烟台龙口至芝罘岸段海岸侵蚀遥感监测研究*1

王建步，张 杰，周相君，许海蓬，田 震，张靖宇，马 毅

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

烟台龙口至芝罘岸段海岸侵蚀遥感监测研究*1

王建步1，张 杰1，周相君1，许海蓬2，田 震2，张靖宇1，马 毅1

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

选择2013年国产ZY-3卫星影像和2004年SPOT-5卫星影像，开展龙口至芝罘岸段的海岸侵蚀遥感监测，给出了9 a间该岸段海岸侵蚀的空间分布状况，并从海岸侵蚀速率、海滩宽度侵蚀模数、土地损失面积和海岸侵蚀强度四个方面进行了海岸侵蚀灾害特征分析。结果表明：1)2004-2013年间龙口至芝罘海岸有9个岸段发生侵蚀，分别位于龙口东海旅游度假区、龙口东庄、蓬莱小皂村、套子湾西侧和东侧，发生侵蚀的岸段都属于平直的砂质岸线；2)9 a间，侵蚀岸段的平均侵蚀速率为2.2 m/a，平均海滩宽度侵蚀模数7.38%，因海岸侵蚀共损失土地面积91 879 m2；3)给出了基于侵蚀速率和侵蚀宽度模数的海岸侵蚀强度信息，其中基于侵蚀速率的侵蚀强度多数是中侵蚀和强侵蚀，龙口市东庄的海滩是严重侵蚀，基于侵蚀宽度模数的侵蚀强度多数是强侵蚀，蓬莱市小皂村的海滩是严重侵蚀。

海岸侵蚀；遥感监测；龙口至芝罘岸段

海岸侵蚀是一种遍及全球海岸带的严重灾害。海岸侵蚀会导致海滩退化、堤坝崩塌、浴场破坏，甚至影响公路、建筑和防护林。因此，海岸侵蚀监测及其特征分析，对于沿岸生态保护和社会经济发展具有重要意义。目前，海岸侵蚀的调查手段主要包括现场实测和遥感提取，与现场实测相比，遥感具有快速、经济和高频度观测的优势，是目前海岸侵蚀监测的重要技术手段。

目前，国内外有较丰富的海岸侵蚀遥感监测与研究成果：P.SheikMujabar等[1]应用遥感和GIS手段对印度泰米尔纳德邦南部海岸带的侵蚀灾害进行监测，对不同区域的海岸侵蚀及淤长进行了测量和分析，并引入海岸带脆弱指数(CVI)来描述研究区内的相对脆弱性；德克萨斯州A&M大学于1999-2005年监测了德州海岸，监测剖面显示出受冲刷和严重侵蚀的短、长期海岸的形态变化，通过比较沙丘高度和海滩宽度分析受侵蚀的原因[2]；王玉广等[3]利用不同时期海图、遥感图像和现场监测资料，分析了辽东湾绥中沙质海岸侵蚀的状况，总结出该区域海岸蚀退的主要影响因素；王志一等[4]以废黄河三角洲海岸为研究对象，利用遥感技术和野外实地调查对海岸岸线变迁及冲淤动态进行了研究，结果表明遥感技术在岸线变迁、侵蚀淤积监测和预测方面具有优势；有关龙口至芝罘岸段的海岸侵蚀也很受关注，庄振业等[5]分析了环渤海辽冀津鲁砂质岸近几十年遭受的侵蚀，其中龙口市1979-2010年海岸平均蚀退率达3 m/a；温倩等[6]探讨了影响海岸侵蚀的各种因素以及海岸侵蚀造成的严重后果，给出了龙口屺母岛沙坝蚀退状况；李兵等[7]分别提取龙口市栾家口岸段1979年和2010年的岸线数据，结果显示处于侵蚀状态。上述研究给出了龙口市有关岸段海岸侵蚀的结论，但是没有针对该岸段开展细致、全面的分析，且监测的现势性不强。

本研究选择2013年国产ZY-3卫星影像和2004年SPOT-5卫星影像，开展龙口至烟台岸段海岸侵蚀状况监测，并从海岸侵蚀速率、海岸侵蚀强度、海滩宽度侵蚀模数以及土地损失面积四个方面进行了海岸侵蚀灾害特征分析。研究成果可为提出海岸侵蚀灾害预测预警措施、制定科学的海岸保护与开发政策等提供支持。

1 研究区概况

研究区位于山东半岛北部，北黄海和渤海交界处，烟台龙口市与芝罘区之间(图1)。整个岸段西起屺母角，东至芝罘岛，岸线总长约168 km，沿岸蜿蜒曲折，港湾岬角交错，沙嘴沙滩发育。该区域海岸发育在胶辽隆起带，不断遭受侵蚀和剥蚀作用，沿岸河流主要有黄水河、辛安河和大沽夹河等，潮汐类型属于正规半日潮。

图1 海岸侵蚀研究区域Fig.1 The coastal erosion study area

该区域历史悠久，自古以来居民靠海为生，渔、盐业基础坚厚，20世纪80年代以后，烟台成为地级市并获批为我国首批沿海开放城市之一，带动区域经济发展。该区气候宜人，分布有多处沙滩，景点众多，是我国北方著名的旅游避暑和休闲度假胜地。然而，该区域海岸侵蚀十分严重，导致该岸段部分海滨浴场和渔港遭到严重破坏，并使得堤坝崩毁、沿岸工程受损，岸线以上的农田和居民区受到威胁，海岸旅游环境遭到严重破坏。

2 数据与方法

2.1 数据与处理

本研究以研究区2013年国产ZY-3和2004年SPOT-5共两个时相的5景卫星遥感影像为数据源(表1)：1)ZY-3卫星是我国2012-01发射的第一颗民用高分辨率光学传输型测绘卫星，可获取立体全色影像、多光谱影像，其中多光谱影像空间分辨率为5.8 m，全色影像空间分辨率达到2.1 m；SPOT-5影像于2002-05发射，共设置5个波段，其多光谱影像空间分辨率为10 m，全色影像空间分辨率2.5 m。上述两种卫星影像波段参数如表2所示。

表1 ZY-3与SPOT-5卫星遥感影像表Table 1 List of satellite remote sensing images ZY-3 and SPOT-5

表2 ZY-3与SPOT-5卫星影像波段参数表(nm)Table 2 The band parameters of ZY-3 and SPOT-5 satellite images(nm)

为保证海岸线位置提取的准确性，对2期影像进行了几何校正，其中，2景SPOT-5影像采用28个现场测量的亚米级精度控制点进行校正，并应用18个独立检验点验证图像定位精度，均优于1个像元；考虑到2期影像提取岸线变化信息的需要，以2004年的SPOT-5校正影像为基准，采用二次多项式变换对ZY-3遥感影像进行配准，配准精度优于1个像元。在研究区开展遥感影像分析时，两种影像均采用近红外、红和绿波段组合的假彩色效果。

2.2 岸线提取方法

研究区位于山东半岛北部，属于基岩港湾海岸和平直的砂质海岸，该区域海岸线分为两类：自然岸线和人工岸线，其中自然岸线分为基岩岸线和砂质岸线两类；人工岸线分为人工堤坝岸线和养殖区岸线两类。本研究参考孙伟富建立的不同类型海岸线遥感解译标志[8]，分别给出龙口市至芝罘区岸段各类别岸线的遥感解译标志。

1)基岩岸线

基岩岸线位于基岩海岸之上，形状较曲折。基岩海岸有明显的起伏状态和岩石构造，沿岸水深较大，在遥感影像上表现为水体颜色较深，近岸礁石呈灰白色，且亮度不均，纹理粗糙。海岸植被根据不同的长势呈浅红色或暗红色，裸岩呈灰白色。在影像中，基岩岸线的位置应在明显的水陆分界线上。礁石、破波带等位于岸线的向海一侧；植被、裸岩和建筑物等应位于岸线向陆一侧(图2)。

2)砂质岸线

砂质海岸一般较平直，海滩因大潮作用，常堆积成一条与岸平行的滩脊。滩脊的位置即为海岸线位置，一般在干燥的砂滩下限处，在影像上表现成一条痕迹线。海岸的干燥滩面光谱反射率较高，在影像上表现为白亮的区域，滩脊痕迹线处堆积有植物碎屑、杂物等，亮度较低，海水的光谱反射率较低，含水量较高的砂滩光谱反射率也较低，在影像上表现略暗。在遥感影像中，砂质岸线的位置应取在滩脊痕迹线上限处(图3)。

图2 基岩岸线Fig.2 Coastline with bedrock

图3 砂质岸线Fig.3 Coastline with sand

3)人工堤坝岸线

防潮堤、防波堤等建筑物在影像上一般亮度较高，呈白色，狭长延伸分布纹理平滑；几何特征明显，岸线平直；堤外为淤泥质滩涂，颜色灰暗、比裸地略淡，或者为海水。海岸线位置确定在堤坝构筑物的外缘。码头处凸堤在影像中多呈白色，明显的细长条状突出，此处的海岸线位置为码头外边界，横截宽度小于20 m 的凸堤处海岸线位置确定在凸堤根部与陆地相连的连线处(图4)。

4)养殖区岸线

养殖区岸线位于基岩海岸或粉砂淤泥质海岸上。养殖区布局规则，呈长条状，空间集中分布，颜色近于海水；养殖池在干涸情况下，影像上表现很像裸地，呈灰色或灰白色；陆地植被根据疏密程度呈浅红色至暗红色；大潮高潮不能淹没养殖区外边缘，海岸线位置确定在养殖区的外边缘上(图5)。

图4 人工堤坝岸线Fig.4 Coastline with artificial seawall

图5 养殖区岸线Fig.5 Coastline with aquiculture areas

2.3 侵蚀特征分析方法

1)海岸侵蚀速率

海岸侵蚀最明显的特征就是海岸线后退，岸线后退幅度是指一定时间内岸线后退的距离，但是如果考虑到不同时间范围内岸线后退幅度不完全一致的特点，采用岸线后退速率来代替岸线后退幅度更合适，即海岸侵蚀速率[9]。计算公式为

S=BD/t

(1)

式中，S为岸线侵蚀速率，单位为m/a；BD为岸线后退幅度，单位为m；t为时间跨度，单位为a。

2)海滩宽度侵蚀模数

海滩宽度侵蚀模数为侵蚀后退宽度占海滩宽度的比例[11]，也是表达海岸侵蚀的一个有效参数。计算公式为

W=EC/C

(2)

式中，W为海滩宽度侵蚀模数，W∈[0,100%]；EC为海滩后退宽度，单位为m；C为海滩宽度，单位为m。

3)海岸侵蚀强度分级

海岸侵蚀强度分级应用海岸侵蚀速率和海岸侵蚀宽度模数表达，其中基于海岸侵蚀速率的分级采用文献[9]的标准，基于侵蚀宽度模数的分级采用文献[10]的研究结果。这两种分级方式是从不同的侧面来描述海岸侵蚀的强度，其中海岸侵蚀速率是绝对的变化率，侵蚀宽度模数是相对变化率，因此本研究一并采用(表3)。

表3 砂质岸线侵蚀强度分级Table 3 Grades of erosion intensity for the sandy coastline

4)土地损失面积

因海岸侵蚀导致岸线后退，从而造成海岸土地的丧失，而且土地的损失是海岸侵蚀损失最为显著的部分。本研究应用GIS工具，基于第一期遥感影像，在两期的岸线范围内，提取海岸蚀退部分的土地损失面积。

3 结果与分析

基于2期海岸线提取结果，综合分析给出了研究岸段内海岸侵蚀的状况(图6)。总体来看，2004-2013年间龙口至芝罘岸段有多处发生侵蚀，共有9个岸段，自西向东依次编号1-9，其中1号岸段位于龙口东海旅游度假区的沙滩，2号岸段位于龙口市东庄的海滩，3-5号岸段位于蓬莱市小皂村的海滩，6-7号岸段位于套子湾西侧，8-9号岸段位于套子湾东侧，位于芝罘幸福村北侧海滩。发生侵蚀的岸段都属于平直的砂质岸线，直接面向大海，易受潮汐和波浪的作用。

图6 烟台龙口至芝罘岸段海岸侵蚀分布图Fig.6 Spatial distribution of the coastal erosion along the coastal segment between Longkou and Zhifu,Yantai

本研究对各侵蚀岸段计算了2004-2013年海岸侵蚀速率、海滩宽度侵蚀模数和土地损失面积，详见表4。9 a间，侵蚀岸段的平均海岸侵蚀速率为2.2 m/a，平均海滩宽度侵蚀模数7.38%，因海岸侵蚀共损失土地面积91 879 m2。2号岸段海岸侵蚀速率最大，达到3.4 m/a，位于龙口市东庄的海滩，目前已威胁到沿海的防护林；3号岸段侵蚀宽度模数最大，达到10.48%，位于蓬莱市小皂村的海滩，该区域附近建有滨海公路，目前岸线距离公路约200 m，但也需引起重视；6号岸段土地损失面积最大，达到38 851 m2，位于套子湾西侧河北村，紧邻滨海公路，该岸段的侵蚀已经影响到公路的安全。

本研究应用海岸侵蚀速率和侵蚀宽度模数计算了各岸段的侵蚀强度。由表5所示侵蚀强度信息可知：基于海岸侵蚀速率的侵蚀强度多数是中侵蚀和强侵蚀，只有2号岸段是严重侵蚀，位于龙口市东庄的海滩；基于侵蚀宽度模数的侵蚀强度多数是强侵蚀，只有3号和4号岸段是严重侵蚀，位于蓬莱市小皂村的海滩。

表4 各侵蚀岸段的侵蚀参数Table 4 The erosion parameters of the eroded coastal segments

表5 各侵蚀岸段的侵蚀强度Table 5 The erosion intensities of the eroded coastal segments

4 结 语

本研究应用2013年国产ZY-3卫星和2004年SPOT-5卫星的2期遥感影像，开展了龙口至芝罘岸段的海岸侵蚀监测，给出了9 a间该岸段海岸侵蚀的空间分布状况，并从海岸侵蚀速率、海滩宽度侵蚀模数、海岸侵蚀强度以及土地损失面积四个方面对海岸侵蚀灾害特征进行了分析，主要结论如下：

1)2004-2013年间龙口至芝罘海岸有9个岸段发生侵蚀，分别位于龙口东海旅游度假区、龙口东庄、蓬莱小皂村、套子湾西侧和东侧，发生侵蚀的岸段都属于平直的砂质岸线，直接面向大海，易受潮汐和波浪的作用。

2)9 a间，侵蚀海岸岸段的平均海岸侵蚀速率为2.2 m/a，平均海滩宽度侵蚀模数7.38%，因海岸侵蚀共损失土地面积91 879 m2。龙口市东庄海岸侵蚀速率最大，达到3.4 m/a，目前已威胁到沿海的防护林；蓬莱市小皂村海滩段侵蚀宽度模数最大，达到10.48%，由于区域附近建有滨海公路，因而需引起重视；套子湾西侧河北村岸段土地损失面积最大，达到38 851 m2，紧邻滨海公路，该岸段的侵蚀已经影响到公路的安全。

3)给出了基于海岸侵蚀速率和侵蚀宽度模数的侵蚀强度信息。基于海岸侵蚀速率的侵蚀强度多数是中侵蚀和强侵蚀，龙口市东庄的海滩是严重侵蚀；基于侵蚀宽度模数的侵蚀强度多数是强侵蚀，蓬莱市小皂村的海滩是严重侵蚀。

龙口至芝罘沿岸分布有低山丘陵，在一定成像几何条件下遥感影像在海岸线处有阴影存在，这会一定程度上影响岸线的提取精度，因此有必要开展遥感影像阴影去除技术研究。

[1]SHEIK MUJABAR P,CHANDRASEKAR N.Coastal erosion hazard and vulnerability assessment for southern coastal Tamil Nadu of India by using remote sensing and GIS[J].Natural Hazards,2013,69(3):1295-1314.

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[3]王玉广，张宪文，贾凯,等.辽东湾绥中海岸侵蚀研究[J].海岸工程，2007,26(1):1-5.

[4]王志一，徐素宁，姜艳辉,等.苏北废黄河三角洲岸线变迁与海岸冲淤动态遥感监测[J].南水北调与水利科技，2013,11(1)：136-139.

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[9]陈吉余.中国海岸侵蚀概要[M].北京：海洋出版社，2010.

[10]丰爱平，夏东兴.海岸侵蚀灾情分级[J].海岸工程，2003，22(2): 60-66.

StudyonRemoteSensingMonitoringofErosionAlongtheCoastBetweenLongkouandZhifu,Yantai

WANGJian-bu1,ZHANGJie1,ZHOUXiang-jun1,XUHai-peng2,TIANZhen2,ZHANGJing-yu1,MAYi1

(1.TheFirstinstituteofoceanography,SOA,Qingdao 266061,China;2.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao 266590,China)

The ZY-3 remote sensing images made in China in 2013 and the SPOT-5 images in 2004 are selected for the study of the remote sensing monitoring of coastal erosion along the coastal segment between Longkou and Zhifu.The spatial distributions of the coastal erosion along this segment in the last 9 years are given,and the disaster features of the coastal erosion are discussed from the following four aspects: coastal erosion rate,beach width erosion modulus,land area loss and coastal erosion intensity.The results show that: 1) Nine segments along the coast between Longkou and Zhifu suffered from erosion from 2004 to 2013.All of them belong to a straight sandy coastline and are located respectively in the Longkou Donghai tourism resort,the Longkou Dongzhuang village,the Penglai Xiaozao village and the western and eastern sides of the Taozi Bay; 2) In period of nine years,the eroded coastal segments are 2.2m/a in the average erosion rate,7.38% in the average beach width erosion modulus and totally 91 879 m2in the land loss caused by the erosion; 3) The information about the coastal erosion intensities is given based on the erosion rate and the width erosion modulus.The erosion intensities based on the erosion rate belong to mostly a moderate erosion and a strong erosion,of which the Longkou Dongzhuang beach is a serious erosion,whereas those based on the erosion width modulus belong to mostly a strong erosion,of which the beach at Penglai Xiaozao village is a serious erosion.

coastal erosion； remote sensing monitoring； coastal segment between Longkou and Zhifu

2013-11-04

中欧国际合作龙计划项目3期：Monitoring China's Coastal Zones and Adjacent Seas Under GlobalChange by Satellite Data (ID:10470)

王建步(1981-)，男，研究实习员，硕士，主要从事海岛海岸带遥感与应用方面研究.E-mail：wangjianbu@fio.org.cn(王佳实 编辑)

TP79

A

1002-3682(2014)01-0051-09