基于遥感技术的厦门大嶝岛海岸线与潮滩变迁分析

李萌萌,张彩云*,林 锐

(1.厦门大学海洋与地球学院,2.福建省海陆界面生态环境重点实验室(厦门大学), 3.滨海湿地生态系统教育部重点实验室(厦门大学),福建厦门361102)

潮滩位于海陆交接与海陆相互作用的地带,它随着潮汐的涨落而发生周期性的变化,涨潮时淹没,落潮时裸露．潮滩及周边地区自然资源丰富、生态环境复杂,不仅拥有大量的滩涂资源,而且拥有岛礁、沙滩、红树林以及物种丰富的海洋生物资源．近年来,随着社会经济活动的增强,高强度、大尺度的海岸带开发导致潮间带滩涂逐步被围垦侵蚀,潮滩湿地面积减少,生态环境恶化．因此,加强潮滩冲淤演变的研究对于潮滩开发利用、海洋防灾减灾以及海洋环境保护等都具有十分重要的意义．

传统的潮滩调查方法多以实地调查为主,但潮滩空间范围较广,很难做到大范围的同步观测;且潮滩环境的动力条件复杂,不仅受潮流和波浪的周期性作用,也受偶发性的水文过程和人类活动的影响,因此潮滩地貌演变迅速．遥感技术不仅可以进行大范围的监测,且可以获取长时间序列的研究数据,是传统测量方法的重要补充．因此,许多学者利用遥感技术对潮滩提取及演变过程开展了相关研究,并取得了一些进展．如吴隆业等[1]利用卫星遥感重复成像技术计算了海口港的沉积速率及沉积量;韩震等[2]利用多时相遥感图像水边线高程反演技术,确定了温州地区不同部位淤泥质潮滩岸线的变化;结合星载热红外和微波数据,Liu等[3]指出利用足够多的卫星影像可提取南黄海东沙岛潮滩的地形,所建立的数字高程模型误差与所获取的卫星影像数及覆盖率有关;Ryu等[4]比较并分析了Landsat影像不同波段数据在提取Gomso Bay潮滩水边线的优缺点;Natesan等[5]利用遥感技术和美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)研发的数字岸线分析系统 (digital shoreline analysis system,DSAS)监测分析了印度Tamil Nadu的海岸线变化．

在潮滩冲淤演变研究方面,Young[6]利用遥感和海图数据回顾了1950—2000年间韩国近岸潮滩围垦的历史,探讨了大规模围垦活动对潮滩形态的影响;李建国等[7]通过野外湿地调研与遥感影像解译相结合的方式,研究了1977—2014年间江苏省中部潮滩湿地演化与围垦空间演变的规律,结果表明研究区潮滩面积减少的主要原因是湿地围垦速度远高于岸线淤涨的速度;围填新方法和技术的应用极大地缩短了潮滩围垦的演变路径和周期．此外,吴佳乐等[8]在研究江苏省南通市腰沙海域、韩志远等[9]在研究福建省文渡湾等地的潮滩冲淤演变时,均充分利用了遥感和地理信息系统技术相结合的研究方法．

本研究利用Landsat多时相的遥感影像以及中国自主发射的“高分一号”及“资源三号”卫星影像数据,基于地理信息系统(geographic information system,GIS)技术,初步分析了1996—2014年间大嶝岛的海岸线变迁、潮滩冲淤及面积的变化特征．

1 研究区概况

大嶝岛位于福建省厦门市翔安区的东南海面，与旁边的小嶝和角屿一起称作“大嶝三岛”．大嶝岛面积约13 km2，与金门岛最近距离不到2 km(如图1所示)．大嶝岛及其海域属于亚热带海洋性季风气候，该海区受正规半日潮的影响，潮流运动形式基本为往复流.

2 数据与方法

2.1 遥感数据源及预处理

本文中用于分析的数据主要来自美国发射的Landsat系列卫星携带的专题制图仪(thematic mapper, TM)、增强专题制图仪(enhanced thematic mapper plus, ETM+)以及陆地成像仪(operational land imager, OLI)传感器获取的遥感影像，云覆盖率基本为0，时间跨度为1996—2014年，空间分辨率为30 m．2012年初以来大嶝岛岸线的变化则多选用中国发射的“资源三号”及“高分一号”等采集的空间分辨率较高的影像，其多光谱影像的空间分辨率分别为5.8和8 m．

表1列出了所有遥感数据的卫星成像时间及潮位信息．其中潮位是通过国家海洋信息中心编制的潮汐表中厦门站潮位预报资料插值计算而得，并统一到1985国家高程基准．

本研究以一幅经过正射校正的“高分一号”影像为基准影像,对其他影像进行几何精校正,误差控制在1个像素内．然后通过图像配准对研究区的所有影像进行配准,图像配准误差控制在0.5个像素内．这些图像预处理过程均通过ENVI软件实现．

2.2 水边线与海岸线提取

水边线是潮汐波动下起伏不平的海面和陆地的瞬时交接线．在遥感影像上,水边线反映了卫星成像这一瞬时时刻的水陆分界状态．水边线信息的提取是进行海岸线调查的重要内容,尽管人们提出许多种方法来提取遥感影像上的水边线,但因各地近岸动力环境及潮滩地形都相当复杂,水边线提取方法也不尽相同,且具有很强的区域性[10]．本研究结合大嶝岛的潮汐水动力环境及地形地貌等特征,对Landsat数据选用近红外单波段密度分割法来提取水边线．而对于空间分辨率较高但光谱分辨率较低的“资源三号”和“高分一号”卫星数据,则采用面向对象的多波段分类方法进行提取．

表1 卫星遥感数据源信息

Tab.1 The information of remote sensing data

卫星传感器空间分辨率/m成像时间厦门站潮情厦门站潮位/mLandsat5TM301990-07-20涨末1.87Landsat5TM301996-02-11初落-1.83Landsat5TM301996-05-17落末2.00Landsat5TM301996-07-20落急-1.69Landsat7TM+302001-10-14初落2.1Landsat7ETM+302002-01-02涨急-1.64Landsat5TM302002-01-10初涨1.85Landsat7ETM+302002-02-03初涨-2.48Landsat7ETM302002-08-30初涨-1.78Landsat5TM302011-03-08初涨-0.75Landsat5TM302011-04-09初涨-1.31Landsat5TM302011-07-30涨末1.6Landsat8OLI302014-12-21初落1.88Landsat8OLI302014-12-29落末-1.69ZY-3CCD5.82012-08-29初落2.23GF-1PMS82013-11-22涨急-0.41ZY-3CCD5.82013-12-09落末-2.05ZY-3CCD5.82014-04-16涨急0.61ZY-3CCD5.82014-06-04初涨-1.17GF-1PMS82014-08-27涨急1.29GF-1PMS82014-10-07初落3.05

注：潮位的基准面为1985国家高程基准，其中ZY-3指代资源三号卫星，GF-1指代高分一号卫星．海岸线通常是指多年平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线[11]．通常根据具体情况采用不同的岸线指标来表征海岸线的真实位置[12]．考虑到大嶝岛岸线不断向海推进,且多数已成为人工岸线,因此本研究选取各年代具有较高潮位的遥感影像来提取水边线,同时结合人工目视解译最终获得研究区的海岸线．经目视判断和分析发现,大于1.6 m潮位的水边线基本上已与海岸线重合．部分“资源三号”和“高分一号”卫星遥感数据的潮位虽未达到1.6 m,但因其分辨率高且采用面向对象的多波段分类法,可较好地分出人工岸线．

2.3 潮滩冲淤及面积计算方法

2.3.1 潮滩冲淤计算方法

遥感分析潮滩的冲淤速率一般先选择潮位相同的遥感影像,通过提取并分析水边线的变动来进行计算，但要同时获得同一潮位的遥感影像难度很大．本文中参考Liu等[13]的方法,选取同一基准潮位来进行计算,根据已有遥感数据的潮位信息,将低潮-2 m的水边线作为基准来进行分析．假设在小范围内潮滩的滩面坡度基本不变,则基准潮位水边线位置可参考图2进行计算．选取过境时间最接近的两景影像,提取其水边线,分别设为l1和l2,潮位数据分别为h1和h2,则滩面坡度

(1)

设基准潮位水边线的潮位为h,则水边线l2向其移动的距离为

(2)

图2 基于三角形理论的潮滩坡度和 基准潮位水边线校正示意图[16] Fig.2The illusion of beach slope calculation and waterlines correction based on the equiangular triangle theory[16]

滩面坡度p及基准潮位水边线的计算均可基于ArcGIS平台提供的数字海岸线分析系统(digital shoreline analysis system,DSAS)功能模块来实现．利用DSAS对大嶝岛潮滩设置分区和断面(如图3所示),沿基线平均每100 m设置一个断面,共设150个断面；然后计算各区相邻水边线的水平距离和潮位差,参考式(1)计算各区的坡度;最后由坡度及已有水边线位置,根据式(2)进行外推求得基准潮位的水边线(图3)．

图3 研究区水边线与基线位置和实测断面位置图 Fig.3The locations of waterlines,baselines and transects of study area

参考杨晓梅[14]的方法,将大嶝岛各年份基准潮位水边线(-2 m)水平推移的年淤涨速率(u)定义为

(3)

其中,L为不同年份基准潮位水边线间的水平距离,n为时间间隔．垂直方向上的年沉积速率(a)定义为

a=p×u，

(4)

其中,p为潮滩坡度,u为基准潮位水边线的年淤涨速率．p,u,a都可通过ArcGIS平台提供的DSAS模块计算获得．

2.3.2 潮滩面积计算方法

选择潮位为2和-2 m水边线分别作为潮滩动态对比的上、下边界,计算它们之间的潮滩面积．整个技术流程如图4所示．

图4 潮滩面积的计算流程 Fig.4The calculation process of tidal flat area

3 结果与讨论

3.1 大嶝岛岸线变迁

图5为利用遥感影像提取的1996—2014年间大嶝岛的岸线变迁图像．可以看出,1996—2011年间大嶝岛岸线变化主要以西南和东北部的扩张为主,统计数据表明这一时期大嶝岛面积增加1.54 km2(表2)．其中,1996—2002年间大嶝岛海岸线变化不大,但2002—2011年间,大嶝岛的东北岸线变化较为明显(图5)．

为推进厦门岛内外一体化,2013年12月大嶝岛获准填海．从图5可以看出：2012年8月到2013年12月,大嶝岛东部的海岸线并未发生太大变化；而2014年初东北部开始出现围堰,导致东部海岸线向外海扩张；至2014年10月已基本可以看出大嶝机场规划的区域形状．可见,导致大嶝岛岸线变化的主要原因一是养殖围填,二是新机场围填海建设．

图5 1996—2014年间大嶝岛海岸线分布图 Fig.5The illusion of shorelines of Dadeng island from 1996 to 2014

时段面积变化/km2时段面积变化/km21996-05—2002-072013-12—2014-040.0112002-07—2011-071.5402014-04—2014-061.5372012-08—2013-111.5582014-06—2014-080.2692013-11—2013-120.0042014-08—2014-101.882

注：2011-07—2012-08时段面积无变化.

3.2 大嶝岛潮滩的冲淤变化

根据大嶝岛周边潮滩形态的时空变化特征,将其分为西部、西南部、南部、东部和北部5个区(图1)．分析所获得的遥感影像,发现低潮时大嶝岛西部的滩面露出,与翔安蔡厝附近的潮滩相连,两者难以区分;而大嶝岛东部在低潮时与小嶝岛西部的潮滩相连接,潮滩坡度难以计算；大嶝岛北部在低潮时也有成片滩面露出,只剩“S”型潮沟,而且该潮沟沟坡陡峭,潮沟宽度比较小.鉴于获得的遥感影像数量较少,所对应的潮位不足以适用本文中方法的计算，因此本研究主要以大嶝岛西南和南部为主来分析潮滩的淤涨和沉积变化,计算结果如表3所示．

表3 1996—2011年间大嶝岛西南和南部潮滩 -2 m水边线冲淤计算结果Tab.3 The calculation results of scouring and silting of -2 m waterline in southwest and southern parts of Dadeng Island from 1996 to 2011

从表3可以看出：1996—2011年间,大嶝岛西南部同一潮位的水边线主要是向海推进,计算表明其平均淤涨速率为42 m/a,沉积速率为3.5 cm/a；分阶段来看,无论淤涨速率还是沉积速率,2002—2011年间均大于1996—2002年间,可见相较于20世纪末,近10年来大嶝岛西南部的潮滩淤积更为严重了；和大嶝岛西南部相比,其南部的淤涨速率和沉积速率较小,但近10年的淤涨速率和沉积速率也是明显大于20世纪末,分别从12 m/a和0.9 cm/a增加到33 m/a和3.1 cm/a.

研究表明,大嶝岛西南和南部海域一直处于弱水动力环境的缓慢沉积状态[15],其沉降通量大于侵蚀通量,总体上以淤积为主[16]．悬浮泥沙主要由大嶝岛南部水道向大嶝岛西南部近岸浅滩输运,且输运量较大,而经该浅滩继续往西北方向的悬沙输运量比较少,利用210Pb年代学分析结果可知大嶝西南部海域是沉积速率最大的地方,平均沉积速率可达3.9 cm/a[17]．本研究利用遥感资料统计分析得到的沉积速率基本与该速率一致．

近10年来大嶝南部和西南部海域的淤积速率增加,与近年来大嶝海堤的建设活动和高强度的围填海活动有关．大嶝海堤完工建设于20世纪90年代初,其建设阻碍了绕大嶝岛的水流,从而明显改变了该地区的水动力和泥沙输运,进而加速了大嶝岛西部和西南部近岸浅滩的输运过程．21世纪初以来,大嶝岛及其周边地区进行了一系列围填海活动,导致大量泥沙人为入海,改变了原有的水沙平衡状态,从而影响到岸滩剖面的发育过程,明显加速了大嶝岛潮滩的淤积过程．

3.3 大嶝岛潮滩面积变化

图6给出了1996—2014年间大嶝岛周边-2～2 m区间潮滩面积的变化情况．总体上,大嶝岛该区间潮滩面积在1996—2011年间不断增加,尤其是2002—2011年间,面积增加了4.19 km2;与1996年相比,2011年面积增加了约16%;而在2011—2014年间潮滩面积却大幅度减少,减少的面积约13 km2,2014年比2011年减小了约41%．分区域来看,1996—2002年间,大嶝岛的东部和北部面积有所减少,其他区域增加.2002—2011年间各区面积的变化趋势也有所差异,其中北部和西部面积有所减少,其他区域增加,其中增加最多的是西南部海域,其次是东部海域;而2011—2014年间各区域面积均为减少,面积减小最大的区域是西南部海域,其次是东部(图7)．可见,自2002年以来,大嶝岛-2～2 m区间潮滩面积变化最为明显的海域是西南部和东部海域．

图6 1996—2014年间大嶝岛-2～2 m区间 潮滩面积变化 Fig.6The area changes of tidal flat between -2 m and 2 m from 1996 to 2014

图7 1996—2014年间大嶝岛各个分区 -2～2 m区间潮滩面积变化 Fig.7The area changes of tidal flat area between -2 m and 2 m in different districts from 1996 to 2014

潮滩面积的变化与上、下边界的变迁息息相关,上边界向海移动导致面积减少,下边界向海移动导致面积增加,当上边界向海方向变化速率大于下边界向海的淤积速率时,潮滩面积减少,反之面积增加．由表3可知,大嶝岛西南和南部海域在2002—2011年间的淤积速率最大．受此影响,2011年该区间潮滩下边界的水边线比2002年更靠外海(图8(a)),尤其是西南部的欧厝外海,与2002年相比,2011年的水边线向外海移动了约500 m．尽管在此期间,这些区域的海岸线因围填海影响也向海移动,但其变化速率小于下边界向海移动的速率,因此1996—2011年间大嶝岛的-2～2 m区间潮滩面积逐渐增加(图6),并以西南部增加最为明显(图7)．

从图5和图8(b)可以看出,2011—2014年大嶝岛潮滩上边界向海扩张与近几年该区域不断的围填海活动是一致的,尤其是在2013年大嶝国际机场获批填海后,2013年11月至2014年10月整个岛屿的围填面积高达3.70 km2,其围填区主要位于大嶝岛的东部,部分位于西南部,这些活动导致其东部和西南部的潮滩面积在2011—2014年间减少最多．此外,2008年厦门市开始实施的厦门海域清淤整治工程也使潮滩的下边界向海岸方向移动,导致该区间潮滩面积减少．从图8(a)可以看出,2014年西南部和北部潮滩下边界的水边线比2011年更靠近海岸,且形态发生了很大的改变,2011—2014年间大嶝岛的-2～2 m区间潮滩面积以西南部和东部海域最为明显(图8)．可见人为活动对于大嶝岛潮滩面积变化有非常重要的影响．

图8 1996—2014年间大嶝岛-2～+2 m区间 潮滩边界变化 Fig.8Boundary changes of tidal flat between -2 m and 2 m in Dadeng island

4 结 论

利用长时序列卫星遥感影像资料,结合遥感与GIS技术分析了1996年以来厦门大嶝岛海岸线及潮滩变迁特征,主要结论如下:

1) 1996—2014年间,受养殖围垦及机场建设等围填海的影响,大嶝岛的海岸线发生了很大的变化,尤其是其西南部和东部的岸线．岸线变化最为明显的时期发生在2012年以后,大嶝岛东部海岸线在围填海造地建设新机场的过程中向海迅速扩张.

2) 1996—2011年间,大嶝岛西南和南部潮滩以淤积为主,其平均淤涨速率分别为42和23 m/a,沉积速率分别为3.5和2.2 cm/a;且无论是年淤涨速率还是年沉积速率,2002—2011年间均明显大于1996—2002年间．

3) 大嶝岛-2～2 m区间潮滩面积在1996—2011年间增加了约16%,而在2011—2014年却减少了约41%,并以西南部和东部的变化最为明显．这些变化与人为活动以及潮滩的沉积过程密切相关,尤其受围填海、清淤整治工程等人为活动的影响．

由于受到影像来源、分辨率、潮位等因素的影响,本研究的计算结果难免存在一定的偏差,未来将收集更多高分辨率的数据资料对大嶝岛各分区的岸线及潮滩变迁进行更为深入的分析和讨论．

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