基于遙感技術的廈門大嶝島海岸線與潮灘變遷分析

李萌萌,張彩云*,林 銳

(1.廈門大學海洋與地球?qū)W院,2.福建省海陸界面生態(tài)環(huán)境重點實驗室(廈門大學), 3.濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室(廈門大學),福建廈門361102)

潮灘位于海陸交接與海陸相互作用的地帶,它隨著潮汐的漲落而發(fā)生周期性的變化,漲潮時淹沒,落潮時裸露．潮灘及周邊地區(qū)自然資源豐富、生態(tài)環(huán)境復雜,不僅擁有大量的灘涂資源,而且擁有島礁、沙灘、紅樹林以及物種豐富的海洋生物資源．近年來,隨著社會經(jīng)濟活動的增強,高強度、大尺度的海岸帶開發(fā)導致潮間帶灘涂逐步被圍墾侵蝕,潮灘濕地面積減少,生態(tài)環(huán)境惡化．因此,加強潮灘沖淤演變的研究對于潮灘開發(fā)利用、海洋防災減災以及海洋環(huán)境保護等都具有十分重要的意義．

傳統(tǒng)的潮灘調(diào)查方法多以實地調(diào)查為主,但潮灘空間范圍較廣,很難做到大范圍的同步觀測;且潮灘環(huán)境的動力條件復雜,不僅受潮流和波浪的周期性作用,也受偶發(fā)性的水文過程和人類活動的影響,因此潮灘地貌演變迅速．遙感技術不僅可以進行大范圍的監(jiān)測,且可以獲取長時間序列的研究數(shù)據(jù),是傳統(tǒng)測量方法的重要補充．因此,許多學者利用遙感技術對潮灘提取及演變過程開展了相關研究,并取得了一些進展．如吳隆業(yè)等[1]利用衛(wèi)星遙感重復成像技術計算了海口港的沉積速率及沉積量;韓震等[2]利用多時相遙感圖像水邊線高程反演技術,確定了溫州地區(qū)不同部位淤泥質(zhì)潮灘岸線的變化;結合星載熱紅外和微波數(shù)據(jù),Liu等[3]指出利用足夠多的衛(wèi)星影像可提取南黃海東沙島潮灘的地形,所建立的數(shù)字高程模型誤差與所獲取的衛(wèi)星影像數(shù)及覆蓋率有關;Ryu等[4]比較并分析了Landsat影像不同波段數(shù)據(jù)在提取Gomso Bay潮灘水邊線的優(yōu)缺點;Natesan等[5]利用遙感技術和美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey,USGS)研發(fā)的數(shù)字岸線分析系統(tǒng) (digital shoreline analysis system,DSAS)監(jiān)測分析了印度Tamil Nadu的海岸線變化．

在潮灘沖淤演變研究方面,Young[6]利用遙感和海圖數(shù)據(jù)回顧了1950—2000年間韓國近岸潮灘圍墾的歷史,探討了大規(guī)模圍墾活動對潮灘形態(tài)的影響;李建國等[7]通過野外濕地調(diào)研與遙感影像解譯相結合的方式,研究了1977—2014年間江蘇省中部潮灘濕地演化與圍墾空間演變的規(guī)律,結果表明研究區(qū)潮灘面積減少的主要原因是濕地圍墾速度遠高于岸線淤漲的速度;圍填新方法和技術的應用極大地縮短了潮灘圍墾的演變路徑和周期．此外,吳佳樂等[8]在研究江蘇省南通市腰沙海域、韓志遠等[9]在研究福建省文渡灣等地的潮灘沖淤演變時,均充分利用了遙感和地理信息系統(tǒng)技術相結合的研究方法．

本研究利用Landsat多時相的遙感影像以及中國自主發(fā)射的“高分一號”及“資源三號”衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)技術,初步分析了1996—2014年間大嶝島的海岸線變遷、潮灘沖淤及面積的變化特征．

1 研究區(qū)概況

大嶝島位于福建省廈門市翔安區(qū)的東南海面，與旁邊的小嶝和角嶼一起稱作“大嶝三島”．大嶝島面積約13 km2，與金門島最近距離不到2 km(如圖1所示)．大嶝島及其海域?qū)儆趤啛釒ШＱ笮约撅L氣候，該海區(qū)受正規(guī)半日潮的影響，潮流運動形式基本為往復流.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)源及預處理

本文中用于分析的數(shù)據(jù)主要來自美國發(fā)射的Landsat系列衛(wèi)星攜帶的專題制圖儀(thematic mapper, TM)、增強專題制圖儀(enhanced thematic mapper plus, ETM+)以及陸地成像儀(operational land imager, OLI)傳感器獲取的遙感影像，云覆蓋率基本為0，時間跨度為1996—2014年，空間分辨率為30 m．2012年初以來大嶝島岸線的變化則多選用中國發(fā)射的“資源三號”及“高分一號”等采集的空間分辨率較高的影像，其多光譜影像的空間分辨率分別為5.8和8 m．

表1列出了所有遙感數(shù)據(jù)的衛(wèi)星成像時間及潮位信息．其中潮位是通過國家海洋信息中心編制的潮汐表中廈門站潮位預報資料插值計算而得，并統(tǒng)一到1985國家高程基準．

本研究以一幅經(jīng)過正射校正的“高分一號”影像為基準影像,對其他影像進行幾何精校正,誤差控制在1個像素內(nèi)．然后通過圖像配準對研究區(qū)的所有影像進行配準,圖像配準誤差控制在0.5個像素內(nèi)．這些圖像預處理過程均通過ENVI軟件實現(xiàn)．

2.2 水邊線與海岸線提取

水邊線是潮汐波動下起伏不平的海面和陸地的瞬時交接線．在遙感影像上,水邊線反映了衛(wèi)星成像這一瞬時時刻的水陸分界狀態(tài)．水邊線信息的提取是進行海岸線調(diào)查的重要內(nèi)容,盡管人們提出許多種方法來提取遙感影像上的水邊線,但因各地近岸動力環(huán)境及潮灘地形都相當復雜,水邊線提取方法也不盡相同,且具有很強的區(qū)域性[10]．本研究結合大嶝島的潮汐水動力環(huán)境及地形地貌等特征,對Landsat數(shù)據(jù)選用近紅外單波段密度分割法來提取水邊線．而對于空間分辨率較高但光譜分辨率較低的“資源三號”和“高分一號”衛(wèi)星數(shù)據(jù),則采用面向?qū)ο蟮亩嗖ǘ畏诸惙椒ㄟM行提取．

表1 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源信息

Tab.1 The information of remote sensing data

衛(wèi)星傳感器空間分辨率/m成像時間廈門站潮情廈門站潮位/mLandsat5TM301990-07-20漲末1.87Landsat5TM301996-02-11初落-1.83Landsat5TM301996-05-17落末2.00Landsat5TM301996-07-20落急-1.69Landsat7TM+302001-10-14初落2.1Landsat7ETM+302002-01-02漲急-1.64Landsat5TM302002-01-10初漲1.85Landsat7ETM+302002-02-03初漲-2.48Landsat7ETM302002-08-30初漲-1.78Landsat5TM302011-03-08初漲-0.75Landsat5TM302011-04-09初漲-1.31Landsat5TM302011-07-30漲末1.6Landsat8OLI302014-12-21初落1.88Landsat8OLI302014-12-29落末-1.69ZY-3CCD5.82012-08-29初落2.23GF-1PMS82013-11-22漲急-0.41ZY-3CCD5.82013-12-09落末-2.05ZY-3CCD5.82014-04-16漲急0.61ZY-3CCD5.82014-06-04初漲-1.17GF-1PMS82014-08-27漲急1.29GF-1PMS82014-10-07初落3.05

注：潮位的基準面為1985國家高程基準，其中ZY-3指代資源三號衛(wèi)星，GF-1指代高分一號衛(wèi)星．海岸線通常是指多年平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線[11]．通常根據(jù)具體情況采用不同的岸線指標來表征海岸線的真實位置[12]．考慮到大嶝島岸線不斷向海推進,且多數(shù)已成為人工岸線,因此本研究選取各年代具有較高潮位的遙感影像來提取水邊線,同時結合人工目視解譯最終獲得研究區(qū)的海岸線．經(jīng)目視判斷和分析發(fā)現(xiàn),大于1.6 m潮位的水邊線基本上已與海岸線重合．部分“資源三號”和“高分一號”衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的潮位雖未達到1.6 m,但因其分辨率高且采用面向?qū)ο蟮亩嗖ǘ畏诸惙?可較好地分出人工岸線．

2.3 潮灘沖淤及面積計算方法

2.3.1 潮灘沖淤計算方法

遙感分析潮灘的沖淤速率一般先選擇潮位相同的遙感影像,通過提取并分析水邊線的變動來進行計算，但要同時獲得同一潮位的遙感影像難度很大．本文中參考Liu等[13]的方法,選取同一基準潮位來進行計算,根據(jù)已有遙感數(shù)據(jù)的潮位信息,將低潮-2 m的水邊線作為基準來進行分析．假設在小范圍內(nèi)潮灘的灘面坡度基本不變,則基準潮位水邊線位置可參考圖2進行計算．選取過境時間最接近的兩景影像,提取其水邊線,分別設為l1和l2,潮位數(shù)據(jù)分別為h1和h2,則灘面坡度

(1)

設基準潮位水邊線的潮位為h,則水邊線l2向其移動的距離為

(2)

圖2 基于三角形理論的潮灘坡度和 基準潮位水邊線校正示意圖[16] Fig.2The illusion of beach slope calculation and waterlines correction based on the equiangular triangle theory[16]

灘面坡度p及基準潮位水邊線的計算均可基于ArcGIS平臺提供的數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)(digital shoreline analysis system,DSAS)功能模塊來實現(xiàn)．利用DSAS對大嶝島潮灘設置分區(qū)和斷面(如圖3所示),沿基線平均每100 m設置一個斷面,共設150個斷面；然后計算各區(qū)相鄰水邊線的水平距離和潮位差,參考式(1)計算各區(qū)的坡度;最后由坡度及已有水邊線位置,根據(jù)式(2)進行外推求得基準潮位的水邊線(圖3)．

圖3 研究區(qū)水邊線與基線位置和實測斷面位置圖 Fig.3The locations of waterlines,baselines and transects of study area

參考楊曉梅[14]的方法,將大嶝島各年份基準潮位水邊線(-2 m)水平推移的年淤漲速率(u)定義為

(3)

其中,L為不同年份基準潮位水邊線間的水平距離,n為時間間隔．垂直方向上的年沉積速率(a)定義為

a=p×u，

(4)

其中,p為潮灘坡度,u為基準潮位水邊線的年淤漲速率．p,u,a都可通過ArcGIS平臺提供的DSAS模塊計算獲得．

2.3.2 潮灘面積計算方法

選擇潮位為2和-2 m水邊線分別作為潮灘動態(tài)對比的上、下邊界,計算它們之間的潮灘面積．整個技術流程如圖4所示．

圖4 潮灘面積的計算流程 Fig.4The calculation process of tidal flat area

3 結果與討論

3.1 大嶝島岸線變遷

圖5為利用遙感影像提取的1996—2014年間大嶝島的岸線變遷圖像．可以看出,1996—2011年間大嶝島岸線變化主要以西南和東北部的擴張為主,統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明這一時期大嶝島面積增加1.54 km2(表2)．其中,1996—2002年間大嶝島海岸線變化不大,但2002—2011年間,大嶝島的東北岸線變化較為明顯(圖5)．

為推進廈門島內(nèi)外一體化,2013年12月大嶝島獲準填海．從圖5可以看出：2012年8月到2013年12月,大嶝島東部的海岸線并未發(fā)生太大變化；而2014年初東北部開始出現(xiàn)圍堰,導致東部海岸線向外海擴張；至2014年10月已基本可以看出大嶝機場規(guī)劃的區(qū)域形狀．可見,導致大嶝島岸線變化的主要原因一是養(yǎng)殖圍填,二是新機場圍填海建設．

圖5 1996—2014年間大嶝島海岸線分布圖 Fig.5The illusion of shorelines of Dadeng island from 1996 to 2014

時段面積變化/km2時段面積變化/km21996-05—2002-072013-12—2014-040.0112002-07—2011-071.5402014-04—2014-061.5372012-08—2013-111.5582014-06—2014-080.2692013-11—2013-120.0042014-08—2014-101.882

注：2011-07—2012-08時段面積無變化.

3.2 大嶝島潮灘的沖淤變化

根據(jù)大嶝島周邊潮灘形態(tài)的時空變化特征,將其分為西部、西南部、南部、東部和北部5個區(qū)(圖1)．分析所獲得的遙感影像,發(fā)現(xiàn)低潮時大嶝島西部的灘面露出,與翔安蔡厝附近的潮灘相連,兩者難以區(qū)分;而大嶝島東部在低潮時與小嶝島西部的潮灘相連接,潮灘坡度難以計算；大嶝島北部在低潮時也有成片灘面露出,只剩“S”型潮溝,而且該潮溝溝坡陡峭,潮溝寬度比較小.鑒于獲得的遙感影像數(shù)量較少,所對應的潮位不足以適用本文中方法的計算，因此本研究主要以大嶝島西南和南部為主來分析潮灘的淤漲和沉積變化,計算結果如表3所示．

表3 1996—2011年間大嶝島西南和南部潮灘 -2 m水邊線沖淤計算結果Tab.3 The calculation results of scouring and silting of -2 m waterline in southwest and southern parts of Dadeng Island from 1996 to 2011

從表3可以看出：1996—2011年間,大嶝島西南部同一潮位的水邊線主要是向海推進,計算表明其平均淤漲速率為42 m/a,沉積速率為3.5 cm/a；分階段來看,無論淤漲速率還是沉積速率,2002—2011年間均大于1996—2002年間,可見相較于20世紀末,近10年來大嶝島西南部的潮灘淤積更為嚴重了；和大嶝島西南部相比,其南部的淤漲速率和沉積速率較小,但近10年的淤漲速率和沉積速率也是明顯大于20世紀末,分別從12 m/a和0.9 cm/a增加到33 m/a和3.1 cm/a.

研究表明,大嶝島西南和南部海域一直處于弱水動力環(huán)境的緩慢沉積狀態(tài)[15],其沉降通量大于侵蝕通量,總體上以淤積為主[16]．懸浮泥沙主要由大嶝島南部水道向大嶝島西南部近岸淺灘輸運,且輸運量較大,而經(jīng)該淺灘繼續(xù)往西北方向的懸沙輸運量比較少,利用210Pb年代學分析結果可知大嶝西南部海域是沉積速率最大的地方,平均沉積速率可達3.9 cm/a[17]．本研究利用遙感資料統(tǒng)計分析得到的沉積速率基本與該速率一致．

近10年來大嶝南部和西南部海域的淤積速率增加,與近年來大嶝海堤的建設活動和高強度的圍填?；顒佑嘘P．大嶝海堤完工建設于20世紀90年代初,其建設阻礙了繞大嶝島的水流,從而明顯改變了該地區(qū)的水動力和泥沙輸運,進而加速了大嶝島西部和西南部近岸淺灘的輸運過程．21世紀初以來,大嶝島及其周邊地區(qū)進行了一系列圍填海活動,導致大量泥沙人為入海,改變了原有的水沙平衡狀態(tài),從而影響到岸灘剖面的發(fā)育過程,明顯加速了大嶝島潮灘的淤積過程．

3.3 大嶝島潮灘面積變化

圖6給出了1996—2014年間大嶝島周邊-2～2 m區(qū)間潮灘面積的變化情況．總體上,大嶝島該區(qū)間潮灘面積在1996—2011年間不斷增加,尤其是2002—2011年間,面積增加了4.19 km2;與1996年相比,2011年面積增加了約16%;而在2011—2014年間潮灘面積卻大幅度減少,減少的面積約13 km2,2014年比2011年減小了約41%．分區(qū)域來看,1996—2002年間,大嶝島的東部和北部面積有所減少,其他區(qū)域增加.2002—2011年間各區(qū)面積的變化趨勢也有所差異,其中北部和西部面積有所減少,其他區(qū)域增加,其中增加最多的是西南部海域,其次是東部海域;而2011—2014年間各區(qū)域面積均為減少,面積減小最大的區(qū)域是西南部海域,其次是東部(圖7)．可見,自2002年以來,大嶝島-2～2 m區(qū)間潮灘面積變化最為明顯的海域是西南部和東部海域．

圖6 1996—2014年間大嶝島-2～2 m區(qū)間 潮灘面積變化 Fig.6The area changes of tidal flat between -2 m and 2 m from 1996 to 2014

圖7 1996—2014年間大嶝島各個分區(qū) -2～2 m區(qū)間潮灘面積變化 Fig.7The area changes of tidal flat area between -2 m and 2 m in different districts from 1996 to 2014

潮灘面積的變化與上、下邊界的變遷息息相關,上邊界向海移動導致面積減少,下邊界向海移動導致面積增加,當上邊界向海方向變化速率大于下邊界向海的淤積速率時,潮灘面積減少,反之面積增加．由表3可知,大嶝島西南和南部海域在2002—2011年間的淤積速率最大．受此影響,2011年該區(qū)間潮灘下邊界的水邊線比2002年更靠外海(圖8(a)),尤其是西南部的歐厝外海,與2002年相比,2011年的水邊線向外海移動了約500 m．盡管在此期間,這些區(qū)域的海岸線因圍填海影響也向海移動,但其變化速率小于下邊界向海移動的速率,因此1996—2011年間大嶝島的-2～2 m區(qū)間潮灘面積逐漸增加(圖6),并以西南部增加最為明顯(圖7)．

從圖5和圖8(b)可以看出,2011—2014年大嶝島潮灘上邊界向海擴張與近幾年該區(qū)域不斷的圍填?；顒邮且恢碌?尤其是在2013年大嶝國際機場獲批填海后,2013年11月至2014年10月整個島嶼的圍填面積高達3.70 km2,其圍填區(qū)主要位于大嶝島的東部,部分位于西南部,這些活動導致其東部和西南部的潮灘面積在2011—2014年間減少最多．此外,2008年廈門市開始實施的廈門海域清淤整治工程也使潮灘的下邊界向海岸方向移動,導致該區(qū)間潮灘面積減少．從圖8(a)可以看出,2014年西南部和北部潮灘下邊界的水邊線比2011年更靠近海岸,且形態(tài)發(fā)生了很大的改變,2011—2014年間大嶝島的-2～2 m區(qū)間潮灘面積以西南部和東部海域最為明顯(圖8)．可見人為活動對于大嶝島潮灘面積變化有非常重要的影響．

圖8 1996—2014年間大嶝島-2～+2 m區(qū)間 潮灘邊界變化 Fig.8Boundary changes of tidal flat between -2 m and 2 m in Dadeng island

4 結 論

利用長時序列衛(wèi)星遙感影像資料,結合遙感與GIS技術分析了1996年以來廈門大嶝島海岸線及潮灘變遷特征,主要結論如下:

1) 1996—2014年間,受養(yǎng)殖圍墾及機場建設等圍填海的影響,大嶝島的海岸線發(fā)生了很大的變化,尤其是其西南部和東部的岸線．岸線變化最為明顯的時期發(fā)生在2012年以后,大嶝島東部海岸線在圍填海造地建設新機場的過程中向海迅速擴張.

2) 1996—2011年間,大嶝島西南和南部潮灘以淤積為主,其平均淤漲速率分別為42和23 m/a,沉積速率分別為3.5和2.2 cm/a;且無論是年淤漲速率還是年沉積速率,2002—2011年間均明顯大于1996—2002年間．

3) 大嶝島-2～2 m區(qū)間潮灘面積在1996—2011年間增加了約16%,而在2011—2014年卻減少了約41%,并以西南部和東部的變化最為明顯．這些變化與人為活動以及潮灘的沉積過程密切相關,尤其受圍填海、清淤整治工程等人為活動的影響．

由于受到影像來源、分辨率、潮位等因素的影響,本研究的計算結果難免存在一定的偏差,未來將收集更多高分辨率的數(shù)據(jù)資料對大嶝島各分區(qū)的岸線及潮灘變遷進行更為深入的分析和討論．

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