基于遥感的广西防城湾海岸线变迁分析

周相君，李晓敏，马 毅，吴培强

（国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

0 引言

海岸线标识了水陆分界线，不仅如此，其附近地理、生态区位特殊，是海洋经济和社会发展的重要依托。中华人民共和国国家标准《海洋学术语·海洋地质学》（GB／T18190－2000）给出的海岸线定义是“海岸线是海陆分界线，在我国系指多年大潮高潮位时的海陆界线”［1］。《我国近海海洋综合调查与评价专项海岸线修测技术规程》［2］中定义的是“海岸线为平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线”。海岸线的变化直接引起海岸带环境的变化，与人类的生活、生产活动息息相关。因此，进行系统的海岸线动态监视监测与研究，增强对海岸线变化机制深入的了解十分必要。

遥感技术具有大面积、同步观测、时效性强等优势，已广泛应用到海岸线变迁研究中，国内外在这方面的研究甚多，陈正华 等［3］曾经利用4期卫星资料研究了1986—2009年浙江省大陆的海岸线变迁情况，并进行了岸线分维数分析；李猷 等［4］分析了深圳市1978—2005年海岸线时空动态演变特征，并探讨了其驱动因素；刘鑫［5］基于RS和GIS技术提取海岸线，研究了铁山港地区1987—2006年的海岸线变化特征；黄鹄 等［6］基于遥感和GIS平台全面探讨了广西海岸近几十年来岸线的时空演变特征；SHEIK et al［7］利用 DSAS（Digital Shoreline Analysis System，数字岸线分析系统）分析了印度Kanyakumari和Tuticorin之间的岸线变化，依据计算结果分区域分别分析了岸线淤蚀情况；DEWIDAR［8］用2种技术计算海岸线蚀退，得出EPR（End Point Rate，端点变化率），研究了埃及红海沿岸MarsaAlam和Hamata两市海岸线在自然因素作用下的位置变化。赵宗泽 等［9］利用基线法和面积法对湄洲湾的海岸线变迁情况进行了分析，并计算了反映岸线曲折度的岸线曲率。曾庆留［10］利用1986—2011年遥感影像，提取了5期山东省大陆岸线，从岸线的位置、长度和类型三方面对山东省大陆岸线变迁进行分析。

随着人口增长、城市化和工业化的迅速发展以及对外贸易的日渐加强，防城湾沿岸建设需求加大，从20世纪70年代以来，特别是1987年5月南防铁路通车后，加强了渔澫岛与大陆的联系，位于岛上的防城港进入加速建设时期；1993年5月，国务院正式批准设立地级防城港市，防城湾沿岸建设进一步飞速发展。陆续地一系列填海造地、海洋工程建设等人类活动都导致海岸线发生了不同程度的变化。本文使用1973，1979，1990和2000年共4景Landsat和1景2010年的HJ－1B卫星遥感影像，采用人机交互解译方式结合GIS软件提取了防城湾的海岸线，并分析了本区近40a来的海岸线变迁特征。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

防城湾地处广西壮族自治区沿海西部、北部湾西北岸，西起江山半岛的沙尾咀附近，东至企沙半岛的炮台附近，范围为21°32′30″～21°43′00″N，108°17′30″～108°28′35″E。防城湾湾口朝南，北、东、西三面为丘陵地，形势隐蔽，水域平静，防风条件较好。我国西南第一大港——防城港位于湾内渔澫岛之上。从防城港港口出发，海路东距北海港62海里，东南距海口港163海里，西南距越南海防港151海里。港湾深入内陆达11～14km，陆域宽广，是中国大陆海岸线最南端的深水海港，是全国20个枢纽港之一［11］。整个防城湾被渔澫岛分为两部分，以西为防城江口，以东为暗埠口江。因此，将研究区分为3个岸段：防城江口沿岸、暗埠口江沿岸以及渔澫岛，其区位示意图如图1所示。

1.2 数据处理

本文以防城湾1973，1979，1990，2000与2010年共5个时期的遥感影像为主要数据源，其中有2景MSS影像，2景TM影像，1景HJ－1B卫星遥感影像（表1）。以“908”专项海岛岸线专题数据及1景2007年的ALOS正射校正影像为辅助数据源，其中海岛岸线专题数据主要用于对岸线提取结果进行精度评价；ALOS正射校正影像主要用于对5期遥感影像进行配准。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of study area

表1 遥感影像表Tab.1 List of the remote sensing images

为了保证海岸线提取位置的准确性和各期岸线的可对比性，对各期影像进行了几何校正。以2007年的ALOS正射校正影像为基准，选择无明显变化的、易从影像上识别的路口、基岩岛、码头等地物作为控制点，采用二次多项式变换对所用的5期遥感影像进行地理配准，效果如图2所示。其中，1973和1979年影像进行几何校正时直接利用双线性内插法作30m重采样以统一影像的空间分辨率，所有影像的投影和坐标系均采用高斯－克吕格投影和WGS－84坐标系。

图2 影像配准效果（上：ALOS卫星遥感影像，左下：TM卫星遥感影像，右下：HJ－1B卫星遥感影像）Fig.2 Registration effect of remote sensing images（upper：ALOS image；lower left：TM image；lower right：HJ－1Bimage）

为了能更好地从影像上解译海岸线，本文对不同影像开展了相应的增强处理，使用了不同波段进行组合，组合的方式为：MSS影像选取6、5、4波段分别赋予红、绿、蓝色制作假彩色合成图，对于水陆分界的岸线解译较为敏感；TM影像采用4、3、2波段合成假彩色图像，水陆边界明显；至于HJ－1B卫星遥感影像，则选取4、3、2波段，并利用公式（1）［12］的计算结果替换第3波段以增强色彩效果：

1.3 海岸线提取

基于现场踏勘和当地的实际情况，本文将防城湾海岸线分为4类：基岩岸线、淤泥质岸线、生物岸线和人工岸线，参考《我国近海海洋综合调查与评价专项海岸线修测技术规程》［2］中的界定原则，结合各类海岸线的地貌特征，确定各类型海岸线的位置。基岩岸线确定在基岩质陡崖的基部，如图3a；淤泥海岸潮间带上常有一条耐盐植物生长状况明显变化的界线，以此作为淤泥质岸线的位置，如图3b；生物岸线在本区域主要指红树林岸线，其位置确定在红树林内边界上，海岸线以下为红树林，以上为陆地［13］，如图3c；本区人工构筑物向陆一侧皆不存在平均大潮高潮时海水能达到水域，所以以永久性人工构筑物的向海侧的平均大潮时水陆分界的痕迹线作为人工岸线的位置，如图3d。

图3 海岸线的遥感解译标志Fig.3 Remote sensing interpretation signs of shoreline

基于2010年的HJ－1B卫星遥感影像，利用所建立的各类型海岸线遥感解译标志，对2010年的海岸线进行信息提取。利用“908”专项海岛岸线专题数据对海岸线提取结果进行精度评价，其误差在0.5～1.0个像元以内，评价结果表明本文所建立的各类型海岸线遥感解译标志可行。基于此，对另外4期的海岸线以人机交互解译方式统一在1∶10 000窗口下进行提取，结果见图4，海岸线长度统计情况见图5。为保证相邻时相两期岸线没有变化的位置及属性信息保持严格一致，每期海岸线在相邻时相的海岸线提取结果基础上进行修边得到。

图4 各期防城湾海岸线图Fig.4 Shoreline of the Fangcheng Bay in different periods

图5 各期防城湾海岸线长度统计Fig.5 Statistics of shoreline length of the Fangcheng Bay in different periods

2 海岸线变迁分析

通过5期卫星遥感影像解译结果叠加可以看出：1973—2010年间防城湾海岸线变迁情况较为复杂，近40a来沿岸不断有新增面积出现，共增加了约4 216.61hm2，其中1973－1990年增加了736.64 hm2，1990－2010年增加了3 479.76hm2（图6）；海岸线总长度则持续递减，只在2010年稍有回升，与1973年相比减少了36.96km（图7）。

图6 防城湾增长面积变化趋势图Fig.6 Changing tendency of increased area along the Fangcheng Bay

图7 防城湾海岸线长度变化趋势图Fig.7 Changing tendency of shoreline length along the Fangcheng Bay

从空间上看，渔澫岛的海岸线变迁程度最为剧烈，新增长的岸段及部分原始岸段皆转为人工岸线类型，而基岩与淤泥质岸线类型几乎消失殆尽；其次是暗埠口江沿岸，以淤泥质为主，近40a间，海岸不断向海推进，许多原本曲折多变的鹿角湾被逐渐填充，岸线变得日趋平直；防城江口沿岸则相对变化不大，各类型岸线变化较为稳定（图5）。

从时间上看，防城湾1973—1979年海岸线变迁程度很小，1979—1990年开始加速，1990—2000年以及2000—2010年2个10a变化最为剧烈（图5），究其原因人为因素占主导。

2.1 防城江口沿岸海岸线变迁

防城江口沿岸海岸线在1973—2010年近40a间岸线变迁的程度很小，变迁总面积为74.58hm2。其中，1973—1990年间提取的3期岸线几乎完全重叠（图4）。2000年时，仅在防城江河口附近有人工围填以加固河堤的迹象，围填面积约为36.75hm2，此处岸线长度比1990年减少1.35km，而新增人工岸线0.5km；2000年海岸线长度比1990年缩短了2.09 km。至2010年，继续在2000年基础上扩大了河口附近的围填面积，又增加了约37.83hm2，海岸线总长度则变化不大，引起这种变化的原因主要是人工围填使得深入内陆的一些较小的溺谷湾消失，之前曲折的岸线变得更加平直；另外，湾口沙尾咀处向海推进了约0.1km。

2.2 暗埠口江沿岸海岸线变迁

暗埠口江沿岸海岸线类型以淤泥质为主，近40a间，本区海岸不断向海推进，许多原本曲折多变的鹿角湾被逐渐填充，岸线变得日趋平直，这种变化的速率较为稳定，只是在2010年时，由于防城港企沙港区的修建，出现大面积的围海造陆活动。

总体来看，1973—1979年间，本区海岸线无太大变化，较明显的区域只在风流岭江湾口南岸有2个较小的海湾以及内侧北岸一个海湾淤积成陆，面积合约51.45hm2；海岸线总长度则由1973年的126.59km缩短到1979年的121.55km。

1979—1990年，人工岸线突增20.24km。云约江沿岸有3个港湾消失，其中南岸2个港湾是由人工围海养殖造成，面积合约170.18hm2，岸线长度共减少3.29km；东岸1个港湾则是自然淤积成陆，面积为33.39hm2，岸线长度减少1.22km。风流岭江两岸也有不同程度的人工围填的痕迹，面积总计104.04hm2，岸线长度则减少了6.03km。公车附近养殖堤坝的修建更是与湾内2个海岛6451和6452相接，围出了32.44hm2的养殖池塘，使得岸线长度减少了1.03km。

2000年与1990年相比，本区海岸线变迁更甚。主要表现为，淤泥岸段的淤长以及人工围填用以养殖或工程、道路建设。从潭头到公车段的岸线几乎都有向海推进，风流岭江南岸向海最大推进了近1km 云约江南岸新建了84.95hm2的养殖池塘，东岸继续淤积，面积为22.14hm2，岸线长度共缩减2.01km；另外，潭头附近也有新增的大面积淤积区，约达119.65 hm2，岸线长度缩短了1.9km。

至2010年，海岸线变迁态势还是以向海淤扩为主，但是程度明显不及前1个10a。大墩咀与潭头附近分别有22.09hm2与9.54hm2的人工围填，岸线长度合计增加0.8km；云约江东岸持续淤积，新增面积51.23hm2，岸线长度缩减1.89km；松柏港附近由于红树林保护加强，促使沿岸加速淤积，净增面积12.6hm2，岸线长度减少0.29km；企沙大道的修建将风流岭江湾底截断，使得岸线缩减3.51km，靠陆一侧面积约42.88hm2，已基本被围填。这一时期，本区变化最大的当属炮台角外围的人工围填区域，面积达940.19hm2，用作防城港企沙港区的兴建。

2.3 渔澫岛海岸线变化

1973—2010年，渔澫岛面积同样呈不断增加趋势（图8），近40a来共增加2 027.41hm2，总体增长了近2倍（图9），但增长率有变化；海岸线总长度则由46.49km变为44.03km，缩短了2.46km，但其趋势不是递减的，期间有增长的“抬升”期。可以看出，整个研究时段中可分为2个不同的岸线变迁时期，分别是1973—1990年和1990—2010年（图10）。

图8 渔澫岛海岸线变迁图Fig.8 Shoreline change on Yuwan Island

图9 渔澫岛增长面积变化趋势图Fig.9 Changing tendency of increased area on Yuwan Island

图10 渔澫岛海岸线长度变化趋势图Fig.10 Changing tendency of shoreline length on Yuwan Island

从海岸线类型来看，1973年以基岩及淤泥质岸线为主，约占97.3%，人工岸线很少；到2010年，人工岸线与生物岸线占绝对优势，约为92.4%，新增长的岸段及部分原始岸段皆转为人工岸线类型，而基岩与淤泥质岸线类型几乎消失殆尽（图5）。

渔澫岛海岸线在1973—1990年间和1990—2010年间变化趋势明显不同。1973—1990年间，渔澫岛面积逐渐增长，但增速较缓，岸线总长度则呈不断递减趋势；1990—2010年间，渔澫岛面积扩速陡增，岸线总长度也转而递增。

2.3.1 1973 —1990年渔澫岛海岸线变迁

1973—1990年间，渔澫岛面积增长速率较小，约为18.82hm2／a，这主要是由于该时期港区虽然在建，但没有太大规模的围填工程，且速度较为稳定，到1986年为止，防城港第一期工程只有7个万吨级深水泊位峻工投入使用。

1973—1979年间，整个渔澫岛总体面积变化不大，仅增加了约94.63hm 岸线长度缩减2.87km此期间处于防城港建设开工初期，西南端部分区域的围海造陆占据了较大变化份额，形成了防城港的雏形。另外，渔澫岛北端有部分小海湾也被围填。

1979—1990年间，随着进一步的人工围填，本区面积增加了225.25hm2，岸线总计缩短2.32km，这主要是由于东南端围海建造码头。北端的所有海湾也基本被围填，若干近岸小岛（茶壶墩、捕鱼岭等）都被围入人工岸线以内（图8），岸线曲率变小，原本曲折的自然岸线日趋平直，使得海岸线总长度呈缩减状态，平均缩减幅度约为0.63km／a。1987年南防铁路建成，渔澫岛与大陆联系加强，铁路通过岛体的中段东岸，使其也有小规模外扩。

2.3.2 1990 —2010年渔澫岛海岸线变迁

1990—2010年间，受政策影响，渔澫岛上建设提速，面积不断扩大，年均增长约85.38hm2；更多原始的自然岸线转为人工岸线，海岸线总长度转而增加，2010年达到44.03km，比1990年时的最小值增长了约6.9km，增长速率约为0.35km／a。

1993年，防城港被批准正式设立地级市，同时借助于国务院给予的享受沿海开放城市的优惠政策，岛上的基础设施建设陡然提速，总面积于1990—2000年间增长了约772.89hm2，岸线长度增加4.62km；由于防钦高速公路的修建，本区北端再一次与大陆相通，西部沿岸大面积海域被围入人工岸线以内，使得长山尾岛也与渔澫岛贯连；期间，东岸及南岸分别有262hm2与79hm2的新增码头泊位。2000—2010年间，防城港扩建势头不减，新增面积达934.63hm2，新增岸线长达5.84km，集中在南端新建港区，5万、7万、10万甚至20万吨级泊位相继建成投产（图11）。至此，防城港已有6个港区，渔澫岛总面积达到1973年时的3倍。

2.3.3 渔澫岛分维数计算

近年来越来越多的学者尝试利用定量方法或参数来描述与分析海岸线变迁特征，其中，海岸线分维数是表述海岸线变迁的一种参数。

采用网格法计算海岸线的分维数。根据分形理论Nk（εk）∝ε－Dk，则D就是被测海岸线的分维数。按照网格长度ε1，ε2，ε3，…，εk，分别统计被覆盖海岸线的网格数目N（ε1），N（ε2），N（ε3），…，N（εk），对公式

进行回归（图12），可计算出海岸线分维数D，式（2）中A为待定常数［14］。

首先在ArcGIS中将已提取的1973—2010年5期渔澫岛海岸线矢量层，按照48163264128和256m分别进行栅格化，获得不同尺度下渔澫岛海岸线长度，尺度越大海岸线越短［15］。然后统计每个空间分辨率网格下海岸线的网格数量，依照分维数计算公式对每组数据进行回归分析，从而得出时间序列上渔澫岛海岸线的分维数D（表2）。

图11 卫星图像显示的渔澫岛南端排尾附近海岸变迁情况Fig.11 Coast change nearby Paiwei on south of Yuwan Island displayed on remote sensing images

表2 渔澫岛不同时期海岸线分维数计算结果Tab.2 Fractal dimensions of shoreline in different periods of Yuwan Island

由表2可知，渔澫岛分形维数范围介于1.023～1.062之间。1973年分形维数为最大值1.062，表明当时海岸线结构复杂，人工改造的痕迹较小，接近于自然状态。从1973年到2010年呈递减趋势，表明海岸结构的复杂度降低。1979年与1990年分维数差别较大，从渔澫岛海岸线变迁图（图8）可以看出，之前一些较小的港湾到1990年已经围填，岸线曲率变小，总体趋于平缓。1990年与2000年分维数又相差较大，原因从图5可以看出，到2000年为止，海岸线几乎已全部为人工岸线，变得更为平直。而2010年的分维数为最小值，表明海岸线结构最简单，由人工改造的幅度更大，变为更规则、平直的几何形状。

图12 分维数回归曲线Fig.12 Regression curves of fractal dimensions

3 结论

防城湾海岸线在1973—2010年间变化较为明显，本文利用Landsat与HJ－1B卫星遥感影像，通过人机交互解译方式提取海岸线，对防城湾海岸线动态变化进行了定量分析，结果表明：

（1）近40a来，防城湾海岸线曲折程度不断减小，日趋平直化，总长度呈递减趋势，仅在2010年时稍有回升。不同时期陆域面积增加的幅度不同：1973—1990年，政策平稳，增幅较缓，仅增加了736.64hm2；1990年后，受改革开放政策驱动，扩张速度陡增，增加了3 479.96hm2。研究区变化幅度最大的区域为渔澫岛西岸和南岸以及企沙半岛的炮台沿岸，均为防城港港区的所在；暗埠口江沿岸变化次之；防城江口海岸线变迁幅度最小。

（2）防城江口沿岸以基岩岸线为主，海岸线在1973—2010年间变迁的程度很小，仅在防城江河口沿岸增加了74.58hm2的面积，引起这种变化的原因主要是人工围填固岸使得深入内陆的一些较小的溺谷湾消失。

（3）暗埠口江沿岸以淤泥岸线为主，近40a间不断向海推进，许多原本曲折多变的鹿角湾被逐渐填充，伴随着养殖业的发展，人为修筑堤坝，岸线变得日趋平直，这种变化的速率较为稳定。2010年时由于防城港企沙港区的修建，出现大面积的围海造陆活动。

（4）1973—2010年，渔澫岛面积同样呈不断增加趋势，近40a来共增加2 027.41hm2，总体增长了近2倍，占整个研究区陆域增长面积的48%；海岸线总长度则由1973年的46.49km减少到2010年的44.03km。渔澫岛海岸线在1973—1990年间及1990—2010年间变化趋势明显不同。1973—1990年间，渔澫岛面积逐渐增长，但增速较缓，岸线总长度则呈不断递减趋势；1990—2010年间，渔澫岛面积扩速陡增，岸线总长度也转而递增。

本文所用影像的空间分辨率皆不高于30m，这对分析结果可能有一定影响，造成与实际情况有些偏差，今后将尝试利用更高空间分辨率的遥感影像进行分析，以获取更精确的结果。

致谢 本文所用的Landsat卫星遥感影像从NASA网站免费下载；所用的环境数据由中国资源卫星应用中心免费提供，谨致谢忱！

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