羅昆， 丁波， 龍根元

(1. 海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，?？?570206；2.中國地質(zhì)大學(武漢)地球科學學院，武漢 430074；3.海南地質(zhì)綜合勘察設計院，海口 570206)

0 引言

海岸帶是由海洋向陸地過渡的地帶，也是海洋與陸地相互作用的地帶，它與人類的生存和發(fā)展密切相關。海岸線是陸地與海洋的分界線，一般分為島嶼海岸線和大陸海岸線。根據(jù)資料，海岸線的界定一般指一段時間內(nèi)漲潮時高潮所到達的界線。海岸線的變遷與海岸開發(fā)利用、近海海域使用及人類經(jīng)濟活動密切相關，是海岸帶綜合管理的地質(zhì)地理基礎[1]。

國內(nèi)外諸多學者在海岸線變遷遙感分析方面開展了大量的研究工作[2-5]，Solomon[6]利用航空影像獲取了波福特海區(qū)域和麥肯尼三角洲的海岸線信息，并研究了海岸線變化狀況；Sheik等[7]利用遙感數(shù)據(jù)研究了印度南部科魔林角和杜蒂戈林間海岸線的變化速率，并統(tǒng)計分析了海岸侵蝕和淤積情況；朱俊鳳等[8]利用TM，ETM+和ALOS等多源、多時相的遙感影像，對珠江三角洲1998年、2003年和2008年的海岸線進行了遙感調(diào)查和演變分析；劉勇等[9]基于QuickBird，SPOT5和Landsat5等多源遙感影像提取了石臼陀島海岸線。

三亞位于海南島最南端，是享譽國內(nèi)外的旅游度假圣地。寧遠河發(fā)源于海南中部山區(qū)，其下游穿越三亞西部崖州區(qū)在崖州灣匯入南海。近些年，隨著寧遠河口圍墾養(yǎng)殖的發(fā)展、港口物流網(wǎng)絡的不斷完善以及涉海工程建設的逐年增加，河口海岸線形態(tài)必然發(fā)生了一定程度的改變，而海岸線形態(tài)的改變與河口及周邊海域的水動力、水環(huán)境息息相關。但目前國內(nèi)圍繞寧遠河口海岸線變遷及相關的科學研究幾乎空白，因此，開展寧遠河口近30 a間海岸線變遷研究對系統(tǒng)、全面地了解該區(qū)域海岸帶生態(tài)環(huán)境演化及制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的意義。

本文利用遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)和計算機技術(shù)，采用4期多源遙感影像(TM，ETM+，RapidEYE和QuickBird)，在建立研究區(qū)各類岸線解譯標志的基礎上，分別提取了1987年、2000年、2010年和2015年4個時期寧遠河口及其周邊區(qū)域的海岸線，客觀地揭示了研究區(qū)內(nèi)海岸線的變化過程，并依托最新一期高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)(QuickBird)對研究區(qū)內(nèi)海岸線類型做了詳細準確的分類，通過統(tǒng)計分析，對寧遠河口海岸線類型的分布和演化以及海岸線的變遷趨勢進行了綜合研究，為下一步實施寧遠河海岸帶生態(tài)環(huán)境治理和海岸帶合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

寧遠河是海南省第四大河流，其入海口位于三亞西部崖州灣內(nèi)側(cè)(圖1)。研究區(qū)三面環(huán)山，區(qū)內(nèi)多條NNE向和NEE向構(gòu)造相互作用，形成了濱海堆積平原區(qū)地貌。該區(qū)地層沉積物以第四系為主，沿海岸帶主要為全新統(tǒng)煙墩組，巖性以中砂、粉細砂為主，次一級巖性主要為全新統(tǒng)未分的細砂、黏土質(zhì)砂，河口地質(zhì)穩(wěn)定性較差。

圖1 研究區(qū)域

1.2 數(shù)據(jù)源及其預處理

本研究收集并購置了4期影像數(shù)據(jù)：TM影像1景(1987年)，ETM+影像1景(2000年)，RapidEYE影像1景(2010年)，QuickBird影像范圍約120 km2(2015年)。各時期影像信息具體參數(shù)見表1。同時收集了研究區(qū)內(nèi)的地形數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù)及海圖資料作為輔助數(shù)據(jù)，為研究區(qū)影像預處理提供基礎參考。

表1 寧遠河口各時期遙感影像信息

各時相影像數(shù)據(jù)預處理遵循常規(guī)數(shù)據(jù)處理步驟，包括幾何糾正、配準、信息增強、融合、裁剪和圖面整飾等。預處理技術(shù)方法較為成熟，這里不再贅述。需要強調(diào)的是：由于本文采用的遙感影像為多源遙感數(shù)據(jù)，其空間分辨率各不相同，因此在數(shù)據(jù)預處理過程中，首先需要對中高空間分辨率數(shù)據(jù)QuickBird和RapidEYE進行正射校正，并制作成符合技術(shù)要求的研究底圖，再以制作好的2015年的QuickBird影像為基準，分別對2000年的ETM+影像和1987年的TM影像進行幾何糾正和配準，最終制成各個時期的遙感影像底圖。

2 研究方法

目前國內(nèi)外用于海岸線遙感提取的技術(shù)方法種類較多，常用的海岸線提取方法有邊緣檢測算法[10]、區(qū)域生長法[11]、小波分析[12]和密度分割法[13]等。本文采用面向?qū)ο蟮男畔⑻崛〖夹g(shù)，基于密度分割法對遙感影像進行面向?qū)ο笥跋穹诸?，結(jié)合影像紋理特征進行二值化合并處理，最后利用邊緣追蹤并輔以目視識別修正，實現(xiàn)目標提取。技術(shù)流程如圖2所示。技術(shù)實現(xiàn)的軟件平臺主要為ENVI4.5和ArcGIS10.1。

圖2 海岸線提取技術(shù)流程

參照《2008海域使用分類體系》的分類標準，并結(jié)合研究區(qū)內(nèi)海岸線特征及實際解譯情況，本文將寧遠河口海岸線分為2個大類4個小類，分別為：自然海岸線(砂質(zhì)海岸線、紅樹林海岸線)和人工海岸線(填海造地、圍池堤壩)。

典型海岸線解譯標志、劃分原則、判讀標準及提取方法參見表2。

表2 海岸線解譯標志及判讀標準

3 結(jié)果與分析

3.1 海岸線提取結(jié)果

潮汐是影響海岸線位置和狀態(tài)的重要因素，在進行海岸線提取過程中需要予以考慮[14]。本次研究區(qū)的多源影像數(shù)據(jù)時相不盡相同，成像時的潮位也存在一定的差異，為了減少潮汐對海岸線提取的影響，需要建立統(tǒng)一的海岸線提取標準[15]。由于本文采用的遙感影像具有不同的時間分辨率和空間分辨率，因此海岸線提取方法采用歷史高潮線法。最終寧遠河口各時期海岸線提取結(jié)果如圖3。

圖3 寧遠河口各時期海岸線

3.2 海岸線長度變化

4期影像海岸線提取結(jié)果統(tǒng)計如表3所示。

表3 寧遠河口各時期海岸線長度

統(tǒng)計結(jié)果顯示：寧遠河口4期海岸線長度總體上呈增加趨勢，在1987年海岸線長度為31.74 km，而在2015年海岸線長度為39.88 km，在28 a間增加了8.14 km，海岸線變化較為劇烈。分階段來看，在1987—2000年間，海岸線長度減少了3.12 km，年均減速為0.24 km/a。結(jié)合2期監(jiān)測影像對比分析，海岸線減少的主要原因是寧遠河口2處入?？谔幖皩庍h河口西側(cè)(圖3(A))海岸線均存在不同程度的侵蝕，同時河口內(nèi)河道兩側(cè)大面積的紅樹林濕地資源被砍伐，且漁民圍墾筑壩，興建養(yǎng)殖區(qū)。自2000年以后，海岸線長度均呈現(xiàn)遞增趨勢，其中，2000—2010年間，海岸線長度增加了6.01 km，年均增長0.60 km，其原因一方面在于寧遠河西側(cè)入?？?圖3(B))兩側(cè)在10 a間形成了大面積淤積，使得入?？谧兊锚M窄，另一方面在于入?？趦?nèi)側(cè)河道兩邊人工養(yǎng)殖區(qū)進一步侵占河道。2010—2015年間，海岸線長度增加了5.25 km，年均增長1.05 km，海岸線增速表現(xiàn)最為劇烈，這主要是由于入海口西側(cè)人工島嶼和入?？谌侵尬鱾?cè)(圖3(B))防沙堤壩的建設。

3.3 海岸線類型轉(zhuǎn)化分析

表3中詳細統(tǒng)計了各種類型海岸線在4個時期的長度。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，自然海岸線在1987年海南建省前達到最高值，且自然海岸線中，紅樹林海岸線僅在1987年有少量分布，2000年后紅樹林海岸線完全消失，取而代之的是人工海岸線中的圍池堤壩，這意味著1987—2000年間，紅樹林海岸線向人工圍池堤壩海岸線轉(zhuǎn)化率為100%；砂質(zhì)海岸線基本保持穩(wěn)定，呈現(xiàn)小幅變動，原因主要在于河口兩側(cè)及三角洲區(qū)域存在不同程度的侵蝕和淤積。人工海岸線類型主要為填海造地和圍池堤壩。研究區(qū)內(nèi)1987年無人工海岸線，2000—2010年間，填海造地海岸線基本維持不變，但在2015年該類型海岸線出現(xiàn)了大幅度增加，主要原因是人工島嶼和防沙堤壩的修建，此外寧遠河口西側(cè)存在大面積回填人工養(yǎng)殖區(qū)，漁港泊位的興建使得該部分圍池堤壩轉(zhuǎn)化為填海造地海岸線；圍池堤壩海岸線在2010年出現(xiàn)最高值，結(jié)合影像分析發(fā)現(xiàn)，該時間段寧遠河口人工養(yǎng)殖區(qū)達到頂峰，河口內(nèi)河道兩側(cè)的部分沙洲均被開挖成養(yǎng)殖區(qū)，這使得該時期部分砂質(zhì)海岸線轉(zhuǎn)化成圍池堤壩海岸線。

3.4 海岸線變遷分析

海岸帶生態(tài)環(huán)境的變化使海岸線的長度和類型發(fā)生變化，而海岸線的變化也必然引起海岸帶生態(tài)環(huán)境的變化，如濕地資源(紅樹林濕地)的減少、人工養(yǎng)殖范圍的擴大、海岸的侵蝕與淤積、人工島嶼及防沙堤壩的建設等。

3.4.1 寧遠河入?？诤０毒€(內(nèi)河道)變遷分析

表4為寧遠河口4期紅樹林和養(yǎng)殖區(qū)面積的統(tǒng)計結(jié)果。

表4 寧遠河口各時期紅樹林和養(yǎng)殖區(qū)面積

可以看出，寧遠河口內(nèi)紅樹林濕地資源僅在1987年有少量分布，面積約為0.45 km2，2000年起，紅樹林完全消失，其原因主要是人為毀林筑壩及修建養(yǎng)殖區(qū)。紅樹林是河流入?？诨蚝车貐^(qū)重要的濕地資源，在維持河口鹽堿平衡、水土保持及河流入海口生物多樣性方面發(fā)揮著重要的作用。紅樹林資源的減少以及大量人工養(yǎng)殖區(qū)產(chǎn)生的污水、廢水，對入?？谒h(huán)境產(chǎn)生了較嚴重的不利影響，一定程度上造成水質(zhì)下降和水體污染。養(yǎng)殖區(qū)4期監(jiān)測顯示，寧遠河口1987年基本無人工養(yǎng)殖區(qū)，2000年和2015年養(yǎng)殖區(qū)面積基本維持在1.70 km2左右，而2010年養(yǎng)殖區(qū)面積最大，約為2.54 km2。從演變趨勢并結(jié)合遙感影像看，2010年寧遠河口兩側(cè)及部分沙洲可侵占的海岸線幾乎布滿了大小不同的養(yǎng)殖區(qū)，且河道最為狹窄。2010—2015年間，隨著三亞市政府關于“三港分離”政策的落實，寧遠河口內(nèi)河道西側(cè)部分海岸線被規(guī)劃成漁港泊位，由于工程建設，該區(qū)域大部分養(yǎng)殖區(qū)被回填，分布于河道內(nèi)較小規(guī)模的沙洲也逐漸消失，這使得人工養(yǎng)殖區(qū)面積在2015年出現(xiàn)了較大程度的減少，同時河道也逐漸開闊，變得更為平直。

3.4.2 寧遠河口海岸線變遷分析

寧遠河口西側(cè)地段(圖3(A))以侵蝕為主，越靠近西側(cè)入?？?，侵蝕越嚴重。根據(jù)量算，1987—2015年間，該區(qū)域累計侵蝕面積約為0.14 km2，尤其在2010—2015年間，該區(qū)域海岸線侵蝕面積約為0.08 km2，年均侵蝕16 000 m2，侵蝕較為劇烈。分析其原因，一方面是附近人工島嶼及連接島嶼的岸堤和棧橋阻止了來自寧遠河水入海帶來的泥沙補給，另一方面為保障人工島嶼的建設，從附近海域抽砂填島，造成附近海域海水泥沙含量減少，致使圖3(A)區(qū)域侵蝕加劇。寧遠河口三角洲區(qū)域(圖3(B))在1987—2000年間海岸線表現(xiàn)為侵蝕，侵蝕面積約為0.05 km2，而在2000—2015年間主要表現(xiàn)為淤積，淤積面積約為0.09 km2，且在2000—2010年間該地段海岸線淤積呈現(xiàn)條帶狀，在2010—2015年間該處淤積在原有的基礎上呈現(xiàn)錐形。這主要是由于2000—2010年間海岸線的侵蝕和淤積均為自然發(fā)生，而2010—2015年間主要是由于防沙堤壩的修建嚴重阻礙或減緩了寧遠河東側(cè)入海口泥沙隨洋流作用移動的速度，造成防沙堤壩與海岸線夾角處淤積加劇。圖3(C)地段為寧遠河東側(cè)入海口，整體來看表現(xiàn)為海岸侵蝕，由于入海口海岸線不斷侵蝕，河口東側(cè)入?？谝苍诓粩嗟匕l(fā)生變化。從發(fā)展趨勢看，該區(qū)域未來主要表現(xiàn)為海岸淤積，這是因為河口防沙堤壩的修建會造成東側(cè)入?？谒魉俣葴p緩，使得河流帶入的泥沙在入?？谔幉粩喑练e，而形成淤積海岸線。

4 結(jié)論

綜合運用遙感技術(shù)、地理信息技術(shù)和計算機技術(shù)，對海南省寧遠河口海岸線變遷(海岸線長度變化、海岸線類型變化、海岸帶變遷及入海口河道變遷等)進行了研究，得出以下結(jié)論：

1)海南省1987—2015年間，寧遠河口海岸線總體呈現(xiàn)增長趨勢，海岸線總長度增加了8.14 km，海岸線變化較為劇烈。

2)海岸線類型也在不斷發(fā)生變化。1987年自然海岸線的比例為100%，到2015年自然海岸線的比例下降到33.8%，下降了近2/3，而人工海岸線的比例直線上升。

3)寧遠河口內(nèi)河道由彎曲狹窄逐漸取直開闊，河道逐漸暢通。

4)寧遠河口海岸帶生態(tài)環(huán)境發(fā)生了較大變化。河口內(nèi)河道紅樹林資源基本消失，人工養(yǎng)殖區(qū)規(guī)模逐漸擴大，河流入?？谒w水質(zhì)逐年下降。

5)寧遠河口海岸線變遷的主要影響因素包括海岸侵蝕淤積、灘涂圍墾養(yǎng)殖、人工島嶼及防沙堤壩建設等。

6)寧遠河口海岸淤積和侵蝕作用在持續(xù)發(fā)生，近年來隨著漁港碼頭、人工島嶼及防沙堤壩的建成，寧遠河口的侵淤形式不容樂觀，其發(fā)展趨勢表現(xiàn)為人工島嶼西側(cè)海岸線將進一步侵蝕，而防沙堤壩東側(cè)海岸線的淤積將進一步加劇。