湄公河三角洲地區(qū)海岸線遙感時空變化分析

馬字偉,陳博偉,張 麗,畢京鵬,羅正宇,袁 鑫

(1.桂林理工大學 a.測繪地理信息學院; b.廣西空間信息與測繪重點實驗室, 廣西 桂林 541006;2.中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所 數(shù)字地球重點實驗室, 北京 100094; 3.三亞中科遙感研究所， 海南 三亞 572029;4.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應用中心, 北京 100094)

0 引 言

海岸線處于海洋與陸地的交匯處,不僅是平均大潮高潮時的海陸分界線,還載負著豐富的環(huán)境信息,對海平面升降、新構(gòu)造運動、沿海灘涂、濕地生態(tài)系統(tǒng)及近岸海洋環(huán)境等有著重要的指示意義[1]。受全球及海岸帶區(qū)域環(huán)境過程與人類活動的綜合影響,全球海岸線表現(xiàn)出受侵蝕加劇與向海劇烈擴張并存的特征[2-3]。全球范圍內(nèi)超過24%的海灘正以大于0.5 m/a的速度發(fā)生侵蝕,超過28%的沙灘在向海洋擴張,且海洋保護區(qū)的大部分砂質(zhì)岸線正在受到侵蝕[4]。高效精確地進行岸線變化監(jiān)測對于海洋資源管理、沿海陸地區(qū)域規(guī)劃以及海洋資源可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。傳統(tǒng)海岸線監(jiān)測通常采用人工實地勘測,費時費力,且效率低下。遙感技術(shù)可通過對地觀測衛(wèi)星攜帶的各種傳感器對地表景觀進行快速準確地識別與監(jiān)測。利用遙感技術(shù)對海岸線監(jiān)測具有高效、費用低等特點。

湄公河三角洲地區(qū)作為東南亞的糧倉,跨越南、柬埔寨等國家,擁有近2 000萬人口,是一個非常重要的農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)綜合地區(qū)。地理優(yōu)勢使得周邊國家對三角洲地區(qū)的開發(fā)利用日益加劇,近年來,沿河流域國家對三角洲的過度開發(fā)嚴重破壞了湄公河三角洲生態(tài)的穩(wěn)定性,關(guān)于三角洲岸線侵蝕已經(jīng)成為熱點研究問題。目前,對海岸線的變化監(jiān)測主要利用多時相的遙感影像：彭遠新等[5]選取1973—2017年6個時相的Landsat影像, 通過面向?qū)ο蠓诸惡腿藱C交互目視解譯法, 對萊州灣南岸中段的海岸線動態(tài)變化作了研究; 黎良財?shù)萚6]提取北部灣水邊線后進行潮位改正， 獲取了多時序的海岸線, 并對各時期的海岸線時空分布、 變遷速率進行分析, 探討了海岸線動態(tài)變遷的驅(qū)動因素; Bagheri等[7]利用數(shù)字岸線分析系統(tǒng)對土耳其北部三角洲岸線進行了研究。針對湄公河三角洲地區(qū),Kondolf等[8]研究了湄公河筑壩工程對湄公河三角洲地貌的影響;Erban等[9]利用測井以及干涉合成孔徑雷達(InSAR)影像對地下水開采引起的湄公河三角洲地區(qū)地面沉降作了研究; Phan等[10]以1989年為時間節(jié)點研究了1965—2002年湄公河三角洲沿海紅樹林退化與岸線侵蝕情況，研究表明大片紅樹林可以削減海浪對海岸的沖擊作用,在岸線保護中扮演著重要的角色。20世紀90年代初,由于建筑用材和取火用材,以及將林地轉(zhuǎn)變?yōu)樯?水產(chǎn)-漁業(yè)耕作系統(tǒng)(silvo-aquaculture-fisheries farming systems,SAFS),紅樹林遭到嚴重破壞，Christensen等[11]對紅樹林恢復以及管理規(guī)劃作了相關(guān)研究?？傮w而言,利用遙感技術(shù)系統(tǒng)性地針對于湄公河三角洲地區(qū)岸線侵蝕與擴張的研究仍然非常匱乏。

基于以上研究背景和相關(guān)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀, 本文利用遙感技術(shù)獲取了湄公河三角洲1990—2018年間的8期長時間序列岸線分布圖, 并基于數(shù)字岸線分析系統(tǒng)(digital shoreline analysis system, DSAS), 針對三角洲地區(qū)的岸線時空分布特征以及海岸開發(fā)利用情況, 以越南行政省邊界為區(qū)域劃分依據(jù)，從岸線結(jié)構(gòu)、 岸線分形、 岸線變化速率、 陸海格局等角度出發(fā), 對湄公河三角洲沿海地區(qū)分區(qū)域分析, 并探討了湄公河三角洲岸線的時空變化特征。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

湄公河三角洲地區(qū)具體位置如圖1所示。湄公河發(fā)源于中國唐古拉山的東北坡,在中國境內(nèi)叫瀾滄江，流入中南半島后的河段稱為湄公河，流經(jīng)中國、緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南,于越南胡志明市流入南海。河流流經(jīng)柬埔寨首都金邊后分成兩條河,在越南境內(nèi)稱為前江和后江,后江南部為金甌半島,半島西側(cè)海灘長滿了熱帶特有的紅樹林。前江和后江之間是平坦肥沃的平原,河渠密如蜘網(wǎng)。前江西北為同塔梅平原。湄公河下游及其9條叉道流入南海時所形成的沖積平原,稱為湄公河三角洲,這里聚集了越南南部60%～70%的農(nóng)業(yè)人口,是著名的稻米生產(chǎn)地。湄公河三角洲因其得天獨厚的地理位置以及肥沃的資源,使得三角洲流域居民加大了對三角洲地區(qū)的開發(fā)利用,如修筑堤壩、河床采砂、伐林養(yǎng)殖等。這些人為活動使得湄公河三角洲岸線逐漸受到侵蝕,加劇了三角洲的生態(tài)脆弱性。

圖1 研究區(qū)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)源及預處理

本文數(shù)據(jù)源主要包括遙感數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù), 其中遙感數(shù)據(jù)為Landsat TM/OLI(https://earthexplorer.usgs.gov/), 數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m。根據(jù)湄公河地區(qū)潮汐特點, 選擇受潮汐波動影響較小的時間段的影像進行岸線信息提取。因影像質(zhì)量以及影像缺失,若某一期沒有滿足要求的影像時,則從該期前一年影像中選取合適的影像,最終下載滿足要求的影像共計32景, 具體的影像信息。見表1。輔助數(shù)據(jù)主要包括越南行政區(qū)劃圖(global administrative areas,GADM), 數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)和當?shù)氐纳鐣宋馁Y料等數(shù)據(jù)。

遙感數(shù)據(jù)的預處理主要在ENVI軟件中進行。因研究區(qū)由四景影像覆蓋,首先在ENVI 5.1 Toolbox

表1 Landsat數(shù)據(jù)

工具箱中加載下載處理好的遙感影像,采用圖像無縫鑲嵌工具Seamless Mosaic,通過調(diào)整影像疊置順序來預覽鑲嵌效果,隨后采用直方圖匹配(histogram matching)方法進行勻色處理并采用自動繪制接邊線(auto generate seamlines)方法消除拼接接縫； 將研究區(qū)邊界矢量在ENVI中將矢量文件轉(zhuǎn)為ROI文件對遙感影像進行裁剪； 最后對遙感影像進行幾何精校正, 通過Google Earth上選取的控制點,最終實現(xiàn)校正誤差控制在0.5像元內(nèi)。

2 研究方法

技術(shù)流程如圖2所示, 首先進行遙感影像的預處理; 之后根據(jù)有關(guān)文獻資料和遙感影像特征建立岸線類型解譯標志, 并在此基礎(chǔ)上結(jié)合相關(guān)輔助數(shù)據(jù)通過人機交互, 判讀獲取8期岸線分布與類型信息; 基于DSAS系統(tǒng)進行岸線時空變化分析。 其中岸線空間變化特征重點分析了岸線長度和類型的變化情況; 岸線時序變化特征主要包括岸線變化速率、 分形特征及陸海格局。

2.1 岸線分類體系

海洋與陸地分界線具有瞬時性與動態(tài)性等特征, 實際應用中常采用指示海岸線, 主要包括平均高潮線、 干濕分界線、 植被線、 雜物線等[12]。 國際上,繪制地形圖以及其他研究應用中多采用平均高潮線作為海陸邊界指示線[3]。在國內(nèi),《海道測量規(guī)范》(GB 12327—1998)、《中國海圖圖式》(GB 12319—1998)和《國家基本比例尺地圖圖式第1部分： 1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖圖式》(GB/T 20257.1—2007)等國家標準中將平均大潮高潮的痕跡線作為水陸分界線。 結(jié)合眾多學者對于海岸線的研究成果[13-17],本文也采用平均高潮線作為海陸分界指示線,對岸線位置及類型信息進行提取。不同地區(qū)地理環(huán)境存在差異,根據(jù)研究區(qū)地貌特征將岸線類型主要分為4種進行信息提取(表2)。結(jié)合建立的解譯標志采取人機交互方法對海岸線信息進行提取,獲取岸線的位置及類型信息。

圖2 技術(shù)流程

2.2 岸線變化評價模型

2.2.1 岸線變化速率特征評價模型 計算分析歷史時期的岸線變化速率, 可以清晰地看到某一地區(qū)長時間序列范圍內(nèi)岸線時空變化特征, 以便明確識別岸線侵蝕段、岸線淤積段,這是研究岸線變化的可靠手段。在進行岸線變化速率特征評價時采用岸線終點變化速率(end point rate,EPR)進行評價分析。以多時相的海岸線數(shù)據(jù)為基準,在近海一側(cè),生成一條與海岸線形態(tài)結(jié)構(gòu)擬合的基準岸線,根據(jù)研究區(qū)范圍,在基準線上以500 m的采樣間距生成1 139條斷面線(transect),分別選取相鄰的兩期岸線,利用DSAS系統(tǒng)對1 139個斷面線進行計算。岸線終點變化速率[18]

(1)

式中:Ei,j是兩期岸線間沿某條切線t的岸線終點變化速率;Dj為沿切線t第j期海岸線到基線的距離;Di為沿切線t第i期海岸線到基線的距離; ΔYj,i為沿切線t第j期與第i期海岸線年份數(shù)的差值。

2.2.2 海岸線分形特征評價模型 海岸線的分形特征是對海岸線的形態(tài)結(jié)構(gòu)、彎曲程度等固有特征的反映,一般情況下,線狀目標的分形維數(shù)在1～2,直線為1。計算線體的分維有兩種方法:量規(guī)法和網(wǎng)格法[19]。網(wǎng)格法既可以分析連續(xù)的線體,也可以分析間斷的線體;既可以分析單條線體,也可以分析多條線體。本文采用網(wǎng)格法實現(xiàn)8期海岸線分形維數(shù)的特征計算,算法的基本原理是:使用不同長度的正方形網(wǎng)格連續(xù)且不重疊的覆蓋被測的線狀信息,當網(wǎng)格長度r發(fā)生變化,則覆蓋線狀信息所需要的網(wǎng)格數(shù)N(r)也會發(fā)生變化,根據(jù)分形維數(shù)理論可得出關(guān)系

N(r)∝r-D,

(2)

對該式兩邊同取對數(shù)可得

lnN(r)=-Dlnr+C,

(3)

式中:C為待定常數(shù);D為被測海岸線的分形維數(shù)。

根據(jù)研究區(qū)的范圍,選取120、 150、 180、 210、 240、 270、 300、 330、 360、 390、 420和450 m共計12種網(wǎng)格長度指標作為覆蓋海岸線網(wǎng)格的長度。 通過網(wǎng)格長度r與網(wǎng)格數(shù)目N(r)可得出二者之間的雙對數(shù)散點圖, 根據(jù)式(3)利用最小二乘法進行線性回歸分析, 得到海岸線分形維數(shù)。

2.2.3 陸海格局變化特征 海岸侵蝕、河口淤積和圍填海以及采砂筑壩等工程導致區(qū)域尺度海岸線的變化,進而引起宏觀尺度陸海格局的變化。不同時期大陸海岸線位置變化可以揭示岸線變遷的方向特征;兩期海岸線所包圍的空間區(qū)域可以反映陸海變遷的規(guī)模特征;對比起、止兩期的岸線空間位置可以反映陸進海退或陸退海進的變化特征;對比不同時期岸線類型屬性,可以分析陸海格局變遷的驅(qū)動因素。

統(tǒng)計了越南沿岸7個行政區(qū)近30年間湄公河三角洲陸海分布格局的動態(tài)變化特征。以1990年海岸線長度為參考,用“陸地面積增長指數(shù)”表征單位長度岸線的陸地面積增長量,來分析不同地區(qū)海岸侵蝕與擴張的強度特征：

(4)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 湄公河三角洲地區(qū)岸線結(jié)構(gòu)變化特征

湄公河三角洲1990—2018年海岸線長度的變化情況如圖3所示。

圖3 1990—2018年湄公河地區(qū)海岸線長度變化

整體上岸線總長度呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢, 其中2002年前后為海岸線長度變化的轉(zhuǎn)折點。 1990—2002年岸線長度共計減小49.67 km, 減少幅度為 3.6%, 平均年變化速率為4.14 km/a。 2002—2018年岸線長度總體上呈增加趨勢, 共計增加18.27 km, 增加幅度為1.4%, 平均年變化速率為1.14 km/a, 總體增加趨勢比較平緩。 值得注意的是, 1994—1998年岸線長度變化發(fā)生了一次短暫逆轉(zhuǎn), 由1994年的1 351.97 km增加到1998年的1 353.57 km, 共計增加1.6 km, 增加幅度為0.1%。

圖4展示了1990—2018年湄公河三角洲海岸線類型變化情況, 4種岸線變化存在明顯差異。 人工岸線基本處于持續(xù)增長狀態(tài), 1990年人工岸線長度為53.19 km, 2018年人工岸線增長到142.95 km, 共計增長89.76 km, 增長幅度為168.75%。 其中1994—1998年、 2006—2010年是人工岸線猛增的兩個階段, 2006—2010年岸線增長幅度最大, 增長幅度為128.78%; 其次為1994—1998年,增長幅度為41.80%，其主要的原因是金甌半島西側(cè)海灘附近居民砍伐紅樹林、圍塘養(yǎng)殖,使自然岸線向人工岸線發(fā)生了轉(zhuǎn)變(圖5)。

與此同時, 生物質(zhì)岸線也呈現(xiàn)增長趨勢, 1990—2018年共計增長35.98 km, 增長幅度為10.75%, 其中2002—2006年增長18.94 km, 增幅較來的長度且有所增長, 達到了374.43 km。長期以來越南的紅樹林受到水產(chǎn)養(yǎng)殖、伐木、海平面上升和筑壩造成的泥沙截留等綜合因素的影響，漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖對當?shù)亟?jīng)濟至關(guān)重要,該國82%的海產(chǎn)品來自近岸地區(qū),不受控制的水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展導致越南紅樹林面積的損失[20]。為回應紅樹林的損失,越南已實施多項修復及重建計劃,如 “未來紅樹林”(MFF)項目等[21],恢復工作取得了不同程度的成功。大。 但在2010年左右生物質(zhì)岸線長度發(fā)生了巨大的變化, 2006—2010年, 生物質(zhì)岸線長度由370.93 km驟減為327.56 km; 2010—2014年, 岸線又恢復到原淤泥質(zhì)岸線則呈相反趨勢——持續(xù)減少, 1990—2018年共計減少142.93 km，主要發(fā)生在1990—1994年、1998—2002年、2010—2014年3個階段,依次減少28.82、36.59、51.81 km,其中2010—2014年減少幅度為12.29%,達到最大。2014—2018年淤泥質(zhì)岸線長度基本保持不變。河口岸線從1990—2018年近30年間基本保持穩(wěn)定。

圖4 1990—2018年湄公河三角洲海岸線類型變化統(tǒng)計

圖5 圍塘養(yǎng)殖

3.2 湄公河三角洲地區(qū)岸線變化速率特征

圖6為相鄰兩期以及1990—2018年的平均變化速率,其中紅色區(qū)域為嚴重侵蝕區(qū)域,侵蝕速率最高可達到每年上百米左右;藍色部分為岸線劇烈擴張區(qū)域,主要發(fā)生在河口位置;黃色位置為岸線無明顯變化區(qū)域。

從圖6和圖7可以看出, 湄公河三角洲地區(qū)在近30年間整體上呈現(xiàn)岸線向海推進的態(tài)勢。1990—2018年間湄公河三角洲海岸線向海以0.04 m/a的速率向海推進,其中1998—2002年岸線向海推進強度最大,達到7.38 m/a，其次是2014—2018年,岸線向海推進速率為3.43 m/a。如圖8所示, 主要分布在越南(三角洲南部)的沿海省份如薄遼省、朔莊省和茶榮省以及入?？诘奈恢?。圖7(其中生成的1 139條斷面按省域劃分)進一步展示了湄公河三角洲沿岸各省份海岸線終點變化速率強度的對比情況,薄遼省是整個湄公河三角洲地區(qū)岸線向海擴張強度最大的區(qū)域,主要發(fā)生在1990—2002年,其中1990—1994年擴張速率最大,達到了38.42 m/a。朔莊省和茶榮省沿海地區(qū),岸線始終向海擴張,總體變化幅度不大。朔莊省沿海地區(qū)在1998—2002年和2014—2018年擴張速率達到了兩個峰值,依次為22.83和32.48 m/a,其主要原因是河口位置泥沙淤積。

圖6 湄公河三角洲海岸線終點變化速率的強度分布特征

圖7 湄公河三角洲沿岸各省份海岸線終點變化速率強度對比

岸線侵蝕主要發(fā)生在2002—2014年,2010—2014年間岸線侵蝕強度最大,為6.76 m/a,其次為2002—2006年,岸線侵蝕速率為5.99 m/a; 2006—2010年,岸線侵蝕強度最小。岸線侵蝕主要分布在金甌省沿海地區(qū),除1998—2002年外,該地區(qū)岸線一直處于侵蝕態(tài)勢,且主要集中在金甌省南部地區(qū)。2002—2006年金甌省侵蝕速率達到16.96 m/a,成為該階段湄公河三角洲區(qū)域變化最劇烈的地區(qū)，主要是因為農(nóng)業(yè)種植,水產(chǎn)養(yǎng)殖、城市化的發(fā)展,使該地區(qū)紅樹林大規(guī)模的砍伐。紅樹林有消浪減災、保護岸堤、沉淤造陸的功能,對海岸帶有極大的保護作用。因紅樹林被大面積的圍塘養(yǎng)殖以及水稻種植所替代,海岸缺少天然的屏障保護,從而使得沿海岸堤受到嚴重的侵蝕。

3.3 湄公河三角洲地區(qū)海岸線分形特征分析

為進一步探討湄公河三角洲地區(qū)海岸線的分形特征,圖9為8期海岸線擬合得到的分形維數(shù),分別為1.046 0、1.027 4、1.024 5、1.016 1、1.011 8、1.010 0、1.011 5、1.012 2,整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,浮動范圍在1.01～1.05。

1990—2010年整體海岸線的分形維數(shù)持續(xù)減小, 表示海岸線的整體復雜度和曲折度降低。 2010年以后, 岸線分形維數(shù)有所增長, 表示海岸線的整體復雜度和曲折度增加。 金甌省西側(cè)海灘地區(qū)集中了較多的生物質(zhì)岸線、 淤泥質(zhì)岸線, 如金甌岬的紅樹林分布區(qū)域, 受人工干預和改造的可能性較大, 2011年以前,因?qū)ξr養(yǎng)殖, 紅樹林占地轉(zhuǎn)化為養(yǎng)殖塘, 導致岸線規(guī)整化, 拐點減少; 2011年以后, 紅樹林自然恢復以及紅樹林人工種植等保護措施實行[22], 生物質(zhì)岸線增加, 岸線曲折度與復雜度增加。 因此研究區(qū)整體岸線的分形維數(shù)呈先降低后逐步上升的趨勢,但變化幅度不大。

圖8 河口淤積

圖9 研究區(qū)海岸線擬合分形維數(shù)

3.4 湄公河三角洲地區(qū)陸海格局變化特征

如圖10、 11所示, 湄公河三角洲近30年間陸海分布格局的變化特征比較復雜, 存在顯著的陸進海退和陸退海進現(xiàn)象, 部分地區(qū)沿海陸地面積減少, 但整個三角洲沿海地區(qū)陸地面積顯著增加,沿海陸地面積凈增加約28.55 km2。

檳椥省地區(qū)是沿海陸地面積凈增加最顯著的區(qū)域,占整個三角洲面積凈增量的71.66%;金甌省地區(qū)是沿海陸地面積凈減少最劇烈的區(qū)域,占整個三角洲面積凈增量的-71.03%。朔莊省地區(qū)雖然面積凈變化量在減少,但是程度不大,僅為-2.95 km2。陸地面積增長指數(shù)最高的區(qū)域是薄遼省地區(qū),陸地面積增長指數(shù)為0.2 km2/km;金甌省和朔莊省兩個地區(qū)的陸地面積增長指數(shù)均為負值,意味著這兩個區(qū)域的陸海格局變化特征為陸退海進。三角洲的西南地區(qū)屬于易于壓縮的沼澤和泥地,易發(fā)生沉降,且沉降率相對較高,超過1.5 cm/a[23],位于三角洲西南的金甌省地區(qū)尤為明顯。圖12進一步展示了自1990年以來金甌省南部地區(qū)岸線侵蝕情況,可以看出該地區(qū)近30年來岸線一直處于受侵蝕狀態(tài),其變化特征與本文的岸線變遷特征相吻合。

圖10 海洋-陸地凈變化情況

圖11 陸地面積增長指數(shù)

4 結(jié) 論

本文基于湄公河三角洲地區(qū)1990—2018年共8期遙感影像, 全面系統(tǒng)地分析了近30年間湄公河三角洲岸線的時空變化,相關(guān)結(jié)果表明:

圖12 金甌省南部地區(qū)岸線侵蝕情況(背景影像 Landsat OLI, 成像時間 2018-04-17)

(1)1990—2018年湄公河三角洲岸線整體呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢,同時人工岸線增長明顯,自然岸線中生物質(zhì)岸線和淤泥質(zhì)岸線相互轉(zhuǎn)化;

(2)在三角洲西南部(金甌省南部)地區(qū)岸線侵蝕嚴重,沿岸陸地面積減少,而在三角洲東南部(檳椥省)地區(qū)陸地向海推進明顯,沿岸陸地面積增加較大;

(3)總體上整個三角洲地區(qū)沿岸陸地面積凈增加了約28.55 km2,其中檳椥省地區(qū)是沿海陸地面積凈增加最顯著的區(qū)域,金甌省地區(qū)是沿海陸地面積凈減少最劇烈的區(qū)域。

本文的研究結(jié)果可以輔助相關(guān)組織或部門結(jié)合區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展情況,制定科學合理的區(qū)域發(fā)展規(guī)劃。例如,對于三角洲西南部金甌省的紅樹林生長區(qū),采取必要的措施予以保護或種植,建立生態(tài)保護區(qū);對于金甌省南部岸線持續(xù)侵蝕的區(qū)域進行補砂或者修建防護堤,減少或限制近岸采砂;對于河流中上游合理規(guī)劃筑壩等。