近30年来湄洲湾海岸线变迁遥感监测与分析

赵宗泽，刘荣杰，马 毅，孙伟富

(1. 山东科技大学，山东 青岛 266590；2. 国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061)

海岸线是海洋与陆地的分界线。中华人民共和国国家标准《海洋学术语：海洋地质学》(GB/T 18190-2000)给出的海岸线定义是：海陆分界线，在我国系指多年大潮平均高潮位时海陆分界线[1]。海岸线是国际地质科学联合会(IUGS)提出的27个全球“地质指标”之一[2]，它不仅标识了沿海地区的水陆分界线，而且蕴含着丰富的环境信息，其变化直接改变潮间带滩涂资源量及海岸带环境，可引起海岸带多种资源与生态过程的改变，影响沿海人民的生存发展[3]。因此，研究海岸线变化对于了解海岸带生态环境变化乃至全球变化具有重要意义。

湄洲湾位于福建省海岸中段，三面环陆，是深入内陆的半封闭狭长形海湾、自然条件优越[4]。1989年，湄洲湾被交通部列为我国四大远景发展规划的国际深水中转港之一，是福建省主要建设的三大港口之一。1999-12，国务院批准秀屿港、东吴港区为对外轮开放的一类口岸，湄洲湾港口群已与世界上27个国家和地区的近50个港口通航[5]。港口的发展推动了湄洲湾的剧烈变化。为了合理规划与管理湄洲湾岸线，必须掌握湄洲湾岸线现状及变化。

Tuncay等利用Landsat TM和ETM+影像的水体指数进行阈值处理，提取出土耳其5个海岸带湿地的水边线，并利用DSAS (Digital Shoreline Analysis System)对岸线进行变迁分析[6]。Sheik等利用6期(1999，2001，2003，2005，2007，2009年)IRS和Landsat数据对印度南部科摩林角和杜蒂戈林之间的岸线进行提取，将研究区分为4块，每块再分3个子区，利用EPR(End Point Rate)、LRR(Linear Regression Rate)、LMS(Least Median Square)以及JKR计算出岸线的变化率，然后根据岸线的变化率分析岸线的侵蚀与增长[7]。遥感具有范围广，多时相等特点，目前国内外普遍采用遥感手段对海岸线进行变迁监测与分析[8-14]，但未见关于湄洲湾海岸线遥感变迁的研究。

因此，本文首先利用1983年、1993年、2001年和2010年的卫星影像对湄洲湾海岸线进行提取，然后利用基线法和面积法分别对1983-1993年、1993-2001年和2001-2010年海岸线进行变迁分析，最后对湄洲湾四期海岸线进行曲率分析，得出四期海岸线整体曲折度的变化。

1 研究区域

湄洲湾位于福建省中部沿海，北邻兴化湾，南邻泉州湾，东面为莆田市，西面为惠安县，西北面为仙游县，共属于泉州市与莆田市管辖，是福建沿海天然优良港湾之一，亦是“中国少有，世界不多”的多泊位天然深水良港，以湾口的湄洲岛命名。湾内主要有秀屿港区、东吴港区、肖厝港区和斗尾港区四大港区。湾内岛屿层层阻挡，口内有盘屿、大竹岛、大生岛，湾内又有横屿和罗屿形成两道天然屏障。海岸线曲折，自然岸线主要由基岩岸线组成，局部出现淤泥质、砂质和生物岸线，研究区如图1所示。

2 数据和方法

2.1 数据与处理

为了监测湄洲湾海岸线近30 a来的变迁情况，选取1983年的Landsat MSS，1993年的Landsat TM，2001年的Landsat ETM+和2010年的Landsat TM四期影像作为数据源，数据信息见表1。分别对MSS影像绿、红、近红外，TM和ETM+影像的蓝、绿、红、近红外、短波红外、中红外进行波段组合，然后以正射校正精度小于两个像元(20 m以内)的SPOT-5影像作为参考，对1983年、1993年、2001年和2010年四期影像进行几何纠正。

图1 湄洲湾地理位置Fig.1 Geographical position of the Meizhou Bay

序号轨道号成像时间传感器空间分辨率/m1119/0431983-09-27MSS802119/0431993-06-26TM303119/0432001-03-04ETM+304119/0432010-05-24TM30

注：序号表示4幅影像

2.2 方 法

采用目视解译的方法对湄洲湾海岸线进行提取。借鉴现场踏勘资料，根据海岸线类型在影像中的色彩、纹理、地物邻接关系特征，建立海岸线类型的解译标志，从而提取湄洲湾1983年、1993年、2001年和2010年四期海岸线。

在信息提取结果的基础上，利用基线法和面积法对1983-1993年、1993-2001年和2001-2010年湄洲湾海岸线进行变迁监测与分析。并利用湄洲湾四期海岸线的曲率分布来反映海岸线的曲折程度。

3 结果与分析

3.1 1983-2010年湄洲湾海岸线变化

由表2可知，近30 a来湄洲湾海岸线长度整体处于增加态势，海岸线长度增加了2.99 km，主要原因是养殖池塘的围填，其次是港口建设。1993年比1983年岸线长度新增1.28 km，2001年比1993年岸线长度新增2.38 km，而2010年海岸线长度比2001年岸线长度减少了0.67 km，其中2000—2010年海岸线长度减少的主要原因是人工建堤。

近30 a来，由于湄洲湾四期海岸线整体处于一直向海增长状态，导致湄洲湾海湾面积减少了70 km2，其中1993年较1983年减少了13 km2，2001年较1993年减少了5 km2，2010较2001年减少了52 km2。

表2 1983-2010年湄洲湾四期海岸线长度和海湾面积Tabel 2 The coastline length and the bay areas in four periods (from 1983 to 2010)in the Meizhou Bay

3.2 湄洲湾海岸线变迁分析

DSAS是基于基线法原理的岸线分析系统，本文利用DSAS系统实现基线法对湄洲湾海岸线的变迁分析。在基线上总共生成了1 303个点，从这些点向四期岸线做横断线，从而可以计算出各点处两期岸线之间的增长(或侵蚀)距离。

利用基线法和面积法分别对1983-1993年、1993-2001年和2001-2010年湄洲湾海岸线变迁情况进行分析。

3.2.1 1983-1993年海岸线变迁分析

1983年至1993年湄洲湾海岸线向海最大增长距离为3 456 m，位于泉州市泉港区，主要是由人工建堤造成；最大侵蚀距离为746 m，位于惠安县东北部；平均增长距离为183 m；平均侵蚀距离为44 m。如图2所示，1983年至1993年湄洲湾岸线变迁导致海岸带陆地面积增加15.97 km2，海岸带陆地面积减少2.85 km2，陆地面积净增加13.13 km2，平均每年净增加1.13 km2。

1983-1993年岸线变迁主要由养殖池塘围填、人工建堤和肖厝港区建设引起。莆田市仙游县枫亭镇和莆田市秀屿区忠门镇出现了一些养殖池塘围填，造成了海岸线的变迁；1985-1988年中交水运规划设计院在泉州市泉港区设计和建成了肖厝万吨级杂货码头，使海岸线向海增长；人工建堤位于泉州市泉港区南埔镇，使岸线产生了较大的变迁。

3.2.2 1993-2001年海岸线变迁分析

1993—2001年湄洲湾海岸线向海最大增长距离为2 123 m，位于莆田市秀屿区南部，主要由围填海养殖造成；最大侵蚀距离为118 m，位于莆田市与泉州市交界处；平均增长距离为76 m，平均侵蚀距离为26 m。如图3可知，1993年至2001年湄洲湾岸线变迁导致海岸带陆地面积新增6.04 km2；海岸带陆地面积减少0.52 km2；陆地面积净增加5.52 km2，平均每年净增加0.69 km2。

1993-2001年岸线变迁主要由养殖池塘围填引起，零散分布于莆田市的城厢区灵川镇和秀屿区东埔镇。

图2 1983-1993年由海岸线变迁引起的湄洲湾面积变化Fig.2 Changes of the Meizhou Bay area caused by the coastline changes from 1983 to 1993

图3 1993-2001年由海岸线变迁引起的湄洲湾面积变化Fig.3 Changes of the Meizhou Bay area caused by the coastline changes from 1993 to 2001

3.2.3 2001-2010年海岸线变迁分析

2001—2010年湄洲湾海岸线向海最大增长距离为3 406 m，位于惠安县东部，主要由人工建堤造成。最大侵蚀距离为543 m，位于莆田市城厢区。平均增长距离为877 m，平均侵蚀距离为46 m。1993—2001年湄洲湾海岸线变迁导致海岸带陆地面积新增53.98 km2，海岸带陆地面积减少2.45 km2，陆地面积净增加51.74 km2，平均每年净增加5.75 km2。

图4 2001-2010年由海岸线变迁引起的湄洲湾面积变化Fig.4 Changes of the Meizhou Bay area caused by the coastline changes from 2001 to 2010

2001-2010年湄洲湾海岸线变迁主要由外走马埭围垦、斗尾港区建设和养殖池塘的围填引起。2004-08-15，惠安县外走马埭围垦工程正式开工建设，2009-05，14.011 km的海堤工程整体建设任务全面完成，造成了海岸线的大面积变迁；2006-04-29，位于泉州市惠安县的斗尾港区青兰山原油码头开始投入建设，2009-02-16，青兰山30万吨级原油码头正式完工，引起了海岸线的向海增长；养殖池塘围填主要分布于泉州市泉港区南埔镇和莆田市的仙游县枫亭镇和秀屿区山亭乡。

3.3 湄洲湾海岸线曲折度分析

曲率是几何体不平坦程度的一种衡量，曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大。所以,可以利用曲率分布来反映湄洲湾四期海岸线的曲折程度。

计算出湄洲湾海岸线每年在不同离散点数情况下的曲率分布，并利用离散点的曲率分布来反映湄洲湾海岸线整体的曲折程度，为了去除细节噪声的影响，选取阈值M，并设ai和ai+1为两相邻离散点，两点坐标分别为(axi,ayi)和(axi+1,ayi+1)，其中设d为max(|axi+1-axi|, |ayi+1-ayi|)，s为两点的曲线距离。当s/d>M时，进行曲率计算。当s/d≤M时，连接下个邻接点，重复以上过程。通过以上迭代方法，生成新的离散点，可以有效地反映湄洲湾海岸线的曲率分布。

根据分析，为了较好并准确地反映湄洲湾海岸线的曲率分布，根据经验并开展大量的对比试验，分析得出阈值为1.6，离散点数为4 000时的海岸线曲率分布，可以较准确的反映湄洲湾四期海岸线的曲折程度，如图5所示，利用matlab编程绘制出了1983年、1993年、2001年和2010年湄洲湾的曲率分布。

图5 湄洲湾曲率分布图Fig.5 Distribution of the curvature of the Meizhou Bay

从表3中可以看出，中值可以较好的反映1983-2010年湄洲湾海岸线的整体曲折程度。1983-2010年曲率分布的中值在增加，说明整体曲折度一直在增大，与1983-2010年湄洲湾海岸线变迁情况相对应，其中2001-2010年海岸线整体曲折度变化最大，1993-2001年变化最小。这说明养殖池塘围填和港口建设不仅造成了湄洲湾海岸线向海增长，同时也造成了湄洲湾海岸线整体曲折程度的增加。

由曲率分布图可知，1983年，湄洲湾海岸线曲折度较大区域主要位于莆田市秀屿区。1993年，由于肖厝港区建设和人工建堤，泉州市泉港区海岸线曲折度增大；莆田市仙游县出现围填海养殖，仙游县海岸线曲折度也有所增大。2001年，莆田市秀屿区东埔镇由于围填海养殖，造成其岸线曲折度增大；2010年，由于秀屿港区和斗尾港区建设，其附近海岸线曲折度增大；泉州市泉港区出现了大量围填海养殖，使得泉州市泉港区整体曲折度增大。

表3 1983-2010年湄洲湾四期海岸线的曲率分布统计数据Tabel 3 Statistis of coastline curvature distributions in the Meizhou Bay from 1983 to 2010

4 结 论

1983-2010年湄洲湾海岸线长度整体处于增长态势，海湾面积减少，海岸线一直向海增长，海岸线曲折度增大，主要由养殖池塘围填、人工建堤和港口建设等人类活动引起。

泉州市惠安县：1983-2001年，海岸线变迁缓和；2001-2010年，由于外走马埭围垦和斗尾港区青兰山原油码头建设，变迁面积较大，同时也造成了岸线曲折度的增大。

泉州市泉港区：1983-1993年，由于人工建堤和肖厝港区建设，使得海岸线有大的变迁，同时造成了岸线曲折度的增大；1993-2001年，海岸线变迁较小；2001-2010年，出现了养殖池塘围填，造成了海岸线向海增长和曲折度的增大。

莆田市仙游县：1983-1993年，枫亭镇出现养殖塘围填，使海岸线向海增长，海岸线曲折度增大；1993-2001年，海岸线变迁缓和；2001-2010年，枫亭镇又出现较大面积养殖池塘围填，使海岸线向海增长。

莆田市城厢区：1983-2010年，海岸线无较大变迁。

莆田市秀屿区：1983-1993年，忠门镇出现少许围填海养殖，造成了海岸线向海增长和曲折度增大；1993-2001年，东埔镇出现了围填海，造成了海岸线向海增长；2001-2010年，山亭乡出现大面积的围填海，使海岸线出现了较大的变迁。

由于所用的MSS影像分辨率较低，对目视解译造成了一定的困难，使得提取结果存在偏差，与TM和ETM+影像的分辨率有一定的差别，使得变迁分析结果存在一定误差。但总体上，监测结果能真实地反映出岸线变化的规模和趋势。

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