1990—2017 年杭州灣大陸岸線時空變遷分析

王力彥，邢喆，侯辰，章任群，張苗苗，楊慧賢

（國家海洋信息中心，天津 300171）

大陸岸線是海陸相互交匯的界線，蘊藏著豐富的生物資源和景觀資源（嚴(yán)愷等，2002），其時空變遷對海岸帶的自然地理環(huán)境有重要指示作用，不但表現(xiàn)為岸線位置變遷和類型轉(zhuǎn)變，還會引起海岸帶灘涂資源的演化，對生物多樣性、濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)及近岸海洋環(huán)境產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響人類的生存環(huán)境（高義等，2013；楊磊等，2014）。大陸岸線信息提取與變化監(jiān)測對海岸資源管理、海岸環(huán)境保護(hù)、海岸可持續(xù)發(fā)展，以及合理規(guī)劃起到至關(guān)重要的作用（Li et al，2002）。改革開放以來，隨著中國沿海經(jīng)濟(jì)帶的不斷發(fā)展，中國大陸岸線在自然作用和人類活動的共同影響下發(fā)生了劇烈的變化。杭州灣位于我國沿海中部，長江三角洲南翼，是錢塘江河口區(qū)外海濱部分，外形呈喇叭狀，自海口向內(nèi)由寬變窄。其大陸岸線類型多樣，沿岸資源豐富。通過對杭州灣大陸岸線的變化監(jiān)測與成因分析，可以為大陸岸線的變遷規(guī)律研究提供借鑒和參考，對于沿海生態(tài)環(huán)境保護(hù)、資源開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展意義重大。

遙感具有宏觀、高時效、可重復(fù)觀測的優(yōu)點（彭修強(qiáng)等，2014；許寧等，2016），能夠快速準(zhǔn)確地提取杭州灣大陸岸線的變化信息，從而實現(xiàn)海岸動態(tài)實時監(jiān)測。楊金中等（2002）選用杭州灣20 世紀(jì)50—70 年代的航空攝影圖像和20 世紀(jì)70年代以來的MSS、TM、IRS 衛(wèi)星掃描資料，對杭州灣南北兩岸的岸線進(jìn)行了遙感調(diào)查，研究岸線變遷規(guī)律及影響因素，為杭州灣合理開發(fā)、管理和保護(hù)提供了依據(jù)。張華國等（2005）利用1986 年以來8 個時相的TM/ETM+遙感數(shù)據(jù)，調(diào)查杭州灣圍墾淤漲情況，發(fā)現(xiàn)杭州灣岸線變化主要是由人工圍墾和灘涂養(yǎng)殖引起。李建佳（2013）基于近30 年來的杭州灣地區(qū)遙感影像和兩岸的歷史變遷資料，系統(tǒng)分析了杭州灣兩岸岸灘沖淤的歷史和近期的演變規(guī)律。徐諒慧（2015）以1990、2000、2010 年的TM 遙感影像、野外實地考察數(shù)據(jù)、地圖及其他相關(guān)參考數(shù)據(jù)等為數(shù)據(jù)源，利用3S 等技術(shù)手段，對浙江省大陸岸線的時空演化特征、空間格局及圍填海格局進(jìn)行了分析評價。邵明明（2016）采用歷史資料和Landsat MSS、TM、ETM+遙感影像數(shù)據(jù)，分析了1962、1973、2005、2015 年4 個不同時期杭州灣海岸線的變化情況，研究近53 年岸線變遷對其內(nèi)部水動力過程的影響及作用機(jī)理。葉夢姚等（2017）以1990—2015 年6 期的TM/OLI 遙感影像為數(shù)據(jù)源，利用RS 和GIS 技術(shù)，分析了浙江省大陸岸線變遷及開發(fā)利用空間格局變化。張琳等（2017） 以1985、1995、2005 年TM 影像和2015年OLI 影像為數(shù)據(jù)源提取浙江省大陸岸線，分析了各期岸線長度、圍填面積和土地利用類型及分形維數(shù)的變化情況。這些研究均在一定程度上涉及了杭州灣大陸岸線變化情況分析，但是也存在一些問題。主要表現(xiàn)在：其一，研究采用數(shù)據(jù)以中等分辨率影像為主；其二，部分研究范圍為浙江全省，對杭州灣區(qū)域的分析較少；其三，部分研究受學(xué)科限制，分析方法相對單一。

本文以中、高分辨率遙感影像為數(shù)據(jù)源，分別提 取 杭 州 灣1990、2000、2005、2010、2014、2017 年6 個時期的大陸岸線，從岸線長度和岸線類型、岸線變化趨勢以及岸線變化區(qū)域類型3 個方面分析其時空變遷規(guī)律和形成原因，可以掌握20世紀(jì)90 年代以來海岸開發(fā)對杭州灣大陸岸線的影響，為未來海域合理使用與開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

圖1 杭州灣地理位置示意圖

杭州灣西起浙江省海鹽縣澉浦鎮(zhèn)和慈溪市之間的西三豐收閘斷面，與錢塘江水域為界；東至上海揚子角—寧波鎮(zhèn)海區(qū)連線，與舟山市、北侖區(qū)海域為鄰；南連寧波鎮(zhèn)海區(qū)，北接上海金山區(qū)（圖1）。其上游接入錢塘江，下游瀕臨東海，是比較典型的河口海灣。由于灣底的地貌地形和海灣的喇叭狀外形特征，使得這里經(jīng)常產(chǎn)生巨大海潮差，出現(xiàn)涌潮或是暴漲潮現(xiàn)象。在潮汐、風(fēng)浪等水動力作用下，杭州灣南、北兩岸長期受到侵蝕、淤積的作用，使其兩岸岸線、潮灘發(fā)生較大的演變（李亮，2015）。

1.2 數(shù)據(jù)源

研究收集了杭州灣1990、2000、2005、2010、2014、2017 年共6 個年份的遙感影像，數(shù)據(jù)見表1。一方面，隨著遙感技術(shù)的革新和新型傳感器的出現(xiàn)，遙感影像分辨率顯著提升；另一方面，所有衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)均為無云或少云遮擋，能夠清晰地辨認(rèn)大陸岸線所在的位置，有利于岸線的提取。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)列表

考慮到各時期遙感影像由于傳感器不同導(dǎo)致空間位置和分辨率存在差異，對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。以2005 年“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項”（簡稱“908 專項”）SPOT 5 影像數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，利用ENVI 軟件采用二次多項式和雙線性內(nèi)插重采樣法，對各期影像進(jìn)行幾何精校正和重采樣處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的遙感影像，用于岸線信息提?。翁鸬龋?016）。

2 大陸岸線提取方法

根據(jù)《我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項海岸線修測技術(shù)規(guī)程》 （國家海洋局908 專項辦公室，2007）相關(guān)內(nèi)容建立杭州灣大陸岸線遙感解譯標(biāo)志庫（表2），采用人機(jī)交互方式采集各時期大陸岸線。具體方法是以908 專項修測岸線和海域確權(quán)數(shù)據(jù)為參考，首先確定2005 年大陸岸線位置，然后在此基礎(chǔ)上依據(jù)遙感解譯標(biāo)志依次向前提取2000、1990 年大陸岸線，向后提取2010、2014、2017 年大陸岸線。為避免不同年份間主觀判斷不一致而造成的岸線變化干擾，僅對大陸岸線類型和空間位置發(fā)生變化的岸段進(jìn)行編輯。

表2 遙感解譯標(biāo)志

為了定量分析大陸岸線時空變遷的成因，在岸線的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對大陸岸線變化區(qū)域進(jìn)行分類提取。大陸岸線變化區(qū)域是指兩個不同年份的大陸岸線相互疊加，在岸線位置發(fā)生變化的地方圍成的面狀區(qū)域。大陸岸線變化區(qū)域分類體系見表3。

表3 大陸岸線變化區(qū)域類型

3 大陸岸線提取結(jié)果

分別提取杭州灣1990、2000、2005、2010、2014、2017 年6 個時期大陸岸線以及1990—2000年、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2014年、2014—2017 年間大陸岸線變化區(qū)域，并對大陸岸線變化區(qū)域進(jìn)行分類，結(jié)果如圖2—圖4 所示。

4 大陸岸線時空變遷分析

4.1 基于大陸岸線長度和類型的分析

針對不同年份大陸岸線提取結(jié)果，統(tǒng)計各年份大陸岸線總長度，分析岸線長度變化趨勢?；?08 專項岸線成果中自然岸線分布情況，結(jié)合遙感影像對2005、2010、2014、2017 年自然岸線分布情況進(jìn)行統(tǒng)計，同時結(jié)合岸線總長度統(tǒng)計結(jié)果，研究自然岸線保有率變化情況（表4）。值得注意的是，由于1990、2000 年影像分辨率較低，為了避免由于影像誤判造成的影響，暫不討論這兩個年份的自然岸線分布。

圖2 杭州灣大陸岸線提取結(jié)果

圖3 杭州灣大陸岸線變化區(qū)域提取結(jié)果

圖4 杭州灣大陸岸線變化區(qū)域分類結(jié)果

表4 大陸岸線長度和岸線類型變化統(tǒng)計（單位：km）

為了直觀地展示大陸岸線總長度及其類型構(gòu)成的變化趨勢，圖5 給出了2005 年以來大陸岸線類型權(quán)重分布統(tǒng)計結(jié)果。

圖5 大陸岸線類型權(quán)重分布統(tǒng)計圖

結(jié)合表4 和圖5 可以看出，1990—2017 年間，杭州灣大陸岸線總長度在1990—2000 年間有所減少，2000—2005 年間轉(zhuǎn)而增加并達(dá)到最大值，2005 年以后又呈現(xiàn)出明顯的遞減趨勢。其中，南段岸線的長度變化較之北段岸線波動較大。而2005—2014 年間自然岸線長度逐漸減少，相應(yīng)的自然岸線保有率也有明顯降低。2014—2017 年間，由于國家對自然岸線保護(hù)工作的重視，自然岸線長度沒有發(fā)生變化，大陸岸線總長度的減少造成自然岸線保有率微弱提升。

4.2 基于大陸岸線變化速率的分析

岸線變化速率是用于分析海岸變化過程和預(yù)測海岸變化趨勢的常用指標(biāo)。岸線變化速率分析是利用歷史岸線位置隨時間的變化計算岸線變化速率的方法。采用端點速率法（黎良財?shù)龋?015）定量分析杭州灣大陸岸線變化速率過程如下：

（1）根據(jù)大陸岸線數(shù)據(jù)生成大致平行于海岸的基線，保證各期岸線均位于基線的同一側(cè)。

（2）在基線上以等間距向大陸岸線作垂線，每一個垂線對應(yīng)一個編號，任意兩期岸線與垂線交點的距離，即為對應(yīng)時期岸線變化距離，從而可以定量地分析任一時期大陸岸線的變遷速率。

所謂的端點速率法就是基于基線，計算兩期大陸岸線在垂線上的距離與對應(yīng)時期的時間間隔之間的比值，計算公式如下：

式中：EPRm（i，j）為i、j 兩個時相大陸岸線在m 條基線上的變化速率，Dmj、Dmi分別為i、j 兩個時相大陸岸線在第m 條垂線的交點至基線的距離，T 為i、j 兩個時相的時間間隔。

本文采用端點速率法定量分析1990—2000、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2014 年和2014—2017 年杭州灣大陸岸線變化速率，結(jié)果見表5。

表5 大陸岸線變化速率統(tǒng)計（單位：m·a-1）

結(jié)合大陸岸線提取結(jié)果和變化速率統(tǒng)計結(jié)果可以看出，1990—2017 年期間杭州灣大陸岸線整體以較快的速率向海一側(cè)推進(jìn)。其中，以2000—2005 年和2005—2010 年推進(jìn)速率最快，2014—2017 年推進(jìn)幅度明顯減弱。以河口為界，北段岸線向海推進(jìn)幅度較緩，以海寧市和海鹽縣交界附近區(qū)域推進(jìn)幅度最大。南段岸線則普遍以較大的幅度向海推進(jìn)，岸線平直、整齊，說明人類活動是促使岸線向海推進(jìn)的主要原因，且南岸人類活動較之北岸更加劇烈。

4.3 基于大陸岸線變化區(qū)域類型的分析

大陸岸線變化區(qū)域類型分析是通過對不同時相間大陸岸線變化區(qū)域進(jìn)行分類統(tǒng)計以定量分析造成岸線變化的原因。其過程如下。

（1）將相鄰年份的岸線進(jìn)行疊加，然后由線轉(zhuǎn)成面，在生成的面文件中，岸線重疊的位置為空，岸線發(fā)生變化的部分構(gòu)成變化區(qū)域。

（2）對生成的岸線變化區(qū)域進(jìn)行面積統(tǒng)計，設(shè)定閾值，對不具有統(tǒng)計意義的圖斑予以舍棄。

（3）對b 中得到的岸線變化區(qū)域進(jìn)行分類，分別統(tǒng)計各類型變化區(qū)域的變化面積（表6）。

可以看出，雖然4 個階段大陸岸線變化區(qū)域圍成的總面積逐漸減少，但是平均每年的變化強(qiáng)度卻有顯著的不同。其中，2000—2005 年變化最為劇烈，2005—2010 年次之，2010—2014 年和1990—2000 年變化強(qiáng)度一般，2014—2017 年變化最為緩慢。

此外，為了更加直觀地分析造成1990—2000年、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2014 年、2014—2017 年間大陸岸線變化的原因，圖6 展示了各階段大陸岸線變化區(qū)域的類型分布。由于退陸還海變化區(qū)域面積極小，在圖中未予顯示?？梢钥闯觯詈Ｔ斓卦诖箨懓毒€變化區(qū)域類型權(quán)重分布中占比高達(dá)57.88%～94.74%，是造成杭州灣大陸岸線變化的最重要影響因素。其次是圍海工程，其在1990—2014 年大陸岸線變化區(qū)域類型權(quán)重分布中占比達(dá)5.26%～35.76%，在2014—2017 年間占比更是高達(dá)100%。河口變化造成的大陸岸線變化相對較少，即使在其權(quán)重分布占比最高的1990—2000 年，也僅占6.36%。

表6 大陸岸線變化區(qū)域類型統(tǒng)計（單位：km2）

5 結(jié)束語

本文針對杭州灣1990、2000、2005、2010、2014、2017 年大陸岸線提取結(jié)果展開研究，通過對岸線長度和岸線類型、岸線變化速率以及岸線變化區(qū)域類型等3 方面的分析，探討1990—2017 年期間杭州灣大陸岸線的時空變遷規(guī)律和形成原因，得出了以下結(jié)論。

（1）杭州灣大陸岸線總長度在1990—2005 年間存在一定的波動，2005 年達(dá)到最大值，之后至2017 年表現(xiàn)出明顯的遞減趨勢；自然岸線整體呈遞減趨勢發(fā)展，相應(yīng)的自然岸線保有率也逐漸下降。

（2）20 世紀(jì)90 年代以來，杭州灣大陸岸線整體向海一側(cè)推進(jìn)。一方面，南岸岸線推進(jìn)幅度比北岸明顯得多；另一方面，平直、整齊的南岸岸線，說明人類活動是促使岸線向海推進(jìn)的主要原因。

（3）圍填海等工程建設(shè)是造成杭州灣大陸岸線變遷的主要影響因素。特別是2000—2010 年間，大陸岸線變化強(qiáng)度的劇增，是圍填海工程建設(shè)不斷加強(qiáng)的直接后果。

（4）隨著2017 年《海岸線保護(hù)與利用管理辦法》的頒布，國家對圍填海工程的管控和對海岸線保護(hù)與利用管理的加強(qiáng)，可以有效控制杭州灣大陸岸線的變化趨勢，促使科學(xué)合理的海岸帶格局的形成。