基于多源遥感影像的宁远河口海岸线变迁分析

罗昆， 丁波， 龙根元

(1. 海南省海洋地质调查研究院，海口 570206；2.中国地质大学(武汉)地球科学学院，武汉 430074；3.海南地质综合勘察设计院，海口 570206)

0 引言

海岸带是由海洋向陆地过渡的地带，也是海洋与陆地相互作用的地带，它与人类的生存和发展密切相关。海岸线是陆地与海洋的分界线，一般分为岛屿海岸线和大陆海岸线。根据资料，海岸线的界定一般指一段时间内涨潮时高潮所到达的界线。海岸线的变迁与海岸开发利用、近海海域使用及人类经济活动密切相关，是海岸带综合管理的地质地理基础[1]。

国内外诸多学者在海岸线变迁遥感分析方面开展了大量的研究工作[2-5]，Solomon[6]利用航空影像获取了波福特海区域和麦肯尼三角洲的海岸线信息，并研究了海岸线变化状况；Sheik等[7]利用遥感数据研究了印度南部科魔林角和杜蒂戈林间海岸线的变化速率，并统计分析了海岸侵蚀和淤积情况；朱俊凤等[8]利用TM，ETM+和ALOS等多源、多时相的遥感影像，对珠江三角洲1998年、2003年和2008年的海岸线进行了遥感调查和演变分析；刘勇等[9]基于QuickBird，SPOT5和Landsat5等多源遥感影像提取了石臼陀岛海岸线。

三亚位于海南岛最南端，是享誉国内外的旅游度假圣地。宁远河发源于海南中部山区，其下游穿越三亚西部崖州区在崖州湾汇入南海。近些年，随着宁远河口围垦养殖的发展、港口物流网络的不断完善以及涉海工程建设的逐年增加，河口海岸线形态必然发生了一定程度的改变，而海岸线形态的改变与河口及周边海域的水动力、水环境息息相关。但目前国内围绕宁远河口海岸线变迁及相关的科学研究几乎空白，因此，开展宁远河口近30 a间海岸线变迁研究对系统、全面地了解该区域海岸带生态环境演化及制定区域发展战略具有重要的意义。

本文利用遥感技术、地理信息技术和计算机技术，采用4期多源遥感影像(TM，ETM+，RapidEYE和QuickBird)，在建立研究区各类岸线解译标志的基础上，分别提取了1987年、2000年、2010年和2015年4个时期宁远河口及其周边区域的海岸线，客观地揭示了研究区内海岸线的变化过程，并依托最新一期高空间分辨率遥感数据(QuickBird)对研究区内海岸线类型做了详细准确的分类，通过统计分析，对宁远河口海岸线类型的分布和演化以及海岸线的变迁趋势进行了综合研究，为下一步实施宁远河海岸带生态环境治理和海岸带合理开发利用提供参考依据。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

宁远河是海南省第四大河流，其入海口位于三亚西部崖州湾内侧(图1)。研究区三面环山，区内多条NNE向和NEE向构造相互作用，形成了滨海堆积平原区地貌。该区地层沉积物以第四系为主，沿海岸带主要为全新统烟墩组，岩性以中砂、粉细砂为主，次一级岩性主要为全新统未分的细砂、黏土质砂，河口地质稳定性较差。

图1 研究区域

1.2 数据源及其预处理

本研究收集并购置了4期影像数据：TM影像1景(1987年)，ETM+影像1景(2000年)，RapidEYE影像1景(2010年)，QuickBird影像范围约120 km2(2015年)。各时期影像信息具体参数见表1。同时收集了研究区内的地形数据、数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据及海图资料作为辅助数据，为研究区影像预处理提供基础参考。

表1 宁远河口各时期遥感影像信息

各时相影像数据预处理遵循常规数据处理步骤，包括几何纠正、配准、信息增强、融合、裁剪和图面整饰等。预处理技术方法较为成熟，这里不再赘述。需要强调的是：由于本文采用的遥感影像为多源遥感数据，其空间分辨率各不相同，因此在数据预处理过程中，首先需要对中高空间分辨率数据QuickBird和RapidEYE进行正射校正，并制作成符合技术要求的研究底图，再以制作好的2015年的QuickBird影像为基准，分别对2000年的ETM+影像和1987年的TM影像进行几何纠正和配准，最终制成各个时期的遥感影像底图。

2 研究方法

目前国内外用于海岸线遥感提取的技术方法种类较多，常用的海岸线提取方法有边缘检测算法[10]、区域生长法[11]、小波分析[12]和密度分割法[13]等。本文采用面向对象的信息提取技术，基于密度分割法对遥感影像进行面向对象影像分类，结合影像纹理特征进行二值化合并处理，最后利用边缘追踪并辅以目视识别修正，实现目标提取。技术流程如图2所示。技术实现的软件平台主要为ENVI4.5和ArcGIS10.1。

图2 海岸线提取技术流程

参照《2008海域使用分类体系》的分类标准，并结合研究区内海岸线特征及实际解译情况，本文将宁远河口海岸线分为2个大类4个小类，分别为：自然海岸线(砂质海岸线、红树林海岸线)和人工海岸线(填海造地、围池堤坝)。

典型海岸线解译标志、划分原则、判读标准及提取方法参见表2。

表2 海岸线解译标志及判读标准

3 结果与分析

3.1 海岸线提取结果

潮汐是影响海岸线位置和状态的重要因素，在进行海岸线提取过程中需要予以考虑[14]。本次研究区的多源影像数据时相不尽相同，成像时的潮位也存在一定的差异，为了减少潮汐对海岸线提取的影响，需要建立统一的海岸线提取标准[15]。由于本文采用的遥感影像具有不同的时间分辨率和空间分辨率，因此海岸线提取方法采用历史高潮线法。最终宁远河口各时期海岸线提取结果如图3。

图3 宁远河口各时期海岸线

3.2 海岸线长度变化

4期影像海岸线提取结果统计如表3所示。

表3 宁远河口各时期海岸线长度

统计结果显示：宁远河口4期海岸线长度总体上呈增加趋势，在1987年海岸线长度为31.74 km，而在2015年海岸线长度为39.88 km，在28 a间增加了8.14 km，海岸线变化较为剧烈。分阶段来看，在1987—2000年间，海岸线长度减少了3.12 km，年均减速为0.24 km/a。结合2期监测影像对比分析，海岸线减少的主要原因是宁远河口2处入海口处及宁远河口西侧(图3(A))海岸线均存在不同程度的侵蚀，同时河口内河道两侧大面积的红树林湿地资源被砍伐，且渔民围垦筑坝，兴建养殖区。自2000年以后，海岸线长度均呈现递增趋势，其中，2000—2010年间，海岸线长度增加了6.01 km，年均增长0.60 km，其原因一方面在于宁远河西侧入海口(图3(B))两侧在10 a间形成了大面积淤积，使得入海口变得狭窄，另一方面在于入海口内侧河道两边人工养殖区进一步侵占河道。2010—2015年间，海岸线长度增加了5.25 km，年均增长1.05 km，海岸线增速表现最为剧烈，这主要是由于入海口西侧人工岛屿和入海口三角洲西侧(图3(B))防沙堤坝的建设。

3.3 海岸线类型转化分析

表3中详细统计了各种类型海岸线在4个时期的长度。从统计数据看，自然海岸线在1987年海南建省前达到最高值，且自然海岸线中，红树林海岸线仅在1987年有少量分布，2000年后红树林海岸线完全消失，取而代之的是人工海岸线中的围池堤坝，这意味着1987—2000年间，红树林海岸线向人工围池堤坝海岸线转化率为100%；砂质海岸线基本保持稳定，呈现小幅变动，原因主要在于河口两侧及三角洲区域存在不同程度的侵蚀和淤积。人工海岸线类型主要为填海造地和围池堤坝。研究区内1987年无人工海岸线，2000—2010年间，填海造地海岸线基本维持不变，但在2015年该类型海岸线出现了大幅度增加，主要原因是人工岛屿和防沙堤坝的修建，此外宁远河口西侧存在大面积回填人工养殖区，渔港泊位的兴建使得该部分围池堤坝转化为填海造地海岸线；围池堤坝海岸线在2010年出现最高值，结合影像分析发现，该时间段宁远河口人工养殖区达到顶峰，河口内河道两侧的部分沙洲均被开挖成养殖区，这使得该时期部分砂质海岸线转化成围池堤坝海岸线。

3.4 海岸线变迁分析

海岸带生态环境的变化使海岸线的长度和类型发生变化，而海岸线的变化也必然引起海岸带生态环境的变化，如湿地资源(红树林湿地)的减少、人工养殖范围的扩大、海岸的侵蚀与淤积、人工岛屿及防沙堤坝的建设等。

3.4.1 宁远河入海口海岸线(内河道)变迁分析

表4为宁远河口4期红树林和养殖区面积的统计结果。

表4 宁远河口各时期红树林和养殖区面积

可以看出，宁远河口内红树林湿地资源仅在1987年有少量分布，面积约为0.45 km2，2000年起，红树林完全消失，其原因主要是人为毁林筑坝及修建养殖区。红树林是河流入海口或海湾地区重要的湿地资源，在维持河口盐碱平衡、水土保持及河流入海口生物多样性方面发挥着重要的作用。红树林资源的减少以及大量人工养殖区产生的污水、废水，对入海口水环境产生了较严重的不利影响，一定程度上造成水质下降和水体污染。养殖区4期监测显示，宁远河口1987年基本无人工养殖区，2000年和2015年养殖区面积基本维持在1.70 km2左右，而2010年养殖区面积最大，约为2.54 km2。从演变趋势并结合遥感影像看，2010年宁远河口两侧及部分沙洲可侵占的海岸线几乎布满了大小不同的养殖区，且河道最为狭窄。2010—2015年间，随着三亚市政府关于“三港分离”政策的落实，宁远河口内河道西侧部分海岸线被规划成渔港泊位，由于工程建设，该区域大部分养殖区被回填，分布于河道内较小规模的沙洲也逐渐消失，这使得人工养殖区面积在2015年出现了较大程度的减少，同时河道也逐渐开阔，变得更为平直。

3.4.2 宁远河口海岸线变迁分析

宁远河口西侧地段(图3(A))以侵蚀为主，越靠近西侧入海口，侵蚀越严重。根据量算，1987—2015年间，该区域累计侵蚀面积约为0.14 km2，尤其在2010—2015年间，该区域海岸线侵蚀面积约为0.08 km2，年均侵蚀16 000 m2，侵蚀较为剧烈。分析其原因，一方面是附近人工岛屿及连接岛屿的岸堤和栈桥阻止了来自宁远河水入海带来的泥沙补给，另一方面为保障人工岛屿的建设，从附近海域抽砂填岛，造成附近海域海水泥沙含量减少，致使图3(A)区域侵蚀加剧。宁远河口三角洲区域(图3(B))在1987—2000年间海岸线表现为侵蚀，侵蚀面积约为0.05 km2，而在2000—2015年间主要表现为淤积，淤积面积约为0.09 km2，且在2000—2010年间该地段海岸线淤积呈现条带状，在2010—2015年间该处淤积在原有的基础上呈现锥形。这主要是由于2000—2010年间海岸线的侵蚀和淤积均为自然发生，而2010—2015年间主要是由于防沙堤坝的修建严重阻碍或减缓了宁远河东侧入海口泥沙随洋流作用移动的速度，造成防沙堤坝与海岸线夹角处淤积加剧。图3(C)地段为宁远河东侧入海口，整体来看表现为海岸侵蚀，由于入海口海岸线不断侵蚀，河口东侧入海口也在不断地发生变化。从发展趋势看，该区域未来主要表现为海岸淤积，这是因为河口防沙堤坝的修建会造成东侧入海口水流速度减缓，使得河流带入的泥沙在入海口处不断沉积，而形成淤积海岸线。

4 结论

综合运用遥感技术、地理信息技术和计算机技术，对海南省宁远河口海岸线变迁(海岸线长度变化、海岸线类型变化、海岸带变迁及入海口河道变迁等)进行了研究，得出以下结论：

1)海南省1987—2015年间，宁远河口海岸线总体呈现增长趋势，海岸线总长度增加了8.14 km，海岸线变化较为剧烈。

2)海岸线类型也在不断发生变化。1987年自然海岸线的比例为100%，到2015年自然海岸线的比例下降到33.8%，下降了近2/3，而人工海岸线的比例直线上升。

3)宁远河口内河道由弯曲狭窄逐渐取直开阔，河道逐渐畅通。

4)宁远河口海岸带生态环境发生了较大变化。河口内河道红树林资源基本消失，人工养殖区规模逐渐扩大，河流入海口水体水质逐年下降。

5)宁远河口海岸线变迁的主要影响因素包括海岸侵蚀淤积、滩涂围垦养殖、人工岛屿及防沙堤坝建设等。

6)宁远河口海岸淤积和侵蚀作用在持续发生，近年来随着渔港码头、人工岛屿及防沙堤坝的建成，宁远河口的侵淤形式不容乐观，其发展趋势表现为人工岛屿西侧海岸线将进一步侵蚀，而防沙堤坝东侧海岸线的淤积将进一步加剧。