基于潮位觀測的三亞灣海岸侵蝕遙感提取與分析

段依妮，滕駿華，蔡文博

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

基于潮位觀測的三亞灣海岸侵蝕遙感提取與分析

段依妮，滕駿華，蔡文博

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

摘要：為了研究20世紀90年代初期至今海南三亞灣的海岸侵蝕情況，基于潮位觀測數(shù)據(jù)，采用遙感與GIS技術(shù)，提取了三亞灣1991、2013年兩個時期的水邊線位置變化信息，用于反映該時期海岸線的相對位置變化關(guān)系，完成海岸侵蝕信息提取。綜合利用多種遙感指數(shù)、高分辨率遙感影像、人類活動記錄等多源信息，對海岸侵蝕的原因進行了詳細分析。理論分析結(jié)果表明：根據(jù)潮汐與農(nóng)歷日期的對應關(guān)系，選擇農(nóng)歷日期最接近、成像時間差最小的遙感影像，能夠有效消除潮汐對水邊線位置的影響。實驗結(jié)果表明：三亞灣的砂質(zhì)海岸存在明顯的侵蝕現(xiàn)象，海岸西段最大后退距離達45—60 m，中段最大后退距離達60 m，東段最大后退距離達30 m。分析結(jié)果表明：三亞灣海岸侵蝕受人類活動和自然因素的共同影響，海岸工程的建設(shè)、近岸原生植被的破壞是海岸侵蝕的重要原因，后續(xù)應更加合理開發(fā)與利用海岸線資源。

關(guān)鍵詞：潮位觀測；三亞灣；海岸侵蝕；遙感監(jiān)測

1　　引言

海岸侵蝕是指由自然因素、人為因素或者兩種因素迭加而引起的海岸線位置后退或岸灘（包括海灘或潮灘）下蝕［1］。海岸侵蝕是一種災害性的海岸地質(zhì)現(xiàn)象，近年來呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢，常造成堤岸坍塌、村鎮(zhèn)后遷、海岸工程設(shè)施破壞，由此進行的海岸侵蝕管理花費了大量的專項投入，給沿海地區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展造成了極大危害［2-3］。

三亞位于海南島的最南端，是中國最南部的熱帶濱海旅游城市。然而，自20世紀80年代以來，隨著旅游資源的開發(fā)和城市建設(shè)的拓展，三亞灣的海岸侵蝕現(xiàn)象愈演愈烈，引起了學者們的廣泛關(guān)注［4］。

三亞灣海岸侵蝕的研究方法主要分為傳統(tǒng)的野外調(diào)查與遙感監(jiān)測兩類。在野外調(diào)查方面，黃少敏等通過現(xiàn)場調(diào)查、定位測量及地圖對比，對海南島砂質(zhì)海岸的侵蝕狀況及侵蝕原因進行了分析［5］。李喜海等野外調(diào)查了三亞灣的海岸侵蝕情況，并重點監(jiān)測了侵蝕現(xiàn)象較為突出的岸段［6］。在遙感監(jiān)測方面，高義、姚曉靜、包萌等先后以多期Landsat衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，分析了海南島近30—40 a間的海岸線長度和利用類型的時空變化［7-10］，但針對三亞灣的論述較少，并且沒有海岸線位置進退的定量研究。

與野外調(diào)查相比，遙感技術(shù)在海岸帶侵蝕研究方面具有長期、連續(xù)、大范圍監(jiān)測的優(yōu)勢，在海岸線提取、變化監(jiān)測等方面也取得了較多成果［11-13］，但仍存在下列問題：

第一，受潮汐等因素的影響，從遙感圖像上直接提取的衛(wèi)星過頂時刻的瞬時水邊線并不是理論意義上的海岸線［14］，解決這個問題的一種途徑是通過潮位校正獲得平均大潮高潮線［15］。張旭凱等在研究中詳細介紹了潮位校正的原理，但由于缺乏遙感影像獲取時刻的實時潮位觀測數(shù)據(jù)，計算得到的海岸線位置存在一定的誤差［16］；

第二，海岸侵蝕是一個相對緩慢的過程，三亞灣海岸侵蝕的年速率僅1—2 m/a，而0.1 m的潮位

為了克服遙感監(jiān)測的上述問題，本文與現(xiàn)有的潮位校正的研究思路不同，通過研究潮汐規(guī)律選擇合適的遙感影像，最大限度地消除不同時刻潮汐對水邊線位置的影響。通過水邊線位置的變化，獲取不同時期海岸線的相對位置變化關(guān)系。

本文首先基于三亞站潮位實時觀測數(shù)據(jù)，詳細分析了三亞灣的潮位規(guī)律，對遙感影像的成像時間進行了嚴格的篩選。在此基礎(chǔ)上，利用遙感與GIS技術(shù)對三亞灣的海岸侵蝕信息進行提取。最后，利用多種遙感指數(shù)、高分辨率遙感影像、人類活動記錄等多源信息，分析了部分岸段侵蝕嚴重的原因。

2　　三亞灣潮汐規(guī)律分析與影像選擇

2.1研究區(qū)潮汐規(guī)律分析

三亞灣位于三亞市中心區(qū)的南側(cè)，為岬灣砂壩潟湖海岸［17］。東起鹿回頭半島南端（18°11′20″N，109°28′58″E），西至馬嶺市東角嶺角（18°17′40″N，109°20′39″E），海灣呈對數(shù)螺旋形，灣口朝西南向敞開，海岸線長17.8km，三亞灣海域總面積約為68.6km2。

本區(qū)域的潮汐屬于以日潮為主的混合潮，半日潮天數(shù)每月平均為11 d。日潮時一天內(nèi)漲潮為16—17 h，落潮時極短，僅7—8 h。漲潮流為東南向，落潮流為西北向，自表層至底層均為落潮流流速大于漲潮流流速［18］。平均漲、落潮流速分別為11.2 cm/s和19.4 cm/s。此外，三亞灣還遵循潮汐的一般規(guī)律，潮汐時刻與農(nóng)歷日期對應，潮差與農(nóng)歷日期相關(guān)，在農(nóng)歷每月的初一、十五附近出現(xiàn)大潮，在農(nóng)歷每月初八、二十三附近出現(xiàn)小潮。

2.2遙感影像選擇

根據(jù)三亞灣的地理范圍，本研究收集了1980—2015年的美國陸地衛(wèi)星Landsat TM/ETM+/OLI影像共30景用于侵蝕信息提取。影像的成像質(zhì)量、云量分布均滿足要求，進一步的篩選條件如下：

（1）時間跨度大，有利于海岸線變化檢測；

（2）農(nóng)歷月份和日期相近，季節(jié)相近，使潮汐規(guī)律相同，并且有利于比較地物地貌；

（3）每月初八、二十三附近最佳，潮差比其他日期更小，引起的海岸線提取誤差進一步降低；

（4）由于相關(guān)部門2014年6月開始對三亞灣進行大規(guī)模的補沙，因此遙感影像的成像日期需在此之前。

經(jīng)過篩選，確定了成像時間為1991年、2013年，農(nóng)歷為相同月份、日期最接近、時間差最小的兩景遙感影像（以下簡稱1991年影像、2013年影像）。影像的成像參數(shù)如表1所示。

表1研究使用的遙感影像參數(shù)

此外，在侵蝕原因分析的過程中，本文還使用了與上述Landsat影像時相接近的QuickBird遙感影像。

2.3潮位觀測數(shù)據(jù)分析

三亞海洋觀測站建成于1994年，因此本研究無法獲取1991年的潮位數(shù)據(jù)。由于農(nóng)歷日期接近，通過統(tǒng)計2013年10月26日（農(nóng)歷九月二十二）的潮位數(shù)據(jù)，可反映兩景影像成像當天的潮汐規(guī)律（見圖1）。

圖1三亞站2013年10月26日24 h潮位數(shù)據(jù)

圖2 2013年10月26日潮位在38 min內(nèi)變化

由圖1可知，2013年影像獲取當天的潮汐為日潮。潮差變化很小，最大潮差僅為97 cm，符合農(nóng)歷九月二十二出現(xiàn)小潮的統(tǒng)計規(guī)律。上述規(guī)律同樣適用于1991年影像。

由于兩景影像獲取時間相差38 min，下面對38 min內(nèi)的潮位變化進行統(tǒng)計分析。圖2顯示了2013年10月26日10：29—11：08潮位數(shù)據(jù)，潮位在113 cm附近變化，最大潮差僅為5 cm。

設(shè)海灘的傾角為α，潮差為Δh，潮差引起的水邊線進退的水平距離為Δx，則

據(jù)統(tǒng)計，三亞灣海灘一般以4°—6°的緩坡向海傾斜［19］。按照平均值5°計算，將Δh=5 cm代入，解得Δx=57.2 cm=0.572 m，即5 cm的潮位上升將引起水邊線后退0.572 m。而本研究中使用的Landsat影像的空間分辨率為30 m，即潮位引起的水邊線進退變化不超過0.1個像元。因此，可以認為潮汐對研究中使用的1991年、2013年的兩景影像的影響相同。

綜上所述，本文通過篩選農(nóng)歷日期和成像時刻接近的影像提取海岸線侵蝕信息的研究思路是可行的，不但考慮了潮汐對海岸線位置的影響，而且減小了潮位估算帶來的誤差。

圖3海岸侵蝕明顯的3處岸段

3　　海岸線侵蝕遙感提取與分析

研究中，首先將兩幅遙感影像進行精確的地理坐標配準。之后，基于ArcGIS軟件平臺，以幾何精校正后的Landsat影像作為工作底圖，在WGS 84坐標系下，采用人工目視解譯的方法，分別提取了1991年、2013年三亞灣的海岸線，并以不同的顏色表示。最后，以1991年影像為背景，制作海岸線侵蝕提取結(jié)果圖。通過不同時期海岸線位置的對比，即可定量提取海岸線的侵蝕情況。

為了突出海水，影像采用標準假彩色合成方案。影像中，植被為紅色，海水為深藍色，濕潤沙灘為淺藍色，干燥沙灘為白色。海水與濕潤沙灘的明顯相接處即為海岸線所在位置。

通過逐像元對比檢查，發(fā)現(xiàn)3處岸段存在明顯的海岸侵蝕現(xiàn)象，根據(jù)地理坐標確定了實地對應的地名，分別為：“肖旗河口-海航度假酒店”岸段（中心經(jīng)緯度：18°7′20.90″N，109°2′9.84″E）、“海居鉑爾曼酒店-碧海藍天美術(shù)館”岸段（中心經(jīng)緯度：18°6′54.28″N，109°7′29.82″E）、“海月廣場-三亞灣大橋”岸段（中心經(jīng)緯度：18°5′15.78″N，109°9′40.40″E），分別對應圖3的（1）、（2）、（3）處。

3.1“肖旗河口-海航度假酒店”岸段

（1）海岸侵蝕信息提取

自肖旗河口到三亞海航度假酒店長約3 km的海岸線存在明顯的海岸侵蝕現(xiàn)象。圖4是1991、2013年海岸線的提取結(jié)果，其中紅色為1991年海岸線，黃色為2013年海岸線。可以看出，22 a中該岸段的最大后退距離達1.5—2個像元（45—60 m），見A、B兩處。需要說明的是，肖旗河口的東側(cè)約180 m的岸段出現(xiàn)了海岸線前進的情況，可能是港口修建時人工填海造地導致的。

（2）侵蝕原因分析

通過對A處兩景Landsat影像的對比，可推斷肖旗港的建設(shè)是導致海岸侵蝕的主要原因。與1991年相比，2013年的肖旗河口發(fā)生了3個明顯的變化（見圖5）：第一，水道變寬，平均寬度增加了約1個像元（30 m）；第二，港池增大，面積約增加40個像元（36 000 m2）；第三，下游修建人工湖，見圖5b的黑色區(qū)域，面積約20個像元（18 000 m2）。采用歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）［20］提取水體信息，結(jié)果如圖6所示，盡管受到影像分辨率的限制，但該結(jié)果仍能很好地反映肖旗河口的水體變化。為了進一步證實上述結(jié)論，本文還收集了2013年11月30日的QuickBird高分辨率遙感影像（見圖7），可以清晰地看見水道、港池、人工湖等地物。

結(jié)合相關(guān)的媒體報道可知，1998—2003年期間，有關(guān)單位在肖旗河口建設(shè)游艇碼頭、擴建港池，對肖旗河口進行大面積開挖與疏浚。因此，海水涌入港口，導致水深顯著增加，大面積海灘被淹沒。另外，人工湖的建設(shè)使河水沖刷帶入大海的沙量逐年減少，致使沙源不足，補入沙量過少，不能達成沙灘穩(wěn)定的動態(tài)平衡。

圖4岸段（1）的海岸線侵蝕提取結(jié)果（背景影像獲取時間為2013年）

圖5肖旗河口遙感影像對比

圖6肖旗河口NDWI提取

圖7肖旗河口高分辨率遙感影像

通過對B處兩景Landsat影像的對比，可推斷海岸旅游景區(qū)的建設(shè)、原始植被破壞也是導致海岸侵蝕的重要原因。與1991年相比，2013年的海岸植被覆蓋明顯減少（見圖8），從原來垂直岸邊的1—2個像元的寬度，減少到無明顯的植被覆蓋。圖9是2013年11月30日的QuickBird高分辨率遙感影像，可以清晰地看見海岸邊的植被稀疏，分布了多處人工建筑物。

結(jié)合相關(guān)的媒體報道可知，海航度假酒店在海岸帶景觀改造時，毀壞原始植被面積3 240 m2，降低沙壩高度1 m，鋪設(shè)紅土980 m3，改變了150 m長岸灘地形地貌，使海岸失去天然屏障，最終導致該岸段的侵蝕。

3.2“海居鉑爾曼酒店-碧海藍天美術(shù)館”岸段

（1）海岸侵蝕信息提取

自海居鉑爾曼酒店到碧海藍天美術(shù)館長約4 km的海岸線存在明顯的海岸侵蝕現(xiàn)象。圖10是1991、2013年海岸線的提取結(jié)果，可以看出，22 a中該岸段的最大后退距離達2個像元（60 m），見C、D兩處。需要說明的是，2013年海岸線的個別位置出現(xiàn)了海岸線前進的情況，可能是相鄰被海水侵蝕的岸段的泥沙沖刷、沉積到此處造成的。

（2）侵蝕原因分析

通過兩景Landsat影像的對比，可推斷三亞灣路的建設(shè)、原生植被破壞是導致該岸段侵蝕的主要原因。如圖11所示，1991年海岸植被覆蓋面積大，按照垂直于岸邊的方向計算，平均寬度有4個像元。但2013年岸上植被平均寬度僅有1—2個像元。為了進行定量的對比，采用歸一化植被指數(shù)（NDVI）［21］統(tǒng)計植被覆蓋度，計算得到1991年、2013年的NDVI值分別為0.09、0.05。圖12是2013年11月30日的QuickBird高分辨率遙感影像，可以清晰地看見三亞灣路的向海一側(cè)植被稀疏。

20世紀90年代初，三亞灣路寬度僅4 m，自1999年起擴建三亞灣路，建成了東起三亞港、西至天涯灣的長約10 km、寬約14 m的濱海大道。為了擴建三亞灣路，砍伐了大片的原生植被。由于原來沙壩生長的原生植被是經(jīng)過長期自然選擇存活下來的，具有防風浪、抗干旱、固沙和改良土壤的作用，原生植被的破壞使海岸失去天然屏障，固沙功能減弱，導致出現(xiàn)岸灘留不住沙的現(xiàn)象。

圖8海航度假酒店區(qū)域遙感影像對比

圖9海航度假酒店區(qū)域高分辨率遙感影像

圖10岸段（2）的海岸線侵蝕提取結(jié)果（背景影像獲取時間為2013年）

圖11三亞灣路植被覆蓋的遙感影像對比

圖12三亞灣路的高分辨率遙感影像

圖13岸段（3）的海岸線侵蝕提取結(jié)果（背景影像獲取時間為2013年）

圖14　　鳳凰島建設(shè)前后的遙感影像對比

3.3“海月廣場-三亞灣大橋”岸段

（1）海岸侵蝕信息提取

自海月廣場到三亞灣大橋長約1.7 km的海岸線存在明顯的海岸侵蝕現(xiàn)象。22 a中該岸段的最大后退距離達1個像元（30 m），見E、F兩處。

（2）侵蝕原因分析

通過兩景Landsat影像的對比，可推斷此岸段的海岸侵蝕與三亞鳳凰島的建設(shè)有密切的關(guān)系。對比1991年影像和2013年影像（見圖14），可知鳳凰島和三亞灣大橋是新增地物。據(jù)記載，鳳凰島是在原有的三亞灣白排礁盤基礎(chǔ)上圍填起來的人工島，建成于2003年，通過三亞灣大橋與市區(qū)相連。鳳凰島建成后，相當于在白排礁上人為地建造了一個新的岬角，改變了三亞灣的自然水動力環(huán)境，使灣內(nèi)的波浪傳播條件發(fā)生變化，波能集中，引起海灘沖刷。因此，三亞灣大橋至海月廣場西側(cè)長約1.7 km的岸段在強風暴潮及風暴巨浪作用下容易發(fā)生侵蝕現(xiàn)象。例如，2005年18號臺風“達維”引發(fā)的風暴潮導致三亞濱海人行道被破壞，海灘高潮線以上的椰子樹被沖毀，一定程度上改變了海岸線的形態(tài)。

3.4海岸侵蝕的自然因素分析

上述3處岸段的海岸侵蝕除了受人類活動影響之外，還受到多種自然因素的影響。通過分析和查證，主要有以下3個方面：

（1）砂質(zhì)海岸的特性

三亞灣沙灘主要為灰白淺黃色中細砂、含礫粗砂，貝殼、紅藻、珊瑚碎屑及少量鈦鐵礦、鋯石等礦物。按照海岸線類型劃分，上述3處岸段均為砂質(zhì)海岸，質(zhì)地較疏松，易受海水的沖刷。

（2）海平面上升

海平面上升導致三亞灣弧形砂壩直岸段呈現(xiàn)侵蝕后退。國家海洋局海平面監(jiān)測和分析結(jié)果表明，中國沿海海平面變化總體呈波動上升趨勢。1980—2013年，中國沿海海平面上升速率為2.9 mm/a，高于全球平均水平。2013年，中國沿海各省（自治區(qū)、直轄市）海平面均明顯高于常年。其中，海南最高，較常年高143 mm［22］。由于三亞的海灘坡度較緩，較小的潮位上升就能引起較明顯的海岸線后退。

（3）臺風風暴潮

海南是我國沿海臺風風暴潮發(fā)生最為頻繁的省份之一。作用于三亞灣海岸帶的風力以西風與西南風為主，風速較大，盛行于6—8月，也是臺風頻發(fā)時期，容易發(fā)生大規(guī)模的臺風風暴潮。國家海洋局發(fā)布的《中國海洋災害公報》顯示：1991—2013年的22 a中，海南共發(fā)生20余次較大規(guī)模的風暴潮災害，暴雨和潮水沖毀公路、毀壞通訊供電線路、崩決圍堤、破壞水利設(shè)施、淹沒稻田，海岸受侵蝕形成陡坎。

此外，三亞灣不同季節(jié)海平面的變化以及風暴潮造成的潮汐增水等均會帶來海岸線位置的變化，也會對海岸侵蝕程度產(chǎn)生一定影響。

4　　結(jié)論

本文基于潮位觀測數(shù)據(jù)，采用遙感和GIS技術(shù)提取了三亞灣1991、2013年兩個時期內(nèi)的海岸線侵蝕信息，發(fā)現(xiàn)了3處侵蝕嚴重的岸段。結(jié)合NDWI、NDVI遙感指數(shù)，Landsat和QuickBird遙感影像，以及人類活動記錄，對3處岸段的侵蝕原因進行了詳細分析，獲得如下結(jié)論：

（1）理論研究結(jié)果表明：根據(jù)潮汐與農(nóng)歷日期的關(guān)系，選擇農(nóng)歷日期最接近、成像時間差最小的遙感影像，能夠有效消除不同時刻潮汐對水邊線位置的影響，既綜合考慮了潮汐對海岸線位置的影響，又減小了潮位估算帶來的誤差；

（2）監(jiān)測結(jié)果表明：自1991—2013年的22 a中，三亞灣的砂質(zhì)海岸存在明顯的侵蝕現(xiàn)象。海岸西段侵蝕較為嚴重的是肖旗河口至海航度假酒店的岸段，最大后退距離達1.5—2個像元（45—60 m）；海岸中段侵蝕較為嚴重的是海居鉑爾曼酒店至碧海藍天美術(shù)館的岸段，最大后退距離達2個像元（60 m）；海岸東段侵蝕較為嚴重的是海月廣場至三亞灣大橋的岸段，最大后退距離達1個像元（30 m）；

（3）侵蝕原因分析表明：三亞灣的海岸侵蝕受人類活動因素和自然因素的影響。人類活動因素主要包括：肖旗港、三亞灣路、鳳凰島的建設(shè)，近岸原生植被的破壞等方面。自然因素主要包括砂質(zhì)海岸的特性、海平面上升、臺風風暴潮等方面。

海南省是21世紀海上絲綢之路的重要節(jié)點，生態(tài)環(huán)境不但關(guān)系人民福祉，而且是一張向世界展示中國的名片。為了改善海南三亞灣的海岸侵蝕現(xiàn)狀、防止海岸侵蝕加劇，建議相關(guān)部門科學規(guī)劃近岸工程、規(guī)范旅游資源的開發(fā)、嚴格禁止海岸采沙、修筑高質(zhì)量的護岸工程，對侵蝕嚴重的海岸通過補沙進行修復。

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中圖分類號：P731.23

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）03-0057-08

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.008

收稿日期：2015-07-20

基金項目：國家海洋公益性行業(yè)科研專項（201205006）。

作者簡介：段依妮（1988-），女，研究實習員，博士，主要從事海洋遙感理論與應用研究。E-mail：yiniduan@126.com上升引起的水邊線位置變化就超過1 m。因此，潮汐變化將對水邊線位置提取造成較大的誤差，研究海岸侵蝕必須最大限度地減小潮汐的影響。

Extraction and analysis of coastal erosion of Sanya Bay using remote sensing imagery and tide level data

DUAN Yi-ni，TENG Jun-hua，CAI Wen-bo
（National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China）

Abstract：In order to examine the coastal erosion of Sanya Bay since the beginning of 1990s，based on tide level observation data，the change of waterline locations of Sanya Bay was extracted respectively in 1991 and 2013 using the remote sensing and GIS methods.The change of waterline locations which reflects the relative change of coastline locations is used to extract the information of coastal erosion.The reasons of coastal erosion are analyzed in detail，using multi-sources information，such as remote sensing indexes，high-resolution remote sensing imagery，human activity records and so on.The theoretical analysis shows that according to the relationship between tide and lunar calendar，it can effectively eliminate the influence of tide on the waterline location by choosing imagery of similar data and imaging time.The experiment results show that there exists obvious coastal erosion in the sand coast of Sanya Bay.Some locations of the west coastline retreat up to 45 to 60 meters，the number are 60 meters for the middle coastline and 30 meters for the east coastline.The analysis represents that the coastal erosion of Sanya Bay is caused by both human activity and natural factors.The construction of coastal works and the destruction of inshore original vegetation are two important reasons for the coastal erosion.In the future，the coastal resources should be developed and used more scientifically.

Key words：tide level observation；Sanya Bay；coastal erosion；remote sensing monitoring