杨 雷, 孙伟富, 马 毅, 任广波



近10年珠海海岸带海岸线时空变化遥感分析

杨 雷1, 2, 孙伟富1, 马 毅1, 2, 任广波1

(1. 国家海洋局第一海洋研究所, 山东青岛 266061; 2. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院, 山东青岛266580)

为了更有效地研究珠海市海岸带海岸线的变化, 基于2005年、2010年和2015年3期覆盖珠海市海岸带的高分辨率SPOT-5、GF-1和航空DOM遥感影像, 建立了珠海海岸带岸线分类体系, 并采用人机交互方式提取了3期12类海岸线信息。对海岸线长度及海岸蚀淤情况进行分析, 结果表明: (1)2005~ 2015年珠海市海岸带海岸线总体长度从470.69 km增长到496.95 km, 年平均增长2.38 km; (2)2005~2015年珠海市海岸带岸线中, 人工岸线一直占较大比重, 且10年间呈持续增长状态, 总长度增长了40.21 km, 而此期间的自然岸线却减少了13.95 km; (3)珠海市海岸带侵蚀面积为0.98 km2, 扩张面积为34.75 km2。港口码头和建设岸线是扩张主因, 养殖围堤岸线、砾石岸线、基岩岸线长度逐年递减并向内陆侵蚀; (4)珠海市高栏港区附近岸线变化最为剧烈, 实地调查发现该地区港口从2008年开始建设并逐年向外扩张, 至2015年扩张面积为27.65 km2, 平均扩张速率为3.4 km2/a。通过以上分析, 可以得出近10年珠海市海岸带海岸线变迁是海岸开发所引起的, 港口码头建设是人类开发海岸的主要方式。

海岸线; 珠海; 高分影像; 变迁分析; 蚀淤分析

人类不断开发海洋, 海陆相互作用逐渐加强, 海岸带的开发变得尤为活跃, 岸线变迁也变得剧烈且复杂。海岸线变迁蕴含着非常丰富的信息, 不仅反映出人类改造利用海岸的活动, 同时影响着海岸的生态环境和沿岸居民的生活发展。因此, 海岸线变迁的动态监测, 可为沿海地区的社会经济发展、生态自然保护、沿岸工程建设提供科学指导和决策作用。

珠海市位于广东省西南部, 是我国最早开放的4个经济特区之一, 是全国经济最发达的城市群所在区域, 也是珠江三角洲的交通要地。自改革开放以来, 珠海市成为我国重要的通商口岸和对外交往的前沿城市。然而, 由于人类的改造活动逐年增加, 近年来珠海市海岸带岸线不断向海推移, 对沿岸居民和生态环境造成很大影响, 故亟需明确珠海市岸线变迁情况。关于岸线变迁监测与分析, 国内外学者已进行了一些研究。在岸线提取方法上, 可归结为自动提取和人机交互提取两种。在自动提取研究中常用归一化水体指数NDWI及改进的归一化差异水体指数MNDWI作为水陆分割算子, 利用边缘检测提取水边线[1-5]; 还有学者以水陆在近红外波段不同的光谱响应为原理, 提出了基于遥感影像亚像元的岸线提取方法[6-7]; 后续发展中, 也有学者结合面向对象和岸线纹理或光谱特征进行岸线提取[8-10]。在人机交互提取岸线研究中, 国内外学者结合研究区实际情况, 给出了相应提取原则并进行了提取和分析[11-22]。在海岸线变迁研究方面,国内外科研人员在岸线提取的基础上, 结合岸线空间分布[23-25]、蚀淤情况[26-27]、驱动力[28-30]、变迁速率[30-34]等进行了不同地区典型岸段的演变分析。在上述研究中, 主要利用Landsat系列和HJ-1号等中低分辨率影像进行岸线信息提取, 缺乏高分辨率遥感影像数据的支持。此外, 国内外对珠海市海岸线变迁进行详细、具体的分析研究较少。

本文基于2005年、2010年和2015年覆盖珠海市的高分辨率遥感影像, 采用人机交互的方法, 结合实地调查资料, 建立适用于珠海市海岸带海岸线的分类体系并提取珠海市3期海岸线信息, 然后根据海岸线提取结果对珠海市海岸线变迁情况、变化速率和变迁原因进行分析。最后, 选取变化剧烈的典型岸段进行详细分析, 统计典型岸段岸线的进退情况。

1 研究区概况

珠海市位于中国广东省, 东望香港, 南连澳门, 西邻江门, 北接中山。地处21°48′~22°27′N、113°03′~ 114°03′E, 是珠三角海洋面积最大、岛屿最多(岛屿有146个, 集中于东部海域的万山群岛)和海岸线最长的城市。珠海西岸以人工岸线为主, 沿程多为港口码头和建设岸线, 间有沙滩及养殖区, 湾内多基岩、沙质、砾石3种岸线, 东部沿岸多为道路且自然海岸保有率相对较高, 自然景观优良。珠海地区被北东、北西向断裂切割成断块式隆升与沉降的地貌单元, 形成断块隆升山地与沉降平原。地形以丘陵为主, 陆内丘陵、山地和平原等为交错的水网分割。珠海属亚热带季风气候, 冬无严寒, 雨量充沛, 常受南亚热带季候风侵袭, 多雷雨, 年平均气温22.3℃, 年降雨量为1 770~2 300 mm。珠海市下辖香洲、金湾、斗门3个行政区, 设有横琴新区以及高新技术产业开发区、高栏港经济区、保税区、万山海洋试验开发区、富山工业园、航空产业园6个经济功能区。珠海市人口占全省常住人口总量的1.5%, 是广东省人口规模最小的地级市。研究区范围见图1。

2 数据及处理

2.1 数据基础

考虑到珠海市海岸线特点、数据的质量和可获取性, 本研究以5 a为间隔选择影像数据。共收集了覆盖珠海市海岸带的SPOT-5卫星影像3景, 航空DOM影像7景, 高分一号(GF-1)卫星影像4景。具体所选数据信息详见表1。

表1 影像信息统计

2.2 数据预处理

为保证数据的几何精度一致, 本文对影像数据进行了预处理。(1)坐标系转换, 用于分析的影像资料所采用的坐标系各有不同, 为了消除影像存在的坐标系统差异, 采用珠海市七参数模型把SPOT-5和GF-1影像坐标系统一至CGCS 2000坐标系; (2)影像配准, 收集的遥感影像因空间坐标系和校正精度不同, 需对其进行重新匹配, 以得到相同坐标系下的同名点匹配的3期遥感图像。以校正过的2010年航空DOM为基准影像, 配准SPOT-5和GF-1影像, 使3期图像在CGCS2000坐标系下, 保证任意2期图像上相同地物的准确匹配, 消除由分辨率差异以及坐标系转换造成的影像错位情况。

考虑研究区域情况, 本文校正方法采用二次多项式。为了保证海岸线信息提取的空间准确性, 配准时, 每景影像选取均匀分布的同名地物点15个, 精度检验点5个, 分布在影像边缘、海岬顶点处和海湾的凹形深处, 按照误差从大到小排序, 删除误差较大的匹配点, 调整到总的RMS值小于0.5个像素。最后应用精度检验点验证, 保证每幅影像配准精度优于0.5个像元。

3 海岸线信息提取

在海岸的发育过程中, 除了波浪作用外, 还受到潮汐、海流、地壳运动、地形、入海河流、海平面变化等诸多因素的影响。复杂的影响因素造就了复杂的海岸环境。因此, 到目前为止还没有公认的海岸类型划分系统, 海岸类型通常依据区域特点划分。

本研究在908专项“海岛海岸带卫星遥感调查技术规程”[35]海岸线分类体系基础上, 结合具有海岸带地物信息表现力较好的珠海市3个时相的遥感影像, 通过分析它们的色、形和位三方面的特征, 将珠海海岸线划分为人工岸线和自然岸线两个一级类。自然岸线又划分为基岩、砂质、砾石、淤泥质、河口和生物岸线6个二级类; 人工岸线类型以国家海洋局制定的海洋功能区类型[36]为标准, 参考珠海市海岸开发现状, 分为港口码头、建设、堤坝、养殖围堤、道路和闸6个二级分类(表2)。

表2 海岸线分类

4 海岸线时空变化分析

本文采用目视解译方式提取海岸线, 综合现场调查、海图及地形图对解译结果进行修正。海岸线信息提取结果见图2, 各类型海岸带海岸线统计结果见表3。

4.1 海岸线概况分析

数据表明, 2005~2015年珠海市海岸带岸线长度呈持续增长趋势。2005年岸线总长度为470.69 km, 至2010年海岸线增长了18.01 km, 年增长速率为3.6 km/a。到2015年, 海岸线总长度达到496.95 km, 较2010年增长8.25 km, 年增长速率约为2.06 km/a。具体长度变化如图3所示。

由表3可知, 近10年珠海市3期岸线中, 人工岸线占有较大比重并处于持续增长状态。2005年人工岸线长度为362.72 km, 所占总岸线的比重为77.14%, 经过5年开发建设, 到2010年人工岸线长度达到383.67 km, 比例上升至78.51%, 增长速度达4.19 km/a。到了2015年, 人工岸线长度达到402.93 km, 所占比重上升了2.57%, 增长速度达3.85 km/a; 与之相对应, 自然岸线则有一定程度的减少, 两个阶段的减少速度分别为0.72, 2.76 km/a, 减少速度逐年加快, 表明珠海市开发建设速度增加, 岸线类型也随之改变。同时, 这也表明人类活动对珠海市岸线的变迁影响最大。

表3 珠海市各时期各类型海岸带海岸线长度统计

4.2 二级类海岸线变迁分析

根据分类体系的二级分类标准, 对提取的珠海市3期岸线结果进行统计, 统计的自然岸线结果如图4和图5所示。

由图4可得知, 近10年珠海市自然岸线以基岩和砾石岸线为主, 但其长度变化处于持续缩减状态。2005~2015年基岩岸线长度分别为39.49, 35.52和35.52 km, 年平均减少速率为0.36 km/a。从变化幅度来看, 砾石岸线变化最大, 近10年砾石岸线长度为36.01, 31.19和22.19 km, 岸线长度减少了13.82 km, 年平均减少速率为1.26 km/a。其余自然岸线中, 砂质岸线长度变化趋势为先减少后增加, 其中岸线长度减少速率为0.39 km/a, 增长速率为0.1 km/a。2005~2015年生物岸线变化相对稳定, 到2015年岸线长度为11.50 km, 增加了0.32 km, 因自然作用导致生物岸线长度产生了波动。河口岸线和淤泥质岸线所占自然岸线长度比例较少, 但变化却较为激烈。2005~ 2010年间河口岸线处于剧烈增长状态, 以0.79 km/a速率增长到5.57 km, 因填海处河道开挖产生新的河流, 2010~2015年变化微弱, 岸线长度减少到4.35 km, 主由防洪堤坝建设导致部分后口岸线消失。在2005~2010年淤泥质岸线增长相对较剧烈, 岸线长度由1.07 km增长到4.13 km, 主要是部分废弃养殖区转化为淤泥质岸线, 2010~2015年岸线长度保持平稳, 总体年增长速率约为0.28 km/a。总体而言, 自然岸线的消失离不开人类的活动, 其中大部分消失的基岩和砾石岸线转化为了人工岸线, 部分砂质岸线的增长也是开发保护旅游资源的现状所致, 所以自然岸线的变化情况说明了近10年珠海市正不断开发建设海岸线。

如图5所示, 人工岸线中养殖围堤和港口码头变化最为剧烈, 其中养殖围堤岸线的急剧减少是发展了港口码头岸线的结果。20世纪70年代珠海市以水产养殖业为主, 人工岸线大部分为养殖围堤, 到了21世纪珠海市加快发展, 港口建设逐步增多, 养殖围堤逐步被开发为港口码头。近10年养殖围堤岸线岸线长度的减少速率为5.1 km/a, 港口码头岸线的增加速率为6.4 km/a, 至2015年, 养殖围堤和港口码头岸线分别达144.52 km和134.10 km。闸和建设岸线呈增长状态, 长度分别由2005年的0.9 km和32.72 km增长到2015年的2.13 km和52.85 km, 年平均增长速率分别约为0.12 km/a和2.01 km/a。道路岸线的变化呈波动状态, 2005年到2010年岸线长度减少了13.55 km, 平均年减少速率约为2.71 km/a, 减少原因为高栏港填海造地使得原有的跨海公路被围在岛内, 2010年至2015年略微上升, 增加了1.43 km。珠海市闸的长度基本保持一致, 同时堤坝岸线逐年递增, 增长速率为1.82 km/a。

5 海岸线变迁速率与典型岸段变迁分析

5.1 珠海市海岸线进退

根据提取的2005年、2010年和2015年3期岸线计算海岸线2005~2010年和2010~2015两期岸线进退情况, 具体如表4所示。

表4 2005~2015年岸线进退面积

珠海市海岸带岸线总体以向海扩张为主, 扩张了34.75 km2, 回退了0.98 km2, 其中2005~2010年向海扩张最为剧烈, 扩张面积达31.63 km2, 年均扩张面积为6.32 km2。扩张区域集中在高栏岛, 以建设港口码头用地为主, 而此间海岸线回退面积较小, 仅为0.21 km2。2010~2015年海岸线扩张放缓, 扩张面积为3.12 km2, 海岸线回退面积为0.77 km2, 具体海岸带海岸线进退如图6所示。

5.2 速率分析

运用端点变化率(End Point Rate, EPR)方法来反映海岸线的净变化特征, 计算方法为垂线和两期岸线的交点到基准线距离之差除以两期岸线间隔时间。以2005和2015两期的珠海海岸带岸线外接多边形向陆地纵深2 000 m的缓冲边界作为基线, 基线长419.1 km, 利用“DSAS”工具模块, 以1 000 m为间隔自西向东沿基线共生成417条断面, 对其进行编号(1~417), 利用断面进行计算, 计算结果根据区域分成1~68, 69~130, 131~352和353~417四个部分展示, 结果如图7。

2005~2015年, 断面1~断面68岸线变化速率不明显, 主要位于崖门水道沿岸, 沿程以养殖用地为主, 并未进行建设开发。断面69~断面96和断面111~断面130两处海岸线变化较为剧烈, 从影像上显示两处均位于高栏港区域并且该区域正在围海造地,进行港口码头等的海岸工程建设, 从而导致变化速率突增。断面131~断面352处在三灶岛区域, 该区域海岸线近10年变化较小, 变迁是以自然为主导。断面354~断面359变化速率突增, 位于淇澳岛附近, 原因为工程建设向海扩张, 而后沿程断面360~断面417海岸线变化速率不大。

5.3 典型岸段分析

从EPR分析中可得知, 变化最为激烈的区域为高栏港区域。该区属于珠海市高栏港经济区, 规划建设为中国现代化港口新区。高栏港具备良好的自然条件, 2003年开始围海造地, 高栏岛从西面开始工程建设, 珠海港西北方向滩涂区被围垦为养殖区。自2008年底, 珠海港高栏港区缘于政策机遇大力进行海岸港口建设, 整个高栏港有合围之势。近10年高栏港区海岸线长度统计结果如表5所示。

表5 不同时期高栏港区域海岸线长度

由表5可知, 高栏港区域海岸线变化较为复杂, 10年间海岸线变迁方向以向海扩张为主。自然岸线总长度减少了7 km, 部分自然岸线消失并转化成人工岸线, 其中消失最多的为砾石岸线。人工岸线扩张较大, 除道路和养殖围堤外都处于持续增长状态, 以港口码头岸线变化最为剧烈, 近10年增加了35.95 km。养殖围堤海岸线的减少和部分道路的消失都与填海造地有关, 原先海岸线被围起并填埋后形成新的海岸线, 同时海岸带面积急剧增加。经过计算, 10年间海岸线扩张面积为27.65 km2。扩张地区如图8所示。

6 结论

本文基于2005年、2010年和2015年覆盖珠海市的SPOT-5和GF-1和航空DOM等高分辨率遥感影像, 建立了适用于珠海市海岸带岸线的分类体系, 提取了珠海市3期海岸带岸线信息, 经变迁分析和冲淤分析, 结论如下: (1)珠海市海岸带岸线在2005~ 2010年增长剧烈, 增长速率为3.6 km/a。2010~ 2015年增长放缓, 总岸线长度增加了8.25 km, 增长速率为1.65 km/a。(2)珠海市海岸带岸线类型中, 人工岸线所占比例最高。至2015年, 人工岸线所占比例最大, 达81.08%, 岸线长度为402.93 km, 年增长速率为4.02 km/a, 其中增长最多的为港口码头岸线。随着人工岸线增长, 自然岸线则减少, 至2015年, 其岸线长度减少到94.02 km, 减少速率为1.39 km/a。(3)珠海市海岸带岸线以向海扩张为主。10年间, 海岸带面积增加了34.75 km2, 平均扩张速率为3.4 km2/a,总体表现为海岸工程建设, 围海造地。人为造地是海岸线变迁的主要驱动因素。(4)岸线变化最为典型区域为高栏港区, 其岸线变迁以向海扩张为主, 陆地面积增加了27.65 km2, 岸线变化的主因是港口码头建设。

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Remote sensing analyses of the spatial and temporal changes in Zhuhai shoreline

YANG Lei1, 2, SUN Wei-fu1, MA Yi1, 2, REN Guang-bo1

(1. First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China; 2. School of Geosciences, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

In this paper, a classification system for Zhuhai coastal shoreline was created to study the change in the coastal zones in Zhuhai based on high resolution remote sensing images obtained from the SPOT5, GF-1, and aerial DOM. The 3 phase information for 12 kinds of coastlines was extracted by human-computer interactions, and the length of the coastline and the erosion and deposition of the two aspects were analyzed in detail. The results were as follows: (1)The overall length of the coastline of Zhuhai city increased from 470.69 km to 496.95 km in 10 years, and the average annual growth was 2.38 km. (2)During the period of 2005—2015, the artificial shoreline had a larger proportion, and it underwent continuous development in the recent 10 years. The length of artificial shoreline increased to 40.21 km, whereas the length of natural shoreline reduced to 13.95 km. (2)The erosion area of Zhuhai is 0.98 km2, and the deposition area is 34.75 km2in these 10 years. The shorelines which expand to the sea are mainly in the port and construction areas. The length of the coastline including aquaculture ponds, gravel shorelines, and rock shorelines has decreased, and the migratory direction of these shorelines is mainly toward the inland. (4)The past 10 years have witnessed a severe change in the Gaolan Port. According to the fieldwork in the Gaolan Port, the port was constructed and expanded toward the sea in 2008.The expansion area reached 27.65 km2by 2015, and the average expansion rate was 3.4 km2/a. Port construction is the main expansion type in this area.Through the above analysis, it can be concluded that the coastline change of the coastal zone of Zhuhai in the recent is caused by coastal development.

shoreline; Zhuhai; high resolution images; change analysis; erosion and deposition analysis

P748

A

1000-3096(2017)02-0020-09

10.11759/hykx20160902001

2016-09-02;

2016-11-25

国家高分重大专项; 中央级公益性专项(2015T03)

杨雷(1991-), 男, 江苏徐州人, 硕士研究生, 主要从事海岸带遥感与测绘研究, 电话: 17864229390, E-mail: yanglei@fio.org.cn; 马毅(1973-), 通信作者, 男, 内蒙古锡盟人, 研究员, 主要从事海岛海岸带遥感与应用、湿地高光谱遥感研究, 电话: 0532-88967094, E-mail: mayimail@fio.org.cn.

Spe. 2, 2016

[National Major Projects of High Resolution; Basic Scientific Fund for National Public Research Institutes of China, No. 2015T03]

(本文编辑: 刘珊珊)