瓊州海峽白沙門海灘沖淤的遙感分析

黃積文,朱首賢*,朱萬里,張文靜,張　瑰

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院, 江蘇 南京210098；2.海南省海洋監(jiān)測預報中心, 海南 ?？?570311；3.解放軍理工大學 氣象海洋學院, 江蘇 南京 211101)

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瓊州海峽白沙門海灘沖淤的遙感分析

黃積文1,朱首賢*1,朱萬里2,張文靜3,張瑰3

(1.河海大學 港口海岸與近海工程學院, 江蘇 南京210098；2.海南省海洋監(jiān)測預報中心, 海南 海口 570311；3.解放軍理工大學 氣象海洋學院, 江蘇 南京 211101)

瓊州海峽白沙門海灘是?？谑兄匾糜钨Y源，歷史研究表明自20世紀60年代以來其一直處于侵蝕退化狀態(tài)。本文選取1994—2015年的19景Landsat遙感影像提取白沙門海灘水邊線并計算海灘坡度，分析海灘沖淤，結果表明：1994—2008年海灘處于沖刷狀態(tài)，高潮位的水邊線平均向岸回退了104.71 m, 低潮位的水邊線平均向岸回退了95.49 m，但是2000年附近時段的人工補沙彌補了海灘侵蝕退化；2008—2015年海灘轉為淤積狀態(tài)，高潮位的水邊線平均向海前進了34.17 m，低潮位的水邊線平均向海前進了25.52 m，海灘淤積可能是海灘東側的新埠島圍填海工程造成的。

白沙門海灘；水邊線；沖淤；遙感

0　引言

海灘是砂質海岸的重要沉積單元，也是重要的人類旅游休閑場所。近年來，隨著海岸工程的增加、河流輸沙的減少、氣候變化及海平面上升等因素的影響，很多海灘發(fā)生了侵蝕退化現(xiàn)象。豐愛平 等[1]統(tǒng)計指出，我國有70%左右的砂質海岸遭受侵蝕，岸線蝕退率達1.0～1.5 m/a以上，嚴重的甚至達到了15 m/a。王穎 等[2]根據(jù)海平面上升，計算得出了中國東部重要濱海海灘的自然淹沒和侵蝕的累積損失率最高達到66.1%，平均為23.7%。海灘沖淤演變分析對于海灘維護具有重要的意義。

海南省國際旅游島建設經(jīng)國務院批復提升為國家戰(zhàn)略，濱海海灘是旅游島建設不可缺少的重要資源。黃少敏 等[3]通過野外調查等發(fā)現(xiàn)海南省海岸侵蝕明顯，豐愛平 等[1]也認為海南省砂質海岸中有將近一半的岸段因侵蝕而后退。白沙門海灘是海南省旅游城市?？诘闹饕┲唬恢萌鐖D1所示，它位于瓊州海峽南岸，東面緊鄰南渡江，屬于南渡江三角洲的一部分，西面為?？跒?。吳創(chuàng)收 等[4]利用ArcGIS技術對南渡江三角洲1963，1984，1996和2003年的海圖資料進行了沖淤分析；陳海洲 等[5]將白沙淺灘2009年實測-5 m等深線與不同歷史時期的海圖(1962，1984，2005和2007年)進行了對比；龔文平 等[6]等利用1993年和1998年實測地形圖對海口灣東部水下淺灘進行了沖淤分析；周晗宇 等[7]利用1984年，1999年和2005年海圖資料及2010年海灘灘面高程測量資料對?？跒澈┻M行了沖淤分析。這些研究都表明白沙門海灘及其鄰近海域近年來一直處于沖刷狀態(tài)，威脅?？诼糜问聵I(yè)和海南島國際旅游島發(fā)展戰(zhàn)略。這些研究主要基于海圖(地形圖)資料分析海灘沖淤演變特征，而海圖零米線以上的地形數(shù)據(jù)基本上是空白。在可見光遙感影像上，陸地和水面的圖像色調存在明顯差別，能夠分析水陸分界線(水邊線)，這些水邊線可以用于零米線以上的海灘沖淤分析。另外，海圖資料能夠覆蓋的歷史年份可能不夠完整，而可見光遙感影像資料比較豐富，可以彌補海圖資料的不足。張曉東 等[8]采用Landsat遙感資料，比較詳細地分析了?？跒澈?994—2013年的沖淤演變特征，但是白沙門海灘缺乏相關研究。本文采用可見光遙感資料分析了白沙門海灘1994—2015年的沖淤演變特征。

1　遙感水邊線提取方法

目前對遙感圖像提取水邊線的方法主要有閾值分析法、邊緣檢測法以及監(jiān)督分類法[9]。本文研究區(qū)是砂質海岸，水體與陸地之間的光譜特性差異比較大，可以采用簡單、快捷的閾值分割法來提取水邊線。利用閾值分割法提取水邊線的主要過程為：在單波段閾值分割法的基礎上，利用多個波段反射率之差構建水體指數(shù)，將閾值設為0，而水體指數(shù)在大于0時看作水體，小于0時則看作陸地，從而實現(xiàn)多波段的閾值分割。針對Landsat遙感影像的水體指數(shù)主要有歸一化水體指數(shù)NDWI[10]、改進型歸一化水體指數(shù)MNDWI[11]、增強型歸一化水體指數(shù)EWI[12]和新型歸一化水體指數(shù)NWI[13]。張曉東 等[8]就這4種方法在?？跒澈┻M行了應用對比，其結果表明，在該海灘NDWI水體指數(shù)法相對其他幾種方法具有更高的精度。白沙門海灘是與?？跒澈╊愃频纳百|海灘，本文也采用NDWI指數(shù)提取水邊線，NDWI指數(shù)表達式為：

(1)

對于Landsat 4-5 TM和Landsat 7 ETM+資料，α1、α2、α4、α5和α7分別對應1、2、4、5和7波段的反射率；對于Landsat 8 OLI資料，α1、α2、α4、α5和α7分別對應Blue、Green、NIR、SWIR1和SWIR2波段的反射率。

為了檢驗NDWI指數(shù)在白沙門海灘提取水邊線的精確度，于2015年2月6日對白沙門的水邊線進行了觀測。觀測人員手持GPS經(jīng)緯儀進行水邊線觀測，觀測時間為9∶00—9∶15，秀英港在該時間段內的潮位為2.13～2.14 m，取均值2.14 m。查找與其相近年份的遙感影像，2015年1月25日11∶03∶09 Landsat遙感影像對應的潮位是2.09 m，與實測水邊線對應的潮位很接近。采用(1)式計算該遙感影像的NDWI指數(shù)，提取水邊線。圖2給出了遙感水邊線和實測水邊線，可以看出兩者擬合比較好。另外還計算了遙感水邊線和實測水邊線的距離，計算方法為：首先在遙感水邊線上取1個點(記為A)，在實測水邊線上間隔1 m取點，計算點A與實測水邊線上所有點的距離，將其中的最小值作為A與實測水邊線的距離；然后將遙感水邊線上所有點與實測水邊線的距離平均，得到遙感水邊線與實測水邊線的距離。計算所得到的遙感水邊線和實測水邊線距離為7.02 m,表明采用NDWI指數(shù)法提取白沙門海灘遙感水邊線是可行的。

圖2　白沙門海灘遙感水邊線和實測水邊線對比圖Fig.2　The contrast between the measured waterline andthe remote sensing waterline in the Baishamen beach

2　白沙門海灘坡度及其附近海岸工程的遙感分析

選取1994年至2015年期間成像效果良好的Landsat影像共19景(表1)。這些遙感圖像對應的潮位都來源于秀英站潮汐表，由于潮汐表資料為1 h 1個數(shù)據(jù)，采用線性插值給出遙感圖像對應時刻的潮位值。

表1　遙感影像說明

表2　利用遙感水邊線計算的1994—2015年白沙門海灘坡度

從遙感圖像中還可以看出白沙門海灘1996—2000年人工補沙和新埠島2008—2010年的圍填工程。圖3和圖4分別為1996年12月14日和2000年8月19日的Landsat遙感圖像，這兩景圖像都經(jīng)過了輻射校正處理。對比圖3和圖4，圖4中白沙門海灘的水邊線(紅色區(qū)域進行標注)大幅度地向海移動，向海移動的最大距離為201.87 m。圖3與圖4的遙感影像對應的潮位分別為2.46和0.89 m，根據(jù)表2給出的1996年和2000年海灘坡度可以確定該潮位差對應的水邊線移動距離應為20.59 m。顯然，這兩景遙感水邊線的距離不是主要由潮位差造成的。從在白沙門海灘水邊線觀測時的現(xiàn)場考察來看，該地段都是沙灘，沒有其它海岸工程建筑，基本可以判斷圖4中水邊線向海大幅度移動對應海灘修護的人工補沙。圖5和圖6分別是在2008年5月5日和2010年7月30日的Landsat遙感圖像，也經(jīng)過輻射校正處理。新埠島圍填海是海口市較大規(guī)模的圍海造地工程，圖5和圖6的遙感水邊線變化即對應該圍填海工程。

圖3　1996年12月14日的遙感影像Fig.3　The remote sensing image on December 14, 1996

圖4　2000年8月19日的遙感影像Fig.4　The remote sensing image on August 19, 2000

圖5　2008年5月5日的遙感影像Fig.5　The remote sensing image on May 5, 2008

圖6　2010年7月30日的遙感影像Fig.6　The remote sensing image on July 30, 2010

3　海灘沖淤特征遙感分析

海灘沖淤分析方法：找出2景成像時間間隔長、相同潮位的遙感水邊線，根據(jù)這2景遙感水邊線的位置變化，確定它們所處時間段的海灘沖淤。如果遙感

水邊線向海前進，則為海灘淤積；如果遙感水邊線向岸回退，則為海灘沖刷。這2景遙感水邊線進退距離記為L，向海前進取為正值，向岸回退取為負值。但是實際分析中很難找到兩景完全相同潮位的遙感水邊線，需要根據(jù)它們的潮位差ΔZ和海灘坡度α訂正L。訂正值為Ld=ΔZ/tanα，實際進退距離為L實=L-Ld。如前所分析，不同年份的海灘坡度略有差別，因此可以取這2景遙感水邊線對應年份海灘坡度的平均值。根據(jù)水邊線的實際進退距離還可以近似給出每年的進退速率，由進退速率判斷海灘沖淤的快慢。根據(jù)表1的資料情況，白沙門海灘沖淤遙感分析分為1994—1996年、1996—2000年、2000—2002年、2002—2004年、2004—2006年、2006—2008年、2008—2012年和2012—2015年這8個時間段。

首先分析高潮位附近海灘的沖淤，每次取出的2幅遙感影像的潮位值盡量相近，并作訂正處理。表3給出了白沙門高潮位海灘沖淤的遙感分析結果，可以看出：1994—1996年、2000—2002年、2002—2004年、2004—2006年和2006—2008年高潮位海灘處于沖刷狀態(tài)，2008—2012年和2012—2015年高潮位海灘轉為淤積狀態(tài)。根據(jù)上面對圖3和圖4的分析，1996-2000年高潮位水邊線的大幅度向海前進是人工補沙造成，因此不作沖淤判斷。剔除掉1996-2000年人工補沙的影響，2008年以前高潮位海灘處于沖刷狀態(tài)，高潮位水邊線平均向岸回退了104.71 m；2008年以后高潮位海灘處于淤積狀態(tài)，高潮位水邊線平均向海前進了34.17 m。從表3還可以看出，高潮位海灘的沖刷或淤積速度在不同年份存在差異，2000—2008年期間海灘沖刷速度在逐減減小，2008—2015年期間海灘淤積速度也在逐漸減小。

表3　白沙門高潮位海灘沖淤遙感分析結果

考慮白沙門海灘1996—2000年人工補沙和新埠島2008—2010年圍填工程，將上述8個時間段合并為4個時間段，即1994—1996年、1996—2000年、2000—2008年和2008—2015年，分別在這4個時間段分析高潮位遙感水邊線的變化。圖7a給出了1994和1996年高潮位遙感水邊線，在白沙門海灘東北角有小范圍的淤積，其他區(qū)域都是沖刷，經(jīng)潮差訂正后的水邊線平均向岸回退20.61 m，向岸回退的最大距離為77.68 m，而向海前進的最大距離為24.15 m。圖7b給出了1996和2000年高潮位遙感水邊線，整個海灘都向海擴張，經(jīng)潮差訂正后的水邊線平均向海前進了72.87 m，向海前進的最大距離為201.87 m,向海前進的最小距離為8.24 m。圖7c給出了2000和2008年高潮位遙感水邊線，白沙門海灘西部淤積，東部沖刷，沖刷比淤積更為明顯，經(jīng)潮差訂正后的水邊線平均向岸回退84.10 m，向岸回退的最大距離為234.38 m，向海前進的最大距離為65.65 m。圖7d給出了2008和2015年高潮位遙感水邊線，在海灘東北角有小范圍的沖刷，其他區(qū)域都是淤積，經(jīng)潮差訂正后的水邊線平均向海前進了34.17 m，向海前進的最大距離為90.27 m，向岸回退的最大距離為29.75 m。

圖7　高潮位遙感水邊線Fig.7　The remote sensing waterlines near high tide level

再分析低潮位附近海灘的沖淤，每次取出的2幅遙感影像的潮位值同樣盡量相近，并作訂正處理。表4為白沙門低潮位海灘沖淤的遙感分析結果，從表4可以看出，剔除掉1996—2000年人工補沙的影響，2008年以前低潮位海灘處于沖刷狀態(tài)，水邊線平均向岸回退了95.49 m，海灘沖刷速度在逐漸減??；2008年以后低潮位海灘處于淤積狀態(tài)，水邊線平均向海前進了25.52 m。

表4　白沙門低潮位海灘沖淤遙感分析結果

圖8a給出了1994和1996年低潮位遙感水邊線，在白沙門海灘東北角有小范圍的淤積，其他區(qū)域都是沖刷，經(jīng)潮差訂正后的水邊線平均向岸回退22.69 m，向岸回退的最大距離為105.44 m，而向海前進的最大距離為41.56 m。圖8b給出了1996和2000年低潮位遙感水邊線，整個海灘都向海擴張，經(jīng)潮差訂正后的水邊線平均向海前進了87.63 m，向海前進的最大距離為222.72 m,向海前進的最小距離為12.59 m。圖8c給出了2000和2008年低潮位遙感水邊線，海灘東部沖刷，西部淤積，沖刷比淤積更加明顯，經(jīng)潮差訂正后的水邊線平均向岸回退72.80 m，向岸回退的最大距離為239.68 m，向海前進的最大距離為89.77 m。圖8d給出了2008和2015年低潮位遙感水邊線，在白沙門海灘東北角有小范圍的沖刷，其他區(qū)域都是淤積，主要表現(xiàn)為淤積，經(jīng)潮差訂正后的水邊線平均向海前進了25.52 m,向海前進的最大距離為105.13 m，向岸回退的最大距離為43.48 m。

圖8　低潮位遙感水邊線Fig.8　The remote sensing waterlines near low tide level

4　海灘沖淤的可能原因分析

一些學者分析認為自20世紀60年代以來白沙門海灘所在的南渡江三角洲及其鄰近的?？跒程幱谇治g退化狀態(tài)，并探討了它們侵蝕退化的原因。南渡江三角洲和?？跒车哪嗌硜碓粗饕泻恿鬏斏场⒑Ｓ騺砩澈脱匕遁斏?。在數(shù)百年來海灣形態(tài)基本穩(wěn)定的情況下海域來沙不多[7]。南渡江三角洲和?？跒持g沿岸輸沙的主方向為自東向西，南渡江河口及其以東海岸侵蝕物被輸往?？跒砙6,14-15]。南渡江是海南島最大的河流，它的入海沙量自1969年建松濤水庫和筑龍?zhí)翑r水壩后不斷減少，由1956—1969年的44.03×104t·a-1降到1998—2007年的11.09×104t·a-1，它是南渡江三角洲侵蝕的主要原因[4]。?？诘貐^(qū)建筑用沙、新埠島和海甸島圍填工程及其它筑堤吹填工程用沙主要來源于南渡江三角洲[15]，直接造成了南渡江三角洲侵蝕[4-5]，也造成?？跒城治g[7]。本文的遙感分析結果表明白沙門海灘1994—2008年處于沖刷狀態(tài)，也可以用這些機制解釋。

本文遙感分析結果還表明白沙門海灘2008—2015年轉為淤積狀態(tài)，下面進一步分析其可能原因。白沙門海灘所在的南渡江三角洲沿岸輸沙受潮流影響，也受波浪產(chǎn)生的波生沿岸流影響，波浪還通過掀沙作用影響沿岸輸沙。一般認為瓊州海峽主要受東西向往復流支配：漲潮流以西向流為主，落潮流則以東向流為主，漲潮東流和落潮西流則歷時較短，全潮優(yōu)勢流為西向流[14]。圖9是根據(jù)竇紅剛的?？诘貐^(qū)數(shù)值模擬結果[16]繪制的南渡江三角洲及其附近海域2005年9月27日漲急和落急時的潮流場。在南渡江三角洲，漲急的潮流主要沿海岸線向西，落急的潮流主要沿海岸向東，且西向流速大于東向流速。2008—2010年新埠島圍填工程使得局部的海岸線向海凸出，將對新埠島圍填工程西側白沙門海區(qū)的潮流產(chǎn)生影響，可能減弱潮流場，減少該海區(qū)泥沙搬運，有利于白沙門海灘的泥沙淤積。南渡江三角洲的波浪以風浪為主，常浪向為ENE，占30.1%，次常浪向為NE，占22.9%，這些浪向與海岸線方向很接近[4]。新埠島圍填工程對于從ENE或NE向白沙門海區(qū)傳播的波浪具有阻擋作用，可能會削弱白沙門海區(qū)的波浪，從而削弱波生沿岸流，也削弱波浪掀沙能力，減弱泥沙向其它海區(qū)的輸運，有利于白沙門海灘的淤積。

圖9　南渡江三角洲及其附近海域2005年9月27日流場圖Fig.9　The flow field diagram of Nandujiang Delta and the adjacent area on September 27, 2005

5　結論

本文采用NDWI指數(shù)提取了1994—2015年白沙門海灘19景Landsat遙感影像的水邊線，利用這些遙感水邊線分析了海灘坡度和海灘沖淤，還通過遙感影像分析了海灘人工補沙和新埠島圍填海工程建設情況，得到以下結論：

(1)在2000年前后海灘坡度有明顯差異，2000年之前海灘坡度為4.05°～4.69°,2000年之后海灘坡度為6.28°～6.86°。遙感圖像分析表明2000年附近時段白沙門海灘存在人工補沙，可能改變了海灘坡度。

(2)2008年之前海灘處于沖刷狀態(tài)，高潮位的水邊線平均向岸回退了104.71 m, 低潮位的水邊線平均向岸回退了95.49 m，但是2000年附近時段的人工補沙彌補了海灘侵蝕退化；2008年之后海灘轉為淤積狀態(tài)，高潮位的水邊線平均向海前進了34.17 m，低潮位的水邊線平均向海前進了25.52 m。過去的研究表明自20世紀60年代以來包含白沙門海灘在內的南渡江三角州一直處于侵蝕退化狀態(tài)，本文研究結果給出了不同認識。

(3)對白沙門海灘沖淤的原因進行初步分析表明，2008年之前海灘沖刷可能與南渡江水庫及海岸工程建設有關，2008年之后海灘淤積可能與2008—2010年新埠島圍填工程有關。

在后續(xù)研究中還需要結合白沙門海灘及其附近海域的數(shù)值模擬，更深入地分析其沖淤特征與動力機制，為海灘旅游資源的保護和更好的利用提供依據(jù)。

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The analysis of erosion and accretion in the Baishamen beach of the Qiongzhou Channel by remote sensing

HUANG Ji-wen1, ZHU Shou-xian*1, ZHU Wan-li2, ZHANG Wen-jing3, ZHANG Gui3

(1.CollegeofHarbour,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.MarineMonitoringandForecastingCenterofHainanProvince,Haikou570311,China; 3.InstituteofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing211101,China)

The Baishamen beach of the Qiongzhou Channel is an important resource for the Haikou city's tourism, but the previous researches presented that it has been in erosion from 1960. The waterlines in 19 Landsat sensing images from 1994 to 2015 were extracted, which were used to calculate the beach slope and analyze the beach erosion and accretion. The results show that the beach was mainly in erosion from 1994 to 2008, the waterline moved 104.71 m to the shore near the high tidal level and 95.49 m to the shore near the low tidal level, but the artificial sand filling in the time around 2000 compensated the erosion. While the beach was mainly in accretion from 2008 to 2015, the waterline moved 34.17 m to the sea near the high tidal level and 25.93 m to the sea near the low tidal level, which may be induced by the Xinbu Island enclose engineering.

Baishamen beach; waterline; erosion and accretion; remote sensing

2016-02-24

2016-07-12

國家自然科學基金項目資助(41206163,41376012,41076048);中央高?；究蒲袠I(yè)務費項目資助(2011B05714,2014B06514)

黃積文(1990-)，男，湖北蘄春縣人，主要從事河口海岸水沙運動方面的研究。E-mail:505539074@qq.com

朱首賢(1972-)，男，副教授，主要從事海洋動力學與數(shù)值模式，河口海岸水沙運動與海洋遙感方面的研究。

E-mail:zhushouxian@vip.sina.com

TP75;P737.1

A

1001-909X(2016)03-0043-08

10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.007

黃積文,朱首賢,朱萬里，等.瓊州海峽白沙門海灘沖淤的遙感分析[J].海洋學研究,2016,34(3):43-50,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.007.

HUANG Ji-wen, ZHU Shou-xian, ZHU Wan-li, et al. The analysis of erosion and accretion in the Baishamen beach of the Qiongzhou Channel by remote sensing[J].Journal of Marine Sciences,2016,34(3):43-50, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.03.007.