文摘
沿海地区是经济活动的中心在世界上大多数发展中国家因此注定要改变。随着科技的进步,退化监测沿海地区利用遥感(RS)和地理信息系统(GIS)已成为科学研究的一个关键主题。RS是指的过程检测和监测区域的物理特性通过测量其反射和发射辐射距离(通常从卫星或飞机),而GIS是创建一个系统,管理,分析,和所有类型的地图数据。本文报告一个进化肯尼亚海岸线利用RS和GIS在过去的三十年里。文学在时间演化及其影响沿着这海岸线不多,因此设想,这项工作将激起更多的询盘到因素参与肯尼亚海岸景观形成。之前的报告显示,沿着这海岸线是通过实地调查研究工作。我们报告一个推进式海滩Mto Tamamba三角洲所显示的多光谱陆地卫星图像。海洋生态系统,河岸社区和旅游业面临的主要威胁。寻找建立水动力的影响和人类影响这种威胁的主要贡献者。本研究旨在检测海岸线变化使用多光谱从1990年至2021年的陆地卫星图像。 For this purpose, coastlines belonging to these years were drawn numerically with the aid of GIS and RS on ENVI 5.3 software. We utilized maximum likelihood algorithm to categorize the images, and employed a time series methodology on classified endmembers to infer the presence of erosion and accretion. Using the image subset technique, areas prone to erosion and accretion within the coastal datum were identified and cut. The patterns of spatiotemporal trend of these endmembers were effectively employed to corroborate these findings. Change in distribution of endmembers over the 31 years’ period was assessed using thematic change technique; an approach not previously applied in this study area. From the classified Mto Tamamba image, the pixel coverage area for each endmember was extracted. Validation using field campaign data gave an overall accuracy of 84% and kappa coefficient of 0.799. Taking into account that, the traditional methods of monitoring land degradation over a large area are time consuming and expensive; remote sensing data used in this study has offered alternatively cheap, consistent, reliable and retrievable data.
1。介绍
最重要的用途之一遥感在地球科学的检测海岸线形态的变化。潮汐波动、波浪和沿岸流为主要流程列出导致海岸线的变化(1]。这些过程不仅扮演着重要的角色在沉积物预算也修改导致进化的海岸线。海岸线可以被定义为动态陆地和海洋之间的界限(2]。海岸线的变化所带来的物理以及人为过程沿着海岸并拥有一个巨大的对环境的直接影响及其沿岸社区。海岸线变化的检测中扮演一个重要的角色在沿海管理、风险通知沿海结构的安装、沉积物预算和沿海形态动力学的建模3,4]。
气候变化、地壳运动、风和波政权形态影响因素海岸线的形状(5]。这些形态因素升级进化过程。根据实地考察活动,本研究确定了侵蚀泥沙的蒸汽和水动力影响海床的这种进化的关键要素。撤退和吸积率是由从海底沉积物的预算以及土地。由于水动力泥沙的供应过剩导致吸积而赤字使水消退到土地的机会。海岸侵蚀往往伴随着向岸衰退的海岸线和总是导致损失的土地面积6]因此,水生动物以及旅游业面临的环境威胁。(7,8]。
全世界的研究人员使用几种方法在评估沿海脆弱。这包括遥感、地理信息系统、动态评估工具和脆弱性指数等(9]。海岸线脆弱性的定义是海岸上的潜在自然灾害造成损坏(10,11]。全球气候变化增加了自然灾害的频率如风暴潮、海啸、飓风,破坏海岸线(12]。2004年12月的海啸和2011年的领主气旋都造成了大破坏的海岸线Puducherry泰米尔纳德邦,造成巨大的人力和经济损失(13]。破坏由上述灾难需要漏洞评估以识别造成威胁的因素。在全球范围内,最经常使用的方法研究的海岸侵蚀和吸积是遥感(RS)和地理信息系统(GIS)。例如,[6)利用RS和GIS管理在印度东南海岸侵蚀。(14)使用了六个遥感图像来确定中国珠江河口海岸线变化从1986年到2011年。15)采用各种各样的卫星图像,包括海量存储系统(MSS)中,TM、ETM +,以确定海岸线侵蚀。罗塞塔海角每年失去113.8在1984年和1991年之间(16]。此外,(17)表明,卫星数据可以用来评估海岸线保护的影响。(18)研究了长期在Poompuhar Cauvery三角洲海岸线振荡,Tharangambadi, Nagapattinam利用卫星照片,他们也身体上观察到这三个地方的帮助下参考支柱和比较的结果图像。(19)确定Aksehir海岸线变化和希伯湖泊土耳其西南部不同时期使用不同的遥感卫星图像的方法。(20.)利用遥感识别和评估热点海岸线的变化来确定海岸线变化的模式在土耳其黑海海岸。
肯尼亚海岸,像其他世界各地的海岸线,一直受到自然和人为海岸线侵蚀和吸积。许多研究工作在该地区海岸侵蚀是基于实地调查。(21]指出,人类的活动,如红树林剥削的边缘红树林(Shirazi-Funzi泻湖),使海岸线波电流,使腐蚀发生。事实上,(22]国家侵蚀相关不明智的农业实践,解决用地的间隙,疏浚海底和森林砍伐是普遍的肯尼亚海岸。因为失去肥沃的土壤通常是紧随其后的是粮食生产下降、海岸侵蚀是一个严重的问题。物理调查,当然,更昂贵的和时间要求,目前用于识别受灾地区。因此,本研究探讨了使用更容易接受和不太复杂的方法收集数据,和卫星遥感提供了一个有效的补救措施。研究工作由(23沿着海岸线)显示,马林迪湾接收高陆源沉积物负载达5.7×106吨·年−1。海岸侵蚀和沉积由河Sabaki影响不仅海滩还马林迪区域的珊瑚(24]。海岸侵蚀严重的沙滩等南北蒙巴萨和马林迪Mambrui区域,而在周边地区Mambrui村,快速吸积发生(KMFRI, 2003)。马林迪1976年之前正在经历失去的土地,但从1976年到目前为止,海滩在马林迪进积约500米(25]。海岸侵蚀也普遍在Kanamai沿着悬崖海滩,Shanzu, Ivwetine, Nyali, Likoni,黑色悬崖点,Tiwi (p . a [26])。
本研究的目的是使用卫星图像(陆地)跟踪肯尼亚海岸的演变。通过卫星遥感器有能力监测地表变化在不同的尺度和退化。卫星传感器的能力区分光谱特征的各种元素(水、土壤、植被)已经使人们有可能完成这项研究的目标。我们结合RS和GIS方法监测泥沙分布沿Mto Tamambaδ(从1990年到2021年),并提供基于时间序列数据的结论。本研究是出于明显的需要控制海岸侵蚀的威胁在肯尼亚沿海社区和整个世界。
2。材料和方法
2.1。研究区域的描述
我们研究了在肯尼亚沿海地带面临印度洋。肯尼亚沿海地区海岸线总长度超过480公里(政府间海洋学委员会,1994)。本研究确定了Mto Tamamba三角洲Marereni位置(肯尼亚北部海岸)沿着海岸线,是受影响最严重的地区。Mto Tamamba地区范围从约2045的2048和海岸线总长度约3.8公里。其北部边界塔纳河,Kanangoni乡西,Marereni乡南和东印度洋。Mto Tamamba位于Marereni位置Magarini北面Kilifi县。北面是许多许多盐制造业供应盐整个肯尼亚共和国。研究面积约12平方公里。当地人主要Mijikenda那些经济活动包括钓鱼、椰子农业、山羊饲养和贸易。沿着海岸的最主要特点的研究区域是红树林。图1沿海地图上显示的位置Tamamba区域。而图2显示选定的RGB陆地卫星数据Tamamba三角洲。沿海热带湿润气候,受季风影响的特点是两个截然不同的雨季。漫长的雨季是三月到五月间,正值东南季风而短的降雨,从10月到12月对应东北季风(27]。年平均降雨量沿海岸从每年500 - 900毫米不等北海岸在南海岸每年1500 - 1600毫米(环境署,1998)。均值之间的最小和最大温度在肯尼亚海岸山脉24°C和30°C。
2.2。遥感数据
达到本研究的目的,一些陆地卫星图像覆盖感兴趣的区域和时间感兴趣的下载https://earthexplorer.usgs.gov/。从陆地卫星TM、ETM +和奥利1990到2021。这些图像的基础上选择空间和光谱分辨率云层阈值低于5%投入的考虑。在这项研究中使用的图像传感器规格列在表中1。表2收购日期显示图像用于这项工作。值得注意的是,由于云层的挑战研究找不到许多图像。
2.3。卫星图像预处理
卫星传感器数据通常包含独特的辐射和几何错误,需要改正。由于不同的场景照明和查看几何、大气校正和传感器噪声、辐射校正是必需的。提到的每个条件变化取决于所使用的传感器收集的数据和数据收集时的条件。此外,数据校准需要作为预处理操作数字值转换为已知的(绝对)辐射或反射测量为了简化数据可比性。预处理的目的是改善图像数据通过抑制不受欢迎的失真,提高某些视觉属性,可用于后续处理(29日]。尽管许多传感器数据(例如MODIS)派上用场大气校正已经完成,一些传感器像陆地卫星TM / ETM +缺乏这一优势;因此要求大气校正。这个校正包括瑞利散射、吸收气体和气溶胶散射能见度渠道(480 nm、560 nm、660 nm)和近红外通道830海里(h . Quaidran 1998)。
FLAASH模块5.3软件的环境中基于MODTRAN 4辐射传输模型被用来转换美国landsat ETM +传感器表面反射(30.]。MODTRAN会改变数字数字(DN)到光辉。此外,它不仅DN转化为反射率也消除大气的影响。上述预处理过程是陆地卫星5号拍摄。提高兼容性的陆地卫星5号拍摄,7和8的可见光和近红外波段目标分辨率层堆叠和重新取样。
最后,图像reprojected确保下载的图片符合世界参考系统。这种增强兼容Arc-GIS映射。
3所示。图像分类
3.1。数据训练
最大似然算法要求图像数据之前必须由用户训练的分类。“种子”由分析师选择;从图像或从研究区域的基础概率最高的任务类。有效的培训必须首先确定研究区土地覆盖类型的数量因此,之前信息的研究区域是一个先决条件31日]。的挑战类可以解决分离测量类可分性的选择培训像素;可以使用Jeffries-Matusita (JM)的距离。正态分布类的JM分离性两类,定义在方程(1)。
在哪里α是Bhattacharyya距离。
Jij范围从0到2.0,Jij> 1.9意味着良好的类可分性,适度分离性范围是1.0≤Jij≥1.90 J和糟糕的可分性ij< 1.0。
5.3软件的环境主义者的预处理和地点利用加载的图像作为训练对每个土地覆盖类建立了网站。谷歌地球软件与最近的照片并排受灾地区被加载的意图识别可能在该研究领域的类的数量。与ROI技术领域覆盖每个endmember子集选择和保存在endmember收集库。培训护理是确保挑选是特定endmember的中心完成的。这期间可能误差分类的几率大幅下降。保存的endmembers ROI后来被用于分类。
3.2。图像的分类
数据检索从roi的行列式(“种子”)是良好的分类和映射等生态系统;自然,森林和湿地。地区各种endmembers往往roi与复杂的异构系统(32]。在这项研究中我们分类陆地卫星图像的像素作为红树林,裸露的土地,水,灌木,结算使用监督最大似然(多层陶瓷)技术。这些技术假设(1)一组连续的地面特征相关的调查可以分为离散类,和(2)这些类别可以使用卫星数据映射([31日])。研究地区的背景知识来自外部来源或现场监督分类所需的活动。屏蔽了研究区主要是为了避免多云的地区。
在这项研究中,我们采用了逐像素技术。图像分类和准确性评估后进行红树林,贫脊的土地,灌木、水、结算和分类样本比例相对于像素大小。感兴趣的区域(ROI)的光谱特征的个体endmembers被用来研究区域的遥感影像进行分类。5.3接口模块的环境高概率阈值为每个类是最好的输入。概率计算是通过改变输入值在0.1和1.0之间得到最好的结果。图中概述的过程3强调了总体步骤映射海岸线在这一研究领域的发展。
3.3。验证
场活动是在研究区进行的。我们使用的导航位置gcp加载GPS装置。使用GPS机,每个endmember的位置被站在中心的每个endmember x30大约30米区域。点选择的样本是一样5.3平台上加载和用于重新分类区基于新发现。通过比较最初分类和新分类,生成混淆矩阵。方程(2)显示精度评价公式
其中N是点的总数和NAANBBN……ZZendmembers正确分类(混淆矩阵的主对角线元素之和)。
4所示。结果与讨论
4.1。分类结果
遥感和GIS技术被用来跟踪改变沿着海岸线Kadzuyuni海滩(Mto Tamamba地区)在肯尼亚北部海岸。比较时段遥测遥感图像和援助和GIS显示颞沿海的环境变化(地区水土流失和吸积)从1990年到2021年。图4演示了一个组合的侵蚀和吸积的地方沿着Mto Tamamba区域。绝大多数的变化是自然发生的过程的结果本研究期间。研究结果显示,多数沿着海岸线Mto Tamamba三角洲前积。这是支持的事实,像素区域类的光秃秃的土地被推进作用在最初被endmember水。事实上,一些植被被观察到生长在发达地区。也观察到这样的进步已经逐渐发生在时间和空间。
地面真理运动在这个区域确认;这种威胁的贡献者是定期泛滥的海水进入土地(沿海海滩的一个共同特征),肯尼亚是不能幸免。每天、水动力波的形式扫描床和侵蚀的海洋沉积物在岸。当水回到海洋,它渐渐地,留下淤泥,导致吸积。留下的沉积物富含死微生物,促进红树林发芽。这个地区大多数定居点是临时结构由渔民迁移取决于可用性的鱼。因为几乎没有开发,红树林已经能够建立自己也提供强大的防线从而避免土地的损失。
4.2。主题变化在1990年和2021年之间
结果表明,有腐蚀和推进作用的整个时期研究区研究。在裸露的土地,总体呈上升趋势,表明前下游冲积土被如图5。
图像的红色部分描述增加裸地水周围Mto Tamamba内部。深绿色强调的地方,从光秃秃的土地转换为红树林在整个年,而橙色突出地区从水转换为红树林31年期间。地面真理操作完成确认桌面应用程序的整体精度84%和0.799 kappa系数如表所示3。
4.3。精度评估
使用GPS设备从实地考察收集的数据被用来重新分类的研究区域的意图验证最初获得的监督分类的结果。混淆矩阵给出了总体精度为84%,kappa系数0.799,如表所示4。总体精度公式5.3的环境中使用解释方程(2)。
4.4。1990年和2021年之间的变化检测统计数据
数据计算使用5.3软件的环境变化在两个时期(1990 - 2021)。产生的变化统计描述海岸线的运动通过时间的土地/外海地区现有的海岸线。根据表5,有一个1923像素的总数减少水体31年。在这些年中,红树林覆盖面积扩大了1562像素。endmembers光秃秃的土地和结算也注册一个增量的像素数量分别为1074人和68人。增加裸土地确认推进作用的原因在卫星。从这个观察我们得出这样的结论:裸地前积进海洋endmember水面积减少了像素计数。场活动完成确定,增加在这一地区红树林研究地区是由于泥沙侵蚀到下游Mto Tamamba(河)。泥沙提供了有利环境,建立植被。人生活在这个地区的经济活动主要是养鱼。这些渔民迁移经常在追求更好的渔场。人也被重新安置因该地区的海水淡化的努力。
4.5。时间演化的Endmembers
像素面积覆盖每个endmember策划与时间使用excel软件(图6)。endmembers光秃秃的土地和水表现出积极的和消极的线性回归,与R2R = 0.5914,2分别为= 0.7298。这表明有一个逐步减少像素的面积被水覆盖的身体随着时间的推移,由于这样的事实,它的一些最初的区域是由裸露的土地。
4.6。Endmembers的空间相关性
当标注在图使用Excel软件,统计endmembers水和裸地负相关,与R2= 0.5138,如图7在下面。Endmembers光秃秃的土地和红树林另一方面,R的正相关2= 0.468。我们从这种相关性情节得出光秃秃的陆地向海洋的增加导致减少像素最初被水占据的面积。土地的事实是推进式的海洋是一个迹象表明沉积物抗起球。植被和裸露的土地有良好的链接因为侵蚀土壤肥沃的冲积层,包含鼓励稀疏的增长和茂密的植被,如红树林(33]。应该注意的是,在这个地区,水推进到土地每天中午和下午6点之间。这水进步促进红树林幼苗到土地的分散。这水逐渐返回海洋从午夜留下沉积物。这些最终导致海岸线的进化。
4.7。讨论
肯尼亚海岸演变的研究利用遥感和GIS技术提供了现实的关于进化的状态信息。这是支持通过比较两组数据的结果如图8(分别为1990年和2021年)。结果揭示了一个土地前积地区,在海洋,表明使用主题的客观变化和时间序列技术监控和地图进化的海岸线是成功的。进一步的细节显示,endmembers红树林,灌木和一些定居点慢慢地爬行在新领域;表明进化的过程一直保证植被的生长和维持生命的生态系统。场活动证实了参与的侵蚀和水动力学的影响这种威胁的主要贡献者。陆海交界的变化由于自然和人类的影响显然已被描述在这个结果34]。事实上,侵蚀和水动力学的参与已经戏剧性的改变了肯尼亚海岸线的形状。结果的准确性从地面真理运动是84%。图显示一个扩张的海岸线主要向海洋。以最小的经济衰退的土地沿着海岸线。
图9显示图形的像素区域范围为研究区域中的每个endmember分别为1990人和2021人。它可以推导出图像素区域的水减少了31年期间接受调查。而像素区域的光秃秃的土地增加了。这是一个迹象表明土地占用区域最初被水覆盖像素。被侵蚀的主要原因的Mto Tamamba床和水动力效应。
不同程度的有效性,陆地卫星卫星以曾在过去和沿海近年来一系列应用程序,包括监测海岸线变化(3,14,15,34- - - - - -36]。尽管各种高分辨率的可用性意象,陆地卫星图像保持最基本的遥感监测数据变化,因为它的优势早些时候发射和免费的数据采集。在肯尼亚海岸中的应用产生积极的结果。
在肯尼亚海岸的气候是热带潮湿所以云层的挑战是显而易见的。这一挑战了许多研究者避免使用卫星数据。这个研究提供了,我们所知的第一个应用RS和GIS在肯尼亚监测海岸线。在这项研究中,海岸线变化是通过时间和空间可视化和分析一致。与提取endmember像素面积统计数据,为每个endmember已经建立时间序列的趋势。输出模式提供了一个强大的新的见解和沿海海岸线形态明显显示变化的过程不能很容易地通过实地调查。
地面真理运动建立了这种演变的主要原因是等的侵蚀Tamamba河床以及水动力影响海底;印度洋的另一个因素是每日衰退水(负哔叽),洪水土地随之死亡aqua微生物(37]。这些微生物分解为经济增长提供有利环境的植被(灌木和红树林)。结果的准确性从地面真理运动是84%。实地观察进一步证实地区红树林与侵蚀和吸积的影响较小。这是因为红树林自然是自我维持的,植树作为防御线水潮汐和人类活动。红树林提供商品和服务沿海生态系统的经济、生态和环境的重要性。这样的生态系统服务,防止侵蚀海岸线和农场(38]。侵蚀与森林砍伐,贫穷的农业实践和疏浚海底流行在肯尼亚海岸22]。因此,红树林提供更好和更便宜的比人造海岸保护工程建筑沿着海岸线。
气候变化最显著的影响之一是加速海平面上升。海平面每年上升1.3毫米的速度在印度沿海地区,根据(39]。海平面上升海岸肆虐,造成大量的侵蚀危害。水的深度,以及波底的深度,增加海平面上升。随着海浪到达海岸线,其强度增加,允许他们侵蚀和运输更多的沉淀物。因此,水位开始上升沿海岸。海啸、风暴潮、洪水都增强了海平面上升。这些影响不仅是有害的沿海生态系统(红树林、海龟将虫卵产在沙滩上),而且沿海建筑。分析的结果表明,肯尼亚海岸时间内经历了所有这些变化进行了研究。
海岸侵蚀对农业从而影响粮食生产产生负面影响。此外,海洋生态系统的滋生是干扰。旅游行业,在肯尼亚第二大外汇来源面临风险尽可能多的工作岗位消失由于缺乏空间结构安装的海滩酒店(40]。此外,外国投资者愿意投资在海岸海岸侵蚀的背景信息需要结构性投资做出正确的决定。本研究可以作为一个数据库时,当地政府和联邦政府对海岸带管理决策。
5。结论和建议
本研究的目的是确定颞海岸线变化肯尼亚沿海地区利用遥感和GIS。海岸侵蚀的范围和大小和吸积发生被用来确定优先领域,并建议适当的预防措施。肯尼亚海岸演变的研究利用遥感和GIS技术提供了洞察海岸侵蚀带来的问题和挑战。这表明,该方法可以成功地用于映射和监控沿海变化。结果的准确性从地面真理运动是84%。multi-spatial和时段遥测时间尺度变化可以通过使用RS和GIS使我们得出这样的结论:这种方法是一种强大的工具监测水土流失和演化的海岸线。
RS和GIS信息有沿海地区的规划具有重要意义。此外,这些技术的应用将帮助开发一个健壮的映射的项目和提供更清晰的侵蚀公共和私人实体的危险地区。其次,信息从这些调查结果可以通过开发人员在做出合理决定竖立沿海结构防止土地经济衰退的影响或国防红树林种植更多的树。第三,统计结果可以用来创建应用制图的风险领域,如地图的敏感和脆弱的地质灾害。根据目前的调查结果我们建议肯尼亚政府应该建立土地结构墙沿着海岸线后退。另外,应该种植更多的树木红树林沿着海岸线浪潮的影响降到最低。然而,应该注意的是,图像的高分辨率IKONOS,现货和Sentinel-2可能提供更好的选择这项工作通过展示变化在更多的细节。最后,未来的研究应该充分利用这一技术,将它纳入海岸线变化的研究。
数据可用性
可用的数据应当要求作者从社会中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢物理系内罗毕大学直接或间接地支持他的进步对其成功完成他的研究工作。作者承认内罗毕大学的奖学金。这项研究是由内罗毕大学的物理系硕士奖学金。