邢 婧，孟 丹**，白沁靈，李雨露

（1.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048；2.首都師范大學水資源安全北京實驗室，北京 100048）

0 引言

河口是河流流向海洋或者湖泊的終點，是海洋和陸地相互作用、物質(zhì)交換最頻繁的地區(qū)，是經(jīng)濟發(fā)達、人口集居之地，沿海地區(qū)集中了世界67%的大中城市和60%的人口［1］，但日益加劇的人類活動對河口海岸地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了很大影響.而衛(wèi)星遙感影像是研究岸線變化最為有效的方法，有專家學者就利用遙感影像，進行海岸線提取，開展了大量的研究［2］.從研究內(nèi)容上包括：基于遙感和GIS技術(shù)進行海岸線信息提?。?］；海岸線的時空變化進行了分析［4-6］；海岸線變化的驅(qū)動因素進行了分析［7-9］，涉及我國河口區(qū)域有遼河口［7］、黃河口［8］、長江口［9］和珠江口［6］等.現(xiàn)有研究主要從各個地區(qū)進行海岸線的提取及其變遷分析，對多個河口的研究尺度進行比較分析的較少.且現(xiàn)有的針對海岸線驅(qū)動因素分析，主要是以基于海岸線變遷結(jié)果上的定性分析為主，對海岸線變遷驅(qū)動因素的定量分析較少.本文選取遼河口、黃河口、長江口和珠江口這4 個重要河口地區(qū)作為研究區(qū)，對比分析了近30年來這4 個河口岸線的變遷特征，并結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度模型對引起海岸變遷的驅(qū)動因素進行了分析.為實現(xiàn)海岸線生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測、科學的海域管理、海岸帶資源與環(huán)境保護和可持續(xù)利用都具有重要的指示作用.

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

中國海岸線狹長，擁有眾多河口海岸帶，地域跨度大，氣候條件呈現(xiàn)顯著的區(qū)域差異［10］.本文選取遼河口、黃河口、長江口和珠江口4 個重要河口海岸線為研究對象，為了便于統(tǒng)計社會經(jīng)濟因素對岸線變遷的影響，每個河口海岸線以臨近的地級市作為統(tǒng)計邊界.遼河口選用盤錦市海岸線，該市坐落于遼東灣頂部，瀕臨渤海灣，地處遼河三角洲核心區(qū)域，是遼西遼南的交通要道.黃河口選用東營市海岸線，該市位于山東省東北部，渤海灣南岸和萊州灣西岸，是黃河入海口的三角洲地帶，地勢沿黃河走向自西南向東北傾斜，低平緩和.長江口選用鄰接的上海市、南通市和蘇州市海岸線，3 市屬長江入海之前呈喇叭形狀的沖積平原，形成三級分汊、四口入海的格局［11］.珠江口選取河口鄰接的深圳市、東莞市、廣州市、中山市和珠海市的海岸線，屬廣東省的中部沿海地區(qū)，毗鄰南海，被稱為中國的“南大門”［12］.4 個河口地區(qū)區(qū)位經(jīng)濟優(yōu)勢明顯，屬于我國3 大經(jīng)濟圈環(huán)渤海、長江角、珠三角的核心經(jīng)濟帶，交通運輸、勞動力資源等社會經(jīng)濟條件優(yōu)渥.

1.2 數(shù)據(jù)源及預處理

研究所用數(shù)據(jù)為1987、1997、2007 和2017年的Landsat 系列遙感影像，數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局數(shù)據(jù)中心（http：//glovis.usgs.gov）.以同一季節(jié)、自然環(huán)境條件相似、天氣特征相近，云量盡可能<10%為原則，選擇覆蓋整個研究區(qū)的遙感影像共28 景，包括1987、1997 和2007年Landsat?5 TM 影 像21 景，2017年Landsat?8 OLI 影像7 景.對遙感影像數(shù)據(jù)的預處理包括大氣校正、影像配準、圖像鑲嵌和裁剪等.

此外，本文用到的數(shù)據(jù)還包括各河口地區(qū)城市的矢量邊界數(shù)據(jù)，用于研究區(qū)遙感影像的裁切；基于Google Earth 遙感影像提取的岸線數(shù)據(jù)集［13］，用于驗證提取的海岸線數(shù)據(jù)；以及統(tǒng)計年鑒和調(diào)查數(shù)據(jù)，用于構(gòu)建河口海岸線變遷驅(qū)動因素指標體系.

2 研究方法

2.1 基于閾值法的半自動提取海岸線

2.1.1 基于閾值法的水邊線提取

水體和陸地具有不同反射特性，閾值法就是基于這種差異性來提取水邊線，且采用閾值法進行灰度值分割時，具有簡單易操作、處理速度較快等優(yōu)點，對目標與背景對比強烈的圖像普適性較強.

常用的閾值法都是通過不同指數(shù)的計算來擴大水陸信息差異.本文選擇歸一化水體指數(shù)（nor?malized difference water index，NDWI）［14］，閾值分割法作為提取水邊線的方法.對經(jīng)過預處理后的遙感影像計算NDWI 擴大水陸信息差異，選取合適的閾值進行水邊線的提取.NDWI 的計算公式為

式中ρGreen和ρNIR分別表示綠光和近紅外波段的反射率.

進行水邊線提取時，首先采用波段運算法計算各期圖像NDWI，通過反復試驗研究區(qū)NDWI 圖像灰度直方圖，選定閾值0.18，得到河口地區(qū)水陸分離的二值化圖像，在ArcGIS 軟件中通過柵格轉(zhuǎn)矢量工具、面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)線數(shù)據(jù)，經(jīng)平滑處理消除柵格轉(zhuǎn)矢量的鋸齒特征，最終得到水邊線.基于閾值法提取水邊線的流程，如圖1 所示.

圖1 基于閾值法提取水邊線的流程

2.1.2 結(jié)合目視解譯的岸線修正及精度評價

為了得到更高精度的提取結(jié)果，本文結(jié)合目視解譯，先對2017年海岸線進行修正，再以2017年海岸線為基準修正其他3 期海岸線，最終獲得4 個河口地區(qū)4 期的海岸線.在海岸線上隨機取點，計算其與2015年全國海陸岸線（參考岸線）最短距離的均方根誤差（root mean squared error，RMSE）［15］，評價提取海岸線精度.

2.2 海岸線變遷分析方法

2.2.1 海岸線長度變化

海岸線長度變化是由岸線空間位置及彎曲復雜程度等變化造成.本文選取海岸線實際長度和曲折度2 個指標分析海岸線長度變化.其中海岸線曲折度是指海岸線在一定尺度上空間走向的彎曲程度［16］，用海岸線實際長度與海岸線起點至終點的直線距離的比值進行度量，無量綱.

2.2.2 圍填海面積變化

圍填海面積變化是指由于岸線空間位置發(fā)生變化，從而導致的海岸陸地面積的變化.本文對2 個時期的岸線進行疊加分析，得到岸線之間發(fā)生變化的多邊形，分為面積增加和減少2 種，分別計算并進行統(tǒng)計分析，得到海岸陸地面積的變化情況.

2.2.3 岸線變遷速率

岸線變遷速率是指對各期岸線間的平均變化速率的度量，本文采用應用廣泛的端點變遷速率（end point rate，EPR）工具［17］來度量.在向陸一側(cè)做出1 條和4 期海岸線走勢一致的基線，沿著岸線基線以300 m 為間隔，自北向南獲得斷面.在遼河口、黃河口、長江口和珠江口地區(qū)，分別生成了561、1 085、2 303 和2 671 個斷面并依次編號.運用數(shù)字岸線分析系統(tǒng)（digital shoreline analysis system，DSAS）的EPR 模塊計算得到4 個河口地區(qū)的岸線變遷速率.其中，EPR 的計算公式為

式中XA、XB和YA、YB分別是剖面與岸線A和B的交點投影坐標，TA和TB分別是岸線A和B的年份.

2.3 基于灰色關(guān)聯(lián)度模型的變遷驅(qū)動因素分析方法

由鄧聚龍［18］提出的灰色系統(tǒng)理論演變出的灰色關(guān)聯(lián)分析法［19］，適用于在不確定的信息狀態(tài)下描述各因素間的關(guān)聯(lián)程度.故本文采用灰色關(guān)聯(lián)度模型，研究河口地區(qū)海岸線時空變化的驅(qū)動機制，將引起河口地區(qū)海岸線變遷的自然、社會和經(jīng)濟系統(tǒng)視為一個灰色系統(tǒng)，構(gòu)建河口地區(qū)灰色關(guān)聯(lián)度模型，計算各影響因素與海岸線變遷的關(guān)聯(lián)度并進行排序，從而定量分析海岸線變遷的驅(qū)動因素，為海岸線資源開發(fā)利用提供客觀評價.

根據(jù)研究區(qū)自然、社會和經(jīng)濟的發(fā)展狀況，結(jié)合資料收集難易程度，并在參考國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上［20-22］，將各河口海岸線長度作為因變量，自變量可分為4 種因素共7 個指標：自然因素選取代表水文站的年徑流量和年輸沙量（六間房、利津、大通、博羅水文站分別作為遼河、黃河、長江、珠江的代表水文站）；經(jīng)濟因素選取GDP、漁業(yè)總產(chǎn)值和港口吞吐量；社會因素選取年末總?cè)丝跀?shù)及城鎮(zhèn)化水平.采用SPSS 軟件，以河口地區(qū)為統(tǒng)計單元，其中GDP、漁業(yè)總產(chǎn)值、港口吞吐量、年末總?cè)丝跒楦鱾€城市的累加和，城鎮(zhèn)化水平取平均值.由于指標單位不同，在做關(guān)聯(lián)度分析時，首先進行無量綱化處理，再計算各驅(qū)動因子對各河口地區(qū)海岸線長度的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計算公式［18］為

式中：Ri(t)為關(guān)聯(lián)系數(shù)，Di(t)=|y(t)?xi(t)|稱為第t點y與xi的絕對差，y為因變量，xi為不同自變量；h為驅(qū)動因子的個數(shù)；Di(t)min稱為第t點海岸線長度與各因素的最小差絕對值；Di(t)max則稱為第t點海岸線長度與各因素的最大差絕對值；b通常取0.5［23］.

由于Ri(t)是在不同時刻的關(guān)聯(lián)程度值，因此，將各個時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值，作為海岸線長度因子和驅(qū)動因子間關(guān)聯(lián)程度的度量.計算各驅(qū)動因子與海岸線長度的灰色關(guān)聯(lián)度公式為

式中Pi越大，驅(qū)動因子與海岸線長度關(guān)聯(lián)性越好，將h個Pi由大至小排列，得到海岸線長度驅(qū)動因子關(guān)聯(lián)程度主次排序.

3 海岸線變遷特征結(jié)果分析

3.1 海岸線長度變遷分析

本文提取的岸線與參考岸線吻合度較好，RMSE 為27.56 m，小于本文所采用影像的空間分辨率30.00 m，在誤差允許范圍內(nèi).將各河口4 期海岸線疊加，得到各河口海岸線的空間分布，如圖2所示.4 個河口地區(qū)海岸線總長度及曲折度變化見圖3 和4.

圖2 4 期河口地區(qū)海岸線空間分布

圖3 4 個河口海岸線總長度變化

圖4 4 個河口海岸線曲折度變化

總體來說，30年間4 個河口海岸線長度均呈增加趨勢，且岸線越來越曲折，向海域方向移動.其中：遼河口地區(qū)、黃河口地區(qū)、長江口地區(qū)和珠江口地區(qū)岸線總長度分別增加了34.87、90.91、159.61和83.77 km，年均增加長度分別為1.35、3.03、5.32 和2.79 km/a.長江口地區(qū)海岸線長度較其他河口增長速度快，遼河口地區(qū)岸線長度相較之變化平緩.海岸線曲折度總體上呈升高趨勢.其中，珠江口地區(qū)曲折度最大，2017年達到6.19，遼河口地區(qū)、黃河口地區(qū)次之，長江口地區(qū)曲折度最小.

3.2 圍填海面積變遷分析

4個河口地區(qū)1987—1997、1997—2007和2007—2017年圍填海面積變化分布和統(tǒng)計如圖5 和6 所示.總體來看，整個岸段圍填海活動劇烈，呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，增加趨勢快慢略有不同.其中，遼河口地區(qū)和珠江口地區(qū)圍填海面積在1987—1997年期間變化最大，分別達到179.9 和125.4 km2；黃河口地區(qū)和長江口地區(qū)圍填海面積在1997—2007年間變化最大，分別達到271.3和368.2 km2.結(jié)合解譯結(jié)果：遼河口地區(qū)陸域面積增加主要是由于淤泥質(zhì)岸灘上養(yǎng)殖區(qū)、鹽田區(qū)的增加和港口的建設(shè)；黃河口地區(qū)陸域面積的增加體現(xiàn)在黃河入海口向海延伸突出及鹽田業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等圍填?；顒樱婚L江口地區(qū)的增長主要來自于上海市的港口建設(shè)及養(yǎng)殖區(qū)和南通市近入?？谔幍酿B(yǎng)殖池塘；珠江口地區(qū)珠海市的圍填?；顒幼顬閯×?，珠海市南部與島嶼相連變化較大，隨著農(nóng)業(yè)填海和養(yǎng)殖填海的活動岸線向海突出，陸域面積增加.

圖5 4 個河口地區(qū)圍填海面積變化

3.3 海岸線變遷速率分析

運用GIS 和DSAS 的EPR 模塊定量分析海岸線的時空變遷程度，得到了4 個河口地區(qū)的岸線變遷速率如圖7 所示.1987—2017年，遼河口、黃河口、長江口和珠江口地區(qū)岸線平均變遷速率分別為55.09、56.95、35.35 和25.93 m/a.其中：黃河口地區(qū)變遷速率最快，這是由于研究期間大量的養(yǎng)殖區(qū)在淤泥質(zhì)岸線上開發(fā)建設(shè)；珠江口地區(qū)變遷速率最慢，由于岸線在珠江口地區(qū)綿長，岸線變遷的部分在整個范圍內(nèi)所占比例相對其他地區(qū)較少，故整體變遷速率低.

圖7 4 個河口地區(qū)岸線變遷速率

圖6 4 個河口地區(qū)圍填海面積變化統(tǒng)計

遼河口地區(qū)岸線經(jīng)歷了復雜的變化，岸線變遷較快區(qū)域分布集中，其中1987—1997年變遷最為劇烈，向海推進速率在小臺子到二界溝鎮(zhèn)范圍變化最為明顯，最快達到691.28 m/a.由于盤錦新港的建設(shè)，2007—2017年此區(qū)域的推進速率也較快，最快達到522.19 m/a.黃河口地區(qū)岸線經(jīng)歷了劇烈的變化，岸線變遷明顯的區(qū)域在整個岸線都有分布，其中1997—2007年變遷最為劇烈；1987—1997年間，岸線變化明顯的區(qū)域為東港村附近，最快變遷速率達到492.41 m/a；1997—2007年，岸線向海曲折推進速率加快，變化明顯的區(qū)域為老十五村到紅光屋子村之間，以圍墾養(yǎng)殖用地為主的岸線增長，向海推進最快速率為451.34 m/a；2007—2017年，變化明顯的區(qū)域為東營港附近，向海推進最大距離為4.05 km.長江口地區(qū)岸線經(jīng)歷了不同程度的變化，岸段變遷速率在整個岸段變化曲折，其中1997—2007年變遷最為劇烈，岸線變遷速率在南匯新城鎮(zhèn)及洋口鎮(zhèn)附近變化最大，城鎮(zhèn)建設(shè)及圍墾使岸線迅速向海推進，岸段變遷最大速率為515.43 m/a；2007—2017年間，研究區(qū)岸線變化以圍墾為主，從新東鎮(zhèn)到丁店鄉(xiāng)附近海岸線每間隔一段距離均有養(yǎng)殖圍堤增加，該岸段變遷最大速率為437.17 m/a.珠江口地區(qū)岸段變遷速率在整個岸段變化較為集中，珠海市變化情況最為復雜，其中1987—1997年變遷最為劇烈，研究區(qū)岸線變化以圍墾養(yǎng)殖用地及農(nóng)田為主，向海推進速率在洪奇門附近最快，為286.55 m/a；2007—2017年，研究區(qū)岸線變化以圍墾為主，岸線變化明顯的區(qū)域為珠海市漢基村到塔石村之間，由于建設(shè)而與高欄島相連，該地區(qū)向海推進最大距離為4.48 km.

4 海岸線變遷驅(qū)動因素結(jié)果分析

本文通過灰色關(guān)聯(lián)度模型量化了年徑流量、年輸沙量、GDP、港口吞吐量、漁業(yè)總產(chǎn)值、年末總?cè)丝诤统擎?zhèn)化水平這7 個驅(qū)動因子與海岸線長度的關(guān)聯(lián)度，如表1 所示.綜合4 個河口數(shù)據(jù)，按7 個指標與海岸線長度的關(guān)聯(lián)度平均值由大到小排序為年末總?cè)丝跀?shù)、漁業(yè)總產(chǎn)值、港口吞吐量、年徑流量、GDP、年輸沙量、城鎮(zhèn)化水平.其中，年末總?cè)丝跀?shù)對海岸線變化的影響最大（平均灰色關(guān)聯(lián)度達0.891），隨著沿海經(jīng)濟政策的深入，導致河口地區(qū)人口數(shù)量逐年增加，用地的需求和城市建設(shè)的需求更加強烈，引起大規(guī)模的圍填?；顒訜岢?，使得岸線長度增加.其次為漁業(yè)總產(chǎn)值（灰色關(guān)聯(lián)度為0.848），由于河口地區(qū)有著良好的漁業(yè)養(yǎng)殖條件，圍海養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅猛，使得陸域面積增加，岸線向海推進.

表1 河口海岸線長度與影響因素之間的關(guān)聯(lián)度

5 河口海岸線變遷原因探析

（1）遼河口地區(qū).影響遼河口地區(qū)海岸線長度的首要因素是漁業(yè)總產(chǎn)值，其次是港口吞吐量，關(guān)聯(lián)度分別為0.949 和0.832.由于1989年開始實施盤錦遼河三角洲農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)工作［24］，圍海養(yǎng)殖面積的逐年增加，水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)成為支柱性產(chǎn)業(yè)，使?jié)O業(yè)總產(chǎn)值逐年增加.隨著遼東灣新區(qū)海域資源的圍填開發(fā)，在大遼河口外已圍填盤錦新港，2010年盤錦新港的通航，港口吞吐量2007—2017年從115.51 萬t 增加到3 348.00 萬t，使岸線向海域推進，長度增加，并且更加曲折.

（2）黃河口地區(qū).在黃河口地區(qū)年徑流量對海岸線長度影響最大，其次為城鎮(zhèn)化水平、漁業(yè)總產(chǎn)值，關(guān)聯(lián)度分別為0.997、0.967、0.951.黃河含沙量世界最大，較高的徑流量及輸沙水平使海岸線迅速淤積擴張.同時，河道的變遷也使岸線發(fā)生了變化，1996年黃河入海口清八汊改道［25］，黃河向東北方向注入渤海，使得北汊向海淤進，改變了入海口附近岸灘格局，岸線也隨之變化.近年來因城市建設(shè)引起人口向城鎮(zhèn)聚集，勞動力的增加引起用地的需要，填海需求增加海岸線不斷向海洋擴展.在研究期內(nèi)，黃河口地區(qū)擁有寬闊的淤泥質(zhì)潮灘，在潮間帶上發(fā)展養(yǎng)殖場，據(jù)統(tǒng)計年鑒記錄，黃河口地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖面積呈持續(xù)增加趨勢，1987—1997年 從137.0 km2增加到624.3 km2，2007年持續(xù)增加到884.1 km2，2017年增加到1 412.1 km2，漁業(yè)總產(chǎn)值及GDP 在經(jīng)濟上客觀反映了這一變化.

（3）長江口地區(qū).在長江口地區(qū)年末總?cè)丝跀?shù)對海岸線長度影響最大，其次為年輸沙量，關(guān)聯(lián)度分別為0.985 和0.892.在研究期內(nèi)，統(tǒng)計年鑒顯示，長江口地區(qū)3 市的年末總?cè)丝诳傮w呈增加趨勢，1987—2017年從2 551.40 萬人增加到4 247.43 萬人.人口的逐年增加，伴隨著對用地的需求更加強烈，導致大規(guī)模的城鎮(zhèn)建設(shè)、圍填?；顒?，使得岸線長度增加.長江入海的泥沙量大，也使河口部分由于泥沙的淤積使岸線加長.

（4）珠江口地區(qū).在珠江口地區(qū)年末總?cè)丝跀?shù)對海岸線長度影響最大，其次為城鎮(zhèn)化水平，關(guān)聯(lián)度分別為0.974 和0.821.在研究期間，珠江口地區(qū)在經(jīng)濟特區(qū)建設(shè)、沿海城市開放政策等對外開放經(jīng)濟政策的推動下，成為中國經(jīng)濟發(fā)展的強力引擎和龍頭，聚集了大量的勞動力和資本［26］.勞動力的聚集使人口的增長迅速，推動城市建設(shè)用地快速擴張增加土地資源，圍填海活動急劇增加，海岸線迅速向海擴張.

研究所選取的7 個因子與岸線長度的灰色關(guān)聯(lián)度區(qū)間為0.678～0.985，以關(guān)聯(lián)度>0.900 的指標來看，遼河口岸線變遷以漁業(yè)總產(chǎn)值這一經(jīng)濟因素為主導，黃河口岸線變遷以自然、經(jīng)濟和社會多種因素共同作用，長江口、珠江口岸線變遷則以社會因素驅(qū)動為主.

6 結(jié)論

本文對近30年來我國遼河口、黃河口、長江口和珠江口海岸線變遷及其驅(qū)動因素進行了深入研究，主要結(jié)論如下：

（1）1987—2017年間，4 個河口地區(qū)海岸線長度均保持增長趨勢，遼河口、黃河口、長江口和珠江口地區(qū)岸線總長度分別增加了34.87、90.91、159.61 和83.77 km；海岸線曲折度指數(shù)也逐年增加.1987—2017年間，遼河口、黃河口、長江口和珠江口地區(qū)陸域面積分別增加了318.7、696.1、738.7 和83.8 km2，岸線變遷速率分別為55.09、56.95、35.35 和25.93 m/a.

（2）構(gòu)建了海岸線長度變遷的灰色關(guān)聯(lián)度模型，總體而言，海岸線長度與驅(qū)動因子的關(guān)聯(lián)度從大到小依次為年末總?cè)丝跀?shù)、漁業(yè)總產(chǎn)值、港口吞吐量、年徑流量、GDP、年輸沙量、城鎮(zhèn)化水平.結(jié)合定量和定性分析，4 個重要河口地區(qū)近30年岸線長度增長、陸域面積增加的主要原因包括：入海泥沙量引起的自然的淤泥質(zhì)岸線堆積，經(jīng)濟政策推動的勞動力集聚引起城鎮(zhèn)建設(shè)，以及養(yǎng)殖業(yè)、鹽田業(yè)的迅猛發(fā)展和港口的規(guī)模化建設(shè)等圍填?；顒?

綜上所述，近30年來，4 個河口的海岸線變化顯著，驅(qū)動因子以人為活動因素為主導.頻繁的圍填?；顒踊蚣觿×撕０稁У沫h(huán)境壓力，未來河口地區(qū)岸線的開發(fā)和景觀格局的建設(shè)應嚴格遵循國家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略要求，平衡環(huán)境資源與開發(fā)利用之間的關(guān)系，同時保障自然岸線的保有率、海域的后備空間，對海岸帶實施階段性開發(fā)限制，以期促進海岸帶資源的保護與可持續(xù)利用.我國的河流入海口除了以上4 個地區(qū)還有海河、錢塘江和閩江等地區(qū)，今后可增加這些河口地區(qū)海岸線變遷對比分析.