泉州灣海岸線變遷遙感監(jiān)測(cè)研究

賴國(guó)棣

(福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福州，350011)

泉州灣位于福建省境內(nèi)，北起惠安崇武半島，南至?xí)x江石獅市祥芝鎮(zhèn)，為晉江、洛陽江匯合入海的半封閉海灣。北接莆田湄洲灣，南鄰廈門圍頭灣，東瀕臺(tái)灣海峽。泉州灣生態(tài)環(huán)境優(yōu)良, 生物種類繁多。泉州灣沿岸的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)發(fā)達(dá), 環(huán)境保護(hù)同經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益突出。開展泉州灣岸線變遷監(jiān)測(cè), 對(duì)保護(hù)岸線資源, 加強(qiáng)海岸帶綜合管理, 協(xié)調(diào)人類與海岸帶的關(guān)系, 維護(hù)生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展具有重要意義。

海岸線是陸地與海洋的分界線，海岸線傳統(tǒng)的野外實(shí)地調(diào)查法人工花費(fèi)多、效率低、工作周期長(zhǎng)，而且獲取的數(shù)據(jù)不易統(tǒng)計(jì)。遙感監(jiān)測(cè)是基于“空對(duì)地”遙感影像數(shù)據(jù)和地學(xué)分析為基礎(chǔ)的綜合性應(yīng)用技術(shù)，其最大優(yōu)勢(shì)在于大范圍實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)獲取能力，在海岸線調(diào)查中具有顯而易見的優(yōu)勢(shì)*大連海事大學(xué),海岸線衛(wèi)星遙感提取方法研究,2007。收稿日期：2015-08-04作者簡(jiǎn)介：賴國(guó)棣(1981-)，男，測(cè)繪工程師、注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事3S技術(shù)在國(guó)土資源管理中的綜合研究與應(yīng)用。。與傳統(tǒng)方法相比，海岸線遙感監(jiān)測(cè)可以節(jié)省投入費(fèi)用，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了多種海岸線提取算法，開展了全國(guó)多地的海岸線遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究工作[1-6]。

1 遙感數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)源

筆者采用Landsat MSS/TM、SPOT5、WorldView-1等影像為主要數(shù)據(jù)源，經(jīng)過大氣校正、幾何校正、水邊線提取等圖像處理，結(jié)合GIS 軟件和實(shí)地踏勘驗(yàn)證，提取了泉州灣的海岸線, 應(yīng)用1988年、1998年、2011年3個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星遙感圖像，研究泉州灣海岸線23年的演化變遷(表1)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)遙感數(shù)據(jù)幾何精校正是海岸線提取研究的必要環(huán)節(jié),該研究采用ERDAS IMAGINE 2010軟件平臺(tái)，30 m分辨率衛(wèi)星影像以1∶50 000比例尺地形圖為基礎(chǔ)底圖，2.5 m和0.5 m分辨率衛(wèi)星影像以1∶10 000比例尺地形圖為基礎(chǔ)底圖，分別對(duì)3個(gè)時(shí)相的遙感圖像進(jìn)行了幾何糾正?？臻g參考系采用1980西安坐標(biāo)系和高斯-克呂格投影，影像的校正、配準(zhǔn)采用二次多項(xiàng)式變換，利用雙線性內(nèi)插法進(jìn)行重采樣。幾何校正誤差滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范[7]關(guān)于遙感影像幾何校正誤差的要求。

表1 3個(gè)時(shí)相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)參數(shù)

2 海岸線提取原理與方法

2.1 水邊線提取基本原理

水邊線是指衛(wèi)星過境時(shí)海水和陸地的分界線。根據(jù)陸地與水體具有不同的反射率特性，TM衛(wèi)星數(shù)據(jù)2.08～2.35 μm紅外波段(第7波段)圖像的直方圖呈雙峰，采用直方圖鞍部最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值作為閾值,對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，實(shí)現(xiàn)海陸分界。通過邊緣檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn) Roberts算子對(duì)圖像的提取效果優(yōu)于Sobel算子，筆者采用Roberts算子對(duì)2個(gè)時(shí)相的第7波段二值圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)處理，提取水邊線信息[8]。在ArcGIS軟件中以提取的水邊線圖為底圖，通過柵格矢量化得到水邊線矢量數(shù)據(jù)。而要從水邊線矢量數(shù)據(jù)中確定海岸線的位置，還需要考慮潮汐、岸線類型等因素。由于缺乏水文數(shù)據(jù)，采用中、高潮位衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為海岸線變遷宏觀研究目標(biāo)，因而忽略潮汐校正。

2.2 海岸線類型及解譯標(biāo)志

泉州灣海岸線大致可分為基巖海岸線、人工海岸線以及砂、泥質(zhì)海岸線。不同類型的海岸線有不同的特點(diǎn)，遙感解譯標(biāo)志也不同(圖1)。各類型海岸線影像特征如下。

(1)基巖海岸線：一般對(duì)應(yīng)著巖灘、礫石灘和沙灘，特殊地段可能形成特殊地貌景觀，具有一定的旅游開發(fā)價(jià)值。在高分辨率衛(wèi)星影像上呈現(xiàn)為地形起伏，紋理粗糙，主要分布于基巖岬角岸段、半島和島嶼。其海岸線曲折，為典型的鋸齒狀海蝕岸，分布于崇武鎮(zhèn)的玉前、前頭等地。

(2)砂質(zhì)海岸線：對(duì)應(yīng)著沙灘和過渡型砂礫質(zhì)岸灘，其開發(fā)利用主要與旅游開發(fā)有關(guān)，以及作為建筑用材。在真彩色高分辨率衛(wèi)星影像上呈灰黃、淺黃色色調(diào)，由海至陸地呈漸變色調(diào)，紋理平滑，分布于崇武灣、浮山—玉霞等地。

圖1 岸線類型遙感解譯標(biāo)志Fig.1 Shoreline types of remote sensing interpretation marksa—人工海岸線；b—基巖海岸線；c—砂質(zhì)海岸線；d—泥質(zhì)海岸線

(3)泥質(zhì)海岸線：對(duì)應(yīng)著泥質(zhì)灘或泥砂質(zhì)灘，海洋環(huán)境良好，營(yíng)養(yǎng)豐富，一般可成為重要的灘涂養(yǎng)殖區(qū)域。在影像上呈灰色、淺灰色色調(diào)，紋理平滑、細(xì)膩，主要分布于洛陽江、晉江等入海處。

(4)人工海岸線：對(duì)應(yīng)著各種海灘，為了生產(chǎn)、交通、護(hù)岸的需要，人工建成的不同規(guī)模、不同質(zhì)量的海岸工程分為單坡式和雙坡式，結(jié)構(gòu)上朝海面分為壘石和砌石等。影像呈規(guī)則線性，與海域界線明顯。

2.3 海岸線提取方法

海岸線變遷遙感監(jiān)測(cè)采用遙感技術(shù)，根據(jù)海岸帶地物光譜特征，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)衛(wèi)星遙感成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得海岸帶信息的技術(shù)方法。岸線信息的提取充分利用TM紅外波段對(duì)水陸界線敏感的特性，使用高潮位時(shí)相遙感數(shù)據(jù)成像，得到海陸界線圖像。然后，通過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件柵格轉(zhuǎn)矢量化后，結(jié)合人工目視解譯進(jìn)行修正，完成岸線遙感解譯。在技術(shù)方法上，利用多波段假彩色合成圖像，通過計(jì)算機(jī)圖像處理，自動(dòng)提取人工目視解譯修正的方式來完成。技術(shù)方法如下。

(1)水邊線提?。翰捎酶叱蔽粫r(shí)相的TM7波段(紅外波段)數(shù)據(jù)，進(jìn)行水體與陸地界線信息的自動(dòng)提取，然后通過柵格矢量化，形成大陸岸線的線狀數(shù)據(jù)圖層,高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)主要采用人工目視解譯提取。

(2)海岸類型解譯：主要靠地理相關(guān)分析以及人工目視解譯?；鶐r海岸和人工海岸由于受潮位影響較小，可以直接在遙感圖像上采用人工目視解譯方法獲取。淤泥質(zhì)海岸和砂質(zhì)海岸，結(jié)合海岸帶歷史調(diào)查數(shù)據(jù)，輔以遙感分析修正來完成解譯工作。

(3)人工解譯修正：在ArcGIS軟件平臺(tái)下，對(duì)照該地海岸線解譯標(biāo)志，通過機(jī)助遙感目視解譯方法，對(duì)原有的海岸帶數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。對(duì)開發(fā)利用程度較高的區(qū)域，則采用高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)為信息源，以提高地面分辨率。

(4)空間分析：將各時(shí)期海岸線進(jìn)行疊加比對(duì)分析，依時(shí)空變化，完成海岸線變遷研究，編制海岸線變遷遙感監(jiān)測(cè)研究圖件(圖2)。

圖2 各時(shí)相海岸線提取與遙感解譯流程Fig.2 Shoreline extraction and remote sensing interpretation process

3 海岸線總體變遷分析

通過上述技術(shù)方法提取泉州灣3個(gè)時(shí)相海岸線數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)地勘查驗(yàn)證，綜合分析得出泉州灣屬于潮流、徑流和波浪綜合作用下的山地海灣，總體處于淤積之中，岸線變遷主要受人為活動(dòng)影響，集中于灣內(nèi)西北岸，南、北岸則相對(duì)穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析表明，近23年來泉州灣海岸線總長(zhǎng)呈逐年增加(表2)，由1988年的156.38 km增至2011年的169.44 km，海岸線不斷向?yàn)硟?nèi)擴(kuò)展，主要表現(xiàn)為侵占沿海灘涂。1988～2011年陸域向海域擴(kuò)張，累計(jì)侵占灘涂面積達(dá)14.59 km2，從遙感影像分析灘涂變化可分為2個(gè)階段。

(1)第一階段為1988～1998年，海岸線及灘涂變遷主要為灘涂圍墾養(yǎng)殖魚蝦、扇貝,及填海造田種植糧食、蔬菜等。泥砂質(zhì)海岸線逐漸向人工海岸線轉(zhuǎn)變，主要分布于后渚港、陳埭鎮(zhèn)等地(圖3)。

表2 泉州灣海岸線變遷遙感解譯情況統(tǒng)計(jì)

圖3 晉江市陳埭—西濱一帶海岸線變遷影像圖Fig.3 Images of Jinjiang ChenDai Town and XiBin Town area shoreline changea—1988年TM影像；b—1998年TM影像；c—2011年WV影像；d—3個(gè)時(shí)相遙感解譯海岸線位置比對(duì)圖

(2)第二階段為1998～2011年，隨著泉州地區(qū)城市化進(jìn)程不斷深化和經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步快速發(fā)展，對(duì)土地需求不斷上升，圍海造陸、新建碼頭等工程使岸線向?yàn)硟?nèi)擴(kuò)展，泥砂質(zhì)岸線、基巖岸線向人工岸線轉(zhuǎn)變，主要分布于豐澤區(qū)東海(圖4)和石湖港區(qū)(圖5)等地的新城建設(shè)和碼頭建設(shè)。

圖4 豐澤區(qū)東海新城陸、海岸線變遷影像圖Fig.4 Images of FengZe east new city shoreline changea—1998年TM影像(30 m)；b—2011年WV影像(0.5 m)

圖5 石湖港海岸線變遷影像圖Fig.5 Images of ShiHu-port shoreline changea—1998年TM影像(30 m)；b—2011年SPOT5影像(2.5 m)

(3)石湖港至祥芝碼頭的岬控弧形砂質(zhì)海岸在岬角控制作用下，岸段固沙能力相對(duì)較強(qiáng)，但是由于沙源單一和岸灘的泥沙供給量減少，以及海洋動(dòng)力增強(qiáng)，導(dǎo)致了岸灘平衡剖面向岸或向海的移動(dòng)。

(4)泉州沿海大通道的建設(shè)較大地改變了后渚大橋至崇武半島段的海岸線，再加上沿海岸線的城鎮(zhèn)、村莊、碼頭及人工海岸占比例過半。人工護(hù)岸或建筑占據(jù)了大量海灘灘面，破壞了海灘結(jié)構(gòu)，對(duì)海灘的輸沙平衡造成很大影響。部分直立墻式的人工護(hù)岸，其下沒有堆石以破波消能，波浪來時(shí)遇到直立護(hù)岸，波能沒有得到及時(shí)耗散，在堤根產(chǎn)生強(qiáng)烈侵蝕，海灘沙被強(qiáng)烈沖刷、掏蝕，隨波浪帶走，致使灘面沉積物粗化，近岸海灘被侵蝕降低，護(hù)岸的根基易被侵蝕掏空，在波浪作用下破壞倒塌而造成岸線侵蝕。

4 結(jié)論

(1)基于3個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立泉州灣4個(gè)主要類型海岸線影像解譯標(biāo)志，采用自動(dòng)提取、遙感解譯與GIS空間分析相結(jié)合的技術(shù)方法，可以有效地對(duì)泉州灣的海岸線時(shí)空變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，研究分析該地海岸線變遷演化趨勢(shì)，闡述生態(tài)環(huán)境保護(hù)建議，有利于相關(guān)管理部門對(duì)沿海土地、水域及生態(tài)景觀做合理的布局與安排[9]。

(2)通過實(shí)地勘查驗(yàn)證，綜合分析研究23年(1988～2011年)來泉州灣海岸的變遷情況，研究表明泉州灣屬于潮流、徑流和波浪綜合作用下的山地海灣，岸線變遷主要受人為活動(dòng)影響，主要為圩垸養(yǎng)殖、填海造田、新城建設(shè)、港口碼頭建設(shè)和沿海公路建設(shè)等。岸線變遷最大的是泥質(zhì)海岸，砂質(zhì)和基巖海岸的變化較小，岸線變化主要集中于灣內(nèi)西北岸，南、北岸則相對(duì)穩(wěn)定。

(3)隨著泉州社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的加速，海岸帶發(fā)展與保護(hù)的矛盾日益凸顯，已經(jīng)出現(xiàn)了資源破壞和不合理利用等問題，主要有岸線資源和土地的無序開發(fā)、海濱景觀破壞、局部海域污染、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不當(dāng)引起的局部破壞性開發(fā)等問題；侵占濕地、規(guī)模化(工廠化)養(yǎng)殖、岸線退蝕等生態(tài)問題。必須以新的觀念重新審視泉州灣海岸線生態(tài)景觀這份寶貴的資源，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境與生態(tài)景觀的保護(hù)，從規(guī)劃設(shè)計(jì)入手，遵循科學(xué)規(guī)劃和合理利用的理念，適度有序開發(fā)海岸線資源，促進(jìn)泉州經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

本文承蒙張書煌教授級(jí)高級(jí)工程師的悉心指導(dǎo)、審閱，并提出寶貴修改意見，在此表示衷心感謝！參考文獻(xiàn)

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