1973—2018年珠江三角洲海岸线时空演变分析

夏涵韬，隆院男*，刘 诚，刘晓建

(1.长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114；2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114；3.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

0 引言

珠江三角洲地区是中国海岸线最长、最复杂的地区之一，在地质结构、上游来水来沙条件等各种因素影响下形成众多不同类型的海岸带。而海岸带是陆地和海洋之间的过渡地带，是典型的生态交错带和脆弱区，更是人类开发利用强度最高的区域之一[1]，包括城镇、港湾、滨岸沙丘、入海河口及三角洲等多种地形地貌。作为承载人类文明的发源地，也是现代人类活动的核心地带，海岸带地区成为海洋开发、经济发展的基地。而随着工业发展、填海围垦、港湾发展、渔业养殖、石油开采等大规模的开发利用，海岸资源已经趋近于饱和，催生了水环境污染、生态环境恶化、渔业资源减少、湿地退化等一系列问题，让海岸的保护、管理及可持续开发成为当下学者研究的热点[2-3]。

以往对于海岸线时空演变的研究主要采用沉积地质分析[4]、历史地图[5]等方法，然而由于技术条件受限致使数据缺乏且精度、准度不高，无法研究大区域、长时间岸线变化趋势。相比于现场勘测，遥感技术有着资料获取迅速、重复周期短、信息量大等优势。随着社会大众对生态保护观念的加强，海岸线的时空演变及未来发展的研究逐渐成为国内外学者关注的焦点[3，6]，国内主要研究区域集中在环渤海[7]、东南沿海[8]、海南岛[9]等岸段。近些年来，性能强大的国产卫星逐步取代了Landsat卫星成为学者研究数据的来源，例如，易琳 等[10]通过HJ卫星从生态环境的角度对深圳市海岸带变化特征进行了监控和分析。从空间尺度来看，前人对于珠江口海岸线的研究多集中在大亚湾[11]、深圳[12]、珠海[13]等岸线变化剧烈的海岸带，而少有结合人类活动因素研究整个珠江三角洲地区海岸线的时空演变。

本文通过研究岸线长度、变迁强度、岸滩面积、分形维数及使用类型的变化，结合人类活动因素，对1973—2018年珠江三角洲地区海岸线的时空演变规律进行系统研究，揭示珠江三角洲各地区海岸线开发利用情况，为珠江三角洲海岸带综合保护和管理以及生态环境建设提供一定的理论参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

珠江三角洲地区位于广东省中南部，珠江入海口背靠南海，与东南亚地区隔海相对，陆地面积为1.66万km2,人口约4 573万，是由澳门、香港2个特别行政区及广东省的珠海、中山、广州、东莞、深圳5个市组成的城市群，其海岸线长达1 589.72 km，占中国大陆岸线总长度的8.7%[14]。珠江三角洲经济发达，人口密集，是华南地区对外开放的重要门户和全国经济发展的重要引擎。珠江三角洲的岸线分布情况如图1所示。

1.2 数据来源

本文借助1973—2018年多幅Landsat遥感影像、Google Earth卫星图、广东地质资料以及野外实地观测数据对珠江三角洲地区海岸线进行解译。美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)的陆地卫星计划从1972年启动，目前一共有8颗卫星，拍摄周期较短(2～3周)，且时间跨度序列较长，遥感影像覆盖范围较广，从USGS(United States Geological Survey)网站上可以免费下载相关数据。其中Landsat4-5 TM、Landsat8-OLI经过预处理(辐射定标和大气校正)后，数据产品处理简单，使用方便。

图1 研究区域岸线划分Fig.1 The beach zoning map of the study area

首先对Landsat影像数据进行图像预处理(包括配准、辐射定标和大气校正)。由于研究区域较大，覆盖了2个条带号和2个行编号，所以研究区所在TM/OLI影像轨道号为122/45、122/44、121/44和120/44，具体信息如表1所示。图像由UTM投影系统转换为等面积投影系统，然后消除光照和大气等因素对地物反射的影响。在对遥感影像进行预处理及对部分图像合成拼接的基础上，采用区域裁剪和截图的方法得到研究区域的遥感资料。

2 海岸线提取和研究方法

2.1 海岸线提取方法

由于遥感影像中的海岸线多为卫星过境时刻摄取的瞬时水边线，而无法确保该水边线恰好为海岸线，即平均大潮高潮线[15]。海岸线种类众多，过往学者多根据研究区域的地貌条件来划分岸线类型，国际上并未有统一的标准。本文参考陈金月[16]和朱俊凤[17]的研究成果以及实地考察情况，依据珠江三角洲地区独特的地貌条件确定各类海岸线的解译标志，再深入实地对各类型海岸线的解译标志进行完善，各类型海岸线解译方式如表2所示。提取瞬时水边线时，尽可能选择10—12月的遥感影像数据，以减小数据的误差。

表1 遥感影像信息表Tab.1 Information of remote sensing image

表2 珠江三角洲海岸线解译标志Tab.2 Interpretation marks of coastline in Pearl River Delta

表2(续)

根据解译标志，把珠江三角洲地区海岸线分为自然岸线和人工岸线。根据使用类型把人工岸线分为城镇与工业岸线、港口码头岸线、生物岸线、河口岸线和围垦岸线等；而自然岸线根据海岸底质与空间形态分为淤泥质岸线、沙质岸线和基岩岸线。人工岸线在遥感影像上有着清晰明确的解译标志，岸线规则，边角分明，容易识别和分类，且城镇工业岸线或港口岸线等人工岸线多有堤坝护栏，不受涨、落潮影响；基岩岸线常有突出的海岬，在海岬之间多为悬崖峭壁，这类海岸线受潮位变化影响较小；沙质岸线和淤泥质岸线受海水潮位变化影响较大，需要人工解译修正。

沙质海岸一般比较平直，海滩上部因大潮潮水搬运，常常堆积成1条与岸平行的脊状沙质沉积，滩脊的位置即为海岸线位置[18]，如图2所示。

淤泥质岸线中潮间带向陆区域有大量的人工围垦区且向陆一侧植物生长茂盛，在遥感影像上呈现蓝色或者深蓝色；而向海一侧植物则长势稀疏矮小，在影像上呈现浅绿色，形成一种天然的植物界线。通常认定这种植物界线为淤泥质海岸的海岸线[19]，如图3所示。

图2 沙质岸线解译方法Fig.2 Interpretation way of sandy shoreline

图3 淤泥质岸线解译方法Fig.3 Interpretation way of muddy shoreline

2.2 海岸线定量分析

为了定量分析珠江三角洲海岸线变迁规律，采用变迁强度分析海岸线长度变化，利用分形维数表示海岸线不规则特征。

2.2.1 变迁强度

为了客观对比各个时段海岸线长度变迁速度的时空差异，采用某一时段内海岸线长度的平均变化百分比来表示海岸线的变化强度[20]，公式如下：

(1)

式中：LCIij表示某一研究单元第i年至第j年岸线变迁强度(Length Change Intensity)，Li和Lj分别表示对应年份的海岸线长度。变迁强度的绝对值越大，岸线时空变迁越明显。

2.2.2 海岸线分形维数

分形维数是现代数学统计的一种方法，其反映了复杂形体占用空间的有效性，也就是岸线的不规则程度。目前学者计算分形维数通常会采用量规法[21](脚规法)、随机噪声法[22]、网络法(盒计法)[23]等。本文采用网络法来计算珠江三角洲海岸线分形维数。

网格法的基本思路是使用不同长度的正方形网格连续且不重叠地去覆盖海岸线，当网格边长ε取不同值时，覆盖海岸线所需网格数目N(ε)会出现相应的变化，公式如下：

InN(ε)=-Klnε+b

(2)

式中：K是海岸线的分形维数，b为对应常数，ε为网格边长。

先利用ArcGis10.2中的Conversion Tools的要素转栅格模块将岸线数据转化为栅格类型。根据研究单元的实际距离调整像元大小，考虑到Landsat卫星影像的分辨率是30 m。网格边长分别取为30、60、90、120、150、180、210、240、270、300、600、900、1 200、2 400、4 800、9 600和12 000 m。生成覆盖研究区域岸线不同像元的正方形网格，并利用GIS软件栅格数据计算功能提取覆盖海岸线所需要的各个网格边长(ε)的正方形数目(N)。绘制ε、N的对数关系曲线并作线性拟合，得到该直线的斜率的绝对值，即为海岸线分形维数。分形维数越大，研究区域岸线越复杂。

2.3 海岸线资源开发利用类型分析方法

随着珠江三角洲地区经济发展，岸线资源的开发也呈现明显的时空演进，且利用类型也在不断变化。为了定量表示岸线资源利用的演进，采用景观学上的相关参数作为分析的依据[24]。

2.3.1 岸线人工化指数

岸线人工化是指因为人类活动导致自然岸线变成人工岸线的过程。而人类开发岸线的程度可以用人工化指数来表示，公式如下：

(3)

式中：N表示人工岸线长度；L为海岸线总长度；H值表示人工化指数，H值越大，表示海岸线开发利用程度越高。

2.3.2 岸线开发利用主体度

岸线开发利用主体度能表示区域内岸线的主体结构和主体岸线的重要度，借鉴景观生态学中的景观优势度的确定思路，构建适用于海岸线空间格局定量评价的岸线开发利用主体度模型(表3)。

表3 岸线开发利用主体度类型Tab.3 The subject degrees types of shoreline development and utilization

2.3.3 岸线开发利用强度

岸线开发利用强度可定量表示各种岸线类型对整体自然环境系统的影响程度，公式如下：

(4)

式中：A为开发利用强度，Li为第i类岸线的长度，Pi为第i类岸线影响环境的权重因子(0

影响环境权重因子P表示不同使用类型岸线对自然环境影响程度的强弱。把与岸线影响有关的元素分解成地理层面、海洋层面及环境层面，在不同的层面上单独分析，再聚类统计。按照这种层次权重决策分析方法，结合相关专家意见确定各个层次指标的权重，最终构建各类岸线的环境影响权重因子(表4)。

表4 各类型岸线的自然环境影响权重因子Tab.4 The weight of natural and environmental impact of each type shoreline

3 结果分析

3.1 海岸线变迁分析

3.1.1 海岸线变迁强度分析

珠江三角洲海岸线变化如图4和表5所示，各地区岸线开发强度不同，导致岸线变化趋势迥异。2018年珠江三角洲岸线总长度为1 589.72 km。总体来看，岸线总长度呈现先减小后增加趋势，45 a中岸线增加了111.79 km，年均增加2.48 km。2010—2015年期间，人为开发岸线最为活跃，岸线平均增长速率为10.79 km/a。空间上，深圳岸线变化最大，共增加了64.21 km；而中山市岸线变化最少，仅增加5.39 km。

图4 珠江三角洲海岸线时空演变Fig.4 Evolution processes of coastline in Pearl River Delta

表5 珠江三角洲海岸线长度变化Tab.5 Change of coastline length in Pearl River Delta km

为了更好地分析不同地区海岸线时空演变，引入岸线变迁强度作为指标。由表6可知，1973—2018年，珠江三角洲整体变迁强度为0.17%。从时间上看，1973—1980年期间，岸线变迁强度相对较大；之后1980—1990年，变迁强度为0.06%；1990—2000年，岸线变迁强度为0.34%；之后2000—2010年，变迁强度又有所减缓，为0.13%；2010—2015年岸线变迁强度最大，为0.71%。近3 a有所减缓，仅为0.17%。从空间上看，澳门特区和深圳市岸线变迁强度比较剧烈，1973—2018年变迁强度分别为1.60%和0.90%。另外，2010—2015年，港珠澳大桥的建立引起澳门岸线长度剧烈增长；2000—2005年，中山市成立临海工业园(2002年)，在横门岛浅滩上海涂围垦造成长度大幅减少。

表6 珠江三角洲海岸线变迁强度Tab.6 The coastline change intensity in Pearl River Delta %

3.1.2 海岸线分形维数分析

珠江三角洲旧称粤江平原，是西江、北江及东江共同冲积所形成的大小三角洲的集合，是放射型河网的三角洲的复合体，在地图上呈现“倒三角”形状，地面起伏波动较大，四周是台地、丘陵、岛屿，中部是平原。从总体上看，珠海、广州的海岸线多为淤泥质，地势较为平坦，有大量淤泥浅滩且基岩较少；深圳、香港的海岸线多为基岩岸线，丘陵密布，在南海洋流强烈作用下，岸线较为曲折。图5为1973—2018年珠江三角洲主要地区的分形维数，近45 a来，珠江三角洲岸线的分形维数呈现先下降后上升的趋势，均值为1.20。1980年前，除港澳地区外，珠江三角洲海岸带大多处在未开发状态。改革开放后，随着城镇工业用地需求日益增大，大量滩涂资源被围垦开发成各类岸线，海岸线的复杂度和曲折度逐步上升，岸线分形维数也不断增大。

珠江三角洲地区海岸线漫长，各地市的地理区域和人为社会因素的不同造成了岸线分形维数变化的差异。其中，珠海地区岸线分形维数呈现先下降后上升的趋势。1973—1990年，珠海南部大量滩涂资源被围垦从事农业生产，岸线分形维数不断减小，东部岸线变化较小；1990年后，珠海岸线分形维数不断上升。同样广州番禺、南沙区大片浅滩在泥沙淤积和人为开发的共同影响下，岸线分形维数不断波动，由于广州番禺、南沙的开发时间较晚，建设进度较快，2000年后，岸线分形维数迅速增加。澳门依托澳门半岛、氹仔、路环三部分不断向外填海造陆，分形维数波动变化较为明显。1980年后，深圳岸线分形维数不断上升。香港北靠深圳河，西起深圳湾，东至大鹏湾，丘陵起伏，山岭连绵，岸线曲折，较其他地区岸线较长，且自然基岩岸线的占比远远高过其他地区，其分形维数始终高于珠江三角洲其他地区。另外，珠江三角洲地区总体海岸线分形维数始终处于香港和珠海岸线分形维数之间，并非各个地区岸线分形维数的均值，而是接近香港岸线分形维数。

图5 珠江三角洲地区岸线分形维数时空变化Fig.5 The evolution processes of fractal dimensionof coastline in Pearl River Delta

1973年至今，广州、深圳、珠海的海岸线分形维数呈现较大的增幅，增幅分别为0.047、0.043和0.035，均高于珠江三角洲总体海岸线分形维数的增幅。从海岸带利用类型的角度分析，淤泥质海岸进行填海造陆的规模和程度要远远大于基岩海岸，而围垦开发为城镇工业岸线、港口岸线后，海岸线复杂度和曲折度增加。由此可见，人类社会对海滨地区的建设开发是海岸形态演变最大的驱动力，而海岸线分形维数一定程度上显示了海岸形态变化。

3.1.3 海岸带面积变化分析

除了通过海岸线长度和曲折度来表示演变程度，也可以通过海岸带岸滩面积变化来体现。由于海岸线属于非闭合的矢量数据，而计算区域岸滩面积需要内侧边界来计算岸线演变造成的面积变化，所以将往期的海岸线作为海岸带内侧边界，外侧边界用现有海岸线，相互结合所围成的面积即为岸滩区域变化。珠江三角洲海岸带岸滩变化情况如图6和图7所示。

图6 珠江三角洲海岸带面积变化Fig.6 The changes of coastal zone areain Pearl River Delta

图7 珠江三角洲海岸带变化Fig.7 The changes of coastal zone in Pearl River Delta

从总体来看，珠江三角洲地区岸滩面积增大了574.43 km2，年均增长速率为12.76 km2/a，1990—2000年岸滩扩张速率最快，为15.8 km2/a。不同地区的岸滩在不同时段的变化速率也截然不同，在这7个城市及特别行政区中，珠海和广州的岸滩面积变化较大，分别增加了254.93和106.28 km2，增长速率为5.66 km2/a和2.36 km2/a。珠海位于珠江三角洲西南部，在珠江三角洲城市群中海域最广、岸线最长，且磨刀门是西江径流最主要的出海口门，其年输沙量占珠江入海总输沙量的1/3。而广州南沙区地处珠江三角洲几何中心和珠江入海口，区内有虎门、蕉门、洪奇沥三条水道，大量的水沙经过南沙，浅滩淤泥资源丰富，适合造陆围垦。由于澳门特区相较于其他6个市及特区，面积较小且海岸线较短，所以澳门岸滩增加面积最少，为14.1 km2，其他地区的岸滩面积也有不同程度的增加。

3.2 海岸线开发利用空间格局分析

3.2.1 海岸线人工化指数评价

珠江三角洲各地区人工化指数如图8所示，珠江三角洲地区总体岸线人工化指数由0.18增加到0.67。中山、东莞和澳门岸线较短，人工化指数变化较快。珠海岸区东部海岸地貌类型复杂，由岬角和海湾组成，从北到南依次是铜鼓角、唐家湾、银坑、香洲湾、菱角咀、洲仔湾，岬角处受海浪的冲刷作用较大，多被开发为城镇工业岸线和港口码头岸线；而金湾区为冲积海积平原，多为淤泥质岸线，由于西江上游来沙在此淤积，被人为开发围垦造陆，所以人工化指数不断增加。广州南沙浅滩在围垦作用下，人工化指数不断攀升。深圳岸区毗邻香港，作为国家发展重要的对外窗口，其人工化指数在1980年后不断上升。香港本身自然岸线较长，且自然保护意识较好，人工化指数在0.2～0.4之间(由于研究香港岸线只包括香港岛、九龙半岛和新界，所以人工化指数较高。)

3.2.2 海岸线开发利用主体度评价

利用1973—2018年的遥感图像给出了珠江三角洲地区近45 a来岸线利用主体类型及主体度变化。其中澳门特区、中山市和东莞市的海岸带较少，岸线较短。澳门岸线在1990年后人工化指数均在0.65～

0.85之间，城镇岸线和港口码头岸线占总体岸线比例较高；中山市由于位于横门水道以南，岸滩泥沙资源丰富，适合围垦从事农业养殖，自然岸线向人工岸线转换得较快；东莞在伶仃洋东部，受到虎门水道来沙影响，大量滩涂资源便于围垦开发，且东莞是广东重要的交通枢纽和外贸口岸，1990年后，城镇和工业岸线以及港口岸线成为主体结构。珠海、广州、深圳和香港的海岸线利用主体类型及主体度变化如表7所示。

图8 珠江三角洲人工化指数变化Fig.8 The artificial index change in Pearl River Delta

表7 珠江三角洲海岸线主体度及主体类型Tab.7 The subject degree and subject type of the coastline in Pearl River Delta

珠海市岸线的主体结构呈现“单一→二元→多元→二元”的过程，其东部海岸形成了多个SE或SW朝向的岬湾海滩，而南部海岸由于西江大量的泥沙通过磨刀门水道在此淤积，所以岸滩淤泥资源丰富，初期呈现单一结构。由于磨刀门附近适合从事围垦农业开发，所以1980年围垦岸线变多；1980—2000年间，随着香洲、斗门、金湾各区不断地建设发展，自然岸线减少，城镇与工业岸线增多；2010年后，自然岸线资源被大量开发，珠海市的海岸线开发利用结构变为城镇岸线和围垦岸线二元结构。

广州岸区开发利用结构主要是单一→二元的演变趋势，南沙区和番禺区河流网络密集，珠江入海的泥沙在此地淤积，形成众多地面平坦的河流三角洲。1973年和1980年岸线多为淤泥质岸线；1990年后，由于广州南沙经济技术开发区的设立(1993年)，大量的自然岸线资源被规划、开发、建设、管理；到了2000年，自然状态下的淤泥质岸线主体度下降到0.27，而南沙区的设立(2005年)进一步加快了岸线类型的转变，城镇岸线大幅增多，自然岸线继续减少；2010年后，为了满足南沙区作为国家级新区(2012年)的发展需要，大量从事农业的围垦岸线演变为城镇岸线。

深圳西部是伶仃洋，岸线多为淤泥质岸线，东部是大鹏湾、大亚湾，多为基岩岸线和砂质岸线。1979年，广东宝安县改设为深圳市，深圳西部的宝安区、南山区、福田区发展较快，所以淤泥质岸线大幅减少，而东部的盐田区、龙岗区发展较慢，基岩岸线减少的速率较小；1990年，高强度的岸线开发导致城镇岸线增多；2000年后，深圳众多港口建设工程完工致使港口岸线主体度上升；至2018年，深圳城镇岸线和港口岸线占据了主导地位，其主体度分别为0.35和0.25。

香港地形多为丘陵，境内山陵与地貌构造体系与华南丘陵一样，使得香港海岸线多为基岩类岸线。1973年，基岩岸线占主要地位，主体度为0.46；1980后，自然岸线不断减少，人工岸线不断增加，导致基岩岸线的主体度减少，城镇岸线的主体度增加，其岸线结构一直呈现二元结构。

3.2.3 海岸线开发利用强度评价

珠江三角洲地区重要城市岸线开发利用强度变化如图9所示，总体来看，珠海、广州、深圳和香港4个地区的岸线开发利用强度都呈现不断上升的趋势，说明人类的各种活动对自然岸线的开发利用程度不断提高。20世纪70年代，香港的开发利用强度指数最高为0.26，内地几个城市的海岸带除小部分用于农业开发外，大部分处于自然状态。而1980年后，所有地区的指数都有所增加，其中深圳增速最快，香港增速最慢。这主要归因于政府发展政策，造就大规模工业园区的崛起和港口码头的建设，使得深圳的开发利用强度指数快速上升；而香港由于岸线整体较长，且制度观念的不同，指数上升速度较慢。广州地区和珠海地区的指数在不同时段上升速率有所不同，这是由于相关部门对各地区发展规划的不同所造成的影响。

图9 珠江三角洲海岸线开发利用强度Fig.9 The development and utilization intensityof the coastline in Pearl River Delta

4 结论

本文通过遥感和GIS技术提取珠江三角洲地区1973—2018年海岸线，分析了海岸线长度变化、变迁强度、岸滩面积、分形维数及岸线类型时空演变特征，通过人工化指数、开发利用主体度及强度指数分析珠江三角洲地区海岸线开发利用演变规律。揭示了45 a来珠江三角洲地区海岸线变化的驱动影响因素，为珠江三角洲地区海岸带可持续发展提供参考。

从岸线类型上看，深圳、香港地区主要以基岩岸线为主；伶仃洋河口多为上游泥沙形成的滩涂；而珠海香洲、中山为丘陵地貌，以基岩岸线为主，珠海斗门多为淤泥质岸线。随着整体发展战略的改变和区位政策的调整，珠江三角洲地区海岸带资源利用高速发展，海岸开发类型趋于多样，各类人工岸线的长度及占比均有所上升，开发利用强度也不断上升，海岸类型从单一、二元往多元方向发展。岸线长度不断增加，向海推进显著，平均变迁强度为0.17%，分形维数为1.20。从时间上看，1980年前，岸线扩张较大的区域为珠海斗门区、广州南沙区；改革开放初，变迁较为明显的区域是深圳的大鹏湾和蛇口半岛，之后开发活动扩散到整个珠江三角洲地区，吸引了大量造陆工程开发、填海工业建设、陆连岛等人为活动。其主要驱动因素也由珠江上游来水来沙冲淤、海浪作用等自然因素转变为政策导向的社会活动等人为因素。

海岸线变迁在时间和空间上都是个动态、渐进的过程，政府政策转向、区域规划调整、社会人口迁徙都会影响滨海地区海岸资源的开发和利用，必然会导致海岸线长度和类型的变化，从而对人类社会可持续发展和环境生态保护带来一定的冲击。本文借助遥感影像资料提取海岸线对其变化和开发状态进行监测和分析，为珠江三角洲地区海岸带可持续发展提供了科学依据。