全 文 ：基于遥感分析的锦州湾海域填海造地变化*
李志刚1,2 摇 李小玉1 摇 高摇 宾3 摇 陈摇 玮1 摇 何兴元1**
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2 中国科学院研究生院, 北京 100049; 3 山东师范大学人口资源与环境学
院, 济南 250014)
摘摇 要摇 利用 Landsat TM和高精度 ALOS影像数据,在比较不同水体指数提取海域面积精度
的基础上,利用改进的归一化差异水体指数(MNDWI),研究了 1988、1995 和 2006 年锦州湾海
域填海造地情况.结果表明: 1988—2006 年间,锦州湾海域填海造地面积达 23郾 63 km2,其中,
12郾 38 km2 被用作开发区建设,5郾 48 km2 用于工业用地,3郾 47 km2 用于码头建设,1郾 37 km2 被
用作养殖用地,0郾 93 km2 被用为滨海浴场.大面积填海造地反映了锦州湾沿海城市建设和经
济发展对土地的强烈需求,同时也必然会对该区域的生态环境造成较大影响,需要进一步加
强监测和评价.
关键词摇 填海造地摇 水体指数摇 光谱特征摇 锦州湾
文章编号摇 1001-9332(2011)04-0943-07摇 中图分类号摇 K903摇 文献标识码摇 A
Temporal changes of shoal reclamation in Jinzhou Bay sea area based on remote sensing
analysis. LI Zhi鄄gang1,2, LI Xiao鄄yu1, GAO Bin3, CHEN Wei1, HE Xing鄄yuan1 ( 1 Institute of Ap鄄
plied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2Graduate University of Chi鄄
nese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3College of Population, Resource and Environ鄄
ment, Shandong Normal University, Jinan 250014, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(4):
943-949.
Abstract: By using Landsat TM and high resolution ALOS images, and based on the comparison of
the precision of sea area extracted from various water indices, a modified index MNDWI was adopt鄄
ed to study the shoal reclamation in Jinzhou Bay sea area in 1988, 1995, and 2006. In the period
1988-2006, the reclaimed area in Jinzhou Bay sea area reached 23郾 63 km2, among which, 12郾 38
km2, 5郾 48 km2, 3郾 47 km2, 1郾 37 km2, and 0郾 93 km2 were used for development zone, industry,
port construction, seawater aquaculture, and beach bathing, respectively. The large acreage shoal
reclamation reflected the urgent demand of land for coastal urban construction and economic devel鄄
opment along the Jinzhou Bay, while at the meantime, brought about greater impacts on the local
eco鄄environment, which needed to be further monitored and assessed.
Key words: shoal reclamation; water index; spectral characteristics; Jinzhou Bay.
*国家自然科学基金重点项目(40830746)和中国科学院知识创新
工程重要方向项目(KZCX2鄄YW鄄342鄄3)资助.
**通讯作者. E鄄mail: hexy@ iae. ac. cn
2010鄄09鄄30 收稿,2011鄄01鄄27 接受.
摇 摇 填海造地在许多沿海地区(荷兰、英国、美国、
日本、韩国、新加坡和中国[1-3] )的城市化过程中具
有重要作用.填海造地是人类开发利用海洋的重要
方式,也是人类拓展生存空间和生产空间的重要手
段[4] .近年来,随着工业、城市建设、港口运输业的
迅速发展和人口的增加,沿海地区土地资源的稀缺
状况更加突出,许多地区和行业都不可避免地向海
洋寻求发展空间[5],养殖、农田、城市发展以及大量
的工业用地均可通过围海造地获得[6] . 锦州湾海域
是开发利用海洋资源比较活跃的地区之一,集中了
港口、滩涂养殖、有色金属生产等多种经济活动. 近
年来,作为辽宁省“五点一线冶的重要建设区域,锦
州湾区域经济迅猛发展的同时,也极大地增加了土
地利用需求,使填海造地成为该区域的必然选择.然
而,大范围的填海造地活动势必会引起该区域海洋
和海岸环境的变化,并产生一系列生态和环境后果,
对区域可持续发展将造成一定影响[7-8] . 因此,快
速、准确地进行海岸变化监测和分析,可为决策部门
提供及时有效的科学信息[9-10],对区域海岸、滩涂的
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 4 月摇 第 22 卷摇 第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2011,22(4): 943-949
长期开发利用具有十分重要的意义[11] .
海岸线的变化是监测区域填海造地进程的最关
键指标 .研究海岸线变化的常规方法主要包括利用
历史海图、地形图和剖面监测等,这些调查方法和手
段不但费时、费力,而且动态连续性差[12-13] .由于多
时相、多平台的遥感技术具有宏观、快速、综合、高
频、动态和低成本等突出优势,近年来成为监测海岸
动态变化的一种重要方法[14-15] . 目前,海岸带遥感
调查技术的理论算法相对成熟,国内外在这方面开
展的应用研究较多[16-17] .利用遥感影像提取海域信
息的方法可分为单波段法、多波段法和水体指数法
三大类[18-21] . 如 Mcfeeters[22]提出了归一化差异水
体指数(NDWI)用于水体信息的提取;徐涵秋[19]在
NDWI方法的基础上,提出了改进的归一化差异水
体指数(MNDWI);曹荣龙等[23]在分析水体、植被、
建筑物等光谱信息的基础上构建了修订型归一化水
体指数(RNDWI).但以往的研究大多仅注重探讨海
岸带的变化,对其驱动因素探讨较少,人类活动对海
域变化的影响研究更是少见.为此,本研究量化分析
了锦州湾区域填海造地引起的海域变化进程,以期
对未来海岸带的开发利用提供指导.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
锦州湾位于渤海辽东湾西侧,依锦州市而得名,
是环渤海经济圈的重要组成部分,也是京津唐与东
北经济板块交汇的重要节点. 该区域是辽宁省“五
点一线冶的重要建设区域,拥有重要的海岸线资源
和港口资源,包括 2 个重要港口(葫芦岛港和锦州
港),是东北老工业区对外发展的重要门户.由于经
济和社会发展的需求,该区大面积海域被填为陆地,
海岸线发生了显著变化.这对河口通航条件,特别是
海岸和海洋环境都会产生较大的影响.
本研究选取包括锦州和葫芦岛城市海岸在内的
锦州湾海岸及其海域作为研究对象(图 1),利用基
于水体指数的海域提取法,通过不同时期该区域海
域面积的减少来量化该区域内填海造地的面积变
化,在此基础上,结合社会经济统计数据分析研究区
域城市和工业用地需求对填海造地的驱动作用.
1郾 2摇 遥感影像处理
Landsat TM影像有长期的数据积累,方便进行
多年的动态监测,同时,TM 影像有可见光、近红外、
热红外和短波红外 7 个波段,短波红外波段能够用
来区分植被和土壤等背景因素,可较好地反映水体
图 1摇 研究区位置示意图
Fig. 1摇 Sketch map of the location of the study area.
信息.因此,本研究选取 1988 年 10 月、1995 年 9 月
和 2006 年 10 月 3 个时期的 Landsat TM影像作为数
据源,通过海域的提取对锦州湾海域的填海造地过
程进行动态监测,所选的 3 期遥感影像均在植物生
长季.
参照研究区 1 颐 10 万地形图,选择控制点,对
1995 年 TM影像进行几何精校正,然后将其他两期
影像配准到校正后的 1995 年 TM影像,纠正后的几
何误差(RNS)控制在 1 个像素之内.
为消除大气、太阳高度角、视角和地形等对地面
光谱反射信号的影响,本研究采用最暗像元减法[24]
分别对 TM 2、3、4、5 波段进行大气辐射校正,以消
除大气干扰的影响,保证海岸变化监测的精度.
1郾 3摇 研究方法
1郾 3郾 1 水体光谱信息摇 水体对入射能量(太阳光)具
有强烈的吸收性,所以在大部分遥感传感器的波长
范围内,总体呈现较弱的反射特性,并且反射特性随
着波长的增加而进一步减弱. 水体在近红外及随后
的中红外波段范围内(740 ~ 2500 nm)具有强吸收
性,使清澈水体在该波段范围内几乎无反射,因此,
该波长范围常被用来研究水陆分界、圈定水体范
围[19] .
根据地物光谱曲线的反射特征,水体的光谱反
射值从蓝光波段(TM1,450 nm附近)到短波红外波
段(TM7,2500 nm 附近)递减,到了短波红外波段
处,水体几乎无反射;植被和土壤的光谱反射值从红
光波段 ( TM3,670 nm 附近)到短波中红外波段
(TM5,170 nm 附近)整体表现为上升趋势,到 TM5
波段时已远远大于水体的光谱反射值[25] . 因此,清
澈水体的遥感光谱信息反射率可表示为:蓝光>绿
光>红光>近红外>中红外[19] .
1郾 3郾 2 水体指数的构建摇 比值型指数的基本原理是
在多光谱波段内找出所要研究地类的最强反射波段
和最弱反射波段,将强者置于分子,弱者置于分母,
449 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
通过比值运算进一步扩大二者的差距,使感兴趣的
地物在所生成指数灰度图上得到最大的亮度增强,
而其他背景地物则普遍受到抑制,从而突出感兴趣
地物[11] .本研究分别选取单波段特征(TM4)、归一
化差异水体指数(NDWI)、改进的归一化差异水体
指数(MNDWI)、修订型归一化水体指数(RNDWI)
提取海域信息,结合阈值分割等相关技术,从遥感影
像中提取出海域的变化信息.
NDWI = (Green - Nir) / (Green + Nir) (1)
MNDWI = (Green - Mir) / (Green + Mir) (2)
RNDWI = (Mir - Red) / (Mir + Red) (3)
式中:Green 代表绿光波段;Red 代表红光波段;Nir
代表短波近红外波段;Mir 代表短波中红外波段.
Green、Red、Nir、Mir 在 Landsat TM 影像中分别代表
TM2、TM3、TM4、TM5.
1郾 3郾 3 海域面积的提取 摇 以 2006 年 Landsat TM 影
像为例,利用水体指数提取海域面积,具体步骤为:
首先,根据指数计算公式求出 2006 年遥感影像的各
指数分布图;其次,通过统计求算出海域在各指数图
中的分布范围;然后,根据光谱及图像灰度信息选取
适当的阈值对图像中海域信息进行提取,阈值的选
取以尽可能完整、准确地显示出水域信息、最大限度
地掩蔽非水域信息为原则.另外,影像中凸显的水域
信息并非全为海域,还包括内陆水域,如水库、内湖
和永久性的养殖池塘等,因此,在通过阈值分割提取
水体的基础上,还应进一步采用掩膜法[26]去除这些
干扰信息,获得海域面积.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 海域遥感信息提取与精度分析
利用 NDWI、MNDWI 和 RNDWI 3 种不同的水
体指数,分别获得研究区各时期的影像灰度图.本文
仅以 2006 年的遥感影像为例,对基于各指数的遥感
影像灰度图进行分析说明,并对各指数法的提取精
度进行比较.
摇 摇 由图 2 可以看出,与 TM4 单波段灰度图相比,
NDWI灰度图、MNDWI 灰度图和 RNDWI 灰度图均
对水体信息有一定程度的增强,尤以 MNDWI 灰度
图和 RNDWI 灰度图的效果最好;NDWI 灰度图经
NDWI波段运算后虽然水体信息被增强,但其背景
建筑物灰度值也部分呈正值,其 NDWI 均值可达
0郾 012,形成明显的噪音,其原因在于建筑物和水体
的光谱反射同样具有波段 2 均值明显高于波段 4 的
特点,因此建筑物的 NDWI亦会有一定的正值表现.
这一现象在 MNDWI 和 RNDWI 波段运算时可以得
到明显改善,建筑物信息几乎全部被抑制(图 2d、
e).这主要是因为建筑物在波段 5 的反射率骤增,且
均值明显大于波段 2 和波段 3 的均值,因此利用式
(2)和(3)生成的 MNDWI 和 RNDWI 图像可以明显
消除建筑物噪音. 同时,利用 MNDWI 和 RNDWI 指
数提取的影像还可以明显消除入海口浅滩、沙地等
的影响,突显出养殖用地的边界特征,以便准确提取
海域面积.
在 TM4 单波段灰度图、NDWI 灰度图、MNDWI
灰度图和 RNDWI 灰度图的基础上,选取适当的阈
值进行海域提取,得到基于 TM4 单波段的海域面积
图、基于 NDWI的海域面积图、基于 MNDWI 的海域
面积图和基于 RNDWI 的海域面积图,从中可明显
看出 MNDWI 和 RNDWI 指数法在海域提取时的优
势:一方面,可以消除部分水库、河流等内陆水体的
影响,另一方面,可以突出海岸附近海水养殖厂的边
界.而这些在利用单波段图像和 NDWI 指数提取水
体面积时均难以实现,甚至会将部分养殖水体误划
入海水范围内(图 2f、g). 依据图 2 的海域面积图,
利用 Mask掩膜法来消除部分内陆水体及养殖水体
对海域面积提取的影响,然后经统计求出各图像中
的海域面积(表 1).
为了检验各种指数法的水体面积提取精度,本
表 1摇 基于不同水体指数方法提取的研究区海域面积
Table 1摇 Sea areas of study area extracted on the basis of different water indices (km2)
水体指数
Water index
1988鄄10
海域面积
Sea area
(km2)
相对误差
Relative error
(% )
1995鄄09
海域面积
Sea area
(km2)
相对误差
Relative error
(% )
2006鄄10
海域面积
Sea area
(km2)
相对误差
Relative error
(% )
单波段法 Single band 338郾 45 1郾 0 329郾 22 0郾 8 317郾 35 1郾 6
NDWI指数法 NDWI index 338郾 78 0郾 8 329郾 06 0郾 8 316郾 03 1郾 3
MNDWI指数法 MNDWI index 334郾 18 -0郾 6 325郾 77 -0郾 2 313郾 18 0郾 3
RNDWI指数法 RNDWI index 334郾 72 -0郾 4 325郾 63 -0郾 3 311郾 55 -0郾 3
目视解译 Visual interpretation 336郾 04 326郾 57 312郾 41
5494 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李志刚等: 基于遥感分析的锦州湾海域填海造地变化摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 基于水体指数的锦州湾海域提取结果
Fig. 2摇 Extraction maps of sea area in Jinzhou Bay on the basis of water indices (2006).
a)RGB(TM5,4,2) 影像 RGB(TM5,4,2) image; b) TM4 单波段灰度图 TM4 grayscale; c) NDWI 灰度图 NDWI grayscale; d)MNDWI 灰度图
MNDWI grayscale; e)RNDWI灰度图 RNDWI grayscale; f)基于单波段(TM4)的海域面积图 Sea area map extracted from TM4; g)基于 NDWI的海
域面积图 Sea area map extracted from NDWI; h)基于 MNDWI的海域面积图 Sea area map extracted from MNDWI; i)基于 RNDWI的海域面积图
Sea area map extracted from RNDWI.
研究对水陆边界同时进行了人工目视解译,计算出
研究区的海域面积. 为了减少目视解译中人为因素
干扰,对各期影像图分别进行 3 次目视解释,然后对
解译值取平均,作为最后的真值(目视解译的结果
可能仍存在一定误差),分别计算其他提取方法的
相对误差[(测量值-真值) /真值伊100% ]. 由表 1
可以看出,利用 MNDWI和 RNDWI指数法提取的海
域面积较准确,而利用单波段法和 NDWI 指数法所
得结果在提取水体信息时,某种程度上受到背景地
物的干扰,存在较大误差.
2郾 2摇 填海造地进程分析
由以上分析可知,MNDWI 和 RNDWI 指数法在
提取水域面积时具有较高的精度,因此,本研究在利
用 MNDWI指数法获得各时期海域水体图像的基础
上,利用假彩色合成法检测海域的面积变化. 以
1988—2006 年海域水体变化的计算为例,将 2006
年的 MNDWI 影像赋予红色(R)和蓝色(B),1988
年的 MNDWI 影像赋予绿色(G),根据颜色相加原
理(图 3),在红绿变化检测法叠加后的图像中(图
4),白色代表 1988—2006 年未发生变化的海域,绿
色代 表海域消失部分(在图中用红圈标出),品红的
内边沿线是 2006 年的岸线位置,品红区域表示
1988 年影像图中滩涂大片裸露以及海岸附近泥沙
堆积的效果.同样的方法合成得到 1988—1995 年和
1995—2006 年的海域变化影像图(图 4).
由表 1 和图 4 可以看出,1988—2006 年研究区
649 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
图 3摇 色度图
Fig. 3摇 Chromatic chart.
海域面积共减少 23郾 63 km2,表明期间填海造地面
积达 23郾 63 km2,其中 1988—1995 年和 1995—2006
年间的填海造地分别为 9郾 46 和 14郾 16 km2 . 研究期
间,研究区减少的海域集中在锦州港、葫芦岛港以及
沿海工业区附近(图 4),这些区域在 1988 年都是天
然海域或浅滩等未开发用地,经填海造地和围海养
殖之后,2006 年成为码头、工业用地和养殖坑塘等.
2郾 3摇 基于高精度影像的填海造地需求分析
将 1988—2006 年的海域变化信息(图 4)提取
出来,叠加到 2008 年 ALOS 高分辨率(3 m)影像图
上,可更直观地反映出锦州湾 1988—2006 年间填海
造地后新增土地的利用情况(图 5).
在填海造地新增的 23郾 63 km2 土地中,有 12郾 38
km2 土地被用作开发区建设,作为吸引外资或该区
进一步发展的土地储备;锦州湾的两大港口(葫芦
岛港和锦州港)也进一步扩大,以锦州港最为明显,
1988—2006 年间,用作港口建设的填海造地面积达
3郾 47 km2;同时,5郾 48 km2 的填海造地面积被作为工
业用地,以北港工业区和葫芦岛锌厂用地向海域的
扩展最显著.
作为辽宁省“五点一线冶的重要建设区域和连
接京津唐经济区与东北工业区的枢纽,锦州湾沿海
城市经济持续高速发展,GDP 从 1989 年葫芦岛建
市的 39郾 2 亿元增至 2006 年的 331 亿元,工业化和
城市化水平不断提高,城市用地不断扩张,通过填海
图 4摇 研究区 1988—2006 年(a)、1988—1995 年(b)和 1995—2006 年(c)海域的变化
Fig. 4摇 Sea area changes in the period of 1988-2006 (a), 1988-1995 (b) and 1995-2006 (c) in the study area.
绿色代表海域消失部分(用红圈标出), 品红区域显示滩涂和泥沙 Green zone meant the sea area disappeared (marked in red ring), and magenta
zone meant intertidal area.
图 5摇 1988—2006 年锦州湾海域填海造地新增面积(紫色标出区域)(a)及其利用情况(b)
Fig. 5摇 Increased area (marked in purple area) by reclamation in Jinzhou Bay in 1988-2006 (a) and the land use type (b) of in鄄
creased area.
A:滨海浴场 Bathing beach; B:工业用地 Industrial land; C:码头建设 Ports; D:养殖用地 Maricultural land; E:开发区 Development zone.
7494 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李志刚等: 基于遥感分析的锦州湾海域填海造地变化摇 摇 摇 摇 摇
造地以满足不断扩展的城市和工业用地需求,已成
为沿海工业城市扩展的重要方式.同时,随着锦州湾
地域优势的不断提升,该区域的港口码头建设规模
不断扩大,也在很大程度上增加了该区域的填海造
地需求.
3摇 结摇 摇 论
利用多时相卫星遥感影像的变化检测技术可以
快速、有效地对海域空间变化进行及时、准确的动态
监测,可为海岸带及其海域的科学管理和合理开发
提供依据.本文通过水体指数法进行研究区海域面
积的提取,参照目视解译结果,对单波段法、NDWI
法、MNDWI法和 RNDWI法的海域面积提取精度进
行了比较分析,结果发现,MNDWI 法和 RNDWI 法
的精度较高.在此基础上,通过红绿变化检测技术,
对不同时期的填海造地面积进行了计算.
1988—2006 年间,锦州湾填海造地面积达
23郾 63 km2,其中 12郾 38 km2 被用作开发区建设(作
为该区进一步发展的土地储备),5郾 48 km2 被用作
研究区工业用地建设,3郾 47 km2 作为码头建设,
1郾 37 km2 用于海水养殖,0郾 93 km2 建为滨海浴场.
填海造地使锦州湾海域面积显著减少,势必会对该
区域的生态和海洋环境造成较大影响. 而锦州湾区
域又在辽宁省“五点一线冶发展规划和环渤海经济
圈的发展中具有重要的战略意义,因此,针对该区域
海域变化可能造成的生态和环境影响,开展长期定
位监测和评价,为该区域的可持续发展提供理论指
导和科学依据.
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作者简介摇 李志刚,男,1986 年生,硕士研究生.主要从事城
市化过程及其环境效应研究. E鄄mail: zhigangli86@ sina. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
9494 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李志刚等: 基于遥感分析的锦州湾海域填海造地变化摇 摇 摇 摇 摇