海南资源环境遥感产品数据集专题 I 区论文(评审中) 版本 ZH2
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1987–2017年海南岛海岸线数据集
Coastline dataset of Hainan Island during 1987-2017
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: 2018 - 11 - 04
: 2018 - 11 - 23
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3967 59 0
摘要&关键词
摘要:利用1987、1990、1995、2000、2005、2010、2015、2017共计8期40景覆盖海南岛全境的Landsat TM//OLI数据,结合野外调研资料,建立6种海岸线解译标志和提取规则。运用ENVI 5.2和ArcGIS 10.1软件,通过目视解译与判读,采用数字矢量化方法获取海岸线的分布与类型信息,经过精细的修改与验证工作,得到海岸线分布和类型数据集。本数据集可用于海岸线时空变化分析、岸线利用程度与陆海格局演变特征等研究,能够清晰地反映时间序列数据支持下的海南岛海岸线环境变迁特征。
关键词:海南岛;海岸线;海岸线位置分布;海岸线类型信息;生态环境
Abstract & Keywords
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 type 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 after careful verification and modification. The datasets can be used to analyze the temporal and spatial variation of the coastlines historical changes in time series, or to study the characteristics of coastline exploitation and the evolution of land and sea pattern. The complete coastline dataset clearly shows the conditions of the coastal environmental changes on the coastline aspects of Hainan Island.
Keywords: Hainan Island; coastlines; position of coastlines; type of coastlines; ecological environment
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称19872017年海南岛8期海岸线数据集
数据作者毕京鹏,张丽,宋茜茜,隋燕,温礼
数据通信作者张丽(zhangli@radi.ac.cn )
数据时间范围1987–2017年
地理区域海岸线数据集覆盖范围为海南岛,包括海南岛沿海12个市县(海口市、澄迈县、临高县、儋州市、昌江黎族自治县、东方市、乐东黎族自治县、三亚市、陵水黎族自治县、万宁市、琼海市、文昌市)。
空间分辨率30 m
数据量1.62 MB
数据格式*.shp
数据服务系统网址http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/669
基金项目海南省重大科技计划项目(ZDKJ2016021),国家发展和改革委员会促进大数据发展重大工程(编号:2016-999999-65-01-000696-01)。
数据库(集)组成本数据集主要包括海南岛8期海岸线数据产品,这些数据保存为1个压缩文件(1987–2017年海南岛8期海岸线数据集.rar),每期海岸线数据单独存贮在以年份命名的文件夹里,总数据量为1.62 MB。海岸线的类型和长度信息在数据表中分别以“类型”“Length”值字段记录。
Dataset Profile
TitleCoastline dataset of Hainan Island during 1987-2017
Data corresponding authorZhang Li (zhangli@radi.ac.cn)
Data authorsBI Jingpeng,ZHANG Li,SONG Xixi,SUI Yan, WEN Li
Time range1987 – 2017
Geographical scopeThe 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 resolution30 m
Data volume1.62 MB
Data format*.shp
Data service systemhttp://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/669
Sources of fundingHainan Provincial Department of Science and Technology under Grant No. ZDKJ2016021; Major Project to Promote Development of Big Data from National Development and Reform Commission under Grant No. 2016-999999-65-01-000696-01.
Dataset compositionThis 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 1.62M. The type and length of the coastlines are recorded in the "type", length" fields of the data table respectively.
引 言
海南岛是“21世纪海上丝绸之路”的重要节点,海南自由贸易试验区建设等国家政策的实施逐渐加快了海南岛的建设与发展。海南岛独特的地理位置使得其拥有丰富的海岸线资源,海岸线的时序变迁监测对保护海岸带的生物多样性、合理开发岸线资源以及沿海生态环境的保护与可持续发展具有重要意义,同时能为政府部门加强海岸带的资源监管和治理工作提供决策支持与依据,对沿海地区的经济发展及海岸资源的管理和使用具有重要意义。本文以多时相遥感数据为基础数据,结合实地调查记录构建海岸线类型解译标志,利用遥感数字化方法得到1987–2017年共8期的海岸线数据产品,并提供数据共享服务。相关的研究成果作为海南省海岸带生态环境监测等成果的一部分,反映海南岛时序变迁历史下的生态环境发展状况。
1   数据采集和处理方法
1.1   数据来源
本海岸线产品数据集以美国地质勘探局(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分辨率的多光谱影像Landsat TM/OLI为数据源,共获取无云和条带影响的40景影像。为了从无云层遮挡的遥感影像数据中准确提取海岸线信息产品,本文采用对应时相相邻一年的遥感数据作为补充和替换,所用到的遥感影像信息如表1所示。根据成像时间对Landsat影像进行拼接,得到完整覆盖海南岛的1987–2017年共8期的遥感影像图。
表1   海南岛遥感影像数据列表
序号成像日期卫星传感器轨道号
11987时相1987-09-10Landsat-5TM123-046
21987-09-10Landsat-5TM123-047
31987-09-17Landsat-5TM124-046
41987-12-06Landsat-5TM124-047
51987-01-14Landsat-5TM125-047
61990时相1990-07-16Landsat-5TM123-046
71990-07-16Landsat-5TM123-047
81990-07-16Landsat-5TM124-046
91990-07-16Landsat-5TM124-047
101990-07-16Landsat-5TM125-047
111995时相1995-08-31Landsat-5TM123-046
121995-08-31Landsat-5TM123-047
131995-09-23Landsat-5TM124-046
141995-09-23Landsat-5TM124-047
151995-10-16Landsat-5TM125-047
162000时相2001-04-09Landsat-5TM123-046
172001-04-09Landsat-5TM123-047
182000-11-07Landsat-5TM124-046
192000-03-28Landsat-5TM124-047
202000-07-25Landsat-5TM125-047
212005时相2005-08-26Landsat-5TM123-046
222005-08-26Landsat-5TM123-047
232005-08-01Landsat-5TM124-046
242005-08-01Landsat-5TM124-047
252005-08-24Landsat-5TM125-047
262010时相2011-06-08Landsat-5TM123-046
272011-07-26Landsat-5TM123-047
282010-03-24Landsat-5TM124-046
292011-02-07Landsat-5TM124-047
302011-07-08Landsat-5TM125-047
312015时相2015-04-16Landsat-8OLI123-046
322015-04-16Landsat-8OLI123-047
332015-11-17Landsat-8OLI124-046
342015-10-16Landsat-8OLI124-047
352015-11-24Landsat-8OLI125-047
362017时相2017-04-21Landsat-8OLI123-046
372017-04-21Landsat-8OLI123-047
382016-12-05Landsat-8OLI124-046
392017-03-11Landsat-8OLI124-047
402017-03-02Landsat-8OLI125-047
1.2   数据处理方法
不同类型的海岸线有不同的解译和判读方式,建立海岸线的界定和判读方法是研究海岸线的重要方面。本数据集生产过程中根据海岸线所处的地理环境、海岸物质组成以及海岸开发状况,同时考虑河口岸线的特殊性,确定海岸线的位置和类型,在遥感影像上依据地物的颜色、色调、大小、形状、阴影、纹理结构、位置、斑块形状等构建不同解译判读标志[1-2]
从岸线类型上将海岸线划分为:自然岸线和人工岸线。其中自然岸线可划分为砂质岸线、基岩岸线、生物岸线、淤泥质岸线;人工岸线包括港口码头岸线和人工建筑岸线等人为参与的岸线,例如按照岸线的用途可以细分为养殖围堤岸线、盐田围堤岸线、农田围堤岸线、建设围堤岸线、港口码头岸线、交通围堤岸线、护岸和海堤岸线、丁坝岸线等[3,4,5 ]
结合海岸线在遥感影像上的光学、纹理、下垫面、地理位置等特征形成的“色”“形”“位”解译标志,借助遥感增强方法(诸如图像融合、图像拉伸、主成分变换等方法),在ArcGIS 10.1软件中将Landsat TM/OLI影像按照最优的波段组合及图像增强方式显示,结合实地踏勘地点,建立海岸线的类型解译标志[6-7](表2)。
表2   海岸线类型解译标志
海岸线一级类海岸线二级类图像特点空间分布与解译标志
自然岸线河口岸线河口岸线一般位于河流入海口处,是划分河流和海洋的分界线。分布于宽度大于100 m的入海河流的河口处。
基岩岸线基岩海岸因地质构造活动及波浪作用形成,由裸露、坚硬的岩石组成,地势陡峭。常有突出的海岬,在海岬之间形成深入陆地的海湾,岬湾之间的海岸线绵延曲折,侵蚀和堆积交错,一般侵蚀发生在岬角处,堆积发生在海湾内。
砂质岸线砂质岸线分布于基岩岬角之前开阔的海湾内,砂质海岸主要由细砂、粉砂和淤泥组成,海滩较宽,海岸线平直且长,沙坝、离岸坝等堆积地貌发育众多,海岸普遍处于侵蚀后退状态,如海南岛的三亚湾、亚龙湾等。
生物岸线生物海岸是由造礁珊瑚和红树林等作用而在海岸带发育而成的一种特殊海岸,生物岸线周围长有茂盛的红树林群落,形成天然的红树林景观地貌,能够减弱水体流速,达到护岸的作用。海南岛生物岸线多以红树林岸线为主,红树林生长在潮间带上部。
淤泥质岸线淤泥质海岸生长于隐蔽的海湾内,海岸形态多为平缓的淤泥质海滩,由粉砂、黏土和植物腐殖质等堆积而成,多呈青灰色或青黑色,水动力条件较弱,一般有潮沟。
人工岸线
(图示为养殖围塘岸线)
人工岸线是指改变原有的自然状态,完全由人工作用而成的海岸,分布于有港口、码头、鱼塘、盐田、防潮堤、防波堤、防潮闸等建筑物的地区。
海岸线可通过多种海水和陆地的交界线进行划分,如低潮线、高潮线(平均高潮线、多年大潮高潮线等)、平均海平面与陆地交界线、瞬时水边线、痕迹线或干湿分界线等[8-9]作为海岸线的指示边界线。在不同的国家和地区之间、不同的学科分支和不同的研究目之间又有各自的确定和使用方法[10]。我国相关规范和国内外学者研究多以多年平均大潮高潮线作为海岸线的界定标准[9,11,12,13,14 ],同时受限于遥感影像资料以及潮汐洋流等影响,准确划定海岸线有一定的困难,因此往往采用各种技术手段与方法提取指示岸线的基础上,通过岸线类型构造解译标志、依数据源和地区进行潮位校正、岸线特征点修正和重新位置定位以及结合多种海岸线精度指标和标准评估后得到海岸线的理论准确位置。本文对覆盖海南岛的6种海岸线类型以遥感影像解译的标志为基础,对其位置与类型判别标准进行了界定[6-7](表3)。
表3   海南岛海岸线类型位置界定标准
海岸线一级类海岸线二级类海岸线位置与类型界定标准
自然岸线河口岸线在影像上,以河流海域的水陆分界线、河口入海区域的管理线或河口突然展宽处的连线(河口的封口线)作为海岸线。河口岸线的提取可延伸至设有桥梁、道路、防潮闸建设的边界处。
基岩岸线在影像上,海岸线形状不规则,多锯齿状,近岸的岩石呈灰暗色调,岸上植被呈红色调。强侵蚀海岸没有泥沙沉积,常遍布礁石、海蚀崖等地貌,弱侵蚀海岸有较宽的泥沙沉积。海岸线的位置界定在岩石等与海水的交界线处。
砂质岸线在影像上,海岸线表现得较为平滑,海水未到达的地区,沙滩干燥,反射率高,呈现出亮白色条带,海水淹没区的沙滩反射率低,色调较暗。因此,明暗色调变化明显处即为砂质岸线的位置。
生物岸线在影像上,红树林表现为纹理平滑且形状不规则的深红色块状,与陆地植被形成鲜明对比。红树林内部分布有养殖区、农田和建筑物,因此红树林分布区与陆地建筑、养殖塘等的分界线即为生物岸线位置所在。
淤泥质岸线已开发的淤泥质海岸常用于养殖,在影像上近海一侧修筑防浪堤坝,海岸线位置较稳定。自然淤泥质海岸的岸滩面积较大,靠陆地一侧生长有耐盐植物,在影像上呈暗红色调,向陆一侧植被与向海一侧岸滩的分界线即为淤泥质岸线。
人工岸线在影像上,港口码头内部有许多工厂和居民区,建筑物多为灰白色,且有清晰的条带状道路,码头外部形状规则,海水不能淹没其外缘线,因此建筑物的外边缘线即为人工岸线;防潮堤、防波堤等是修建于沿海滩涂、河流入海口处的堤坝,用以抵挡海水入侵和风暴潮,堤外是淤泥质滩涂,堤内可能是未开发的淤泥质滩涂或者吹填沙体,因此堤坝的外围即为人工岸所在处;养殖区和盐田蒸发池呈深蓝色调,盐田结晶池呈亮白色调,养殖塘和盐田的外边缘线即为人工岸线。
在获取海岸线的遥感影像解译标志和界定标准后,以2017年的Landsat OLI遥感影像数据为基础,采用自动化方法获取2017年的海岸线位置和类型信息,并通过精度验证、位置纠正、类型纠正等处理后,得到精确的2017年的海岸线数据(图1)。以2017年的海岸线数据为本底数据,叠加其余时相的遥感影像,通过目视解译与判读,采用数字矢量化方法修改获取对应时相(1987、1990、1995、2000、2005、2010、2015年)的海岸线的位置与类型信息。


图1   海岸线产品精度验证方法
其中2017时相的海岸线提取方法如下:基于遥感和GIS相结合的技术,首先运用归一化水体指数MNDWI对预处理后的遥感影像进行海陆分割,设置全局阈值,实现图像的二值化;其次对二值化影像进行灰度值填充来去除较小的噪声点,在形态学处理的基础上,利用MATLAB语言实现Canny算子对二值图像的海岸线提取[6];这样得到的海岸线实际只是水边线,最后根据海图、地形图和潮汐资料等数据对水边线进行校正和修正处理,获取海南岛2017时相的海岸线数据。
2   数据样本描述
2.1   数据组成
本数据集包括海南岛1987–2017年共计8期海岸线位置分布及类型数据,这些数据保存为1个压缩文件(“1987-2017年海南岛8期海岸线数据集.rar”),每期数据单独存贮在以年份命名的文件夹里,总数据量为1.62 MB。每个文件夹中单独存贮对应的shp矢量数据文件,矢量数据采用与遥感影像一致的UTM-WGS 84坐标系统。
2.2   数据样本
以2017年的海岸线的提取结果为基准,在ArcGIS中固定显示比例尺,通过1.2章节的海岸线类型解译标志和界定方法,获取海南岛1987年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年和2015年海岸线位置及类型信息。海南岛海岸线的分布特征如图2所示。
















图2   1987–2017年海南岛海岸线分布
3   数据质量控制和评估
3.1   数据结果与精度验证技术路线
2017年海岸线数据产品采用自动化提取方法结合数字化解译提取得到。通过借助ArcGIS中的DSAS(Digital Shoreline Analysis System,数字岸线分析系统)扩展插件,将提取结果与目视解译提取结果进行定量比较分析,对岸线位置出现错误偏差的地方进行修正。此外,在2018年开展海岸线野外环境调研(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)。
其余时相的海岸线(1987、1990、1995、2000、2005、2010、2015年)均以2017年海岸线为本底数据,结合目标时相的遥感影像,对海岸线的位置与类型信息进行修改完善得到[14-15](图2)。
3.2   数据结果验证方法
海岸线的类型解译及验证方法采用实地考察验证,范围主要包括海南岛沿海岸线变迁重点区域,其中包括海口市(如东寨港红树林自然保护区)、儋州市(如海花岛人工岛建设)、三亚市(如大东海、小东海以及西玳瑁岛珊瑚礁自然保护区)、文昌市(如会文区近海养殖区沿线)4个主要地区,海岸线类型的确定和历史变迁状况采用实地勘探采样、与当地居民交谈问询、相关机构情报交流等方式获取。
测量坐标点位采用手持GPS仪(型号为Trimble JUNO SB)确定点位信息,岸线记录表采用我国近海海洋综合调查与评价专项(简称908专项)的《岸线测量登记表》[16](表4)。
表4   岸线测量记录表
站号经度纬度岸线类型定位时间定位者动态变化备注
1109°30′40″18°31′01″砂质岸线20180118毕京鹏岸滩平坦
海岸线平直
3.3   数据结果验证精度
选取2017时相文昌地区的自动化海岸线提取结果与真实海岸线的结果进行对比,通过DSAS基线法对海岸线位置误差统计分析。通过设置约2000条有序断面线,对比统计分析海岸线的位置偏差(图3)。验证结果表明,海岸线位置的绝对位置误差在像元级别的缓冲区内浮动,实现了95%的区域的海岸线自动化高精度提取。最后针对误差存在的复杂的河口位置、淤泥质岸线处以及近海养殖区等,采用人工修正的方法,获取海岸线的准确位置。


图3   海岸线位置验证方法
海南岛环岛野外实地调查共获取82个点位的岸线类型信息,共拍摄380张典型岸线照片。通过野外调研,以沿岸红树林为代表的生物质岸线、人工修筑的人工岸线以及基岩岸线、砂质岸线等6类海岸线类型均得到了实地的考察验证。
4   数据使用方法和建议
1987–2017年海南岛8期海岸线数据集均为shp格式,可利用ArcGIS等地理信息系统软件对本数据集进行编辑、查询、属性显示以及后续分析工作。在海南岛海岸线研究方面,大多数学者选择局部海岸线变化较大的地区进行典型性分析,而针对海南岛全岛的海岸线变迁研究较少,本文可作为海南岛海岸线生态环境监测的基础数据集,应用于海岸线时空分布特征、陆海格局演变等研究。
致 谢
项目组在开展野外观测过程中得到了海南省相关行业部门和单位的支持和配合,在此一并表示衷心的感谢。感谢廖静娟研究员、朱岚巍副研究员在海岸线类型验证工作中提供的方法建议;感谢杨昊翔、毕森等在遥感影像数据集下载、研究方法与技术路线讨论等方面所做的工作和贡献。
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数据引用格式
毕京鹏, 张丽, 宋茜茜, 等. 1987–2017年海南岛8期海岸线数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-11-04). DOI: 10.11922/sciencedb.669.
稿件与作者信息
论文引用格式
毕京鹏, 张丽, 宋茜茜, 等. 1987–2017年海南岛海岸线数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2018. (2018-11-22). DOI: 10.11922/csdata.2018.0066.zh.
毕京鹏
Bi Jingpeng
主要承担工作:Landsat TM/OLI影像数据采集、海岸线数据矢量化以及自动化提取算法研究等。
(1993—),男,山东莱芜人,硕士研究生,研究方向为遥感信息提取与应用(海岸线变化遥感监测)。
张丽
Zhang Li
主要承担工作:本数据集的生产和质量控制的整体技术流程设计。
zhangli@radi.ac.cn
(1975—),女,新疆伊犁人,研究员,研究方向为全球生态和海岸带遥感研究。
宋茜茜
Song Xixi
主要承担工作:海岸线数据集精度验证与评估,海岸线的实地验证与考察。
(1996—),女,新疆五家渠人,硕士研究生,研究方向为海岸带遥感应用研究。
隋燕
Sui Yan
主要承担工作:海岸线信息提取、精度验证与评估等。
(1993—),女,山东济宁人,硕士研究生,研究方向为海岸带开发、岸线变化等方面的研究。
温礼
Wen Li
主要承担工作:本数据集岸线类型的提取方案思路设计。
(1977—),男,山西古县人,高级工程师,研究方向为遥感技术在土地方面的应用研究。
出版历史
I区发布时间:2018年11月23日 ( 版本ZH2
II区出版时间:2019年5月6日 ( 版本ZH4
最近更新时间:2019年5月6日 ( 版本ZH5
翻译版出版时间:2019年5月6日 ( 版本EN2
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中国科学数据
csdata