1987–2017年海南島海岸線數據集
| 1987–2017年海南島海岸線數據集 作者：畢京鵬 張麗 宋茜茜 隋燕 溫禮 2019年5月6日 |
 畢京鵬, 張麗, 宋茜茜, 等. 1987–2017年海南島海岸線數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019, 4(2). (2019-01-03). DOI: 10.11922/csdata.2018.0066.zh. |
摘要&關鍵詞
[編輯]摘要：利用1987年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2017年共8期40景覆蓋海南島全境的Landsat TM/OLI數據，結合野外調研資料，建立6種海岸線解譯標誌和提取規則。運用ENVI 5.2和ArcGIS 10.1軟件，通過目視解譯與判讀，採用數字矢量化方法獲取海岸線的分布與類型信息，經過精細的修改與驗證工作，得到海岸線分布和類型數據集。本數據集可用於海岸線時空變化分析、岸線利用程度與陸海格局演變特徵等研究，能夠清晰地反映時間序列數據支持下的海南島海岸線環境變遷特徵。
關鍵詞：海南島；海岸線；海岸線位置分布；海岸線類型；生態環境
Abstract & Keywords
[編輯]Abstract: Six types of coastlines interpretation indicators and position extraction rules were established based on a combination of the Landsat TM/OLI data of 40 scenes (with a full coverage of Hainan Island) for eight periods during 1987 – 2017 and field measurement data. The position and types of coastlines are extracted by visual interpretation and digital vectorization, by using ENVI 5.2 and ArcGIS 10.1 software. Then the coastline dataset of Hainan Island was generated with verification and modification. The datasets can be used to analyze the temporal and spatial variation of the coastlines changes, study the characteristics of coastline exploitation and the evolution of land and sea pattern. The time-series coastline dataset could indicate the coastal environmental changes of Hainan Island.
Keywords: Hainan Island; coastlines; position of coastlines; type of coastlines; ecological environment
數據庫（集）基本信息簡介
[編輯]| 數據庫（集）名稱 | 1987–2017年海南島海岸線數據集 |
| 數據作者 | 畢京鵬，張麗，宋茜茜，隋燕，溫禮 |
| 數據通信作者 | 張麗（zhangli@radi.ac.cn ） |
| 數據時間範圍 | 1987–2017年 |
| 地理區域 | 海岸線數據集覆蓋範圍為海南島，包括海南島沿海12個市縣（海口市、澄邁縣、臨高縣、儋州市、昌江黎族自治縣、東方市、樂東黎族自治縣、三亞市、陵水黎族自治縣、萬寧市、瓊海市、文昌市）。 |
| 空間分辨率 | 30 m |
| 數據量 | 1.75 MB |
| 數據格式 | *.shp |
| 數據服務系統網址 | http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/669 |
| 基金項目 | 海南省重大科技計劃項目（ZDKJ2016021）；國家發展和改革委員會促進大數據發展重大工程（2016-999999-65-01-000696-01）。 |
| 數據庫（集）組成 | 本數據集主要包括海南島8期海岸線數據產品，這些數據保存為1個壓縮文件（1987–2017年海南島8期海岸線數據集.rar），每期海岸線數據單獨存貯在以年份命名的文件夾里，總數據量為1.75 MB。海岸線的類型和長度信息在數據表中分別以「類型」「Length」值字段記錄。 |
Dataset Profile
[編輯]| Title | Coastline dataset of Hainan Island during 1987–2017 |
| Data corresponding author | Zhang Li (zhangli@radi.ac.cn) |
| Data authors | Bi Jingpeng，Zhang Li，Song Xixi，Sui Yan, Wen Li |
| Time range | 1987 – 2017 |
| Geographical scope | The coastline dataset covers 12 coastal cities of Hainan Island, including Haikou, Chengmai, Lingao, Danzhou, Changjiang Li Autonomous County, Dongfang, Ledong Li Autonomous County, Sanya, Lingshui Li Autonomous County, Wanning, Qionghai, and Wenchang. |
| Spatial resolution | 30 m |
| Data volume | 1.75 MB |
| Data format | *.shp |
| Data service system | http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/669 |
| Sources of funding | Major Science and Technology Program of Hainan Province (ZDKJ2016021); Major Program for Big Data Development of the National Development and Reform Commission (2016-999999-65-01-000696-01). |
| Dataset composition | This dataset includes coastline data products for eight time periods in Hainan Island, stored as a compressed file named 「1987 – 2017 Hainan Island 8 coastline data sets.rar」 that consists of eight folders named by year. It has a total amount of 1.75M. The type and length of the coastlines are recorded in the "type", length" fields of the data table respectively. |
引 言
[編輯]海南島是「21世紀海上絲綢之路」的重要節點，海南自由貿易試驗區建設等國家政策的實施逐漸加快了海南島的建設與發展。海南島獨特的地理位置使得其擁有豐富的海岸線資源，海岸線的時序變遷監測對保護海岸帶的生物多樣性、合理開發岸線資源以及沿海生態環境的保護與可持續發展具有重要意義，同時能為政府部門加強海岸帶的資源監管和治理工作提供決策支持與依據，對沿海地區的經濟發展及海岸資源的管理和使用具有重要意義。本文以多時相遙感數據為基礎數據，結合實地調查記錄構建海岸線類型解譯標誌，利用遙感數字化方法得到1987–2017年共8期的海岸線數據產品，並提供數據共享服務。相關的研究成果作為海南省海岸帶生態環境監測等成果的一部分，反映海南島時序變遷歷史下的生態環境發展狀況。
1 數據採集和處理方法
[編輯]1.1 數據來源
[編輯]本海岸線產品數據集以美國地質勘探局（http://glovis.usgs.gov/）提供下载的海南岛1987年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2017年的30 m空間分辨率的多光譜影像Landsat TM/OLI為數據源，共獲取無雲和條帶影響的40景影像。為了從無雲層遮擋的遙感影像數據中準確提取海岸線信息產品，本文採用對應時相相鄰一年的遙感數據作為補充和替換，所用到的遙感影像信息如表1所示。根據成像時間對Landsat影像進行拼接，得到完整覆蓋海南島的1987–2017年共8期的遙感影像圖。
表1 海南島遙感影像數據列表
| 序號 | 成像日期 | 衛星 | 傳感器 | 軌道號 | |
| 1 | 1987時相 | 1987-09-10 | Landsat-5 | TM | 123-046 |
| 2 | 1987-09-10 | Landsat-5 | TM | 123-047 | |
| 3 | 1987-04-10 | Landsat-5 | TM | 124-046 | |
| 4 | 1987-12-06 | Landsat-5 | TM | 124-047 | |
| 5 | 1987-01-14 | Landsat-5 | TM | 125-047 | |
| 6 | 1990時相 | 1990-04-11 | Landsat-5 | TM | 123-046 |
| 7 | 1990-07-16 | Landsat-5 | TM | 123-047 | |
| 8 | 1991-10-30 | Landsat-5 | TM | 124-046 | |
| 9 | 1991-10-30 | Landsat-5 | TM | 124-047 | |
| 10 | 1991-09-19 | Landsat-5 | TM | 125-047 | |
| 11 | 1995時相 | 1995-08-31 | Landsat-5 | TM | 123-046 |
| 12 | 1995-08-31 | Landsat-5 | TM | 123-047 | |
| 13 | 1995-09-23 | Landsat-5 | TM | 124-046 | |
| 14 | 1995-09-23 | Landsat-5 | TM | 124-047 | |
| 15 | 1995-10-16 | Landsat-5 | TM | 125-047 | |
| 16 | 2000時相 | 2001-04-09 | Landsat-5 | TM | 123-046 |
| 17 | 2001-04-09 | Landsat-5 | TM | 123-047 | |
| 18 | 2000-11-07 | Landsat-5 | TM | 124-046 | |
| 19 | 2000-03-28 | Landsat-5 | TM | 124-047 | |
| 20 | 2000-07-25 | Landsat-5 | TM | 125-047 | |
| 21 | 2005時相 | 2005-04-20 | Landsat-5 | TM | 123-046 |
| 22 | 2005-04-20 | Landsat-5 | TM | 123-047 | |
| 23 | 2005-05-13 | Landsat-5 | TM | 124-046 | |
| 24 | 2005-07-16 | Landsat-5 | TM | 124-047 | |
| 25 | 2005-08-24 | Landsat-5 | TM | 125-047 | |
| 26 | 2010時相 | 2011-06-08 | Landsat-5 | TM | 123-046 |
| 27 | 2011-07-26 | Landsat-5 | TM | 123-047 | |
| 28 | 2010-03-24 | Landsat-5 | TM | 124-046 | |
| 29 | 2011-02-07 | Landsat-5 | TM | 124-047 | |
| 30 | 2011-07-08 | Landsat-5 | TM | 125-047 | |
| 31 | 2015時相 | 2015-04-16 | Landsat-8 | OLI | 123-046 |
| 32 | 2015-04-16 | Landsat-8 | OLI | 123-047 | |
| 33 | 2015-11-17 | Landsat-8 | OLI | 124-046 | |
| 34 | 2015-10-16 | Landsat-8 | OLI | 124-047 | |
| 35 | 2015-11-24 | Landsat-8 | OLI | 125-047 | |
| 36 | 2017時相 | 2017-04-21 | Landsat-8 | OLI | 123-046 |
| 37 | 2017-04-21 | Landsat-8 | OLI | 123-047 | |
| 38 | 2016-12-05 | Landsat-8 | OLI | 124-046 | |
| 39 | 2017-03-11 | Landsat-8 | OLI | 124-047 | |
| 40 | 2017-03-02 | Landsat-8 | OLI | 125-047 | |
1.2 數據處理方法
[編輯]不同類型的海岸線有不同的解譯和判讀方式，建立海岸線的界定和判讀方法是研究海岸線的重要方面。本數據集生產過程中根據海岸線所處的地理環境、海岸物質組成以及海岸開發狀況，同時考慮河口岸線的特殊性，確定海岸線的位置和類型，在遙感影像上依據地物的顏色、色調、紋理結構、陰影、形狀、斑塊形狀、位置等構建不同解譯判讀標誌[1][2]。
從海岸線類型上劃分為：自然岸線和人工岸線。其中自然岸線劃分為河口岸線、基岩岸線、砂質岸線、生物岸線、淤泥質岸線；人工岸線包括港口碼頭岸線和人工建築岸線等人為參與的海岸線，例如按照海岸線的用途可以細分為養殖圍堤岸線、鹽田圍堤岸線、農田圍堤岸線、建設圍堤岸線、港口碼頭岸線、交通圍堤岸線、護岸和海堤岸線、丁壩岸線等[3][4][5]。
結合海岸線在遙感影像上的光學、紋理、下墊面、地理位置等特徵形成的「色」「形」「位」解譯標誌，藉助遙感增強方法（如圖像融合、圖像拉伸、主成分變換等），在ArcGIS 10.1軟件中將Landsat TM/OLI影像按照最優的波段組合及圖像增強方式顯示，結合實地踏勘地點，建立海岸線的類型解譯標誌[6][7]（表2）。
表2 海岸線類型解譯標誌
| 海岸線一級類 | 海岸線二級類 | 圖像特點 | 空間分布與解譯標誌 |
| 自然岸線 | 河口岸線 | 圖片 | 河口岸線一般位於河流入海口處，是劃分河流和海洋的分界線。分布於寬度大於100 m的入海河流的河口處。 |
| 基岩岸線 | 圖片 | 基岩海岸因地質構造活動及波浪作用形成，由裸露、堅硬的岩石組成，地勢陡峭。常有突出的海岬，在海岬之間形成深入陸地的海灣，岬灣之間的海岸線綿延曲折，侵蝕和堆積交錯，一般侵蝕發生在岬角處，堆積發生在海灣內。 | |
| 砂質岸線 | 圖片 | 砂質岸線分布於基岩岬角之間開闊的海灣內，砂質海岸主要由細砂、粉砂和淤泥組成，海灘較寬，海岸線平直且長，沙壩、離岸壩等堆積地貌發育眾多，海岸普遍處於侵蝕後退狀態，如海南島的三亞灣、亞龍灣等。 | |
| 生物岸線 | 圖片 | 生物海岸是由造礁珊瑚和紅樹林等作用而在海岸帶發育而成的一種特殊海岸，生物岸線周圍長有茂盛的紅樹林群落，形成天然的紅樹林景觀地貌，能夠減弱水體流速，達到護岸的作用。海南島生物岸線多以紅樹林岸線為主，紅樹林生長在潮間帶上部。 | |
| 淤泥質岸線 | 圖片 | 淤泥質海岸分布於隱蔽的海灣內，海岸形態多為平緩的淤泥質海灘，由粉砂、黏土和植物腐殖質等堆積而成，多呈青灰色或青黑色，水動力條件較弱，一般有潮溝。 | |
| 人工岸線 | 圖片 （圖示為養殖圍塘岸線） | 人工岸線是指改變原有的自然狀態，完全由人工作用而成的海岸，分布於有港口、碼頭、魚塘、鹽田、防潮堤、防波堤、防潮閘、人工陸連島等建築物的地區。 |
海岸線可通過多種海水和陸地的交界線進行劃分，如低潮線、高潮線（平均高潮線、多年大潮高潮線等）、平均海平面與陸地交界線、瞬時水邊線、痕跡線或乾濕分界線等[8][9]作為海岸線的指示邊界線。在不同的國家和地區之間、不同的學科分支和不同的研究目之間又有各自的定義和使用方法[10]。我國相關規範和國內外學者研究多以多年平均大潮高潮線作為海岸線的界定標準[11][12][13][14][8]，同時受限於遙感影像資料以及潮汐洋流等影響，準確劃定海岸線有一定的困難，因此往往採用各種技術手段與方法提取指示海岸線的基礎上，通過海岸線類型構造解譯標誌、依數據源和地區進行潮位校正、海岸線特徵點修正和重新位置定位以及結合多種海岸線精度指標和標準評估後得到海岸線的理論準確位置。本文對覆蓋海南島的6種海岸線類型以遙感影像解譯的標誌為基礎，對其位置與類型判別標準進行了界定[6][7]（表3）。
表3 海南島海岸線類型位置界定標準
| 海岸線一級類 | 海岸線二級類 | 海岸線位置與類型界定標準 |
| 自然岸線 | 河口岸線 | 在TM 642（OLI 753）波段組合的假彩色影像上，以河流海域的水陸分界線、河口入海區域的管理線或河口突然展寬處的連線（河口的封口線）作為海岸線。河口岸線的提取可延伸至設有橋梁、道路、防潮閘建設的邊界處。 |
| 基岩岸線 | 在TM 432（OLI 543）波段組合的假彩色影像上，海岸線形狀不規則，多鋸齒狀，近岸的岩石呈灰暗色調，岸上植被呈紅色調。強侵蝕海岸沒有泥沙沉積，常遍布礁石、海蝕崖等地貌，弱侵蝕海岸有較寬的泥沙沉積。海岸線的位置界定在岩石等與海水的交界線處。 | |
| 砂質岸線 | 在TM 321（OLI 432）波段組合的真彩色影像上，海岸線表現得較為平滑，海水未到達的地區，沙灘乾燥，反射率高，呈現出亮白色條帶，海水淹沒區的沙灘反射率低，色調較暗。因此，明暗色調變化明顯處即為砂質岸線的位置。 | |
| 生物岸線 | 在TM 432（OLI 543）波段組合的假彩色影像上，紅樹林表現為紋理平滑且形狀不規則的深紅色塊狀，與陸地植被形成鮮明對比。因此海岸線應當劃分到其被潮水淹沒的上沿，此外被養殖塘、鹽場等人工設施侵占的，不再具有生物岸線屬性的地方，類型轉化為人工岸線。 | |
| 淤泥質岸線 | 已開發的淤泥質海岸常用於養殖，在影像上近海一側修築防浪堤壩，海岸線位置較穩定。自然淤泥質海岸的岸灘面積較大，靠陸地一側生長有耐鹽植物，在TM 432（OLI 543）波段組合的假彩色影像上呈暗紅色調，向陸一側植被與向海一側岸灘的分界線即為淤泥質岸線。 | |
| 人工岸線 | 在TM 321（OLI 432）波段組合的真彩色影像上，港口碼頭內部有許多工廠和居民區，建築物多為灰白色，且有清晰的條帶狀道路，碼頭外部形狀規則，海水不能淹沒其外緣線，因此建築物的外邊緣線即為人工岸線；防潮堤、防波堤等是修建於沿海灘涂、河流入海口處的堤壩，用以抵擋海水入侵和風暴潮，堤外是淤泥質灘涂，堤內可能是未開發的淤泥質灘涂或者吹填沙體，因此堤壩的外圍即為人工岸線所在處；養殖區和鹽田蒸發池呈深藍色調，鹽田結晶池呈亮白色調，養殖塘和鹽田的外邊緣線即為人工岸線；此外海南島特殊的人工島、圍填海工程建設，在形成一定的規模後，陸連島外邊緣拓展了海岸線的曲折度和利用長度，因此取其外邊緣作為人工岸線。 | |
在獲取海岸線的遙感影像解譯標誌和界定標準後，以2017年的Landsat OLI遙感影像數據為基礎，採用自動化方法獲取2017年的海岸線位置和類型信息，並通過精度驗證、位置糾正、類型糾正等處理後，得到精確的2017年的海岸線數據（圖1）。以2017年的海岸線數據為本底數據，疊加其餘時相的遙感影像，通過目視解譯與判讀，採用數字矢量化方法修改獲取對應時相（1987年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年）的海岸線的位置與類型信息。
其中2017時相的海岸線提取方法如下：基於遙感和GIS相結合的技術，首先運用改進的歸一化差異水體指數MNDWI對預處理後的遙感影像進行海陸分割，設置全局閾值，實現圖像的二值化；其次對二值化影像進行灰度值填充來去除較小的噪聲點，在形態學處理的基礎上，利用MATLAB語言實現Canny算子對二值圖像的海岸線提取[7]；這樣得到的海岸線實際只是水邊線，最後根據海圖、地形圖和潮汐資料等數據對水邊線進行校正和修正處理，獲取海南島2017時相的海岸線數據。
圖1 海岸線產品精度驗證方法
2 數據樣本描述
[編輯]2.1 數據組成
[編輯]本數據集包括海南島1987–2017年共計8期海岸線位置分布及類型數據，這些數據保存為1個壓縮文件（「1987-2017年海南島8期海岸線數據集.rar」），每期數據單獨存貯在以年份命名的文件夾里，總數據量為1.75 MB。每個文件夾中單獨存貯對應的shp矢量數據文件，矢量數據採用WGS 84-UTM坐標投影系統。每個以年份為名字的文件夾中包含有2份數據，其中一份是包含位置信息、長度信息、類型信息等全部信息屬性，例如命名為「2010coastline_class.shp」的海岸線數據；另外一份是只包含位置信息、長度信息，例如命名為「2010coastline.shp」的海岸線數據，可供不同領域的研究需要。
2.2 數據樣本
[編輯]以2017年的海岸線的提取結果為基準，在ArcGIS軟件中固定顯示比例尺，通過1.2章節的海岸線類型解譯標誌和界定方法，獲取海南島1987年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年海岸線位置及類型信息。海南島海岸線的分布特徵如圖2所示。
圖片（a）
圖片（b）
圖片（c）
圖片（d）
圖片（e）
圖片（f）
圖片（g）
圖片（h）
圖2 1987–2017年海南島海岸線分布
3 數據質量控制和評估
[編輯]3.1 數據結果與精度驗證技術路線
[編輯]2017年海岸線數據產品採用自動化提取方法結合數字化解譯提取得到。通過藉助ArcGIS軟件中的DSAS（Digital Shoreline Analysis System，數字岸線分析系統）擴展插件，將提取結果與目視解譯提取結果進行定量比較分析，對海岸線位置出現錯誤偏差的地方進行修正。此外，在2018年開展海岸線野外環境調研（http://www.radi.cas.cn/dtxw/kjyw/201802/t20180201_4941129.html，中国科学院遥感与数字地球研究所，数字地球重点实验室），对2017时相海岸线数据进行海岸线类型验证（图1）。
其餘時相的海岸線（1987年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年）均以2017年海岸線為本底數據，結合目標時相的遙感影像，對海岸線的位置與類型信息進行修改完善得到[15][11]（圖2）。
3.2 數據結果驗證方法
[編輯]海岸線的類型解譯及驗證方法採用實地考察驗證，範圍主要包括海南島沿海岸線變遷重點區域，其中包括海口市（如東寨港紅樹林自然保護區）、儋州市（如海花島人工島建設）、三亞市（如大東海、小東海以及西玳瑁島珊瑚礁自然保護區）、文昌市（如會文區近海養殖區沿線）4個主要地區，海岸線類型的確定和歷史變遷狀況採用實地勘探採樣、與當地居民交談問詢、相關機構情報交流等方式獲取。
測量坐標點位採用手持GPS儀（型號為Trimble JUNO SB）確定點位信息，海岸線記錄表採用我國近海海洋綜合調查與評價專項（簡稱908專項）的《岸線測量登記表》[16]（表4）。
表4 海岸線測量記錄表
| 站號 | 經度 | 緯度 | 海岸線類型 | 定位時間 | 定位者 | 動態變化 | 備註 |
| 1 | 109°30′40″E | 18°31′01″N | 砂質岸線 | 20180118 | 畢京鵬 | 岸灘平坦海岸線平直 |
3.3 數據結果驗證精度
[編輯]選取2017時相文昌地區的自動化海岸線提取結果與真實海岸線的結果進行對比，通過DSAS基線法對海岸線位置誤差統計分析。通過設置約2000條有序斷面線，對比統計分析海岸線的位置偏差（圖3）。驗證結果表明，海岸線位置的絕對位置誤差在像元級別的緩衝區內浮動，實現了95%的區域的海岸線自動化高精度提取。最後針對誤差存在的複雜河口位置、淤泥質岸線處以及近海養殖區等，採用人工修正的方法，獲取海岸線的準確位置。
圖3 海岸線位置驗證方法
海南島環島野外實地調查共獲取82個點位的海岸線類型信息，共拍攝380張典型海岸線照片。通過野外調研，以沿岸紅樹林為代表的生物岸線、人工修築的人工岸線以及基岩岸線、砂質岸線等6類海岸線類型均得到了實地的考察驗證。
4 數據使用方法和建議
[編輯]1987–2017年海南島8期海岸線數據集均為shp格式，可利用ArcGIS等地理信息系統軟件對本數據集進行編輯、查詢、屬性顯示以及後續分析工作。在海南島海岸線研究方面，大多數學者選擇局部海岸線變化較大的地區進行典型性分析，而針對海南島全島的海岸線變遷研究較少，本文可作為海南島海岸線生態環境監測的基礎數據集，應用於海岸線時空分布特徵、陸海格局演變等研究。
致 謝
[編輯]項目組在開展野外觀測過程中得到了海南省相關行業部門和單位的支持和配合，在此一併表示衷心的感謝。感謝廖靜娟研究員、朱嵐巍副研究員在海岸線類型驗證工作中提供的方法建議；感謝楊昊翔、畢森等在遙感影像數據集下載、研究方法與技術路線討論等方面所做的工作和貢獻。
參考文獻
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數據引用格式
[編輯]畢京鵬, 張麗, 宋茜茜, 等. 1987–2017年海南島8期海岸線數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2019-01-03). DOI: 10.11922/sciencedb.669.
