湄公河三角洲地区海岸线遥感时空变化分析

2020-03-09马字伟陈博伟毕京鹏罗正宇

桂林理工大学学报 2020年4期

马字伟,陈博伟,张丽,毕京鹏,罗正宇,袁鑫

(1.桂林理工大学 a.测绘地理信息学院; b.广西空间信息与测绘重点实验室, 广西桂林 541006;2.中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室, 北京 100094; 3.三亚中科遥感研究所，海南三亚 572029;4.生态环境部卫星环境应用中心, 北京 100094)

0 引言

海岸线处于海洋与陆地的交汇处,不仅是平均大潮高潮时的海陆分界线,还载负着丰富的环境信息,对海平面升降、新构造运动、沿海滩涂、湿地生态系统及近岸海洋环境等有着重要的指示意义[1]。受全球及海岸带区域环境过程与人类活动的综合影响,全球海岸线表现出受侵蚀加剧与向海剧烈扩张并存的特征[2-3]。全球范围内超过24%的海滩正以大于0.5 m/a的速度发生侵蚀,超过28%的沙滩在向海洋扩张,且海洋保护区的大部分砂质岸线正在受到侵蚀[4]。高效精确地进行岸线变化监测对于海洋资源管理、沿海陆地区域规划以及海洋资源可持续发展具有重要的意义。传统海岸线监测通常采用人工实地勘测,费时费力,且效率低下。遥感技术可通过对地观测卫星携带的各种传感器对地表景观进行快速准确地识别与监测。利用遥感技术对海岸线监测具有高效、费用低等特点。

湄公河三角洲地区作为东南亚的粮仓,跨越南、柬埔寨等国家,拥有近2 000万人口,是一个非常重要的农业和畜牧业综合地区。地理优势使得周边国家对三角洲地区的开发利用日益加剧,近年来,沿河流域国家对三角洲的过度开发严重破坏了湄公河三角洲生态的稳定性,关于三角洲岸线侵蚀已经成为热点研究问题。目前,对海岸线的变化监测主要利用多时相的遥感影像：彭远新等[5]选取1973—2017年6个时相的Landsat影像, 通过面向对象分类和人机交互目视解译法, 对莱州湾南岸中段的海岸线动态变化作了研究; 黎良财等[6]提取北部湾水边线后进行潮位改正，获取了多时序的海岸线, 并对各时期的海岸线时空分布、变迁速率进行分析, 探讨了海岸线动态变迁的驱动因素; Bagheri等[7]利用数字岸线分析系统对土耳其北部三角洲岸线进行了研究。针对湄公河三角洲地区,Kondolf等[8]研究了湄公河筑坝工程对湄公河三角洲地貌的影响;Erban等[9]利用测井以及干涉合成孔径雷达(InSAR)影像对地下水开采引起的湄公河三角洲地区地面沉降作了研究; Phan等[10]以1989年为时间节点研究了1965—2002年湄公河三角洲沿海红树林退化与岸线侵蚀情况，研究表明大片红树林可以削减海浪对海岸的冲击作用,在岸线保护中扮演着重要的角色。20世纪90年代初,由于建筑用材和取火用材,以及将林地转变为森林-水产-渔业耕作系统(silvo-aquaculture-fisheries farming systems,SAFS),红树林遭到严重破坏，Christensen等[11]对红树林恢复以及管理规划作了相关研究。总体而言,利用遥感技术系统性地针对于湄公河三角洲地区岸线侵蚀与扩张的研究仍然非常匮乏。

基于以上研究背景和相关国内外研究现状, 本文利用遥感技术获取了湄公河三角洲1990—2018年间的8期长时间序列岸线分布图, 并基于数字岸线分析系统(digital shoreline analysis system, DSAS), 针对三角洲地区的岸线时空分布特征以及海岸开发利用情况, 以越南行政省边界为区域划分依据，从岸线结构、岸线分形、岸线变化速率、陆海格局等角度出发, 对湄公河三角洲沿海地区分区域分析, 并探讨了湄公河三角洲岸线的时空变化特征。

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

湄公河三角洲地区具体位置如图1所示。湄公河发源于中国唐古拉山的东北坡,在中国境内叫澜沧江，流入中南半岛后的河段称为湄公河，流经中国、缅甸、老挝、泰国、柬埔寨和越南,于越南胡志明市流入南海。河流流经柬埔寨首都金边后分成两条河,在越南境内称为前江和后江,后江南部为金瓯半岛,半岛西侧海滩长满了热带特有的红树林。前江和后江之间是平坦肥沃的平原,河渠密如蜘网。前江西北为同塔梅平原。湄公河下游及其9条叉道流入南海时所形成的冲积平原,称为湄公河三角洲,这里聚集了越南南部60%～70%的农业人口,是著名的稻米生产地。湄公河三角洲因其得天独厚的地理位置以及肥沃的资源,使得三角洲流域居民加大了对三角洲地区的开发利用,如修筑堤坝、河床采砂、伐林养殖等。这些人为活动使得湄公河三角洲岸线逐渐受到侵蚀,加剧了三角洲的生态脆弱性。

图1 研究区示意图

1.2 数据源及预处理

本文数据源主要包括遥感数据和辅助数据, 其中遥感数据为Landsat TM/OLI(https://earthexplorer.usgs.gov/), 数据空间分辨率为30 m。根据湄公河地区潮汐特点, 选择受潮汐波动影响较小的时间段的影像进行岸线信息提取。因影像质量以及影像缺失,若某一期没有满足要求的影像时,则从该期前一年影像中选取合适的影像,最终下载满足要求的影像共计32景, 具体的影像信息。见表1。辅助数据主要包括越南行政区划图(global administrative areas,GADM), 数字高程模型(digital elevation model, DEM)和当地的社会人文资料等数据。

遥感数据的预处理主要在ENVI软件中进行。因研究区由四景影像覆盖,首先在ENVI 5.1 Toolbox

表1 Landsat数据

工具箱中加载下载处理好的遥感影像,采用图像无缝镶嵌工具Seamless Mosaic,通过调整影像叠置顺序来预览镶嵌效果,随后采用直方图匹配(histogram matching)方法进行匀色处理并采用自动绘制接边线(auto generate seamlines)方法消除拼接接缝；将研究区边界矢量在ENVI中将矢量文件转为ROI文件对遥感影像进行裁剪；最后对遥感影像进行几何精校正, 通过Google Earth上选取的控制点,最终实现校正误差控制在0.5像元内。

2 研究方法

技术流程如图2所示, 首先进行遥感影像的预处理; 之后根据有关文献资料和遥感影像特征建立岸线类型解译标志, 并在此基础上结合相关辅助数据通过人机交互, 判读获取8期岸线分布与类型信息; 基于DSAS系统进行岸线时空变化分析。其中岸线空间变化特征重点分析了岸线长度和类型的变化情况; 岸线时序变化特征主要包括岸线变化速率、分形特征及陆海格局。

2.1 岸线分类体系

海洋与陆地分界线具有瞬时性与动态性等特征, 实际应用中常采用指示海岸线, 主要包括平均高潮线、干湿分界线、植被线、杂物线等[12]。国际上,绘制地形图以及其他研究应用中多采用平均高潮线作为海陆边界指示线[3]。在国内,《海道测量规范》(GB 12327—1998)、《中国海图图式》(GB 12319—1998)和《国家基本比例尺地图图式第1部分： 1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图图式》(GB/T 20257.1—2007)等国家标准中将平均大潮高潮的痕迹线作为水陆分界线。结合众多学者对于海岸线的研究成果[13-17],本文也采用平均高潮线作为海陆分界指示线,对岸线位置及类型信息进行提取。不同地区地理环境存在差异,根据研究区地貌特征将岸线类型主要分为4种进行信息提取(表2)。结合建立的解译标志采取人机交互方法对海岸线信息进行提取,获取岸线的位置及类型信息。

图2 技术流程

2.2 岸线变化评价模型

2.2.1 岸线变化速率特征评价模型计算分析历史时期的岸线变化速率, 可以清晰地看到某一地区长时间序列范围内岸线时空变化特征, 以便明确识别岸线侵蚀段、岸线淤积段,这是研究岸线变化的可靠手段。在进行岸线变化速率特征评价时采用岸线终点变化速率(end point rate,EPR)进行评价分析。以多时相的海岸线数据为基准,在近海一侧,生成一条与海岸线形态结构拟合的基准岸线,根据研究区范围,在基准线上以500 m的采样间距生成1 139条断面线(transect),分别选取相邻的两期岸线,利用DSAS系统对1 139个断面线进行计算。岸线终点变化速率[18]

(1)

式中:Ei,j是两期岸线间沿某条切线t的岸线终点变化速率;Dj为沿切线t第j期海岸线到基线的距离;Di为沿切线t第i期海岸线到基线的距离; ΔYj,i为沿切线t第j期与第i期海岸线年份数的差值。

2.2.2 海岸线分形特征评价模型海岸线的分形特征是对海岸线的形态结构、弯曲程度等固有特征的反映,一般情况下,线状目标的分形维数在1～2,直线为1。计算线体的分维有两种方法:量规法和网格法[19]。网格法既可以分析连续的线体,也可以分析间断的线体;既可以分析单条线体,也可以分析多条线体。本文采用网格法实现8期海岸线分形维数的特征计算,算法的基本原理是:使用不同长度的正方形网格连续且不重叠的覆盖被测的线状信息,当网格长度r发生变化,则覆盖线状信息所需要的网格数N(r)也会发生变化,根据分形维数理论可得出关系

N(r)∝r-D,

(2)

对该式两边同取对数可得

lnN(r)=-Dlnr+C,

(3)

式中:C为待定常数;D为被测海岸线的分形维数。

根据研究区的范围,选取120、 150、 180、 210、 240、 270、 300、 330、 360、 390、 420和450 m共计12种网格长度指标作为覆盖海岸线网格的长度。通过网格长度r与网格数目N(r)可得出二者之间的双对数散点图, 根据式(3)利用最小二乘法进行线性回归分析, 得到海岸线分形维数。

2.2.3 陆海格局变化特征海岸侵蚀、河口淤积和围填海以及采砂筑坝等工程导致区域尺度海岸线的变化,进而引起宏观尺度陆海格局的变化。不同时期大陆海岸线位置变化可以揭示岸线变迁的方向特征;两期海岸线所包围的空间区域可以反映陆海变迁的规模特征;对比起、止两期的岸线空间位置可以反映陆进海退或陆退海进的变化特征;对比不同时期岸线类型属性,可以分析陆海格局变迁的驱动因素。

统计了越南沿岸7个行政区近30年间湄公河三角洲陆海分布格局的动态变化特征。以1990年海岸线长度为参考,用“陆地面积增长指数”表征单位长度岸线的陆地面积增长量,来分析不同地区海岸侵蚀与扩张的强度特征：

(4)

3 结果分析与讨论

3.1 湄公河三角洲地区岸线结构变化特征

湄公河三角洲1990—2018年海岸线长度的变化情况如图3所示。

图3 1990—2018年湄公河地区海岸线长度变化

整体上岸线总长度呈现先减少后增加的趋势, 其中2002年前后为海岸线长度变化的转折点。 1990—2002年岸线长度共计减小49.67 km, 减少幅度为 3.6%, 平均年变化速率为4.14 km/a。 2002—2018年岸线长度总体上呈增加趋势, 共计增加18.27 km, 增加幅度为1.4%, 平均年变化速率为1.14 km/a, 总体增加趋势比较平缓。值得注意的是, 1994—1998年岸线长度变化发生了一次短暂逆转, 由1994年的1 351.97 km增加到1998年的1 353.57 km, 共计增加1.6 km, 增加幅度为0.1%。

图4展示了1990—2018年湄公河三角洲海岸线类型变化情况, 4种岸线变化存在明显差异。人工岸线基本处于持续增长状态, 1990年人工岸线长度为53.19 km, 2018年人工岸线增长到142.95 km, 共计增长89.76 km, 增长幅度为168.75%。其中1994—1998年、 2006—2010年是人工岸线猛增的两个阶段, 2006—2010年岸线增长幅度最大, 增长幅度为128.78%; 其次为1994—1998年,增长幅度为41.80%，其主要的原因是金瓯半岛西侧海滩附近居民砍伐红树林、围塘养殖,使自然岸线向人工岸线发生了转变(图5)。

与此同时, 生物质岸线也呈现增长趋势, 1990—2018年共计增长35.98 km, 增长幅度为10.75%, 其中2002—2006年增长18.94 km, 增幅较来的长度且有所增长, 达到了374.43 km。长期以来越南的红树林受到水产养殖、伐木、海平面上升和筑坝造成的泥沙截留等综合因素的影响，渔业和水产养殖对当地经济至关重要,该国82%的海产品来自近岸地区,不受控制的水产养殖发展导致越南红树林面积的损失[20]。为回应红树林的损失,越南已实施多项修复及重建计划,如 “未来红树林”(MFF)项目等[21],恢复工作取得了不同程度的成功。大。但在2010年左右生物质岸线长度发生了巨大的变化, 2006—2010年, 生物质岸线长度由370.93 km骤减为327.56 km; 2010—2014年, 岸线又恢复到原淤泥质岸线则呈相反趋势——持续减少, 1990—2018年共计减少142.93 km，主要发生在1990—1994年、1998—2002年、2010—2014年3个阶段,依次减少28.82、36.59、51.81 km,其中2010—2014年减少幅度为12.29%,达到最大。2014—2018年淤泥质岸线长度基本保持不变。河口岸线从1990—2018年近30年间基本保持稳定。

图4 1990—2018年湄公河三角洲海岸线类型变化统计

图5 围塘养殖

3.2 湄公河三角洲地区岸线变化速率特征

图6为相邻两期以及1990—2018年的平均变化速率,其中红色区域为严重侵蚀区域,侵蚀速率最高可达到每年上百米左右;蓝色部分为岸线剧烈扩张区域,主要发生在河口位置;黄色位置为岸线无明显变化区域。

从图6和图7可以看出, 湄公河三角洲地区在近30年间整体上呈现岸线向海推进的态势。1990—2018年间湄公河三角洲海岸线向海以0.04 m/a的速率向海推进,其中1998—2002年岸线向海推进强度最大,达到7.38 m/a，其次是2014—2018年,岸线向海推进速率为3.43 m/a。如图8所示, 主要分布在越南(三角洲南部)的沿海省份如薄辽省、朔庄省和茶荣省以及入海口的位置。图7(其中生成的1 139条断面按省域划分)进一步展示了湄公河三角洲沿岸各省份海岸线终点变化速率强度的对比情况,薄辽省是整个湄公河三角洲地区岸线向海扩张强度最大的区域,主要发生在1990—2002年,其中1990—1994年扩张速率最大,达到了38.42 m/a。朔庄省和茶荣省沿海地区,岸线始终向海扩张,总体变化幅度不大。朔庄省沿海地区在1998—2002年和2014—2018年扩张速率达到了两个峰值,依次为22.83和32.48 m/a,其主要原因是河口位置泥沙淤积。

图6 湄公河三角洲海岸线终点变化速率的强度分布特征

图7 湄公河三角洲沿岸各省份海岸线终点变化速率强度对比

岸线侵蚀主要发生在2002—2014年,2010—2014年间岸线侵蚀强度最大,为6.76 m/a,其次为2002—2006年,岸线侵蚀速率为5.99 m/a; 2006—2010年,岸线侵蚀强度最小。岸线侵蚀主要分布在金瓯省沿海地区,除1998—2002年外,该地区岸线一直处于侵蚀态势,且主要集中在金瓯省南部地区。2002—2006年金瓯省侵蚀速率达到16.96 m/a,成为该阶段湄公河三角洲区域变化最剧烈的地区，主要是因为农业种植,水产养殖、城市化的发展,使该地区红树林大规模的砍伐。红树林有消浪减灾、保护岸堤、沉淤造陆的功能,对海岸带有极大的保护作用。因红树林被大面积的围塘养殖以及水稻种植所替代,海岸缺少天然的屏障保护,从而使得沿海岸堤受到严重的侵蚀。

3.3 湄公河三角洲地区海岸线分形特征分析

为进一步探讨湄公河三角洲地区海岸线的分形特征,图9为8期海岸线拟合得到的分形维数,分别为1.046 0、1.027 4、1.024 5、1.016 1、1.011 8、1.010 0、1.011 5、1.012 2,整体呈现先减小后增大的趋势,浮动范围在1.01～1.05。

1990—2010年整体海岸线的分形维数持续减小, 表示海岸线的整体复杂度和曲折度降低。 2010年以后, 岸线分形维数有所增长, 表示海岸线的整体复杂度和曲折度增加。金瓯省西侧海滩地区集中了较多的生物质岸线、淤泥质岸线, 如金瓯岬的红树林分布区域, 受人工干预和改造的可能性较大, 2011年以前,因对虾养殖, 红树林占地转化为养殖塘, 导致岸线规整化, 拐点减少; 2011年以后, 红树林自然恢复以及红树林人工种植等保护措施实行[22], 生物质岸线增加, 岸线曲折度与复杂度增加。因此研究区整体岸线的分形维数呈先降低后逐步上升的趋势,但变化幅度不大。

图8 河口淤积

图9 研究区海岸线拟合分形维数

3.4 湄公河三角洲地区陆海格局变化特征

如图10、 11所示, 湄公河三角洲近30年间陆海分布格局的变化特征比较复杂, 存在显著的陆进海退和陆退海进现象, 部分地区沿海陆地面积减少, 但整个三角洲沿海地区陆地面积显著增加,沿海陆地面积净增加约28.55 km2。

槟椥省地区是沿海陆地面积净增加最显著的区域,占整个三角洲面积净增量的71.66%;金瓯省地区是沿海陆地面积净减少最剧烈的区域,占整个三角洲面积净增量的-71.03%。朔庄省地区虽然面积净变化量在减少,但是程度不大,仅为-2.95 km2。陆地面积增长指数最高的区域是薄辽省地区,陆地面积增长指数为0.2 km2/km;金瓯省和朔庄省两个地区的陆地面积增长指数均为负值,意味着这两个区域的陆海格局变化特征为陆退海进。三角洲的西南地区属于易于压缩的沼泽和泥地,易发生沉降,且沉降率相对较高,超过1.5 cm/a[23],位于三角洲西南的金瓯省地区尤为明显。图12进一步展示了自1990年以来金瓯省南部地区岸线侵蚀情况,可以看出该地区近30年来岸线一直处于受侵蚀状态,其变化特征与本文的岸线变迁特征相吻合。