羅斗沙島動態(tài)變化的遙感監(jiān)測

李曉敏，張 杰，馬 毅，李團(tuán)結(jié)

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.國家海洋局 南海工程勘察中心，廣東 廣州 510300）

0 引言

2010年3月1日，《中華人民共和國海島保護(hù)法》正式實(shí)施。《中華人民共和國海島保護(hù)法》規(guī)定：國家實(shí)行海島保護(hù)規(guī)劃制度，海島保護(hù)規(guī)劃是從事海島保護(hù)、利用活動的依據(jù)；全國海島保護(hù)規(guī)劃應(yīng)當(dāng)確定可利用的無居民海島；從事全國海島保護(hù)規(guī)劃確定的可利用無居民海島的開發(fā)利用活動，應(yīng)該遵守可利用無居民海島保護(hù)和利用規(guī)劃；開發(fā)利用可利用無居民海島，應(yīng)當(dāng)提交項(xiàng)目論證報(bào)告、開發(fā)利用具體方案等申請文件。

2010年4月12日，國家海洋局公布了首批176個(gè)可以開發(fā)利用的無居民海島名錄，涉及遼寧、山東、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西和海南8個(gè)省、自治區(qū)。海島開發(fā)主導(dǎo)用途涉及旅游娛樂、交通運(yùn)輸、工業(yè)、倉儲、漁業(yè)、農(nóng)林牧業(yè)、可再生能源、城鄉(xiāng)建設(shè)和公共服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域。廣東省可利用無居民海島有60個(gè)，羅斗沙島是其中之一，主導(dǎo)用途定為旅游娛樂用島。

羅斗沙島屬泥沙島，位于廣東省湛江市徐聞縣前山鎮(zhèn)東南海域。由于其附近的海沙是整個(gè)徐聞縣中質(zhì)量最好的，故這里的海沙被偷采的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，致使羅斗沙島正在一天天變小。多年來有關(guān)羅斗沙島的具體動態(tài)變化情況還未見過文獻(xiàn)報(bào)道。

遙感技術(shù)具有大面積、同步、對同一區(qū)域可重復(fù)進(jìn)行觀測等突出優(yōu)勢，可不依賴于海域和地表狀況進(jìn)行長期、靈活的調(diào)查。利用遙感技術(shù)能有效監(jiān)測泥沙島的動態(tài)變化過程，不同時(shí)相遙感影像的疊加可快速發(fā)現(xiàn)泥沙島的動態(tài)變化情況。王賦等［1］根據(jù)1997、2002和2003年3個(gè)不同時(shí)相的衛(wèi)星影像，利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測了長江口沖積沙島的沖淤變化。劉永學(xué)等［2］利用1973—2000年間9個(gè)時(shí)相的衛(wèi)片，疊合海圖，分析了江蘇東沙的動態(tài)變化。錢敏等［3］利用1994—2006年間10個(gè)時(shí)相的Landsat衛(wèi)星影像，研究了江蘇西太陽沙長時(shí)期的穩(wěn)定性及演變規(guī)律。馮永玖等［4］利用2001、2005和2008年3組Landsat ETM影像，研究了上海九段沙2001年來的岸線變遷過程與趨勢。

本文利用遙感技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，基于1973—2011年間12個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測羅斗沙島的分布位置、形狀和面積的變化，回答了近40a來羅斗沙島的動態(tài)變化情況，了解其動態(tài)變化趨勢，以期為羅斗沙島的海島保護(hù)與利用規(guī)劃的編制、海島開發(fā)利用具體方案的制定、海島生態(tài)保護(hù)措施的提出等提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而為羅斗沙島的生態(tài)保護(hù)和相關(guān)部門對其進(jìn)行海島管理提供服務(wù)資料。

1 研究區(qū)域概況

羅斗沙島位于雷州半島南部、瓊州海峽東北側(cè)，呈東北—西南向的長條形分布，東北寬，西南窄（圖1）。該島地勢平坦，東北高，西南低，最高海拔為3.6m［5］。受非法采沙者瘋狂盜沙等的影響，羅斗沙島的面積逐漸變小。位于該島西北部的羅斗沙燈塔是島上唯一的建筑物，為羅斗沙島的標(biāo)識物，燈塔在建時(shí)離岸邊有100多m［6］，而現(xiàn)今該燈塔已位于岸邊，靠海一側(cè)的塔基已被海水沖毀，燈塔變得岌岌可危（圖2）。

2 影像處理和信息提取

2.1 影像處理

本文 以 1973，1977，1987，1991，1995，2001，2004，2006，2008，2009，2010和2011年共12個(gè)時(shí)相的遙感影像為主要數(shù)據(jù)源（表1），輔以2008年的現(xiàn)場踏勘數(shù)據(jù)。其中，與現(xiàn)場踏勘時(shí)間相一致的2008年的遙感影像，除用于海島動態(tài)變化監(jiān)測外，還作為其它時(shí)相遙感影像的幾何校正參考，并用于檢驗(yàn)海島岸線的提取精度。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)列表Tab.1 List of remote sensing image

圖3 各時(shí)相不同波段組合的遙感影像圖Fig.3 Remote sensing images of different bands composition

由于羅斗沙島的位置、形狀等都是動態(tài)變化的，且島上沒有固定、明顯可利用的地物控制點(diǎn)，因此只能利用衛(wèi)星遙感影像的幾何連續(xù)性［2］，通過同景影像大陸部分的精確校正，實(shí)現(xiàn)對羅斗沙島的準(zhǔn)確定位。由于羅斗沙島海拔低、地勢平坦，因此僅對各時(shí)相影像進(jìn)行幾何精校正，未考慮地形的影響。首先根據(jù)現(xiàn)場踏勘測得的地面控制點(diǎn)對2008年的遙感影像進(jìn)行幾何精校正，然后以校正后的2008年遙感影像為地理參考，配準(zhǔn)1973，1977，1987，1991，1995，2001，2004，2006，2009，2010和2011年的遙感影像。以上年份的遙感影像都被重采樣成30m分辨率的影像，以確?；诓煌瑫r(shí)相遙感影像提取的羅斗沙島信息具有可比性。為了能更好地反映羅斗沙島的信息，對各時(shí)相的遙感影像進(jìn)行不同波段的組合和適當(dāng)?shù)挠跋裨鰪?qiáng)處理。經(jīng)過幾何精校正和影像增強(qiáng)處理后的各時(shí)相不同波段組合的遙感影像見圖3。

2.2 信息提取

對羅斗沙島動態(tài)變化情況的遙感監(jiān)測，首先要解決的關(guān)鍵問題是基于不同時(shí)相的遙感影像確定不同時(shí)期的海岸線位置。根據(jù)中國海洋災(zāi)害公報(bào)［7］和文獻(xiàn)資料［8］記錄，各時(shí)相遙感影像成像時(shí)，研究區(qū)沒有發(fā)生過風(fēng)暴潮，不存在增水漫過海岸線的可能，所以基于遙感影像提取出海岸線是可行的。但是，遙感影像上直接顯示的是衛(wèi)星成像時(shí)刻的瞬時(shí)水邊線，不是真正意義上的海岸線，實(shí)際海岸線需要做進(jìn)一步的分析才能獲得。不同類型的海岸線有不同的界定原則［9］，其遙感解譯標(biāo)志也不一樣［10］。羅斗沙島岸線類型為砂質(zhì)岸線，由于砂灘暴露在水上的時(shí)間長短而導(dǎo)致其含水量的不同，在遙感影像上表現(xiàn)為不同的灰度色階和彩色特征信息，在影像上砂灘色調(diào)突然變亮處可以被確定為海岸線的位置。以此為解譯標(biāo)志，用2008年12月8日成像的遙感影像提取了羅斗沙島的海岸線，將其與2008年10月7日現(xiàn)場踏勘實(shí)測的羅斗沙島岸線點(diǎn)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者對應(yīng)點(diǎn)位置吻合得很好，對應(yīng)點(diǎn)位置平均相差7m左右，最小不到2m，最大不超過20m（圖4）。對比結(jié)果表明：基于此解譯標(biāo)志，由遙感影像信息提取的海岸線是可靠的。利用此解譯標(biāo)志，在GIS平臺下，對1973，1977，1987，1991，1995，2001，2004，2006，2009，2010和2011年11個(gè)時(shí)相的遙感影像分別進(jìn)行目視解譯，提取不同時(shí)期的羅斗沙島海岸線信息（圖5）。

3 結(jié)果分析

基于1973—2011年間12個(gè)時(shí)相的遙感影像，通過綜合應(yīng)用遙感和GIS技術(shù)，對羅斗沙島的演變過程進(jìn)行了監(jiān)測，分析其動態(tài)變化情況。近40a來，羅斗沙島的位置、形狀和面積均發(fā)生了較大的變化（表2）。

1973—2011年，羅斗沙島的幾何中心位置由原來的20°21′05″N、110°34′04″E移至20°21′20″N、110°34′27″E，向東北方向移動了0.8km；岸線長度由16.68km縮短為7.50km，縮短了9.18km；東北—西南向的長度由7.44km縮短為3.26km，縮短了4.18km；該島面積由433.8hm2減小為144.0hm2，減小了289.8hm2，減小的海島面積是現(xiàn)存海島面積的2倍多；該島面積呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，但個(gè)別年份由于淤積作用面積有小幅增長（圖6）。

表2 羅斗沙島岸線長度和面積的統(tǒng)計(jì)Tab.2 Coastline length and area of Luodousha Island

圖6 羅斗沙島的面積變化圖Fig.6 Area changes of Luodousha Island

從圖5和圖6可以看出，羅斗沙島一直處于不斷變化過程中，該島總體上以侵蝕為主。從1973—2011年，羅斗沙島的東北和西南頭部均發(fā)生了嚴(yán)重侵蝕，東北頭部被侵蝕了215.4hm2，西南頭部被侵蝕了113.5hm2，被侵蝕的面積多達(dá)328.9hm2，是2011年該島總面積的2.28倍；該島淤積的范圍較小，主要分布在西南頭部偏北和島中部的東南側(cè)。

近40a來，羅斗沙島的動態(tài)變化可分為3個(gè)階段：第一階段（1987年以前），羅斗沙島為一個(gè)完整的島體；第二階段（1987—2001年），羅斗沙島被分為東北和西南兩部分；第三階段（2001年至今），羅斗沙島的西南部分消失，僅剩下東北部分（圖7）。不同時(shí)段羅斗沙島的具體變化情況如下：

圖7 羅斗沙島的動態(tài)變化圖Fig.7 Dynamic change of Luodousha Island

1987年以前，羅斗沙島為一個(gè)完整的島體。1973—1977年，羅斗沙島體的平面形態(tài)變化不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。1977—1987年，羅斗沙島體橫、縱向均發(fā)生了比較明顯的變化，橫向變化主要表現(xiàn)為島體東南—西北向的寬度愈來愈窄，1987年島體最窄處的寬度不到100m；縱向變化集中在島體的東北側(cè)頭部，該處發(fā)生了大范圍侵蝕，被侵蝕的面積達(dá)70hm2。

1987年和1991年的遙感影像及信息提取結(jié)果對比后可以發(fā)現(xiàn)：1991年羅斗沙島已經(jīng)從中部被斷開，分成東北和西南兩部分，但從影像上還能清楚看出其原來的形狀。同時(shí)，羅斗沙島的東北側(cè)頭部繼續(xù)發(fā)生較嚴(yán)重的侵蝕，被侵蝕的面積約36hm2，岸線后退約330m，岸線被侵蝕的速度每年達(dá)80多m。

1991—1995年，由于受波浪、水流的作用，羅斗沙島的西南部分呈牛軛狀分布，且面積略有增加；該島的東北部分北側(cè)頭部繼續(xù)發(fā)生侵蝕，被侵蝕的面積約15hm2，岸線后退120多m；該島的東南沿岸大范圍淤積，淤積面積達(dá)39hm2。

1995—2001年，羅斗沙島的西南部分僅剩1hm2；該島的東北部分西北側(cè)頭部繼續(xù)被侵蝕，被侵蝕的面積約23hm2，使岸線后退330多m；該島的東南沿岸也開始被大面積侵蝕；泥沙在該島的西南頭部淤積，淤積的面積約37hm2，導(dǎo)致羅斗沙島的東北—西南向的長度增加了860多m。

2001—2004年，羅斗沙島的西南部分消失；該島的東北部分以橫向侵蝕為主，羅斗沙島燈塔附近岸線后退了70多m，已緊接木麻黃海岸防護(hù)林的邊緣；該島的東南沿岸被侵蝕面積約27hm2，使岸線后退了100多m，這些泥沙在潮流、風(fēng)浪和沿岸流等作用下向島體的東北部運(yùn)移淤進(jìn)，淤積面積約為10hm2。

2004—2008年，羅斗沙島西北側(cè)燈塔附近的沙洲區(qū)由于受木麻黃的護(hù)岸作用，海岸基本穩(wěn)定；泥沙繼續(xù)在該島的東北頭部淤積，2006年淤積面積約10hm2，且在淤積沙和原沙之間形成1個(gè)深灣，深度達(dá)500多m，灣內(nèi)水體不斷侵蝕沿岸沙體，導(dǎo)致灣頂處的海岸蝕退，到2008年12月，灣頂處的西北—東南向的寬度不到80m；羅斗沙島的中段東南側(cè)又開始淤積，2006年淤積面積約為5hm2，2008年淤積面積增加到17hm2。

2009—2011年，羅斗沙島的基本形狀沒有發(fā)生明顯的變化，島體橫向處于穩(wěn)定狀態(tài)，縱向變化主要集中在島體的東北側(cè)頭部，岸線不斷向西南方向后退，2009—2010年岸線后退了160多m，2010—2011年岸線后退了280多m。

4 結(jié)論與討論

遙感技術(shù)具有對同一區(qū)域重復(fù)進(jìn)行觀測的獨(dú)特優(yōu)勢，是有效監(jiān)測泥沙島動態(tài)變化的主要手段。本文利用1973—2011年間的12個(gè)時(shí)相的遙感影像，分析了羅斗沙島近40a來的動態(tài)變化情況，得出如下結(jié)論：（1）羅斗沙島的位置、形狀和面積均發(fā)生了較大的變化，該島的幾何中心向東北方向移動了0.8km，岸線長度縮短了9.18km，東北—西南向的長度縮短了4.18km，該島面積減小了289.8hm2，減小的面積是現(xiàn)存面積的2倍多；（2）羅斗沙島一直處于不斷的變化過程中，總體上該島以被侵蝕為主，1973—2011年，羅斗沙島的東北和西南頭部均發(fā)生了嚴(yán)重侵蝕，侵蝕面積多達(dá)328.9hm2，是2011年該島總面積的2.28倍；該島淤積的范圍較小，主要分布在島的西南頭部偏北和中部東南側(cè)。（3）羅斗沙島的動態(tài)變化可分為3個(gè)階段：第一階段（1987年以前），羅斗沙島為一個(gè)完整的島體；第二階段（1987—2001年），羅斗沙島被分為東北和西南兩部分；第三階段（2001年至今），羅斗沙島的西南部分消失，僅剩下東北部分。

泥沙島的穩(wěn)定性取決于泥沙來源、水動力作用和海岸地形3大因素的動態(tài)平衡。羅斗沙島附近的海沙被偷采的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，該處海底經(jīng)過抽沙后，形成許多凹坑，海水漲、落潮時(shí)將島上的沙逐漸帶下海里填補(bǔ)凹坑，導(dǎo)致該島面積不斷變??；同時(shí)，羅斗沙島和柯家沙灣海岸線之間為外羅水道，其靠近羅斗沙島處存在大片淺灘，在淺灘和羅斗沙島之間，存在一個(gè)沖刷深槽，深槽近年來被嚴(yán)重沖刷。

本文使用的遙感數(shù)據(jù)是在不同時(shí)相成像的，潮汐會在一定程度上影響岸線信息提取的精度，導(dǎo)致提取結(jié)果與實(shí)際情況可能存在一定的偏差。此外，受收集資料的限制，本文未對羅斗沙島動態(tài)變化的原因進(jìn)行深入的分析。

致謝本文所用的Landsat影像從NASA網(wǎng)站免費(fèi)下載；所用的環(huán)境數(shù)據(jù)由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心免費(fèi)提供。

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