 特别是在海岸带空间数据处理和地理信息系统研究方面，国内外的研究成果进行了 综述，分析了该领域的研究现状和存在的问题 第二部分讨论海岸带地图与g i s 研究中基础问题分析了海图与陆图的异同， 各基准面的关系，地图投影与坐标在g i s 中的转换闯题，讨论了岸线在地图与g i s 中的数据表示 第三部分探讨了岸线长期变化过程的g i s 和r s 分析以厦门1 9 9 3 年和2 0 0 1 年 t m 、e t a + 影像为例，介绍了遥感影像数据的处理及岸线动态变化信息的提取方法 采用m n d w i 指数提取水体，运用假彩色合成法的变化检测方法直观表示厦门岸线在 研究期间的变化情况，厦门海岸在1 9 9 3 2 0 0 1 年同岸线变化的实例研究表明，岸线 变化主要发生在厦门岛的西面、东面，集美区东南角以及嵩屿附近，城市用地扩展 m 福建师范大学蔡艺惠硕士学位论文 和养殖业发展占用减少的海域面积在遥感数据处理的基础上，利用g i s 软件定量 分析岸线的动态变化。通过人工界定的公共基准线，可以得出研究区域内岸线总的 变化面积，并通过“不动点”的一系列运算，得出任意时段内目标区域具体岸线的 变化类型和淤进、蚀退面积 第四部分研究岸线短期变化的g i s 表示与应用问题。主要讨论潮汐作用下岸线 短周期变化的数据表示与g i s 应用问题在实例中，通过收集厦门地形图、海湾图 以及潮汐等数据，建立了厦门环岛路陆地与近海的d e m ，结合厦门潮汐的特征，分 析厦门潮汐对海域岸线的短周期变化的影响，在最高潮位背景下，若没有海堤防护， 则厦门海水淹没到厦大医院、南村附近利用已建立的d e m ，分析了潮水位上升( 海 平面上升) 的淹没损失以及在滨海旅游中的应用。研究了在g i s 的平台上实现不同 水深岸线类型的自动识别问题 第五部分讨论了海岸线变化的预测模型对岸线变化预测的方法按物理模型、 概念模型和数学模型等进行了总结，分析了各种模型的不同特点及存在的问题 第六部分为结论和讨论。总结了本文研究的主要结论，指出了存在的问题，提 出了对未来研究方向的展望。 由于受到资料的获取、时间因素以及作者本人目前知识水平等因素的限制，在 研究的过程中，存在着一些问题和不足，有待以后工作中完善。如应用遥感数据提 取海岸线的方法研究并不成熟，海岸线确定尚无统一标准，容易造成分析结果的差 距；还有，岸线短周期变化分析中等深线数据及相关资料的获取精度不足，建立的 d e m 精度较差，研究还停留在思路和方法探讨上等。 p c 第1 章绪论 第1 章绪论 地球上7 0 的面积为水体，人们所生活的陆地为海洋所包围海岸带对人类来 说具有很大的魅力，它是人类繁衍生息，从事生产劳动的重要地区。具有极大的区 位和资源优势自从有人类以来，人们就不断地开发海岸，使人类的足迹遍及全球 海岸。现在，全世界一半以上的人口，生活在临近海岸的地带，创造着6 0 0 , 以上的 物质财富。美丽富饶的海岸使亿万人民和沿岸国家或地区从贫穷落后走向富足繁荣 2 1 世纪是海洋的世纪，海岸线正是从大陆走向海洋的晃线。我们要更多地关注海岸， 了解海岸线。 ，1 1 海岸带与海岸线的定义 1 1 1 海岸带的定义 海岸带是地球上大气圈、水圈、岩石圈与生物圈相互作用、物质与能量交换活 跃、各种因素作用影响最为频繁、变化极为敏感的地带，是海岸动力与沿岸陆地相 互作用，具有海陆过渡特点的独立的环境体系，也是受人类活动影响极为突出的地 区。它以海岸线为基线，向海、陆两侧扩展一定距离的区域。当前，对海岸带的宽 度尚无统一的标准，因海洋类型和研究目的不同而异，随着人类认识的逐渐加深， 海岸带的内涵不断丰富。总之。海岸带是指每天受潮汐涨落海水影响的潮间带( 海 涂) 及其两侧一定范围的陆地( 平均高潮线至波浪作用上限之问的沿岸陆地) 和浅 海( 平均低潮线以下至波浪有效作用于海底的下限地带) 的海陆过渡地带。 然而海岸带是不稳定的，易于受到自然和人为因素的冲击。这种不稳定的明显 标记就是海岸线的变化及与之相关的陆地的增减 1 1 2 海岸线的定义 海岸线是把陆地与海洋分开同时又把陆地与海洋连接起来的海陆之间最亮丽的 一道风景线然而它不是一条固定不变的分界线，由于地壳的运动、冰川、入海河 流以及人类活动的影响，海岸线规律性地推进，后退、上升、下降，持续性地改变 面貌，因而难以用静态的数据准确地表达因此，在实际处理上总是确定一条相对 周定的线来代表海岸线由于研究的内容和出发点不同，海岸线也有不同的理解和 定义目前关于海岸线大致有以下几种提法t ( 1 ) 多年大潮高潮所达到的界限，或称多年大潮高潮线或痕迹线现行海图地 福建师范大学蔡艺惠硕士学位论文 图资料中多使用这种提法； ( 2 ) 沿海岸潍与平均海平面的交线； ( 3 ) 海水低潮面与海岸的交线，即低潮线； ( 4 ) 后滨的后缘。即风暴潮或最大风暴向陆地所能到的位置； ( 5 ) 平均高水位面与海岸的交线，即平均大潮高潮线。 根据1 9 7 9 年出版的辞海，海岸线是指“海岸线是海水面和陆地接触的分界 线，随潮水的涨落而变动位置，一般指海边在多年大潮时，高潮所达到的线”；1 9 9 0 年版国际海图图示中则规定“海岸线是指平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线”， 与2 0 0 1 年国家技术监督局发布的海洋学术语海洋地质学 国家标准中对海岸线 的定义一致。平均大潮高潮位以下区域尽管海水时淹时露，但由于受到潮汐、潮流、 波浪、海流等动力作用的影响。无论是地形地貌、沉积作用，还是动植物种属、土 壤类型等自然环境，与海岸线以上的区域有明显的差异。海岸线以上的潮上带，基 本脱离了海洋作用，只有特大潮汐或风暴潮时，海洋动力才有可能波及该区域海 岸线是陆地地貌和海洋地貌的分界线；从地质作用来讲，海岸线以上以风化作用为 主，之下以沉积作用为主；从动植物种属来看，海岸线以上是陆生动植物种属，海 岸线以下是海生动植物种属：从土壤特征来看，海岸线以下区域的土壤类型单一， 发育程度低。海岸线两侧是两大不同的地貌单元，属于不同的生态系。因此，用平 均大潮高潮位痕迹线来表征海岸线是科学合理的 1 2 海岸带研究与岸线动态分析的重要意义 有史以来，人类就在海岸带进行着大量的生产生活活动，海岸也因其优良的资 源条件成为了人类的宝贵财富海岸线是海岸带的重要要素之一，不仅标识了该地 区的水陆分界线，蕴含了丰富的环境信息，更对沿海的滩涂面积、 i ! 地生态系统衰 退等具有重要的指示作用。然而在地球内外营力的作用下，海岸带( 以海岸线为标 志) 总是处于不停的活动和变迁过程之中，特别是海岸的侵蚀，经常会给沿海造成 重大的经济损失，给生态环境造成危害，甚至是毁灭性的灾害“，因而各国政府对 海岸线的变化一直很重视早在1 9 0 6 年，英国就成立了专门负责治理海岸侵蚀的皇 家委员会，1 9 4 9 年制定了英国海岸保护法；前苏联1 9 6 2 年制定了黑海海滩 保护法 ，并在黑海建设了许多海滩保护工程旧；美国1 9 7 2 年就颁布了海岸带管 理法，对海滩，沙丘、悬崖和礁石等进行了保护，并取得了很大的成绩”海岸 线的变化一直也是研究人员的一个重要研究课题，1 9 7 2 年，国际地理学会成立了“海 2 洋侵蚀动态工作组”，对海岸侵蚀进行国际合作研究忉海岸的侵蚀给人类的生产 和生活带来的不利影响，这是有目共睹的。但是我们也要注意到海岸线的变化对周 围环境的改造作用，比如海岸的淤迸可能使原本海上采油区变为陆上采油区，降低 了采油的成本和难度因而岸线变化( 海岸带空间数据表示) 的研究对经济发展、 人类生产和生活活动都具有重要的意义，可为保护自然海滨岸线、合理利用岸线资 源，以及可持续发展提供服务。 研究河流岸线近期的变化规律将为河流流路规划治理和海岸防护工程规划提供 重要的依据：根据海岸淤进或侵蚀的速度，结合地学背景知识，可以进行海岸演变 趋势预报；受河水输送水沙量和海平面的变化，岸线在海陆相互作用下必将趋向新 的协调与平衡，对其进行监测与模拟其意义不仅仅在于河口稳定与海港选址，同时 也与开发浅海油气资源和发展海上渔业运输密切相关因此，研究海岸淤进或蚀退 的空间分布与演化过程，可为河流流路规划治理、海岸防护工程规划、海岸演变趋 势预报等方面提供决策支持i 为我国海岸带和流域开发、海岸带环境保护管理乃至 国家经济发展战略调整提供有用信息啪 1 3 海岸线变化的影响因素 影响海岸线稳定性的因素很多，机制也比较复杂由于自然及人为因素的影响， 近几年海岸线变迁很快，既有海洋动力导致海岸冲蚀、磨蚀和溶蚀，造成的岸线向 陆一侧的后退，也有河口冲淤或围海造地所致的岸线向海一侧的推进海岸淤进与 蚀退是入海泥沙、滩涂围垦、潮汐等综合作用的结果，岸线的变化则是海岸变迁的 外在表现 1 3 t1 自然因素 自然因素包括地壳运动，气候变化，河流输沙条件的改变，海平面变化，波浪、 潮流、潮汐和风暴潮作用等海岸线发生如此巨大的变化主要的原因是地壳的运动， 由手地壳升降活动的影响，引起海水的侵入或海水的后退现象，造成了海岸线的巨 大变化其次，气候变化直接影响全球水分的循环过程，关系到海洋中水量的变化， 它是全球海面升降的关键性因素如果气温上升，世界上的冰川融化了，冰水流入 大海，那么海平面就会升高十几米，海岸线就会大大地向陆地推进；相反，如果气 温相对下降，则冰川又扩展加厚，海平面就会渐趋降低，海岸线就会向海洋推进 再次，海岸线的变化还受到入海河流中泥沙的影响，当河流将大量泥沙带入海洋时， 泥沙在海岸附近堆积起来。长年累月，沉积为陆地，这时海岸线就会向海洋推移 福建师范大学蔡艺惠硕士学位论文 总之，海岸淤进是海岸泥沙输入大于支出的过程。主要发生在河流入海口和河流三 角洲海岸而海岸侵蚀则是在自然力( 包括风、浪、流、潮) 的作用下，海岸泥沙 支出大于输入，沉积物净损失的过程，其典型表现就是岸线后退 1 3 2 人为因素 影响海岸线变迁的原因有很多，有自然作用造成的，也有人为活动引发的从 较短的时间尺度来看，供沙条件的变化往往是与人类的活动结合在一起的脚丰富 的河流来沙常使岸线向前淤进，而在河川上游进行水土保持、兴建水库使陆源来沙 减少，海岸线常会冲蚀后退。1 9 6 4 年，尼罗河上游阿斯旺大坝建成后，把尼罗河的 泥沙拦截下来，尼罗河三角洲的侵蚀加快嘲近五六十年来，我国河流入海泥沙大 量减少，也在众多的海岸引起了海岸后退。随着经济的发展，海滩采沙和海滩养护 对岸线的变化的影响也越来越大。人们从海滩取沙，最终将导致海洋动力条件的改 变，海滩重新塑造它的形态，造成海滩侵蚀。海滩养护可以减缓海滩的侵蚀过程， 维持海滩的稳定性。美国在东部海岸进行了上百年的大规模海滩养护工作，保护了 东部海岸免受侵蚀，降低了大西洋飓风带来的海岸带风暴灾害，改善了美国东部海 岸环境，为发展旅游业发挥了巨大的作用啪”。总之，河流水利工程、围海造地、 拦河筑坝、采挖砂石和珊瑚礁、砍伐红树林、建设港口等必然会引起海岸形态、结 构、水文、动力等条件的变化，直接或间接她造成海岸线的变化。 海岸线的前进后退是经常发生的自然现象。总体上，海岸线的自然变化是缓慢 的，往往需要很长的历史时期，如果某一海岸长期以侵蚀作用为主，海岸线就会向 陆地后退，相反长期以堆积作用为主，岸线则会向海域前进。然而海岸线随着每e l 湖水的涨退或者季节风的变化也会做短期的变动，人类的开发活动也可以在很短的 时间内造成海岸线的巨大变化。 1 4 地理信息技术在岸线监测与研究中的现状 最初的岸线变化研究是通过历史海图、地形图和实测调查综合对比分析的，后 来有人利用实测浅海断面分析统计，有人采用遥感图像的解译或检测结果来分析岸 线的动态变化自1 9 7 2 年7 月2 3 e 美国发射第一颗陆地卫星( l a n d s a t 一1 ) 以来，海 岸带卫星遥感己在多方面应用，并取得一定的社会和经济效益。遥感技术在岸线信 息观测方面的优势和快捷是显而易见的 1 4 1 国外研究进展 应用多时相、多精度的卫星遥感数据监测海岸线的变化已有许多成功的先例 4 第1 章绪论 国外学者在岸线的提取与分析方面进行了大量的研究b l o d g e t 等( 1 9 9 1 ) 伽利用美 国地球资源多光谱扫描图像对岸线进行判别，使用6 景陆地卫星上的多光谱扫描传感 器( m s s ) 图像和与初始图像相关的m s s 第7 波段生成一幅海滩变化图像，结果表明卫 星的重复覆盖和海陆良好的光谱对比性能很好地反映出岸线变化的一般趋势，特别 是一些易受侵蚀和低平的地区。利用卫星图像能很好地弥补常规测量的不足；f r i h y 等( 1 9 9 8 ) n 。1 用非监督分类的方法将增强后的单波段遥感图像划分为陆地和水体， 从图像中提取海岸线：s h a o 等( 1 9 9 8 ) “”利用t m 卫星图像重叠，通过判别植被研究 岸线变化，也取得了很好的效果。w h i t e 等( 1 9 9 9 ) n 2 1 使用特殊灰度值与区域平均值 的偏差作为均化的标准，应用于t m 第7 波段，用手工去掉河流、废弃河道和人工水渠 中生长的区域，生成尼罗河三角洲的岸线变化图，查出了岸线变化最快的区域，并 对其进行更为严密的监测。这为尼罗河三角湘流域的海岸带管理提供了有力的技术 支持。m a r g h a n y 等( 2 0 0 1 ) “”利用t o p s a r 数据建立了一个波光谱模型( w a v es p e c t r a m o d e l ) 来探测马来群岛的t e r e n g g a n u 海岸的侵蚀速率和岸线变化，找出了侵蚀最快 的地区，得出了准确的侵蚀速率s t e v e nm s o l o m o n ( 2 0 0 5 ) “町利用1 9 7 2 - - 2 0 0 0 年航片监测