近30年來(lái)湄洲灣海岸線變遷遙感監(jiān)測(cè)與分析

趙宗澤，劉榮杰，馬 毅，孫偉富

(1. 山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2. 國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

海岸線是海洋與陸地的分界線。中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《海洋學(xué)術(shù)語(yǔ)：海洋地質(zhì)學(xué)》(GB/T 18190-2000)給出的海岸線定義是：海陸分界線，在我國(guó)系指多年大潮平均高潮位時(shí)海陸分界線[1]。海岸線是國(guó)際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUGS)提出的27個(gè)全球“地質(zhì)指標(biāo)”之一[2]，它不僅標(biāo)識(shí)了沿海地區(qū)的水陸分界線，而且蘊(yùn)含著豐富的環(huán)境信息，其變化直接改變潮間帶灘涂資源量及海岸帶環(huán)境，可引起海岸帶多種資源與生態(tài)過(guò)程的改變，影響沿海人民的生存發(fā)展[3]。因此，研究海岸線變化對(duì)于了解海岸帶生態(tài)環(huán)境變化乃至全球變化具有重要意義。

湄洲灣位于福建省海岸中段，三面環(huán)陸，是深入內(nèi)陸的半封閉狹長(zhǎng)形海灣、自然條件優(yōu)越[4]。1989年，湄洲灣被交通部列為我國(guó)四大遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃的國(guó)際深水中轉(zhuǎn)港之一，是福建省主要建設(shè)的三大港口之一。1999-12，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)秀嶼港、東吳港區(qū)為對(duì)外輪開(kāi)放的一類(lèi)口岸，湄洲灣港口群已與世界上27個(gè)國(guó)家和地區(qū)的近50個(gè)港口通航[5]。港口的發(fā)展推動(dòng)了湄洲灣的劇烈變化。為了合理規(guī)劃與管理湄洲灣岸線，必須掌握湄洲灣岸線現(xiàn)狀及變化。

Tuncay等利用Landsat TM和ETM+影像的水體指數(shù)進(jìn)行閾值處理，提取出土耳其5個(gè)海岸帶濕地的水邊線，并利用DSAS (Digital Shoreline Analysis System)對(duì)岸線進(jìn)行變遷分析[6]。Sheik等利用6期(1999，2001，2003，2005，2007，2009年)IRS和Landsat數(shù)據(jù)對(duì)印度南部科摩林角和杜蒂戈林之間的岸線進(jìn)行提取，將研究區(qū)分為4塊，每塊再分3個(gè)子區(qū)，利用EPR(End Point Rate)、LRR(Linear Regression Rate)、LMS(Least Median Square)以及JKR計(jì)算出岸線的變化率，然后根據(jù)岸線的變化率分析岸線的侵蝕與增長(zhǎng)[7]。遙感具有范圍廣，多時(shí)相等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用遙感手段對(duì)海岸線進(jìn)行變遷監(jiān)測(cè)與分析[8-14]，但未見(jiàn)關(guān)于湄洲灣海岸線遙感變遷的研究。

因此，本文首先利用1983年、1993年、2001年和2010年的衛(wèi)星影像對(duì)湄洲灣海岸線進(jìn)行提取，然后利用基線法和面積法分別對(duì)1983-1993年、1993-2001年和2001-2010年海岸線進(jìn)行變遷分析，最后對(duì)湄洲灣四期海岸線進(jìn)行曲率分析，得出四期海岸線整體曲折度的變化。

1 研究區(qū)域

湄洲灣位于福建省中部沿海，北鄰興化灣，南鄰泉州灣，東面為莆田市，西面為惠安縣，西北面為仙游縣，共屬于泉州市與莆田市管轄，是福建沿海天然優(yōu)良港灣之一，亦是“中國(guó)少有，世界不多”的多泊位天然深水良港，以灣口的湄洲島命名。灣內(nèi)主要有秀嶼港區(qū)、東吳港區(qū)、肖厝港區(qū)和斗尾港區(qū)四大港區(qū)。灣內(nèi)島嶼層層阻擋，口內(nèi)有盤(pán)嶼、大竹島、大生島，灣內(nèi)又有橫嶼和羅嶼形成兩道天然屏障。海岸線曲折，自然岸線主要由基巖岸線組成，局部出現(xiàn)淤泥質(zhì)、砂質(zhì)和生物岸線，研究區(qū)如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)與處理

為了監(jiān)測(cè)湄洲灣海岸線近30 a來(lái)的變遷情況，選取1983年的Landsat MSS，1993年的Landsat TM，2001年的Landsat ETM+和2010年的Landsat TM四期影像作為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1。分別對(duì)MSS影像綠、紅、近紅外，TM和ETM+影像的藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外、中紅外進(jìn)行波段組合，然后以正射校正精度小于兩個(gè)像元(20 m以內(nèi))的SPOT-5影像作為參考，對(duì)1983年、1993年、2001年和2010年四期影像進(jìn)行幾何糾正。

圖1 湄洲灣地理位置Fig.1 Geographical position of the Meizhou Bay

序號(hào)軌道號(hào)成像時(shí)間傳感器空間分辨率/m1119/0431983-09-27MSS802119/0431993-06-26TM303119/0432001-03-04ETM+304119/0432010-05-24TM30

注：序號(hào)表示4幅影像

2.2 方 法

采用目視解譯的方法對(duì)湄洲灣海岸線進(jìn)行提取。借鑒現(xiàn)場(chǎng)踏勘資料，根據(jù)海岸線類(lèi)型在影像中的色彩、紋理、地物鄰接關(guān)系特征，建立海岸線類(lèi)型的解譯標(biāo)志，從而提取湄洲灣1983年、1993年、2001年和2010年四期海岸線。

在信息提取結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用基線法和面積法對(duì)1983-1993年、1993-2001年和2001-2010年湄洲灣海岸線進(jìn)行變遷監(jiān)測(cè)與分析。并利用湄洲灣四期海岸線的曲率分布來(lái)反映海岸線的曲折程度。

3 結(jié)果與分析

3.1 1983-2010年湄洲灣海岸線變化

由表2可知，近30 a來(lái)湄洲灣海岸線長(zhǎng)度整體處于增加態(tài)勢(shì)，海岸線長(zhǎng)度增加了2.99 km，主要原因是養(yǎng)殖池塘的圍填，其次是港口建設(shè)。1993年比1983年岸線長(zhǎng)度新增1.28 km，2001年比1993年岸線長(zhǎng)度新增2.38 km，而2010年海岸線長(zhǎng)度比2001年岸線長(zhǎng)度減少了0.67 km，其中2000—2010年海岸線長(zhǎng)度減少的主要原因是人工建堤。

近30 a來(lái)，由于湄洲灣四期海岸線整體處于一直向海增長(zhǎng)狀態(tài)，導(dǎo)致湄洲灣海灣面積減少了70 km2，其中1993年較1983年減少了13 km2，2001年較1993年減少了5 km2，2010較2001年減少了52 km2。

表2 1983-2010年湄洲灣四期海岸線長(zhǎng)度和海灣面積Tabel 2 The coastline length and the bay areas in four periods (from 1983 to 2010)in the Meizhou Bay

3.2 湄洲灣海岸線變遷分析

DSAS是基于基線法原理的岸線分析系統(tǒng)，本文利用DSAS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基線法對(duì)湄洲灣海岸線的變遷分析。在基線上總共生成了1 303個(gè)點(diǎn)，從這些點(diǎn)向四期岸線做橫斷線，從而可以計(jì)算出各點(diǎn)處兩期岸線之間的增長(zhǎng)(或侵蝕)距離。

利用基線法和面積法分別對(duì)1983-1993年、1993-2001年和2001-2010年湄洲灣海岸線變遷情況進(jìn)行分析。

3.2.1 1983-1993年海岸線變遷分析

1983年至1993年湄洲灣海岸線向海最大增長(zhǎng)距離為3 456 m，位于泉州市泉港區(qū)，主要是由人工建堤造成；最大侵蝕距離為746 m，位于惠安縣東北部；平均增長(zhǎng)距離為183 m；平均侵蝕距離為44 m。如圖2所示，1983年至1993年湄洲灣岸線變遷導(dǎo)致海岸帶陸地面積增加15.97 km2，海岸帶陸地面積減少2.85 km2，陸地面積凈增加13.13 km2，平均每年凈增加1.13 km2。

1983-1993年岸線變遷主要由養(yǎng)殖池塘圍填、人工建堤和肖厝港區(qū)建設(shè)引起。莆田市仙游縣楓亭鎮(zhèn)和莆田市秀嶼區(qū)忠門(mén)鎮(zhèn)出現(xiàn)了一些養(yǎng)殖池塘圍填，造成了海岸線的變遷；1985-1988年中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院在泉州市泉港區(qū)設(shè)計(jì)和建成了肖厝萬(wàn)噸級(jí)雜貨碼頭，使海岸線向海增長(zhǎng)；人工建堤位于泉州市泉港區(qū)南埔鎮(zhèn)，使岸線產(chǎn)生了較大的變遷。

3.2.2 1993-2001年海岸線變遷分析

1993—2001年湄洲灣海岸線向海最大增長(zhǎng)距離為2 123 m，位于莆田市秀嶼區(qū)南部，主要由圍填海養(yǎng)殖造成；最大侵蝕距離為118 m，位于莆田市與泉州市交界處；平均增長(zhǎng)距離為76 m，平均侵蝕距離為26 m。如圖3可知，1993年至2001年湄洲灣岸線變遷導(dǎo)致海岸帶陸地面積新增6.04 km2；海岸帶陸地面積減少0.52 km2；陸地面積凈增加5.52 km2，平均每年凈增加0.69 km2。

1993-2001年岸線變遷主要由養(yǎng)殖池塘圍填引起，零散分布于莆田市的城廂區(qū)靈川鎮(zhèn)和秀嶼區(qū)東埔鎮(zhèn)。

圖2 1983-1993年由海岸線變遷引起的湄洲灣面積變化Fig.2 Changes of the Meizhou Bay area caused by the coastline changes from 1983 to 1993

圖3 1993-2001年由海岸線變遷引起的湄洲灣面積變化Fig.3 Changes of the Meizhou Bay area caused by the coastline changes from 1993 to 2001

3.2.3 2001-2010年海岸線變遷分析

2001—2010年湄洲灣海岸線向海最大增長(zhǎng)距離為3 406 m，位于惠安縣東部，主要由人工建堤造成。最大侵蝕距離為543 m，位于莆田市城廂區(qū)。平均增長(zhǎng)距離為877 m，平均侵蝕距離為46 m。1993—2001年湄洲灣海岸線變遷導(dǎo)致海岸帶陸地面積新增53.98 km2，海岸帶陸地面積減少2.45 km2，陸地面積凈增加51.74 km2，平均每年凈增加5.75 km2。

圖4 2001-2010年由海岸線變遷引起的湄洲灣面積變化Fig.4 Changes of the Meizhou Bay area caused by the coastline changes from 2001 to 2010

2001-2010年湄洲灣海岸線變遷主要由外走馬埭圍墾、斗尾港區(qū)建設(shè)和養(yǎng)殖池塘的圍填引起。2004-08-15，惠安縣外走馬埭圍墾工程正式開(kāi)工建設(shè)，2009-05，14.011 km的海堤工程整體建設(shè)任務(wù)全面完成，造成了海岸線的大面積變遷；2006-04-29，位于泉州市惠安縣的斗尾港區(qū)青蘭山原油碼頭開(kāi)始投入建設(shè)，2009-02-16，青蘭山30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭正式完工，引起了海岸線的向海增長(zhǎng)；養(yǎng)殖池塘圍填主要分布于泉州市泉港區(qū)南埔鎮(zhèn)和莆田市的仙游縣楓亭鎮(zhèn)和秀嶼區(qū)山亭鄉(xiāng)。

3.3 湄洲灣海岸線曲折度分析

曲率是幾何體不平坦程度的一種衡量，曲率越大，表示曲線的彎曲程度越大。所以,可以利用曲率分布來(lái)反映湄洲灣四期海岸線的曲折程度。

計(jì)算出湄洲灣海岸線每年在不同離散點(diǎn)數(shù)情況下的曲率分布，并利用離散點(diǎn)的曲率分布來(lái)反映湄洲灣海岸線整體的曲折程度，為了去除細(xì)節(jié)噪聲的影響，選取閾值M，并設(shè)ai和ai+1為兩相鄰離散點(diǎn)，兩點(diǎn)坐標(biāo)分別為(axi,ayi)和(axi+1,ayi+1)，其中設(shè)d為max(|axi+1-axi|, |ayi+1-ayi|)，s為兩點(diǎn)的曲線距離。當(dāng)s/d>M時(shí)，進(jìn)行曲率計(jì)算。當(dāng)s/d≤M時(shí)，連接下個(gè)鄰接點(diǎn)，重復(fù)以上過(guò)程。通過(guò)以上迭代方法，生成新的離散點(diǎn)，可以有效地反映湄洲灣海岸線的曲率分布。

根據(jù)分析，為了較好并準(zhǔn)確地反映湄洲灣海岸線的曲率分布，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并開(kāi)展大量的對(duì)比試驗(yàn)，分析得出閾值為1.6，離散點(diǎn)數(shù)為4 000時(shí)的海岸線曲率分布，可以較準(zhǔn)確的反映湄洲灣四期海岸線的曲折程度，如圖5所示，利用matlab編程繪制出了1983年、1993年、2001年和2010年湄洲灣的曲率分布。

圖5 湄洲灣曲率分布圖Fig.5 Distribution of the curvature of the Meizhou Bay

從表3中可以看出，中值可以較好的反映1983-2010年湄洲灣海岸線的整體曲折程度。1983-2010年曲率分布的中值在增加，說(shuō)明整體曲折度一直在增大，與1983-2010年湄洲灣海岸線變遷情況相對(duì)應(yīng)，其中2001-2010年海岸線整體曲折度變化最大，1993-2001年變化最小。這說(shuō)明養(yǎng)殖池塘圍填和港口建設(shè)不僅造成了湄洲灣海岸線向海增長(zhǎng)，同時(shí)也造成了湄洲灣海岸線整體曲折程度的增加。

由曲率分布圖可知，1983年，湄洲灣海岸線曲折度較大區(qū)域主要位于莆田市秀嶼區(qū)。1993年，由于肖厝港區(qū)建設(shè)和人工建堤，泉州市泉港區(qū)海岸線曲折度增大；莆田市仙游縣出現(xiàn)圍填海養(yǎng)殖，仙游縣海岸線曲折度也有所增大。2001年，莆田市秀嶼區(qū)東埔鎮(zhèn)由于圍填海養(yǎng)殖，造成其岸線曲折度增大；2010年，由于秀嶼港區(qū)和斗尾港區(qū)建設(shè)，其附近海岸線曲折度增大；泉州市泉港區(qū)出現(xiàn)了大量圍填海養(yǎng)殖，使得泉州市泉港區(qū)整體曲折度增大。

表3 1983-2010年湄洲灣四期海岸線的曲率分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tabel 3 Statistis of coastline curvature distributions in the Meizhou Bay from 1983 to 2010

4 結(jié) 論

1983-2010年湄洲灣海岸線長(zhǎng)度整體處于增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，海灣面積減少，海岸線一直向海增長(zhǎng)，海岸線曲折度增大，主要由養(yǎng)殖池塘圍填、人工建堤和港口建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng)引起。

泉州市惠安縣：1983-2001年，海岸線變遷緩和；2001-2010年，由于外走馬埭圍墾和斗尾港區(qū)青蘭山原油碼頭建設(shè)，變遷面積較大，同時(shí)也造成了岸線曲折度的增大。

泉州市泉港區(qū)：1983-1993年，由于人工建堤和肖厝港區(qū)建設(shè)，使得海岸線有大的變遷，同時(shí)造成了岸線曲折度的增大；1993-2001年，海岸線變遷較??；2001-2010年，出現(xiàn)了養(yǎng)殖池塘圍填，造成了海岸線向海增長(zhǎng)和曲折度的增大。

莆田市仙游縣：1983-1993年，楓亭鎮(zhèn)出現(xiàn)養(yǎng)殖塘圍填，使海岸線向海增長(zhǎng)，海岸線曲折度增大；1993-2001年，海岸線變遷緩和；2001-2010年，楓亭鎮(zhèn)又出現(xiàn)較大面積養(yǎng)殖池塘圍填，使海岸線向海增長(zhǎng)。

莆田市城廂區(qū)：1983-2010年，海岸線無(wú)較大變遷。

莆田市秀嶼區(qū)：1983-1993年，忠門(mén)鎮(zhèn)出現(xiàn)少許圍填海養(yǎng)殖，造成了海岸線向海增長(zhǎng)和曲折度增大；1993-2001年，東埔鎮(zhèn)出現(xiàn)了圍填海，造成了海岸線向海增長(zhǎng)；2001-2010年，山亭鄉(xiāng)出現(xiàn)大面積的圍填海，使海岸線出現(xiàn)了較大的變遷。

由于所用的MSS影像分辨率較低，對(duì)目視解譯造成了一定的困難，使得提取結(jié)果存在偏差，與TM和ETM+影像的分辨率有一定的差別，使得變遷分析結(jié)果存在一定誤差。但總體上，監(jiān)測(cè)結(jié)果能真實(shí)地反映出岸線變化的規(guī)模和趨勢(shì)。

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