30 a 以來雷州半島大陸岸線時空演變的遙感估算

王瑤斌，魏永亮，付東洋，劉大召

（1.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306；2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（湛江）南海資源大數(shù)據(jù)中心，廣東 湛江 524088）

海岸帶是水陸交界的分界線，擁有豐富資源和條件，是人類活動最為頻繁的區(qū)域之一，適宜人類開發(fā)和利用。在海水侵蝕、潮汐等自然因素和圍墾養(yǎng)殖、填海造地等人為因素共同作用下，海岸線時刻發(fā)生變化。海岸線的變化影響著潮間帶資源分布和生態(tài)環(huán)境，因此研究岸線變遷對于岸線的保護(hù)和管理具有重要意義。

傳統(tǒng)海岸線研究如使用調(diào)查船、浮標(biāo)、觀測站臺等方式，消耗大量人力物力和財力，且難以獲取長時間序列的數(shù)據(jù)，未能反映岸線動態(tài)變化[1]。遙感技術(shù)具有大尺度、全天候、同步、實時動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢，相比與傳統(tǒng)方法，節(jié)省大量時間和精力，精度大大提高，已成為許多學(xué)者研究岸線變化的主要手段。WHITE K 等[2]以尼羅河三角洲為研究區(qū)，利用Landsat TM 遙感影像獲取1984—1991 年海岸線，完成岸線動態(tài)監(jiān)測；KARKI R 等[3]利用GIS（Geographic Information System）研究了拉丁美洲岸線變化情況；ZAGORSKI P 等[4]研究了2007—2017 年北極地區(qū)海岸線形態(tài)動力學(xué)過程；目前，我國學(xué)者對華南地區(qū)海岸線研究主要集中在珠江三角洲，牛明香等[5]運用GIS 技術(shù)研究了黃河三角洲東營岸線變遷情況；馬萬棟等[6]利用Landsat TM 影像，借助電子海圖等輔助數(shù)據(jù)提取廣西海岸線，并進(jìn)行了時空變化分析；朱俊鳳等[7]利用TM、ETM、ALOS 等多源多時相遙感數(shù)據(jù)對珠江三角洲岸線演變分析；陳金月[8]運用Landsat 影像和地圖輔助數(shù)據(jù)，完成了1978—2015 年6 期珠江三角洲海岸線變遷系統(tǒng)研究；劉旭攏等[9]利用遙感技術(shù)提取珠江河口區(qū)1973—2015 年8 期的海岸線數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析岸線演化特征；朱小鴿[10]運用多時相Landsat 影像研究了珠江口海岸線變化過程；李團(tuán)結(jié)等[11]利用TM 影像和資源衛(wèi)星影像研究了雷州半島海岸侵蝕情況；于杰等[12]利用Landsat 衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取汕頭灣、大亞灣、湛江灣近十年間海岸線并進(jìn)行定性分析。

諸多學(xué)者運用多源遙感數(shù)據(jù)和遙感技術(shù)，對我國的三角洲海岸線變化進(jìn)行詳細(xì)研究，但是對于雷州半島大陸岸線類型分類和時序變化分析尚未有詳細(xì)的分析。本文采用遙感及GIS 技術(shù)，綜合考慮自然地貌及人文特征，分析30 a 以來雷州半島大陸海岸線變遷情況及變化原因，為該地區(qū)海岸帶可持續(xù)利用、管理提供科學(xué)有效的決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

雷州半島是中國三大半島之一，與山東半島、遼東半島合稱為中國三大半島。地處中國大陸最南端，東臨南海，西瀕北部灣，南隔著瓊州海峽與海南島相望。本文所研究區(qū)域位于20°10′N—21°40′N，109°40′E—110°00′E，鄰接大陸自北向南依次為廉江市、吳川市、遂溪縣、雷州市、徐聞縣，以及湛江市轄區(qū)的赤坎區(qū)、霞山區(qū)、麻章區(qū)、坡頭區(qū)。雷州半島地形起伏平緩，主要以臺地、平原為主。半島岸線曲折狹長，港灣眾多。主要港灣有湛江港、雷州灣等，半島東岸海域大約有30 多個島嶼，半島屬熱帶季風(fēng)性氣候，年平均年氣溫在22 ℃以上[13]。年降水量約為1 500 mm，雨季多集中于5—10 月，降水豐富。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文收集了1987、1994、2000、2005、2010、2015 和2020 年的Landsat TM/OLI Level 1T（L1T）系列影像，綜合考慮影像的采集時間和遙感影像質(zhì)量問題，比如盡量保持時間一致和云覆蓋量少于10%，具體影像參數(shù)見表1。數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)勘探局（United States Gedogical Survey，USGS） 網(wǎng)站（http://glovis.usgs.gov/）。

表1 Landsat TM/OLI 遙感影像參數(shù)

由于衛(wèi)星遙感影像在成像過程中，容易受到傳感器、天氣、地形等因素的影響，且會隨著時間的不同而有所差異，影像的質(zhì)量降低。因此提高影像的光譜信息，方便地物的識別、提取及分析。本研究先對影像進(jìn)行預(yù)處理，主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像鑲嵌、裁剪等工作，再對預(yù)處理后的TM 影像采用4、3、2 假彩色波段、OLI 影像采用5、4、3 波段等波段組合方式，以提高影像的分辨力，增強解譯的效果，便于海岸線信息的提取。

2 研究方法

2.1 海岸線解譯標(biāo)志

本文根據(jù)孫偉富等[14]的研究成果，參照《海島海岸帶衛(wèi)星遙感調(diào)查技術(shù)規(guī)程》[15]相關(guān)技術(shù)方案，結(jié)合研究區(qū)地形地貌特征及人類活動等特點，將研究區(qū)海岸線類型分為2 大類、7 小類，建立雷州半島海岸線的判讀解譯標(biāo)志，如表2 所示。

表2 海岸線解譯標(biāo)志及確定原則

2.2 海岸線提取方法

由于潮汐作用等因素的影響，海面漲落不定，海岸線的位置也隨之變化，從遙感影像獲取的水陸交界線并不是真正意義的海岸線，即為瞬時水邊線。真正的海岸線需要基于水邊線的潮汐訂正，但潮汐數(shù)據(jù)較難獲取，故本文所研究雷州半島大陸岸線，即海岸帶。通過利用改進(jìn)后的歸一化水體指數(shù)和Sobel 邊緣檢測算法[16]二者結(jié)合初步提取雷州半島7 個時相遙感影像的海岸線。改進(jìn)后歸一化水體指數(shù)能夠很好區(qū)分水體與建筑物，可用提取海岸線[17]，公式如下。

式中，MNDWI 表示改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)；Green 表示綠光波段、MIR 表示中紅外波段，在Landsat4/5 TM 影像中對應(yīng)2、5 波段，Landsat8 OLI影像中對應(yīng)3、6 波段。

Sobel 算子是一階微分算子，其原理是采用相鄰區(qū)域像素的梯度值計算1 個像素的梯度[18-19]，公式如下。

式中，dx、dy 分別代表像素鄰近區(qū)域x、y 方向的梯度值。該算子是兩組3×3 矩陣，包含橫向和縱向，稱為卷積核，兩個卷積核與圖像作平面卷積，從而得到橫向與縱向的亮度差分近似值。根據(jù)張賀等[20]研究成果，Sobel 算子在邊緣提取上效果較其他邊緣檢測算子好，檢測的圖像邊緣清晰，提取的岸線精度高。

本文利用表2 的解譯原則對雷州半島7 個時相初步提取的海岸線進(jìn)行修正工作，為保證相鄰研究時期數(shù)據(jù)的一致性，首先對2010 年岸線進(jìn)行修正，之后參照此岸線完成其他6 個時相的岸線修正工作。

2.3 岸線變遷研究方法

2.3.1 基線法

本文利用數(shù)字化海岸線分析系統(tǒng)（Digital Shoreline Analysis System，DSAS）分析海岸線時空變率。主要原理：首先劃定基線，基線的位置大致與海岸線平行，然后生成基線與海岸線相切的切線序列“Transect（i）”，產(chǎn)生的交點與海岸線的距離可求得海岸線變化距離，分析原理如圖1。

圖1 DSAS 原理圖

端點變率法（End Point Rate，EPR）是用基于兩個時期海岸線位置移動的距離除以時間間隔來計算海岸線端點變化速率，公式如下[21-22]。

式中，EPR(i，j)表示剖面線與第i、第j 條岸線的端點變率；di、dj則表示為剖面線與第i、第j 條海岸線相交的交點至基線的距離；ΔY(j，i)為i 時相與j 時相時間間隔。

線性回歸變率法（Linear Regression Rate，LRR）是指剖面線與海岸線的交點運用最小二乘法線性回歸擬合，擬合公式中的斜率為海岸線變化速率，公式如下[23]。

式中，x 表示年份；y 表示海岸線的空間位置；a 表示擬合的常數(shù)截距；b 即線性回歸變率LRR，表示每單位x 變化所對應(yīng)的y 的變化。

2.3.2 海岸線類型多樣性指數(shù)

本文利用海岸線類型多樣性指數(shù)（Index of Coastline Type Diversity，ICTD）來描述30 a 來雷州半島海岸線開發(fā)利用類型的多樣化特征，公式如下[24]。

式中，ICTD 為海岸線類型多樣性指數(shù)；n 為海岸線類型數(shù)；Li為第i 種類型的岸線長度。ICTD 值越小，表示岸線類型越少，海岸線利用程度越低；ICTD 值越大，表示岸線類型越多，海岸線利用程度越高。

2.3.3 岸線利用程度綜合指數(shù)

本文通過構(gòu)建海岸線利用程度綜合指數(shù)，描述30 a 以來雷州半島沿海人類活動對海岸帶地區(qū)的影響程度。結(jié)合雷州半島海岸線類型及人類社會活動等特點，對不同岸線類型賦予特定的人力作用強度指數(shù)，如表3 所示。

表3 不同岸線類型的人力作用強度指數(shù)

利用如下公式[24]可計算岸線利用程度綜合指數(shù)ICUD。

式中，ICUD 為岸線利用程度綜合指數(shù)；Ai為第i 類岸線的人力作用強度指數(shù)；Ci為該類海岸線長度百分比；n 為岸線類型數(shù)量。ICUD 值越大，表明該地區(qū)海岸線受人為因素干擾程度越大；ICUD值越小，則表明岸線受人為因素干擾程度越小。

2.3.4 岸線變遷強度

岸線變遷強度是指兩個時期內(nèi)海岸線長度變化的百分比，可以客觀描述岸線變遷速度[25]，公式如下。

式中，LCIij表示第i 年到第j 年的岸線變遷強度，其絕對值越大，則反映岸線的變遷強度越強；Li、Lj分別代表第i 年和第j 年的岸線長度。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 雷州半島岸線長度變遷

本文對30 a 以來雷州半島海岸線長度、岸線利用類型結(jié)構(gòu)、岸線類型多樣性指數(shù)ICTD、岸線利用程度綜合指數(shù)ICUD、岸線變遷強度LCI 等進(jìn)行分析，如表4 所示。

表4 雷州半島不同類型大陸岸線長度 單位：km

由表4 可知，30 a 以來雷州半島7 期岸線總長度分別約為916.48 km、920.66 km、953.37 km、950.11 km、991.20 km、975.98 km、999.79 km，雷州半島岸線長度總體保持增長趨勢，自然岸線長度分別為651.29 km、625.81 km、595.18 km、545.19 km、490.35 km、463.75 km、457.82 km，其中1987 年、1994 年、2000 年、2005 年自然岸線的長度大于人工岸線的長度，2010 年、2015 年、2020 年自然岸線長度小于人工岸線長度。隨著時間的推移，雷州半島30 a 來岸線總體呈增長趨勢，岸線長度增長約為83.31 km，平均增長率為2.52 km/a，其中自然岸線長度呈現(xiàn)降低趨勢，人工岸線呈現(xiàn)增長趨勢。在1994—2000 年、2005—2010 年，這兩個時期的岸線漲幅較大，分別增長約為32.71 km 和41.09 km；如圖2 所示。

圖2 雷州半島岸線長度變化趨勢

3.2 雷州半島岸線類型變化特征

由圖3 可知，從整個研究時期來看，雷州半島自然岸線的比例呈現(xiàn)下降走向，由1987 年的71.06%下降到2020 年的45.79%，減少幅度約為25%，人工岸線的比例呈現(xiàn)上升走向，由1987 年的28.94%上升到2020 年的54.21%，上漲幅度也約為25%。除河口岸線及基巖岸線比例基本保持不變，其余五種岸線類型均發(fā)生不同程度的變化。其中，粉砂淤泥岸線的長度下降幅度最大，1987 年粉砂淤泥岸線長度約為383.31 km，占比41.82%，2020 年約為124.23 km，占比為12.73%，共下降約為259.08 km，平均變化速率為7.85 km/a；工程建設(shè)岸線及圍墾養(yǎng)殖岸線長度呈現(xiàn)增長趨勢，1987 年工程建設(shè)岸線長度約為69.67 km，占比7.60%，2020年約為158.03 km，占比為15.81%，共上升約為88.36 km，平均變化速率為2.68 km/a；1987 年圍墾養(yǎng)殖岸線長度約為195.52 km，占比21.33%，2020年約為383.94 km，占比38.40%，共上升了188.42 km，平均變化速率為5.71 km/a。如圖4 所示。

圖3 雷州半島人工岸線與自然岸線分布

圖4 雷州半島不同岸線類型長度

據(jù)圖5、圖6，近30 a 雷州半島7 期海岸線多樣性指數(shù)分別為0.722、0.735、0.765、0.767、0.755、0.754 和0.759，在2005—2010 年有明顯的降低，共降低了0.012，在2010—2015 年，降幅微小。但多樣性指數(shù)總體仍保持增長趨勢，近30 a 共增長0.037，1987—2000 年岸線利用程度指數(shù)增幅最大，漲幅為0.043，該時期正值湛江作為沿海開放城市建設(shè)關(guān)鍵時期，人類活動、商貿(mào)往來頻繁，這表明雷州半島類型存在復(fù)雜多變的情況，人類對岸線利用的依賴性增強；30 a 來雷州半島7 期岸線利用程度指數(shù)分別為136.54、140.45、146.33、152.47、162.48、165.34 和170.32，整體呈現(xiàn)增長趨勢，共增長33.78。由以上分析表明，雷州半島岸線類型和多樣性構(gòu)成復(fù)雜情況，岸線的利用和開發(fā)已經(jīng)成為人類頻繁活動，加劇岸線的變遷和演化。

圖5 岸線類型比例及利用指數(shù)變化

圖6 海岸線類型多樣性指數(shù)

3.3 雷州半島岸線強度變遷

據(jù)圖7，從海岸線變化強度來看，1987—2020 年海岸線變化強度呈現(xiàn)起伏狀態(tài)，具體來說：1987—2020 年海岸線年平均變化強度約為0.25%，其中1987—1994 年，海岸線長度增加緩慢，變化強度為0.06%；1994—2000 年，海岸線變化明顯增長，年平均變化強度為0.57%；2000—2005 年，海岸線緩慢減少階段，變化強度為-0.07%；2005—2010 年變化強度達(dá)到峰值為0.83%，此階段變化相對較大，主要原因為：該時期處于港口、碼頭、圍海造地等人為修建工程的擴(kuò)建時期，例如，霞山區(qū)湛江灣港口，2000—2005 年為工程擴(kuò)建初期，到2010年海岸線有明顯增加，之后岸線建設(shè)工程趨于穩(wěn)定，未發(fā)生明顯變化（圖8）；2010—2015 年，海岸線長度出現(xiàn)減少狀態(tài)，年平均變化強度為-0.31%；2015—2020 年，海岸線再次出現(xiàn)增加狀態(tài)，變化強度為0.48%。

圖7 海岸線長度變化強度

圖8 雷州半島湛江市霞山區(qū)海岸線變遷圖

3.4 雷州半島岸線變化速率

本研究基于DSAS 系統(tǒng)生成的剖面線共有18 251 條。據(jù)圖9，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦蔚孛蔡卣?，廉江市、遂溪縣、雷州市等岸線狹長，砂質(zhì)岸線居多，岸線類型轉(zhuǎn)換較弱，相對趨于穩(wěn)定，徐聞縣和霞山區(qū)均有明顯的漲落，其中在編號10711（位于徐聞縣）交點左右岸線變化速率（LRR）高達(dá)100 m/a；在編號14026（位于霞山區(qū)）交點左右的岸線變化速率（LRR）超過80 m/a，這兩個地區(qū)岸線變化速率出現(xiàn)高峰值，主要原因是填海造地、修筑港口、碼頭等，具體分析如下。

圖9 雷州半島大陸岸線變率圖——空間區(qū)域變率（LRR）

據(jù)圖10，我們可以觀察，近30 a 雷州半島海岸線變化速率呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，其中1987—1994 年、2010—2015 年，以及2015—2020 年變化速率相對穩(wěn)定。各個時間段內(nèi)的平均速率為：1987—1994 年為0.59 km/a；1994—2000 年為5.45 km/a；2000—2005年為-0.65 km/a；2005—2010 年為8.22 km/a；2010—2015 年為-3.04 km/a，2015—2020 年為4.76 km/a；其中1994—2000 年、2005—2010 年海岸線變遷非常劇烈，1994—2000 年間在10729 號交點左右（徐聞縣南山村），1994 年的粉砂淤泥岸線變遷成2000年的工程建設(shè)岸線，因為填海造陸，港口碼頭建設(shè)等人為因素，該區(qū)域圍堤建設(shè)的岸線長度發(fā)生劇烈增長，導(dǎo)致變遷速率（EPR）高達(dá)500 m/a；2005—2010 年，在14901 號交點左右（霞山區(qū)）由于圍海造地、城市擴(kuò)建及港口建設(shè)，變遷速率為（EPR）400 m/a，如圖11 所示。

圖10 雷州半島大陸岸線變率圖——時間變率圖（EPR）

圖11 雷州半島徐聞縣南山村海岸線變遷圖

4 結(jié) 論

本文運用感技術(shù)提取30 a 以來雷州半島的海岸線，綜合各項指標(biāo)，分析岸線演變特征，揭示雷州半島岸線變遷的規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1） 30 a 以來雷州半島岸線長度共增長約83.31 km，年均增長率為2.52 km/a，自然岸線長度呈現(xiàn)降低趨勢，人工岸線呈現(xiàn)增長趨勢，其中自然岸線的降幅比例約為25%，人工岸線的漲幅比例約為25%。30 a 間自然岸線減少原因主要為城市擴(kuò)建和港口建設(shè)。

（2）30 a 以來雷州半島岸線演變頻繁，從空間上看，岸線變遷劇烈主要位于在霞山區(qū)和徐聞縣；從時間上看，1994—2000 年、2005—2010 年兩個時期的海岸線變化顯著；最為典型的是霞山區(qū)湛江港碼頭建設(shè)、徐聞縣南山村的港口建設(shè)，兩個地區(qū)的岸線變遷非常劇烈。

（3）隨著粵港澳大灣區(qū)、“一帶一路”、海南自由貿(mào)易港等建設(shè)，雷州半島發(fā)展加快，雷州半島岸線類型趨于復(fù)雜，人類活動及工程建設(shè)是人工岸線增長、自然岸線減少的主導(dǎo)原因。

本文研究表明，經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類活動往來頻繁成為雷州半島岸線變遷主要驅(qū)動因素，其中圍海造地、圍墾養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)建設(shè)等是該地區(qū)海岸線變化的具體原因。雷州半島海岸帶圍海造田等活動在未來乃至更久時間內(nèi)不會趨于飽和，而會愈演愈烈。因此，開展有效適當(dāng)?shù)膰Ｔ斓毓こ?，需要制定合理科學(xué)的決策。本文也存在一些不足：所使用影像的分辨率相對較低，岸線信息的提取結(jié)果可能與真實情況存在誤差；由于收集數(shù)據(jù)有限，對岸線變遷影響因素進(jìn)行定性分析，未進(jìn)行定量分析。