基于潮位观测的三亚湾海岸侵蚀遥感提取与分析

段依妮，滕骏华，蔡文博

（国家海洋环境预报中心，北京 100081）

基于潮位观测的三亚湾海岸侵蚀遥感提取与分析

段依妮，滕骏华，蔡文博

（国家海洋环境预报中心，北京 100081）

摘要：为了研究20世纪90年代初期至今海南三亚湾的海岸侵蚀情况，基于潮位观测数据，采用遥感与GIS技术，提取了三亚湾1991、2013年两个时期的水边线位置变化信息，用于反映该时期海岸线的相对位置变化关系，完成海岸侵蚀信息提取。综合利用多种遥感指数、高分辨率遥感影像、人类活动记录等多源信息，对海岸侵蚀的原因进行了详细分析。理论分析结果表明：根据潮汐与农历日期的对应关系，选择农历日期最接近、成像时间差最小的遥感影像，能够有效消除潮汐对水边线位置的影响。实验结果表明：三亚湾的砂质海岸存在明显的侵蚀现象，海岸西段最大后退距离达45—60 m，中段最大后退距离达60 m，东段最大后退距离达30 m。分析结果表明：三亚湾海岸侵蚀受人类活动和自然因素的共同影响，海岸工程的建设、近岸原生植被的破坏是海岸侵蚀的重要原因，后续应更加合理开发与利用海岸线资源。

关键词：潮位观测；三亚湾；海岸侵蚀；遥感监测

1　　引言

海岸侵蚀是指由自然因素、人为因素或者两种因素迭加而引起的海岸线位置后退或岸滩（包括海滩或潮滩）下蚀［1］。海岸侵蚀是一种灾害性的海岸地质现象，近年来呈现不断加剧的趋势，常造成堤岸坍塌、村镇后迁、海岸工程设施破坏，由此进行的海岸侵蚀管理花费了大量的专项投入，给沿海地区经济社会的发展造成了极大危害［2-3］。

三亚位于海南岛的最南端，是中国最南部的热带滨海旅游城市。然而，自20世纪80年代以来，随着旅游资源的开发和城市建设的拓展，三亚湾的海岸侵蚀现象愈演愈烈，引起了学者们的广泛关注［4］。

三亚湾海岸侵蚀的研究方法主要分为传统的野外调查与遥感监测两类。在野外调查方面，黄少敏等通过现场调查、定位测量及地图对比，对海南岛砂质海岸的侵蚀状况及侵蚀原因进行了分析［5］。李喜海等野外调查了三亚湾的海岸侵蚀情况，并重点监测了侵蚀现象较为突出的岸段［6］。在遥感监测方面，高义、姚晓静、包萌等先后以多期Landsat卫星影像为数据源，分析了海南岛近30—40 a间的海岸线长度和利用类型的时空变化［7-10］，但针对三亚湾的论述较少，并且没有海岸线位置进退的定量研究。

与野外调查相比，遥感技术在海岸带侵蚀研究方面具有长期、连续、大范围监测的优势，在海岸线提取、变化监测等方面也取得了较多成果［11-13］，但仍存在下列问题：

第一，受潮汐等因素的影响，从遥感图像上直接提取的卫星过顶时刻的瞬时水边线并不是理论意义上的海岸线［14］，解决这个问题的一种途径是通过潮位校正获得平均大潮高潮线［15］。张旭凯等在研究中详细介绍了潮位校正的原理，但由于缺乏遥感影像获取时刻的实时潮位观测数据，计算得到的海岸线位置存在一定的误差［16］；

第二，海岸侵蚀是一个相对缓慢的过程，三亚湾海岸侵蚀的年速率仅1—2 m/a，而0.1 m的潮位

为了克服遥感监测的上述问题，本文与现有的潮位校正的研究思路不同，通过研究潮汐规律选择合适的遥感影像，最大限度地消除不同时刻潮汐对水边线位置的影响。通过水边线位置的变化，获取不同时期海岸线的相对位置变化关系。

本文首先基于三亚站潮位实时观测数据，详细分析了三亚湾的潮位规律，对遥感影像的成像时间进行了严格的筛选。在此基础上，利用遥感与GIS技术对三亚湾的海岸侵蚀信息进行提取。最后，利用多种遥感指数、高分辨率遥感影像、人类活动记录等多源信息，分析了部分岸段侵蚀严重的原因。

2　　三亚湾潮汐规律分析与影像选择

2.1研究区潮汐规律分析

三亚湾位于三亚市中心区的南侧，为岬湾砂坝潟湖海岸［17］。东起鹿回头半岛南端（18°11′20″N，109°28′58″E），西至马岭市东角岭角（18°17′40″N，109°20′39″E），海湾呈对数螺旋形，湾口朝西南向敞开，海岸线长17.8km，三亚湾海域总面积约为68.6km2。

本区域的潮汐属于以日潮为主的混合潮，半日潮天数每月平均为11 d。日潮时一天内涨潮为16—17 h，落潮时极短，仅7—8 h。涨潮流为东南向，落潮流为西北向，自表层至底层均为落潮流流速大于涨潮流流速［18］。平均涨、落潮流速分别为11.2 cm/s和19.4 cm/s。此外，三亚湾还遵循潮汐的一般规律，潮汐时刻与农历日期对应，潮差与农历日期相关，在农历每月的初一、十五附近出现大潮，在农历每月初八、二十三附近出现小潮。

2.2遥感影像选择

根据三亚湾的地理范围，本研究收集了1980—2015年的美国陆地卫星Landsat TM/ETM+/OLI影像共30景用于侵蚀信息提取。影像的成像质量、云量分布均满足要求，进一步的筛选条件如下：

（1）时间跨度大，有利于海岸线变化检测；

（2）农历月份和日期相近，季节相近，使潮汐规律相同，并且有利于比较地物地貌；

（3）每月初八、二十三附近最佳，潮差比其他日期更小，引起的海岸线提取误差进一步降低；

（4）由于相关部门2014年6月开始对三亚湾进行大规模的补沙，因此遥感影像的成像日期需在此之前。

经过筛选，确定了成像时间为1991年、2013年，农历为相同月份、日期最接近、时间差最小的两景遥感影像（以下简称1991年影像、2013年影像）。影像的成像参数如表1所示。

表1研究使用的遥感影像参数

此外，在侵蚀原因分析的过程中，本文还使用了与上述Landsat影像时相接近的QuickBird遥感影像。

2.3潮位观测数据分析

三亚海洋观测站建成于1994年，因此本研究无法获取1991年的潮位数据。由于农历日期接近，通过统计2013年10月26日（农历九月二十二）的潮位数据，可反映两景影像成像当天的潮汐规律（见图1）。

图1三亚站2013年10月26日24 h潮位数据

图2 2013年10月26日潮位在38 min内变化

由图1可知，2013年影像获取当天的潮汐为日潮。潮差变化很小，最大潮差仅为97 cm，符合农历九月二十二出现小潮的统计规律。上述规律同样适用于1991年影像。

由于两景影像获取时间相差38 min，下面对38 min内的潮位变化进行统计分析。图2显示了2013年10月26日10：29—11：08潮位数据，潮位在113 cm附近变化，最大潮差仅为5 cm。

设海滩的倾角为α，潮差为Δh，潮差引起的水边线进退的水平距离为Δx，则

据统计，三亚湾海滩一般以4°—6°的缓坡向海倾斜［19］。按照平均值5°计算，将Δh=5 cm代入，解得Δx=57.2 cm=0.572 m，即5 cm的潮位上升将引起水边线后退0.572 m。而本研究中使用的Landsat影像的空间分辨率为30 m，即潮位引起的水边线进退变化不超过0.1个像元。因此，可以认为潮汐对研究中使用的1991年、2013年的两景影像的影响相同。

综上所述，本文通过筛选农历日期和成像时刻接近的影像提取海岸线侵蚀信息的研究思路是可行的，不但考虑了潮汐对海岸线位置的影响，而且减小了潮位估算带来的误差。

图3海岸侵蚀明显的3处岸段

3　　海岸线侵蚀遥感提取与分析

研究中，首先将两幅遥感影像进行精确的地理坐标配准。之后，基于ArcGIS软件平台，以几何精校正后的Landsat影像作为工作底图，在WGS 84坐标系下，采用人工目视解译的方法，分别提取了1991年、2013年三亚湾的海岸线，并以不同的颜色表示。最后，以1991年影像为背景，制作海岸线侵蚀提取结果图。通过不同时期海岸线位置的对比，即可定量提取海岸线的侵蚀情况。

为了突出海水，影像采用标准假彩色合成方案。影像中，植被为红色，海水为深蓝色，湿润沙滩为浅蓝色，干燥沙滩为白色。海水与湿润沙滩的明显相接处即为海岸线所在位置。

通过逐像元对比检查，发现3处岸段存在明显的海岸侵蚀现象，根据地理坐标确定了实地对应的地名，分别为：“肖旗河口-海航度假酒店”岸段（中心经纬度：18°7′20.90″N，109°2′9.84″E）、“海居铂尔曼酒店-碧海蓝天美术馆”岸段（中心经纬度：18°6′54.28″N，109°7′29.82″E）、“海月广场-三亚湾大桥”岸段（中心经纬度：18°5′15.78″N，109°9′40.40″E），分别对应图3的（1）、（2）、（3）处。

3.1“肖旗河口-海航度假酒店”岸段

（1）海岸侵蚀信息提取

自肖旗河口到三亚海航度假酒店长约3 km的海岸线存在明显的海岸侵蚀现象。图4是1991、2013年海岸线的提取结果，其中红色为1991年海岸线，黄色为2013年海岸线。可以看出，22 a中该岸段的最大后退距离达1.5—2个像元（45—60 m），见A、B两处。需要说明的是，肖旗河口的东侧约180 m的岸段出现了海岸线前进的情况，可能是港口修建时人工填海造地导致的。

（2）侵蚀原因分析

通过对A处两景Landsat影像的对比，可推断肖旗港的建设是导致海岸侵蚀的主要原因。与1991年相比，2013年的肖旗河口发生了3个明显的变化（见图5）：第一，水道变宽，平均宽度增加了约1个像元（30 m）；第二，港池增大，面积约增加40个像元（36 000 m2）；第三，下游修建人工湖，见图5b的黑色区域，面积约20个像元（18 000 m2）。采用归一化差异水体指数（NDWI）［20］提取水体信息，结果如图6所示，尽管受到影像分辨率的限制，但该结果仍能很好地反映肖旗河口的水体变化。为了进一步证实上述结论，本文还收集了2013年11月30日的QuickBird高分辨率遥感影像（见图7），可以清晰地看见水道、港池、人工湖等地物。

结合相关的媒体报道可知，1998—2003年期间，有关单位在肖旗河口建设游艇码头、扩建港池，对肖旗河口进行大面积开挖与疏浚。因此，海水涌入港口，导致水深显著增加，大面积海滩被淹没。另外，人工湖的建设使河水冲刷带入大海的沙量逐年减少，致使沙源不足，补入沙量过少，不能达成沙滩稳定的动态平衡。

图4岸段（1）的海岸线侵蚀提取结果（背景影像获取时间为2013年）

图5肖旗河口遥感影像对比

图6肖旗河口NDWI提取

图7肖旗河口高分辨率遥感影像

通过对B处两景Landsat影像的对比，可推断海岸旅游景区的建设、原始植被破坏也是导致海岸侵蚀的重要原因。与1991年相比，2013年的海岸植被覆盖明显减少（见图8），从原来垂直岸边的1—2个像元的宽度，减少到无明显的植被覆盖。图9是2013年11月30日的QuickBird高分辨率遥感影像，可以清晰地看见海岸边的植被稀疏，分布了多处人工建筑物。

结合相关的媒体报道可知，海航度假酒店在海岸带景观改造时，毁坏原始植被面积3 240 m2，降低沙坝高度1 m，铺设红土980 m3，改变了150 m长岸滩地形地貌，使海岸失去天然屏障，最终导致该岸段的侵蚀。

3.2“海居铂尔曼酒店-碧海蓝天美术馆”岸段

（1）海岸侵蚀信息提取

自海居铂尔曼酒店到碧海蓝天美术馆长约4 km的海岸线存在明显的海岸侵蚀现象。图10是1991、2013年海岸线的提取结果，可以看出，22 a中该岸段的最大后退距离达2个像元（60 m），见C、D两处。需要说明的是，2013年海岸线的个别位置出现了海岸线前进的情况，可能是相邻被海水侵蚀的岸段的泥沙冲刷、沉积到此处造成的。

（2）侵蚀原因分析

通过两景Landsat影像的对比，可推断三亚湾路的建设、原生植被破坏是导致该岸段侵蚀的主要原因。如图11所示，1991年海岸植被覆盖面积大，按照垂直于岸边的方向计算，平均宽度有4个像元。但2013年岸上植被平均宽度仅有1—2个像元。为了进行定量的对比，采用归一化植被指数（NDVI）［21］统计植被覆盖度，计算得到1991年、2013年的NDVI值分别为0.09、0.05。图12是2013年11月30日的QuickBird高分辨率遥感影像，可以清晰地看见三亚湾路的向海一侧植被稀疏。

20世纪90年代初，三亚湾路宽度仅4 m，自1999年起扩建三亚湾路，建成了东起三亚港、西至天涯湾的长约10 km、宽约14 m的滨海大道。为了扩建三亚湾路，砍伐了大片的原生植被。由于原来沙坝生长的原生植被是经过长期自然选择存活下来的，具有防风浪、抗干旱、固沙和改良土壤的作用，原生植被的破坏使海岸失去天然屏障，固沙功能减弱，导致出现岸滩留不住沙的现象。

图8海航度假酒店区域遥感影像对比

图9海航度假酒店区域高分辨率遥感影像

图10岸段（2）的海岸线侵蚀提取结果（背景影像获取时间为2013年）

图11三亚湾路植被覆盖的遥感影像对比

图12三亚湾路的高分辨率遥感影像

图13岸段（3）的海岸线侵蚀提取结果（背景影像获取时间为2013年）

图14　　凤凰岛建设前后的遥感影像对比

3.3“海月广场-三亚湾大桥”岸段

（1）海岸侵蚀信息提取

自海月广场到三亚湾大桥长约1.7 km的海岸线存在明显的海岸侵蚀现象。22 a中该岸段的最大后退距离达1个像元（30 m），见E、F两处。

（2）侵蚀原因分析

通过两景Landsat影像的对比，可推断此岸段的海岸侵蚀与三亚凤凰岛的建设有密切的关系。对比1991年影像和2013年影像（见图14），可知凤凰岛和三亚湾大桥是新增地物。据记载，凤凰岛是在原有的三亚湾白排礁盘基础上围填起来的人工岛，建成于2003年，通过三亚湾大桥与市区相连。凤凰岛建成后，相当于在白排礁上人为地建造了一个新的岬角，改变了三亚湾的自然水动力环境，使湾内的波浪传播条件发生变化，波能集中，引起海滩冲刷。因此，三亚湾大桥至海月广场西侧长约1.7 km的岸段在强风暴潮及风暴巨浪作用下容易发生侵蚀现象。例如，2005年18号台风“达维”引发的风暴潮导致三亚滨海人行道被破坏，海滩高潮线以上的椰子树被冲毁，一定程度上改变了海岸线的形态。

3.4海岸侵蚀的自然因素分析

上述3处岸段的海岸侵蚀除了受人类活动影响之外，还受到多种自然因素的影响。通过分析和查证，主要有以下3个方面：

（1）砂质海岸的特性

三亚湾沙滩主要为灰白浅黄色中细砂、含砾粗砂，贝壳、红藻、珊瑚碎屑及少量钛铁矿、锆石等矿物。按照海岸线类型划分，上述3处岸段均为砂质海岸，质地较疏松，易受海水的冲刷。

（2）海平面上升

海平面上升导致三亚湾弧形砂坝直岸段呈现侵蚀后退。国家海洋局海平面监测和分析结果表明，中国沿海海平面变化总体呈波动上升趋势。1980—2013年，中国沿海海平面上升速率为2.9 mm/a，高于全球平均水平。2013年，中国沿海各省（自治区、直辖市）海平面均明显高于常年。其中，海南最高，较常年高143 mm［22］。由于三亚的海滩坡度较缓，较小的潮位上升就能引起较明显的海岸线后退。

（3）台风风暴潮

海南是我国沿海台风风暴潮发生最为频繁的省份之一。作用于三亚湾海岸带的风力以西风与西南风为主，风速较大，盛行于6—8月，也是台风频发时期，容易发生大规模的台风风暴潮。国家海洋局发布的《中国海洋灾害公报》显示：1991—2013年的22 a中，海南共发生20余次较大规模的风暴潮灾害，暴雨和潮水冲毁公路、毁坏通讯供电线路、崩决围堤、破坏水利设施、淹没稻田，海岸受侵蚀形成陡坎。

此外，三亚湾不同季节海平面的变化以及风暴潮造成的潮汐增水等均会带来海岸线位置的变化，也会对海岸侵蚀程度产生一定影响。

4　　结论

本文基于潮位观测数据，采用遥感和GIS技术提取了三亚湾1991、2013年两个时期内的海岸线侵蚀信息，发现了3处侵蚀严重的岸段。结合NDWI、NDVI遥感指数，Landsat和QuickBird遥感影像，以及人类活动记录，对3处岸段的侵蚀原因进行了详细分析，获得如下结论：

（1）理论研究结果表明：根据潮汐与农历日期的关系，选择农历日期最接近、成像时间差最小的遥感影像，能够有效消除不同时刻潮汐对水边线位置的影响，既综合考虑了潮汐对海岸线位置的影响，又减小了潮位估算带来的误差；

（2）监测结果表明：自1991—2013年的22 a中，三亚湾的砂质海岸存在明显的侵蚀现象。海岸西段侵蚀较为严重的是肖旗河口至海航度假酒店的岸段，最大后退距离达1.5—2个像元（45—60 m）；海岸中段侵蚀较为严重的是海居铂尔曼酒店至碧海蓝天美术馆的岸段，最大后退距离达2个像元（60 m）；海岸东段侵蚀较为严重的是海月广场至三亚湾大桥的岸段，最大后退距离达1个像元（30 m）；

（3）侵蚀原因分析表明：三亚湾的海岸侵蚀受人类活动因素和自然因素的影响。人类活动因素主要包括：肖旗港、三亚湾路、凤凰岛的建设，近岸原生植被的破坏等方面。自然因素主要包括砂质海岸的特性、海平面上升、台风风暴潮等方面。

海南省是21世纪海上丝绸之路的重要节点，生态环境不但关系人民福祉，而且是一张向世界展示中国的名片。为了改善海南三亚湾的海岸侵蚀现状、防止海岸侵蚀加剧，建议相关部门科学规划近岸工程、规范旅游资源的开发、严格禁止海岸采沙、修筑高质量的护岸工程，对侵蚀严重的海岸通过补沙进行修复。

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中图分类号：P731.23

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2016）03-0057-08

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.008

收稿日期：2015-07-20

基金项目：国家海洋公益性行业科研专项（201205006）。

作者简介：段依妮（1988-），女，研究实习员，博士，主要从事海洋遥感理论与应用研究。E-mail：yiniduan@126.com上升引起的水边线位置变化就超过1 m。因此，潮汐变化将对水边线位置提取造成较大的误差，研究海岸侵蚀必须最大限度地减小潮汐的影响。

Extraction and analysis of coastal erosion of Sanya Bay using remote sensing imagery and tide level data

DUAN Yi-ni，TENG Jun-hua，CAI Wen-bo
（National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China）

Abstract：In order to examine the coastal erosion of Sanya Bay since the beginning of 1990s，based on tide level observation data，the change of waterline locations of Sanya Bay was extracted respectively in 1991 and 2013 using the remote sensing and GIS methods.The change of waterline locations which reflects the relative change of coastline locations is used to extract the information of coastal erosion.The reasons of coastal erosion are analyzed in detail，using multi-sources information，such as remote sensing indexes，high-resolution remote sensing imagery，human activity records and so on.The theoretical analysis shows that according to the relationship between tide and lunar calendar，it can effectively eliminate the influence of tide on the waterline location by choosing imagery of similar data and imaging time.The experiment results show that there exists obvious coastal erosion in the sand coast of Sanya Bay.Some locations of the west coastline retreat up to 45 to 60 meters，the number are 60 meters for the middle coastline and 30 meters for the east coastline.The analysis represents that the coastal erosion of Sanya Bay is caused by both human activity and natural factors.The construction of coastal works and the destruction of inshore original vegetation are two important reasons for the coastal erosion.In the future，the coastal resources should be developed and used more scientifically.

Key words：tide level observation；Sanya Bay；coastal erosion；remote sensing monitoring