基于数字岸线分析系统的海岸线时空变化速率分析——以海州湾为例

沈昆明，李安龙*，蒋玉波,3，刘鑫仓

( 1. 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100；2. 中国海洋大学 海洋地球科学学院 山东 青岛 266100；3. 盐城师范学院 城市与资源环境学院，江苏 盐城 224299)

1 引言

海州湾东邻黄海，西接山东日照与江苏连云港，三面环陆，另一面为海，整体呈圆弧形或U形，属于海陆过渡地带，具有广阔的潮下带环境和相对较窄的潮间带环境。这里不仅是社会经济活动对环境产生严重影响的地区，也是海陆相互作用最为活跃的地带[1]。海州湾地处鲁南苏北，具有明显的季风气候，地理环境良好，自然风景旅游资源丰富，渔业资源丰富，北面有岚山港，南面为连云港，具有广阔的发展空间。随着现阶段国家大力推进“一带一路”建设，海州湾迎来了新的发展机遇，其必将成为环黄海经济圈的重要组成部分[2]。

遥感（RS）所具有的全天候、高精度、大范围同步、高频度观测以及高性价比的优势显得尤为突出，国内外学者利用遥感技术已围绕海湾岸线变化科学问题做了大量相关研究。巢子豪等[3]利用数字海岸线分析系统(Digital Shoreline Analysis System,DSAS)中终点变化速率（End Point Rate，EPR）模型对1984-2012年海州湾岸线进行时空演变分析，得出海州湾海岸线整体呈淤积趋势；刘鹏等[4]在提取9期历史岸线基础上，运用DSAS和FA研究了1959-2002年黄河三角洲海岸线演变规律及影响因素；David等[5]提取2000-2016年的4期遥感图像中岸线数据，利用DSAS分析马纳尔湾范岛的海岸形态的长期和短期变化；Mahapatra等[6]提取1972-2011年的4期遥感图像中岸线数据，利用DSAS中LRR模型对印度南古吉拉特邦沿海岸线变化进行分析。近年来，海州湾的研究主要聚焦于生物资源、人工鱼礁建设环境影响、生态环境等方面，在岸线变化方面研究有所欠缺，本文则对湾内长时间尺度下不同区域海岸线变化进行了系统分析[7-8]。

本文在提取1985-2018年6期岸线数据基础上，利用RS技术与GIS技术相结合，充分运用数字海岸线分析系统中多个计算模型对岸线变化进行定量分析。根据海州湾岸线变化率时空特征对岸线分类进行综合研究，分为增长、平衡和侵蚀岸线，反演了海陆交互过程。从而对海州湾岸线变化的时空演变特征提供了更为准确的描述，一定程度上弥补了现有研究中时效性差及驱动力分析不足的缺陷，对海州湾合理利用海岸带资源，实现可持续发展具有重要意义[9-13]。

2 研究区域

海州湾位于南黄海西部（图1），研究区域是北起山东日照岚山头的佛手咀（35°5′13.483″N，119°20′48.252″E），南至江苏连云港的高公岛（34°43′44.204″N, 119°27′57.643″E）的半封闭海湾，地跨日照、连云港两市。人工岸线以围垦养殖为主，自然岸线主要由砂质岸线组成，局部出现淤泥质岸线、基岩岸线和河口岸线。

3 数据来源与分析方法

3.1 数据源及预处理

本文综合考量影像数据成像日期、云量等因素，从已有的Landsat卫星遥感存档数据中，选择成像季相较为一致的1985年、1995年、2005年、2009年、2014年和2018年共计6期遥感图像，遥感影像信息见表1。

为区分陆地与水体，本文利用ENVI软件对遥感图像进行假彩色合成，组合方式为R：Band5、G：Band6、B：Band4。其中利用Landsat7和Landsat8图像中高分辨率单波段和合成的低分辨率多光谱影像进行GS图像融合，生成后的2005年、2009年、2014年和2018年影像空间分辨率可达15 m，同时具有多光谱特征。Landsat遥感影像均经过辐射校正、大气校正预处理和对Landsat7影像采用地理空间数据云平台条带修复模型处理，通过野外踏勘10个分布均匀的地面控制点（GCP）和遥感影像坐标的对应关系进行几何精校正，并基于已配准好的2009年影像分别对1985年、1995年、2005年、2014年和2018年影像进行配准。其中配准影像的均方差为0.102个像元（RMSE=3.076 60），误差范围在 0.416 55～7.703 48 m，其中7个校正点的误差小于0.1个像元，整体几何纠正误差小于0.5个像元，满足研究需要[14]。

图1 海州湾地理位置Fig. 1 Location of the Haizhou Bay

表1 遥感影像信息Table 1 Remote sensing image information

3.2 岸线解译与提取

基于ENVI校正后的遥感影像，以ArcGIS10.1软件为平台，根据图像色彩、纹理、地物邻接关系等方面建立不同海岸类型的遥感解译标志，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》，采用目视解译方法，进行人机交互解译建立岸线的矢量化文件[15-18]。

3.3 分析方法

现阶段分析岸线时空变化的方法有面积法、动态分割法、基线法，以及最小二乘法等[19]。其中面积法可分析岸线总体摆动范围特征，基线法可反映岸线变化的空间分布差异。基于海州湾岸线变化特点，本文选用面积法与基线法相结合的方法进行分析[20]。

基线法采用美国地质调查局(USGS)研发的DSAS 4.3版本，用来计算岸线移动和变化的速率，从而对海州湾岸线进行定量化分析。DSAS分析借助ArcGIS10.1平台，其中执行DSAS模块分为5个步骤：（1）海岸线提取；（2）基线创建：基线创建采用最接近于海岸线的相同弯曲形状的缓冲区法；（3）生成横截面：设定横截面长度为9 000 m，以及100 m的采样间距，这意味着整个海州湾岸线每100 m等距计算一次。在经过多次平滑、拟合和调整后，横截面从基线正交投射于不同年份的海岸线，共生成了547条等间距垂线[12]；（4）计算基线与岸线之间的距离；（5）计算海岸线变化速率：分别选取相邻岸线，利用不同的统计模型[EPR、最小平方中值（LMS）、净海岸线移动（NSM）]自动计算海岸线变化率。在DSAS的各种计算操作中，NSM用于测量1985-2018年之间的长期净海岸线变化（单位：m），其余统计测量如EPR和LMS显示短期上述期间每年的变化率，在DSAS分析中，变化率以m/a的负值和正值表示; 负值表示为侵蚀，正值表示增长[21-23]。

EPR的计算方法是将海岸线移动距离除以最旧和最近海岸线之间经过的时间，其计算公式如下：

式中，Ei,j指的是从基线延伸的某条切线H在相邻年份间岸线终点变化速率；dj为第j期海岸线沿切线H到基线的距离；di为第i期海岸线沿切线H到基线的距离；△Yj,i为第j期与第i期海岸线年份数的差值。

NSM得出的是距离，而不是速率。NSM与日期相关联只有两条海岸线。

LMS在普通最小二乘回归和加权最小二乘回归中，最佳拟合线被放置在各点之间，使平方残差之和最小。在线性回归方法中，用样本数据来计算平均偏移量，并通过最小化这个值来确定直线的方程，从而使输入点尽可能接近回归线。在最小二乘法中，用平方残差的中值代替均值来确定直线的最佳拟合方程[24]。

4 岸线变化结果分析

4.1 岸线总长度与面积变化

依据遥感解译结果表明，1985-2018年海州湾岸线变化幅度较大，整体增加了10.40 km（图2a）。其中，1985-1995年增加了2.02 km，1995-2005年减少了2.77 km，2005-2009年增加了4.83 km，2009-2014年增加了5.21 km，2014-2018年增加了1.11 km（表 2）。

根据卫星图像地物解译标志，将1985年、1995年、2005年、2009年、2014年、2018年6期的海岸线分为人工岸线和自然岸线。其中，人工岸线有围垦养殖岸线、码头建设岸线等，人工岸线未做二级分类分析，自然岸线二级分类有砂质岸线、基岩岸线、淤泥质岸线和河口岸线。近年来，人工岸线长度逐年增加，自然岸线呈现出不断减少的趋势。自然岸线中砂质岸线比例最高，集中在绣针河口到兴庄河口，以及西墅以东基岩海岸的岬湾凹岸内，共减少6.47 km；基岩岸线次之，集中在西墅以东区域，但2009年后随着连云新城建设，部分区域变成人工岸线，共减少了3.77 km；河口岸线分布均匀，变化幅度较小。除了1995-2005年自然岸线变化微小，人工岸线变化速率为-0.27 km/a外。1985年自然岸线长度为41.23 km，占岸线长度的46.25%，经过33年的经济开发活动，到2018年，自然岸线长度降至28.64 km，占岸线长度的28.78%，比例下降了17.48%。与此形成鲜明对比，人工岸线长度总体呈上升趋势，2005-2009年期间，岸线增长速度为1.98 km/a，为岸线增长最快阶段，1985-1995年为 0.99 km/a，2009-2014年为 1.07 km/a，2014-2018年为0.63 km/a（图3）。海州湾面积变化的数据表明，湾内面积呈现逐年减小趋势，从1985年的665.73 km2减小到2018年的612.89 km2，面积变化率为-7.9%，陆地面积增长主体为2009-2014年的新沭河至西墅岸段（图 2b，图 2c）[25]。

4.2 DSAS分析

4.2.1 短期岸线变化

在DSAS分析中计算了5个时期的海岸线短期变化，分别为1985-1995年，1995-2005年，2005-2009年，2009-2014年和 2014-2018年（图 4）。研究在计算EPR的结果基础上，同时利用变异系数（C.V）来比较岸线数据离散程度大小，发现海岸线在不同年份不同区域变化各具特点，但总体呈向海方向推进趋势（表 3）[26]。

图2 海州湾岸线不同时期海岸线长度、陆地增长面积及海州湾面积变化过程Fig. 2 The length of the Haizhou Bay coastline, the change of land growth area and the change process of the Haizhou Bay area

表2 海州湾海岸线长度统计Table 2 Coastal length of the Haizhou Bay

1985-1995年海岸线年变化速率为18.65 m/a，总体以增长为主。绣针河北-柘汪河海岸线变化速率为11.37 m/a，该段1985年岸线长度为21.40 km，呈现以增长为主，最大增长率为123.73 m/a，最大侵蚀率为48.25 m/a；柘汪河-新沭河海岸线年变化速率为16.22 m/a，该段1985年岸线长度为32.60 km，呈现以增长为主，最大增长率为116.36 m/a，最大侵蚀率为58.01 m/a，内部差异最大（C.V=2.23）；新沭河-高公岛段海岸线年变化速率为24.83 m/a，该段1985年岸线长度为35.13 km，呈现以增长为主，最大增长率为173.55 m/a，最大侵蚀率为-25.79 m/a，内部差异最小（C.V=1.33）。

图3 1985-2018年海州湾岸线变迁Fig. 3 The coastline changes of the Haizhou Bay from 1985 to 2018

1995-2005年海岸线年变化速率为11.62 m/a，总体以增长为主。绣针河北-柘汪河段海岸线年变化速率为-0.15 m/a，该段1995年岸线长度为14.60 km，呈现出轻微侵蚀，最大增长率为79.25 m/a，最大侵蚀率为 47.97 m/a，内部差异最大（C.V=-144.39），柘汪河-新沭河段海岸线年变化速率为5.43 m/a，该段1995年岸线长度为38.10 km，呈现以增长为主，最大增长率为117.85 m/a，最大侵蚀率为63.19 m/a，较上一个阶段内部差异减小；新沭河-高公岛段海岸线年变化速率为22.40 m/a，该段1995年岸线长度为38.44 km，呈现以增长为主，最大增长率为74.48 m/a，最大侵蚀率为17.14 m/a，内部差异最小（C.V=0.93）。

2005-2009年海岸线年变化速率为23.25 m/a，总体以增长为主。绣针河北-柘汪河段海岸线年变化速率为18.61 m/a，该段2005年岸线长度为22.80 km，总体呈现以增长为主，最大增长率为115.39 m/a，最大侵蚀率为67.91 m/a，内部差异较小（C.V=1.53）；柘汪河-新沭河段海岸线年变化速率为0.92 m/a，该段2005年岸线长度为30.40 km，呈现出轻微呈现出轻微增长，最大增长率为141.29 m/a，最大侵蚀率为274.11 m/a，内部差异最大（C.V=54.52）；新沭河-高公岛段海岸线年变化速率为50.65 m/a，该段2005年岸线长度为35.17 km，呈现以增长为主，最大增长率为441.43 m/a，最大侵蚀率为112.57 m/a。

2009-2014年海岸线年变化速率为79.20 m/a，总体以增长为主。绣针河北-柘汪河段海岸线年变化速率为21.41 m/a，该段2009年岸线长度为22.1 km，总体呈现以增长为主，最大增长率为131.39 m/a，最大侵蚀率为41.13 m/a，内部差异较小（C.V=1.74）；柘汪河-新沭河段海岸线年变化速率为46.06 m/a，该段2009年岸线长度为30.20 km，呈现出以增长为主，最大增长率为420.29 m/a，最大侵蚀率为33.94 m/a，内部差异最大（C.V=2.26）；新沭河-高公岛段海岸线年变化速率为144.13 m/a，该段2009年岸线长度为40.90 km，呈现以增长为主，最大增长率为576.03 m/a，最大侵蚀率为73.13 m/a，内部差异最小（C.V=1.57）。

2014-2018年海岸线年变化速率为9.02 m/a，总体以增长为主。绣针河北-柘汪河段海岸线年变化速率为9.20 m/a，该段2014年岸线长度为26.30 km，总体呈现以增长为主，最大增长率为237.01 m/a，最大侵蚀率为-13.25 m/a，内部差异较小（C.V=1.74）；内部差异较小（C.V=1.74）；柘汪河-新沭河段海岸线年变化速率为5.81 m/a，该段2014年岸线长度为35.70 km，呈现出以增长为主，最大增长率为91.07 m/a，最大侵蚀率为-235.31 m/a，内部差异最大（C.V=4.70）；新沭河-高公岛段海岸线年变化速率为12.57 m/a，该段2014年岸线长度为36.41 km，呈现以增长为主，最大增长率为215.65 m/a，为-32.18 m/a，内部差异最小（C.V=2.50）。

海州湾岸线变化具有较大的时间异质性，不同区域均呈现出较快的增长趋势，但岸线变异系数逐渐减小；空间变化上绣针河北-柘汪河段岸线变化速率最小，这与当地围垦养殖活跃程度较低有关。新沭河-高公岛段岸线变化速率最大，这是与西墅填海造陆和连云港在自1973年来的港口建设和旅游经济活动密切相关。

4.2.2 长期岸线变化

（1）海岸线分类

根据EPR和LMS结果分析，对海州湾岸线进行分类，主要是为了突出总体趋势变化，同时对海岸线变化敏感度提出相对衡量标准。依据EPR值将海州湾岸线分为 3 类：增长岸线（＞5 m/a），平衡岸线（-5～5 m/a），侵蚀岸线（＜-5 m/a）（图 5）[27]。

图4 1985-2018年海州湾不同时期的岸线终点变化速率及其分布Fig. 4 Change rate and distribution of shoreline endpoints of the Haizhou Bay in different periods from 1985 to 2018

由1985-2018年分成的5个时期中，年均增长岸线比例经历了略微增加-降低-持续增加趋势。第一个阶段从1985-1995年到1995-2005年，增长岸线比例从43.04%升至44.87%，仅增加了1.83%，相应的侵蚀岸线比例从11.54%增加到11.90%，增加了0.36%。第二个阶段为1995-2005年到2005-2009年，增长岸线比例发生突变，岸线比例从44.87%降至22.16%，降低了22.71%，相应的侵蚀岸线比例从11.90%增加到14.84%，增加了2.94%，平衡岸线比例增加较大，达到19.78%。第三个阶段为2005-2009年到2014-2018年，增长岸线比例从22.16%升至61.90%，增加了39.74%，而侵蚀岸线比例则发生了先增加后减少的过程，从14.84%增加至25.46%，后又降至5.4%。

其中年均侵蚀岸线比例变化较小，最高占比25.46%。从1985-1995年到2009-2014年，平衡岸线占比最大，增长岸线占比次之，侵蚀岸线占比最少，而2014-2018年增长岸线占比最大[28]。

（2）净海岸线变化结果

净海岸线运动的平均值是记录海岸线距离变化的有效指标。图6显示了海岸线的总运动以及当前岸线变化特征。其中，新沭河-高公岛段记录了最大的海岸线变化，5个时期中变化最大时期为2009-2014年，该段增长岸线长度平均增加了1 335.66 m，侵蚀岸线长度平均减少了52.14 m，变化最小时期为2014-2018年，该段增长岸线长度平均增加了62.03 m，侵蚀岸线长度平均减少了50.75 m，这是由于连云新城建设初步完成，以及人工构筑物增加较少。总体上，绣针河北-柘汪河段海岸线变化最小，除了早期1985-2005年人工养殖用地需求，后期岸线变化趋于稳定。其中，1995-2005年变化最大，该段增长岸线长度平均增加了263.56 m，侵蚀岸线长度平均减少了93.59 m，2014-2018年变化最小，该段增长岸线长度平均增加了64.36 m，侵蚀岸线长度平均减少了12.69 m。

（3）终点速率法结果

根据EPR结果，研究揭示了一般的岸线长期变化趋势，海州湾地区岸线以前进为主，记录EPR增加总横断面全都超过50%（表3）。其中，2005-2009年记录增加的横断面最多，达到77.11%，2009-2014年记录增加的横断面最少，仅为50.64%。2009-2014年岸线变化速率增长最大，海岸线平均变化率为79.20 m/a，2014-2018年岸线增长最小，海岸线平均变化率为9.02 m/a。

表3 海州湾岸线变化趋势Table 3 Change trend of the Haizhou Bay shoreline

图5 1985-2018年海州湾增长、平衡、侵蚀岸线所占比例Fig. 5 Proportion of the Haizhou Bay growth, balanced and eroded shoreline from 1985 to 2018

4.3 岸线驱动力分析

利用ArcGIS软件对提取的6期岸线定量分析发现，海州湾海岸带变化30多年来具有典型的时空异质性。海岸线变化剧烈的区域主要集中在绣针河北-柘汪河段、柘汪河-新沭河段和新沭河-高公岛段，同时在各个时期的变化具有显著差异。因此，本文通过对这3个区域详细分析来反演1985-2018年的海陆交互过程。

（1）绣针河北-柘汪河段：该区域30多年来陆域面积增长显著，围海造陆区域主要用于围垦养殖与海滩建设。其中1985-2009年陆域增长用地主要为围垦养殖，面积增加了2.34 km2，岸线平均变化速率为29.83 m/a。2009年，连云港新海湾码头开始建设，临港用地需要量增大。同期，多岛海风景区开始建设，至2018年完成省级旅游度假区和国家4A级旅游景区创建目标。陆域面积增长了1.94 km2，岸线平均变化速率为30.61 m/a。用于农业目的的海水养殖和多岛海风景区海滩设施的建设或现有设施的扩建加快了岸线前进速率，从而抑制了沿海地区的自然恢复过程，许多地方的海滩基础设施已完全取代了自然环境。

图6 1985-2018年海州湾不同时期的净海岸线变化及其分布Fig. 6 Changes and distribution of net coastline of the Haizhou Bay in different periods from 1985 to 2018

（2）柘汪河-新沭河段：该区域陆域增长面积主要为围垦养殖和赣榆新城建设。其中，1985-2009年陆域增长用地主要为围垦养殖，陆域面积增加了7.79 km2，岸线平均变化率为22.58 m/a。2009-2018年期间，赣榆新城琴岛天籁片区总体工程于2011年5月动工建设，2012年12月10日完成合龙。该工程填海面积2.35 km2，内海面积0.62 km2，围海造陆北起沙汪河、南至青口河、西起现有达标海堤、东至海堤向东约2.1 km。整个区域在2009-2018年面积增加了8.33 km2，岸线平均变化率为51.87 m/a。

（3）新沭河-高公岛段：该区域陆域增长面积主要为连云港新城建设和港口用地。其中，新沭河口在径流输沙和海域供沙的共同作用下不断淤积，淤积速率为53.54 m/a（图3）。1985-2009年期间，连云港于2005年提出“城市东进，拥抱大海”的发展战略，临洪口至西墅岸段变迁加快，连云港从1973年开始便稳步建设。1985-2009年陆域面积增长16.67 km2，岸线平均变化率为99.70 m/a。2009-2018年期间，2012年市委、市政府出台《关于加快新海新区开发建设的意见》，新海新区建设进入加速期。2009-2018年陆域面积增加了19.33 km2，岸线平均变化率为156.70 m/a。

分析发现引起岸线变化主要原因为自然因素和人为因素。受区位政策及经济活动影响，海州湾进行了大量的围海造陆、围垦养殖和港口建设，人工岸线增长显著，海州湾的岸线呈持续向海扩张趋势。

5 结论

本文基于假彩色合成遥感资料，利用地理信息系统和数字海岸线分析系统对海州湾岸线进行数字化及定量分析了岸线变化速率，描述了海州湾岸线1985-2018年的短期变化与长期变化，得出结论如下：

（1）2009年之前，海州湾岸线处于向海缓慢推进，增加陆域面积24.3 km2，岸线总长度增加了4.08 km，围垦养殖为最大影响因素。2009年之后，海州湾岸线向海推进速率加快，陆域增加面积28.54 km2，岸线总长度增加了6.32 km，赣榆新城和连云新城建设为最大影响因素。

（2）海州湾30多年来岸线变化具有时空异质性，其整体呈向海前进的态势，除1995-2005年绣针河北-柘汪河段发生轻微侵蚀，侵蚀速率为0.15 m/a。3个区域不同时期岸线变化增长速率不同，其中2009-2014年，新沭河-高公岛增长速率最大，达到144.13 m/a，主要受此期间连云港市政府出台《关于加快新海新区开发建设的意见》政策影响，新海新区建设进入加速期，由此引发岸线变化剧烈。

（3）海州湾岸线以人工岸线为主，且所占比例日渐加大，由1985年的47.90%到2018年的70.88%，这与沿海经济开发活动密切相关，包括连云港港口建设、围垦养殖、围海造陆建新城区和海滩风景区建设。其中，赣榆新城琴岛天籁片区总体工程和连云港新城建设对岸线变迁的影响最大，由此引发大量围海造陆工程，建设大量人工构筑物，人工岸线具有良好的几何学特征。