研究所用数据分为潮汐数据和遥感数据,潮汐数据从海事服务网获取得到,海事服务网的网址为:https:∥www.cnss.com.cn/tide/。

遥感数据为Landsat TM/ETM+/OLI数据,数据均从地理空间数据云网站(http:∥www.gscloud.cn)下载获得,为Level1T地形矫正影像。空间分辨率为30 m,数据的云量小于5%,时间覆盖范围为1987—2017年,且影像成像时间为每年的10—11月份,时间间隔为6 a。

由于面向对象的分类方法克服了传统基于像元分类方法“椒盐效应”的缺点,并且能够充分利用空间信息(如:对象之间的空间位置关系、纹理结构等),因此数据预处理(辐射定标、大气校正以及研究区裁剪)完毕后,利用eCognition 9.0软件对影像进行多尺度分割以产生影像对象,采用面向对象的方法对影像进行分类,将遥感影像中的地物所对应的土地利用类型分为耕地、建设用地、草地、林地、裸潮滩、道路、裸地以及内陆水域。分类完毕后,利用updating和backdating方法对分类结果进行修正^[11],同时对裸潮滩上边界进行目视检查和人工修正^[12],最后对分类结果进行精度评价^[13],分类结果的总体精度大于84%,满足后续研究分析的精度要求。此时,土地利用类型中的裸潮滩的上边界即为本研究所要提取的潮滩湿地上边界。而裸潮滩的下边界只是卫星成像时刻的瞬时边界,并非本文所需的潮滩湿地下边界,因此需要进一步对潮滩湿地的下边界进行提取。

本文认为潮滩湿地下边界即为当年平均低潮位线^[14],因此下边界使用潮位校正的方法进行确定^[15]。如图1所示,⌒/(HF)为当年平均低潮位线,⌒/(EK)为水边线,⌒/(DM)为相邻水边线,线段NP为潮滩湿地上边界,线段AF,BE,CD分别为平均低潮位线、水边线以及相邻水边线对应的潮位高。由于研究区内的潮滩湿地面积较小,因此通过目视解译的方法确定水边线。本文需要计算平均低潮位线与水边线之间的距离,即线段AB的长度。计算公式如下:

L_AB=((L_BE-L_AF)×L_BC)/(L_CD-L_BE)

式中:L_AB,L_BE,L_AF,L_BC,L_CD分别为线段AB,BE,AF,BC,CD对应的长度。其中,水边线与相邻水边线之间的距离L_BC通过ArcGIS软件中的量测工具获得,通过查询潮汐表获得每1年前50名最低潮高,并将其求平均获得平均低潮位线对应的潮位高度L_AF,而水边线或瞬时水边线对应的潮位高L_BE,L_CD则通过实时水边线潮位高程计算公式^[14]获得。L_AB计算完毕后,通过ArcGIS中的Buffer工具生成缓冲区得到潮滩湿地的下边界。

图1 潮位校正模型[15]

通过ArcGIS软件中的叠加分析工具,对相邻时期的潮滩湿地的矢量数据以及土地利用变化数据进行叠加分析,得到导致胶州湾近30 a潮滩湿地发生变化的围填海信息。对围填海之后的各土地利用类型面积进行统计,得到围填海土地利用结构信息。

胶州湾及其周边地区近30 a来的土地利用变化情况见表1,土地利用类型的空间分布见图2,主要表现为:耕地面积不断减少,由1987年的36.63%减少到2017年的17.10%,面积总共减少了1 422.63 km²; 建设用地面积不断增加,由1987年的7.16%增加到2017年的19.84%,面积总共增加了924.49 km²; 道路面积不断增加,由1987年的0.04%增加到2017年的1.25%,面积总共增加了88.37 km²; 草地以及内陆水域的面积呈现“减少—增加—减少”的变化趋势; 林地面积呈现出“增加—减少—增加”的趋势; 裸地面积则呈现出“减少—增加”的趋势。由于裸潮滩为卫星成像时刻的潮滩,并非实际潮滩湿地,因此在此处不予讨论,将在下文进行讨论分析。

表1 研究区1987-2017年土地利用类型面积及占比

对潮滩湿地下边界校正完毕后,利用ArcGIS软件制作潮滩湿地的空间分布图(图3—4)、统计近30 a潮滩湿地的面积(图5)以及潮滩湿地上边界的平均推进速度(图6)。

图2 1987-2017年研究区土地利用类型的空间分布

1987年胶州湾的潮滩湿地面积最多,高达122.27 km²,该年的潮滩湿地分布广泛,集中分布于胶州湾的西岸、北岸以及唐岛湾沿岸; 1993年与1999年的潮滩湿地面积分别为104.03,102.73 km²,这两年的潮滩湿地空间分布范围大致相同,集中分布于胶州湾的北岸以及唐岛湾沿岸,有少量的潮滩湿地分布于胶州湾西岸; 2005年与2011年的潮滩湿地面积分别为94.73,89.09 km²,主要集中分布于胶州湾北岸以及唐岛湾沿岸,而胶州湾西岸的分布范围变小; 2017年潮滩湿地面积最少,为85.31 km²,主要集中分布在胶州湾北岸以及唐岛湾沿岸。

潮滩湿地上边界在1987—2017年30 a间向胶州湾内部推进,且近30 a的平均推进速度呈现出“减慢—加快—减慢”的趋势,1987—1993年的平均推进速度最快,约为42 m/a,而该时间段的青岛墨水河入海口处以及前湾港处的推进速度最快,为120 m/a; 1993—1999年的平均推进速度约为15 m/a; 1999—2005年的平均推进速度约为25 m/a,该时间段的唐岛湾沿岸的推进速度最快,最快推进速度约为135 m/a; 2011—2017年的平均推进速度与2005—2011年相比有所减慢,平均推进速度分别为31,29 m/a。

图3 1987-2017年研究区潮滩湿地的空间分布

图4 典型年份潮滩湿地的空间分布

图5 潮滩面积统计

图6 潮滩上边界推进速度

根据胶州湾近30 a的土地利用类型以及潮滩湿地分布的矢量数据,通过ArcGIS软件对而二者进行叠加分析得到近30 a胶州湾地区潮滩湿地变化的主要原因。

如图7所示,围填海活动是胶州湾近30 a潮滩湿地变化的主要原因,胶州湾近30 a围填海面积呈现“减少—增加—减少”的趋势。1987—1999年的围填海面积逐年减少,由1987—1993年的围填海面积16.36 km²减少到1993—1999年的最小面积4.30 km²; 1999—2011年的围填海面积则逐年增加,在2005—2011年,面积达到最大,为19.32 km²; 2011—2017年,围填海面积则呈现减少趋势。

图7 1987-2017年两种形式围填海的空间分布

就两种围填海活动的空间分布而言,潮滩湿地向养殖池的转变在1987—2017年30 a间,集中分布于胶州湾北岸,少量分布在胶州湾西岸以及唐岛湾沿岸; 潮滩湿地向陆地的转变在近30 a间则集中分布于胶州湾东北岸、西岸的黄岛区以及唐岛湾沿岸。

从表2可以看出,围填海所形成的陆地的土地利用方式主要分为建设用地、草地、裸地以及内陆水域。1987—1993年主要的围填海土地利用方式为建设用地和内陆水域,二者占比分别为73%,25%,而草地和裸地的占比总共为2%; 1993—1999年建设用地、裸地以及草地成为主要的土地利用方式,占比分别为62%,25%,13%,在该时间段没有内陆水域; 1999—2005年,建设用地、内陆水域、裸地以及草地的占比分别为80%,13%,6%,1%; 2005—2011年,建设用地占比最大,高达79%,草地、裸地以及内陆水域的占比分别为5%,5%,11%; 2011—2017年,大部分围填海陆地转移到了建设用地和草地,转移比例分别为41%,51%,8%的围填海土地向裸地以及内陆水域发生转变。

1987—2011年的24 a间,建设用地在4种土地利用类型中占比最大,是胶州湾围填海活动主导的土地利用类型,内陆水域、裸地以及草地次之; 2011—2017年,草地占比最大,成为该时间段围填海活动主导的土地利用类型,建设用地占比则位于草地之后。

表2 围填海所形成陆地的土地利用结构%