煙臺龍口至芝罘岸段海岸侵蝕遙感監(jiān)測研究*1

王建步，張 杰，周相君，許海蓬，田 震，張靖宇，馬 毅

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.山東科技大學，山東 青島 266590)

煙臺龍口至芝罘岸段海岸侵蝕遙感監(jiān)測研究*1

王建步1，張 杰1，周相君1，許海蓬2，田 震2，張靖宇1，馬 毅1

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.山東科技大學，山東 青島 266590)

選擇2013年國產(chǎn)ZY-3衛(wèi)星影像和2004年SPOT-5衛(wèi)星影像，開展龍口至芝罘岸段的海岸侵蝕遙感監(jiān)測，給出了9 a間該岸段海岸侵蝕的空間分布狀況，并從海岸侵蝕速率、海灘寬度侵蝕模數(shù)、土地損失面積和海岸侵蝕強度四個方面進行了海岸侵蝕災(zāi)害特征分析。結(jié)果表明：1)2004-2013年間龍口至芝罘海岸有9個岸段發(fā)生侵蝕，分別位于龍口東海旅游度假區(qū)、龍口東莊、蓬萊小皂村、套子灣西側(cè)和東側(cè)，發(fā)生侵蝕的岸段都屬于平直的砂質(zhì)岸線；2)9 a間，侵蝕岸段的平均侵蝕速率為2.2 m/a，平均海灘寬度侵蝕模數(shù)7.38%，因海岸侵蝕共損失土地面積91 879 m2；3)給出了基于侵蝕速率和侵蝕寬度模數(shù)的海岸侵蝕強度信息，其中基于侵蝕速率的侵蝕強度多數(shù)是中侵蝕和強侵蝕，龍口市東莊的海灘是嚴重侵蝕，基于侵蝕寬度模數(shù)的侵蝕強度多數(shù)是強侵蝕，蓬萊市小皂村的海灘是嚴重侵蝕。

海岸侵蝕；遙感監(jiān)測；龍口至芝罘岸段

海岸侵蝕是一種遍及全球海岸帶的嚴重災(zāi)害。海岸侵蝕會導致海灘退化、堤壩崩塌、浴場破壞，甚至影響公路、建筑和防護林。因此，海岸侵蝕監(jiān)測及其特征分析，對于沿岸生態(tài)保護和社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。目前，海岸侵蝕的調(diào)查手段主要包括現(xiàn)場實測和遙感提取，與現(xiàn)場實測相比，遙感具有快速、經(jīng)濟和高頻度觀測的優(yōu)勢，是目前海岸侵蝕監(jiān)測的重要技術(shù)手段。

目前，國內(nèi)外有較豐富的海岸侵蝕遙感監(jiān)測與研究成果：P.SheikMujabar等[1]應(yīng)用遙感和GIS手段對印度泰米爾納德邦南部海岸帶的侵蝕災(zāi)害進行監(jiān)測，對不同區(qū)域的海岸侵蝕及淤長進行了測量和分析，并引入海岸帶脆弱指數(shù)(CVI)來描述研究區(qū)內(nèi)的相對脆弱性；德克薩斯州A&M大學于1999-2005年監(jiān)測了德州海岸，監(jiān)測剖面顯示出受沖刷和嚴重侵蝕的短、長期海岸的形態(tài)變化，通過比較沙丘高度和海灘寬度分析受侵蝕的原因[2]；王玉廣等[3]利用不同時期海圖、遙感圖像和現(xiàn)場監(jiān)測資料，分析了遼東灣綏中沙質(zhì)海岸侵蝕的狀況，總結(jié)出該區(qū)域海岸蝕退的主要影響因素；王志一等[4]以廢黃河三角洲海岸為研究對象，利用遙感技術(shù)和野外實地調(diào)查對海岸岸線變遷及沖淤動態(tài)進行了研究，結(jié)果表明遙感技術(shù)在岸線變遷、侵蝕淤積監(jiān)測和預測方面具有優(yōu)勢；有關(guān)龍口至芝罘岸段的海岸侵蝕也很受關(guān)注，莊振業(yè)等[5]分析了環(huán)渤海遼冀津魯砂質(zhì)岸近幾十年遭受的侵蝕，其中龍口市1979-2010年海岸平均蝕退率達3 m/a；溫倩等[6]探討了影響海岸侵蝕的各種因素以及海岸侵蝕造成的嚴重后果，給出了龍口屺母島沙壩蝕退狀況；李兵等[7]分別提取龍口市欒家口岸段1979年和2010年的岸線數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示處于侵蝕狀態(tài)。上述研究給出了龍口市有關(guān)岸段海岸侵蝕的結(jié)論，但是沒有針對該岸段開展細致、全面的分析，且監(jiān)測的現(xiàn)勢性不強。

本研究選擇2013年國產(chǎn)ZY-3衛(wèi)星影像和2004年SPOT-5衛(wèi)星影像，開展龍口至煙臺岸段海岸侵蝕狀況監(jiān)測，并從海岸侵蝕速率、海岸侵蝕強度、海灘寬度侵蝕模數(shù)以及土地損失面積四個方面進行了海岸侵蝕災(zāi)害特征分析。研究成果可為提出海岸侵蝕災(zāi)害預測預警措施、制定科學的海岸保護與開發(fā)政策等提供支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東半島北部，北黃海和渤海交界處，煙臺龍口市與芝罘區(qū)之間(圖1)。整個岸段西起屺母角，東至芝罘島，岸線總長約168 km，沿岸蜿蜒曲折，港灣岬角交錯，沙嘴沙灘發(fā)育。該區(qū)域海岸發(fā)育在膠遼隆起帶，不斷遭受侵蝕和剝蝕作用，沿岸河流主要有黃水河、辛安河和大沽夾河等，潮汐類型屬于正規(guī)半日潮。

圖1 海岸侵蝕研究區(qū)域Fig.1 The coastal erosion study area

該區(qū)域歷史悠久，自古以來居民靠海為生，漁、鹽業(yè)基礎(chǔ)堅厚，20世紀80年代以后，煙臺成為地級市并獲批為我國首批沿海開放城市之一，帶動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。該區(qū)氣候宜人，分布有多處沙灘，景點眾多，是我國北方著名的旅游避暑和休閑度假勝地。然而，該區(qū)域海岸侵蝕十分嚴重，導致該岸段部分海濱浴場和漁港遭到嚴重破壞，并使得堤壩崩毀、沿岸工程受損，岸線以上的農(nóng)田和居民區(qū)受到威脅，海岸旅游環(huán)境遭到嚴重破壞。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)與處理

本研究以研究區(qū)2013年國產(chǎn)ZY-3和2004年SPOT-5共兩個時相的5景衛(wèi)星遙感影像為數(shù)據(jù)源(表1)：1)ZY-3衛(wèi)星是我國2012-01發(fā)射的第一顆民用高分辨率光學傳輸型測繪衛(wèi)星，可獲取立體全色影像、多光譜影像，其中多光譜影像空間分辨率為5.8 m，全色影像空間分辨率達到2.1 m；SPOT-5影像于2002-05發(fā)射，共設(shè)置5個波段，其多光譜影像空間分辨率為10 m，全色影像空間分辨率2.5 m。上述兩種衛(wèi)星影像波段參數(shù)如表2所示。

表1 ZY-3與SPOT-5衛(wèi)星遙感影像表Table 1 List of satellite remote sensing images ZY-3 and SPOT-5

表2 ZY-3與SPOT-5衛(wèi)星影像波段參數(shù)表(nm)Table 2 The band parameters of ZY-3 and SPOT-5 satellite images(nm)

為保證海岸線位置提取的準確性，對2期影像進行了幾何校正，其中，2景SPOT-5影像采用28個現(xiàn)場測量的亞米級精度控制點進行校正，并應(yīng)用18個獨立檢驗點驗證圖像定位精度，均優(yōu)于1個像元；考慮到2期影像提取岸線變化信息的需要，以2004年的SPOT-5校正影像為基準，采用二次多項式變換對ZY-3遙感影像進行配準，配準精度優(yōu)于1個像元。在研究區(qū)開展遙感影像分析時，兩種影像均采用近紅外、紅和綠波段組合的假彩色效果。

2.2 岸線提取方法

研究區(qū)位于山東半島北部，屬于基巖港灣海岸和平直的砂質(zhì)海岸，該區(qū)域海岸線分為兩類：自然岸線和人工岸線，其中自然岸線分為基巖岸線和砂質(zhì)岸線兩類；人工岸線分為人工堤壩岸線和養(yǎng)殖區(qū)岸線兩類。本研究參考孫偉富建立的不同類型海岸線遙感解譯標志[8]，分別給出龍口市至芝罘區(qū)岸段各類別岸線的遙感解譯標志。

1)基巖岸線

基巖岸線位于基巖海岸之上，形狀較曲折。基巖海岸有明顯的起伏狀態(tài)和巖石構(gòu)造，沿岸水深較大，在遙感影像上表現(xiàn)為水體顏色較深，近岸礁石呈灰白色，且亮度不均，紋理粗糙。海岸植被根據(jù)不同的長勢呈淺紅色或暗紅色，裸巖呈灰白色。在影像中，基巖岸線的位置應(yīng)在明顯的水陸分界線上。礁石、破波帶等位于岸線的向海一側(cè)；植被、裸巖和建筑物等應(yīng)位于岸線向陸一側(cè)(圖2)。

2)砂質(zhì)岸線

砂質(zhì)海岸一般較平直，海灘因大潮作用，常堆積成一條與岸平行的灘脊。灘脊的位置即為海岸線位置，一般在干燥的砂灘下限處，在影像上表現(xiàn)成一條痕跡線。海岸的干燥灘面光譜反射率較高，在影像上表現(xiàn)為白亮的區(qū)域，灘脊痕跡線處堆積有植物碎屑、雜物等，亮度較低，海水的光譜反射率較低，含水量較高的砂灘光譜反射率也較低，在影像上表現(xiàn)略暗。在遙感影像中，砂質(zhì)岸線的位置應(yīng)取在灘脊痕跡線上限處(圖3)。

圖2 基巖岸線Fig.2 Coastline with bedrock

圖3 砂質(zhì)岸線Fig.3 Coastline with sand

3)人工堤壩岸線

防潮堤、防波堤等建筑物在影像上一般亮度較高，呈白色，狹長延伸分布紋理平滑；幾何特征明顯，岸線平直；堤外為淤泥質(zhì)灘涂，顏色灰暗、比裸地略淡，或者為海水。海岸線位置確定在堤壩構(gòu)筑物的外緣。碼頭處凸堤在影像中多呈白色，明顯的細長條狀突出，此處的海岸線位置為碼頭外邊界，橫截寬度小于20 m 的凸堤處海岸線位置確定在凸堤根部與陸地相連的連線處(圖4)。

4)養(yǎng)殖區(qū)岸線

養(yǎng)殖區(qū)岸線位于基巖海岸或粉砂淤泥質(zhì)海岸上。養(yǎng)殖區(qū)布局規(guī)則，呈長條狀，空間集中分布，顏色近于海水；養(yǎng)殖池在干涸情況下，影像上表現(xiàn)很像裸地，呈灰色或灰白色；陸地植被根據(jù)疏密程度呈淺紅色至暗紅色；大潮高潮不能淹沒養(yǎng)殖區(qū)外邊緣，海岸線位置確定在養(yǎng)殖區(qū)的外邊緣上(圖5)。

圖4 人工堤壩岸線Fig.4 Coastline with artificial seawall

圖5 養(yǎng)殖區(qū)岸線Fig.5 Coastline with aquiculture areas

2.3 侵蝕特征分析方法

1)海岸侵蝕速率

海岸侵蝕最明顯的特征就是海岸線后退，岸線后退幅度是指一定時間內(nèi)岸線后退的距離，但是如果考慮到不同時間范圍內(nèi)岸線后退幅度不完全一致的特點，采用岸線后退速率來代替岸線后退幅度更合適，即海岸侵蝕速率[9]。計算公式為

S=BD/t

(1)

式中，S為岸線侵蝕速率，單位為m/a；BD為岸線后退幅度，單位為m；t為時間跨度，單位為a。

2)海灘寬度侵蝕模數(shù)

海灘寬度侵蝕模數(shù)為侵蝕后退寬度占海灘寬度的比例[11]，也是表達海岸侵蝕的一個有效參數(shù)。計算公式為

W=EC/C

(2)

式中，W為海灘寬度侵蝕模數(shù)，W∈[0,100%]；EC為海灘后退寬度，單位為m；C為海灘寬度，單位為m。

3)海岸侵蝕強度分級

海岸侵蝕強度分級應(yīng)用海岸侵蝕速率和海岸侵蝕寬度模數(shù)表達，其中基于海岸侵蝕速率的分級采用文獻[9]的標準，基于侵蝕寬度模數(shù)的分級采用文獻[10]的研究結(jié)果。這兩種分級方式是從不同的側(cè)面來描述海岸侵蝕的強度，其中海岸侵蝕速率是絕對的變化率，侵蝕寬度模數(shù)是相對變化率，因此本研究一并采用(表3)。

表3 砂質(zhì)岸線侵蝕強度分級Table 3 Grades of erosion intensity for the sandy coastline

4)土地損失面積

因海岸侵蝕導致岸線后退，從而造成海岸土地的喪失，而且土地的損失是海岸侵蝕損失最為顯著的部分。本研究應(yīng)用GIS工具，基于第一期遙感影像，在兩期的岸線范圍內(nèi)，提取海岸蝕退部分的土地損失面積。

3 結(jié)果與分析

基于2期海岸線提取結(jié)果，綜合分析給出了研究岸段內(nèi)海岸侵蝕的狀況(圖6)。總體來看，2004-2013年間龍口至芝罘岸段有多處發(fā)生侵蝕，共有9個岸段，自西向東依次編號1-9，其中1號岸段位于龍口東海旅游度假區(qū)的沙灘，2號岸段位于龍口市東莊的海灘，3-5號岸段位于蓬萊市小皂村的海灘，6-7號岸段位于套子灣西側(cè)，8-9號岸段位于套子灣東側(cè)，位于芝罘幸福村北側(cè)海灘。發(fā)生侵蝕的岸段都屬于平直的砂質(zhì)岸線，直接面向大海，易受潮汐和波浪的作用。

圖6 煙臺龍口至芝罘岸段海岸侵蝕分布圖Fig.6 Spatial distribution of the coastal erosion along the coastal segment between Longkou and Zhifu,Yantai

本研究對各侵蝕岸段計算了2004-2013年海岸侵蝕速率、海灘寬度侵蝕模數(shù)和土地損失面積，詳見表4。9 a間，侵蝕岸段的平均海岸侵蝕速率為2.2 m/a，平均海灘寬度侵蝕模數(shù)7.38%，因海岸侵蝕共損失土地面積91 879 m2。2號岸段海岸侵蝕速率最大，達到3.4 m/a，位于龍口市東莊的海灘，目前已威脅到沿海的防護林；3號岸段侵蝕寬度模數(shù)最大，達到10.48%，位于蓬萊市小皂村的海灘，該區(qū)域附近建有濱海公路，目前岸線距離公路約200 m，但也需引起重視；6號岸段土地損失面積最大，達到38 851 m2，位于套子灣西側(cè)河北村，緊鄰濱海公路，該岸段的侵蝕已經(jīng)影響到公路的安全。

本研究應(yīng)用海岸侵蝕速率和侵蝕寬度模數(shù)計算了各岸段的侵蝕強度。由表5所示侵蝕強度信息可知：基于海岸侵蝕速率的侵蝕強度多數(shù)是中侵蝕和強侵蝕，只有2號岸段是嚴重侵蝕，位于龍口市東莊的海灘；基于侵蝕寬度模數(shù)的侵蝕強度多數(shù)是強侵蝕，只有3號和4號岸段是嚴重侵蝕，位于蓬萊市小皂村的海灘。

表4 各侵蝕岸段的侵蝕參數(shù)Table 4 The erosion parameters of the eroded coastal segments

表5 各侵蝕岸段的侵蝕強度Table 5 The erosion intensities of the eroded coastal segments

4 結(jié) 語

本研究應(yīng)用2013年國產(chǎn)ZY-3衛(wèi)星和2004年SPOT-5衛(wèi)星的2期遙感影像，開展了龍口至芝罘岸段的海岸侵蝕監(jiān)測，給出了9 a間該岸段海岸侵蝕的空間分布狀況，并從海岸侵蝕速率、海灘寬度侵蝕模數(shù)、海岸侵蝕強度以及土地損失面積四個方面對海岸侵蝕災(zāi)害特征進行了分析，主要結(jié)論如下：

1)2004-2013年間龍口至芝罘海岸有9個岸段發(fā)生侵蝕，分別位于龍口東海旅游度假區(qū)、龍口東莊、蓬萊小皂村、套子灣西側(cè)和東側(cè)，發(fā)生侵蝕的岸段都屬于平直的砂質(zhì)岸線，直接面向大海，易受潮汐和波浪的作用。

2)9 a間，侵蝕海岸岸段的平均海岸侵蝕速率為2.2 m/a，平均海灘寬度侵蝕模數(shù)7.38%，因海岸侵蝕共損失土地面積91 879 m2。龍口市東莊海岸侵蝕速率最大，達到3.4 m/a，目前已威脅到沿海的防護林；蓬萊市小皂村海灘段侵蝕寬度模數(shù)最大，達到10.48%，由于區(qū)域附近建有濱海公路，因而需引起重視；套子灣西側(cè)河北村岸段土地損失面積最大，達到38 851 m2，緊鄰濱海公路，該岸段的侵蝕已經(jīng)影響到公路的安全。

3)給出了基于海岸侵蝕速率和侵蝕寬度模數(shù)的侵蝕強度信息?；诤０肚治g速率的侵蝕強度多數(shù)是中侵蝕和強侵蝕，龍口市東莊的海灘是嚴重侵蝕；基于侵蝕寬度模數(shù)的侵蝕強度多數(shù)是強侵蝕，蓬萊市小皂村的海灘是嚴重侵蝕。

龍口至芝罘沿岸分布有低山丘陵，在一定成像幾何條件下遙感影像在海岸線處有陰影存在，這會一定程度上影響岸線的提取精度，因此有必要開展遙感影像陰影去除技術(shù)研究。

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StudyonRemoteSensingMonitoringofErosionAlongtheCoastBetweenLongkouandZhifu,Yantai

WANGJian-bu1,ZHANGJie1,ZHOUXiang-jun1,XUHai-peng2,TIANZhen2,ZHANGJing-yu1,MAYi1

(1.TheFirstinstituteofoceanography,SOA,Qingdao 266061,China;2.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao 266590,China)

The ZY-3 remote sensing images made in China in 2013 and the SPOT-5 images in 2004 are selected for the study of the remote sensing monitoring of coastal erosion along the coastal segment between Longkou and Zhifu.The spatial distributions of the coastal erosion along this segment in the last 9 years are given,and the disaster features of the coastal erosion are discussed from the following four aspects: coastal erosion rate,beach width erosion modulus,land area loss and coastal erosion intensity.The results show that: 1) Nine segments along the coast between Longkou and Zhifu suffered from erosion from 2004 to 2013.All of them belong to a straight sandy coastline and are located respectively in the Longkou Donghai tourism resort,the Longkou Dongzhuang village,the Penglai Xiaozao village and the western and eastern sides of the Taozi Bay; 2) In period of nine years,the eroded coastal segments are 2.2m/a in the average erosion rate,7.38% in the average beach width erosion modulus and totally 91 879 m2in the land loss caused by the erosion; 3) The information about the coastal erosion intensities is given based on the erosion rate and the width erosion modulus.The erosion intensities based on the erosion rate belong to mostly a moderate erosion and a strong erosion,of which the Longkou Dongzhuang beach is a serious erosion,whereas those based on the erosion width modulus belong to mostly a strong erosion,of which the beach at Penglai Xiaozao village is a serious erosion.

coastal erosion； remote sensing monitoring； coastal segment between Longkou and Zhifu

2013-11-04

中歐國際合作龍計劃項目3期：Monitoring China's Coastal Zones and Adjacent Seas Under GlobalChange by Satellite Data (ID:10470)

王建步(1981-)，男，研究實習員，碩士，主要從事海島海岸帶遙感與應(yīng)用方面研究.E-mail：wangjianbu@fio.org.cn(王佳實 編輯)

TP79

A

1002-3682(2014)01-0051-09