海岸線變化研究綜述

毋　亭，侯西勇1中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，煙臺(tái)　2640032中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100049

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海岸線變化研究綜述

毋亭1，2，侯西勇1，*
1中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所，煙臺(tái)264003
2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

摘要:受全球及海岸帶區(qū)域環(huán)境過(guò)程與人類(lèi)活動(dòng)的綜合影響，海岸線發(fā)生劇烈的變化，對(duì)生態(tài)、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的影響不容忽視，海岸線變化相關(guān)研究因此得到普遍的關(guān)注。在討論海岸線的定義和分類(lèi)的基礎(chǔ)上，介紹岸線信息提取的方法與技術(shù)，總結(jié)國(guó)內(nèi)外海岸線變化的特征、機(jī)制與影響方面研究的進(jìn)展，并指出未來(lái)研究的趨勢(shì)，包括:對(duì)海岸線變化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)仍將是普遍關(guān)注的研究重點(diǎn)之一;對(duì)海岸線變化特征、規(guī)律與機(jī)理的認(rèn)識(shí)已經(jīng)日益深化，基于大量高精度數(shù)據(jù)和機(jī)理模型的研究已成為熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題;針對(duì)不同的海岸帶區(qū)域，聚焦海岸線變化的原因和機(jī)制及其對(duì)環(huán)境和生態(tài)的影響，以及不同區(qū)域之間的相互聯(lián)系與影響特征，這將是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一;中國(guó)海岸線變化的獨(dú)特性、復(fù)雜性突出，促進(jìn)和支撐中國(guó)的海岸帶綜合管理實(shí)踐，提高決策者與管理者對(duì)岸線變化所帶來(lái)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重視，為中國(guó)海岸帶的科學(xué)規(guī)劃與發(fā)展提供依據(jù)，這應(yīng)該是我國(guó)海岸線變化研究的重要目標(biāo)。

關(guān)鍵詞:海岸線;遙感提取;精度控制;空間變化;驅(qū)動(dòng)因素

毋亭，侯西勇.海岸線變化研究綜述.生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，36(4):1170-1182.

Wu T，Hou X Y.Review of research on coastline changes.Acta Ecologica Sinica，2016，36(4):1170-1182.

海岸線具有獨(dú)特的地理、形態(tài)和動(dòng)態(tài)特征，是描述海陸分界的最重要的地理要素，是國(guó)際地理數(shù)據(jù)委員會(huì)(International Geographic Data Committee)認(rèn)定的27個(gè)地表要素之一［1］。在全球氣候變暖及海平面上升的背景下，全球超過(guò)一半的海灘遭受侵蝕而后退［2］。然而，20世紀(jì)以來(lái)，世界沿海國(guó)家經(jīng)濟(jì)重心向?yàn)I海地區(qū)轉(zhuǎn)移，全球已有超過(guò)一半的人口居住在離海岸線100km的范圍內(nèi)［3］，海岸帶成為人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最活躍、最集中的地區(qū)。日愈飽和與擁擠的生活與生產(chǎn)空間，迫使一些沿海國(guó)家、區(qū)域以圍填海形式向海洋要土地，使得部分區(qū)域海岸線一反全球海平面上升背景下的海岸侵蝕趨勢(shì)而大規(guī)模向海擴(kuò)張，海岸線正以遠(yuǎn)大于自然狀態(tài)下的速度與強(qiáng)度在改變。海岸線的劇烈變化，給世界各國(guó)沿海地區(qū)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、環(huán)境等方面的矛盾與難題。岸線侵蝕，海岸帶土地資源減少，土地承載力下降，海水入侵，淡水資源緊張;岸線固化，陸海間的水沙供給過(guò)程中斷，加劇海岸帶地面下沉、濕地退化以及風(fēng)暴潮災(zāi)害影響;人工岸線擴(kuò)張，侵占和破壞濕地資源，污染海岸帶環(huán)境，加劇富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到:海岸線的位置、走向和形態(tài)變化是全球及海岸帶環(huán)境過(guò)程、人類(lèi)活動(dòng)綜合作用的結(jié)果與反映，不僅體現(xiàn)海岸帶環(huán)境特征及演變態(tài)勢(shì)，也反映海岸帶經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境變化與政策導(dǎo)向之間的博弈關(guān)系，因此，海岸線動(dòng)態(tài)變化研究是海岸帶環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源開(kāi)發(fā)與管理等研究的基礎(chǔ)［4］，有助于加深對(duì)海岸帶環(huán)境與生態(tài)過(guò)程的理解，以及促進(jìn)海岸帶資源與環(huán)境的可持續(xù)管理與開(kāi)發(fā)。有鑒于此，本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外海岸線變化方面的研究進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)，以期指出這一問(wèn)題研究的現(xiàn)狀、特征和發(fā)展態(tài)勢(shì)。

1　海岸線的定義、空間位置與分類(lèi)

1.1海岸線的定義與空間位置確定

海岸線被定義為陸地表面與海洋表面的交界線［5］。理想情況下，研究與管理中所涉及到的海岸線應(yīng)該與實(shí)際水陸邊界線一致，但因?yàn)橹芷谛缘某毕c不定期風(fēng)暴潮的影響，水陸邊界線具有瞬時(shí)性，且一直處于擺動(dòng)狀態(tài)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用較為固定的線要素代替水陸邊界線指示海岸線的位置，稱為指示岸線或代理岸線。指示岸線分為兩大類(lèi):目視可辨識(shí)線，即肉眼可分辨的線要素，如，干濕分界線、植被分界線、雜物堆積線、硝壁基底線、侵蝕陡崖基底線、大潮高潮線等;基于潮汐數(shù)據(jù)的指示岸線，即海岸帶垂直剖面與利用實(shí)測(cè)潮汐數(shù)據(jù)計(jì)算的某一海平面的交線，如，平均高潮線為多年潮汐數(shù)據(jù)計(jì)算的平均大潮高潮面與海岸帶垂直剖面的交線，平均海平面線為多年潮汐數(shù)據(jù)計(jì)算的平均海平面與海岸帶垂直剖面的交線等。較常見(jiàn)的指示岸線如表1和圖1所示。

表1　常見(jiàn)指示岸線的定義Table1　The definition of some common shoreline indicators

圖1　常見(jiàn)指示岸線空間位置的剖面圖Fig.1Profile map of the spatial location of some common shoreline indicators

指示岸線的具體選擇需要根據(jù)特定的研究背景、研究區(qū)的海岸特點(diǎn)和研究區(qū)域的可利用數(shù)據(jù)信息而定。通常認(rèn)為大潮高潮線是海水與陸地的分界線，地形圖中的岸線多數(shù)是指大潮高潮線，但在遙感影像及野外現(xiàn)場(chǎng)，大潮高潮線往往并不直接可見(jiàn)?？杀孀R(shí)岸線中，除人工岸線外，其余岸線均是在大潮高潮的長(zhǎng)期淹沒(méi)、沖刷、搬運(yùn)等作用下形成，很好地指示了大潮高潮線的位置，因此，在岸線變化的時(shí)空特征研究與陸地制圖中，常選擇這些岸線代替大潮高潮線進(jìn)行說(shuō)明。平均高潮線是多年高潮線的平均值，但在溫和氣候下，以制圖為目的輸出的高潮線與平均高潮線的差距是非常小的［6］，因此，一些研究中選擇平均大潮高潮線代替大潮高潮線?；诔毕珨?shù)據(jù)的指示岸線，暗含了海水侵蝕與淹沒(méi)海岸的距離，因此，常被用于海岸帶的管理、規(guī)劃與災(zāi)害預(yù)防等行政領(lǐng)域。如，在新西蘭，平均大潮高潮線是法定的規(guī)劃分界線。

1.2海岸線的分類(lèi)

岸線的分類(lèi)體系較為多樣化。孫曉宇等根據(jù)是否被人類(lèi)利用將環(huán)渤海地區(qū)的岸線分為自然岸線與人工岸線兩大類(lèi)［7］;姚曉靜等根據(jù)海岸的物質(zhì)組成將海南島的自然岸線分為河口、基巖岸線、砂礫質(zhì)岸線、生物岸線，以及將人工岸線分為建設(shè)圍堤、碼頭岸線、農(nóng)田圍堤、養(yǎng)殖圍堤［8］;武芳等根據(jù)海岸的形態(tài)、物質(zhì)構(gòu)成及人類(lèi)干擾程度將遼東灣東岸岸線分為人工岸線、基巖岸線、砂質(zhì)岸線、已開(kāi)發(fā)的淤泥質(zhì)岸線、未開(kāi)發(fā)的淤泥質(zhì)岸線和河口岸線［9］;孫偉富等將岸線分為基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線、生物岸線和人工岸線;高義等將中國(guó)大陸自然岸線分為基巖岸線、淤泥質(zhì)岸線和砂質(zhì)岸線［10］。綜合眾多研究，海岸線可按人類(lèi)利用情況分為自然岸線與人工岸線2個(gè)一級(jí)類(lèi);按照海岸的物質(zhì)組成，又可將自然岸線劃分為基巖岸線、砂礫質(zhì)岸線、淤泥質(zhì)岸線、生物岸線等二級(jí)類(lèi);而人工岸線則可根據(jù)用途差異分為丁壩與突堤、港口碼頭、養(yǎng)殖與鹽田圍堤、交通圍堤、防潮堤等。

2　海岸線信息提取的方法與技術(shù)

海岸線信息提取是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界海陸分界線的概括過(guò)程，最終呈現(xiàn)的線要素模型是現(xiàn)實(shí)世界海陸分界線上具有代表性的特征點(diǎn)的集合。提取過(guò)程主要涉及數(shù)據(jù)源選取、提取的方法與技術(shù)、數(shù)據(jù)精度控制等問(wèn)題。

2.1主要數(shù)據(jù)源

1927年以前，航空攝影測(cè)量技術(shù)尚未出現(xiàn)，海岸線信息主要來(lái)源于歷史文獻(xiàn)與地圖資料(如，歷史地質(zhì)地貌、專題地圖)［11］、18世紀(jì)的地形圖(如，美國(guó)地形圖(Topographic sheet)［12］、英國(guó)地形測(cè)量圖(Ordnance Survey maps))等。此類(lèi)數(shù)據(jù)源通常地域性比較強(qiáng)，所能覆蓋的空間范圍有限。

1927—1980年，航空攝影測(cè)量技術(shù)問(wèn)世并逐漸成熟，各種航空攝影測(cè)量像片［13］成為岸線信息獲取的重要來(lái)源。航空像片覆蓋范圍較廣，但成本高、時(shí)間覆蓋率低，仍然具有很強(qiáng)的地域性。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，美國(guó)陸地衛(wèi)星發(fā)射升空，遙感影像數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣、重復(fù)周期短、獲取成本低、空間分辨率高，成為岸線等研究的首選數(shù)據(jù)源。應(yīng)用最普遍的是Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)［14］，以及QuickBird、IKONOS、SPOT、HJ-CCD、CBERS、IRS、Radarsat等衛(wèi)星影像。此外，遙感衛(wèi)星的相關(guān)產(chǎn)品及衍生數(shù)據(jù)，如，GPS坐標(biāo)、海深、氣候氣象等也常被用作岸線研究的補(bǔ)充與輔助數(shù)據(jù)。

90年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的數(shù)碼影像系統(tǒng)技術(shù)，利用若干固定位置的攝像機(jī)按照一定的時(shí)間間隔曝光獲取海岸影像，可監(jiān)測(cè)岸線的連續(xù)變化，但僅限于特定的離散點(diǎn)，適用空間尺度小。

同樣在90年代出現(xiàn)的激光雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，能在很短的時(shí)間內(nèi)獲取較大范圍區(qū)域的地面信息，因此，在海岸線研究中的應(yīng)用發(fā)展較快。按照承載雷達(dá)的工具可分為航天合成孔徑雷達(dá)、航空激光雷達(dá)［11］、船載雷達(dá)［15］、車(chē)載雷達(dá)等。但雷達(dá)數(shù)據(jù)的獲取成本仍然較高，在岸線研究中的應(yīng)用仍局限于較小的空間尺度。

2.2海岸線提取的方法與技術(shù)

海岸線的提取包括幾何位置繪制與類(lèi)型識(shí)別等。岸線類(lèi)型識(shí)別主要靠人工判讀。岸線幾何位置的提取，根據(jù)繪制過(guò)程中是否需要人工輔助或手動(dòng)修改分為自動(dòng)、半自動(dòng)與目視解譯三種技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在統(tǒng)一海岸線標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合考慮各種岸線提取精度的影響因素，結(jié)合多源數(shù)據(jù)匹配組合的特征，運(yùn)用地學(xué)相關(guān)知識(shí)，選擇合適的方法高效、準(zhǔn)確的提取海岸線。

2.2.1海岸線的自動(dòng)提取

海岸線的自動(dòng)提取主要依賴于雷達(dá)探測(cè)的DEM高程數(shù)據(jù)，即，提取海岸帶地形剖面與海岸線高程面的交線。海岸線高程面可以是:1)驗(yàn)潮站長(zhǎng)期觀測(cè)資料計(jì)算的平均高潮面或平均海平面;2)沒(méi)有驗(yàn)潮站資料時(shí)可現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量多個(gè)岸線點(diǎn)的高程然后取平均高程面;3)在沒(méi)有驗(yàn)潮站觀測(cè)資料同時(shí)又無(wú)法實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，可在DEM數(shù)據(jù)或遙感影像解譯標(biāo)志明顯的區(qū)域判繪多個(gè)岸線點(diǎn)，然后取平均高程面［16］。后兩種獲取高程面的方法假定區(qū)域內(nèi)岸線的高程面一致，只適用于地形起伏與空間差異可以忽略的較小空間區(qū)域的岸線提取。位置確定后，結(jié)合遙感影像各類(lèi)型海岸的解譯標(biāo)志或?qū)嵉亟?jīng)驗(yàn)，判斷岸線的類(lèi)型。

2.2.2海岸線的半自動(dòng)提取

借助ERDASENVIPCI等遙感圖像處理軟件的數(shù)字圖像處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)岸線的半自動(dòng)化提取，如圖2所示。

圖2　岸線半自動(dòng)提取技術(shù)流程Fig.2Technical process of semi-automatic extraction of shoreline

對(duì)于單波段影像(LIDAR、SAR、航空像片、Landsata ETM+全色波段、Landsat-SPOT等的可見(jiàn)光多光譜的單波段等)，可通過(guò)3條技術(shù)流提取岸線:通過(guò)濾波、去噪等邊緣增強(qiáng)最大化岸線與背景地物的輻射對(duì)比度，設(shè)定閾值將圖像二值化以提取岸線;利用邊緣檢測(cè)算法，檢測(cè)灰度梯度突變的邊緣點(diǎn)，然后連接提取岸線;運(yùn)用模糊聚類(lèi)、修正模糊聚類(lèi)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)、馬爾科夫分類(lèi)、面向?qū)ο蟮确诸?lèi)方法區(qū)分陸地與海洋像元并將同類(lèi)鄰近像元合并斑塊化，利用輪廓邊界跟蹤技術(shù)提取岸線。

對(duì)于多光譜影像，可通過(guò)I=aR+bG+cB關(guān)系，將彩色圖像轉(zhuǎn)化為單波段形式的灰度圖像，利用基于灰度圖像的岸線提取技術(shù)提取岸線;或者構(gòu)建歸一化植被指數(shù)(NDVI)、歸一化水體指數(shù)(NDWI)［17］，識(shí)別陸地與海洋斑塊，利用輪廓邊界跟蹤技術(shù)提取岸線。

對(duì)于數(shù)碼彩色影像(Video Image)，可將其“紅-綠-藍(lán)(Red-Green-Blue，RGB)”空間轉(zhuǎn)換為“色調(diào)-飽和度-亮度(Hue-Saturation-Value，HSV)”空間，利用水體與陸地“色調(diào)-飽和度”或亮度差異，識(shí)別陸地與海洋單元，實(shí)現(xiàn)海陸分離和海岸線提取［18］。

利用數(shù)字圖像處理技術(shù)提取岸線，存在2個(gè)問(wèn)題:1)在圖像噪聲及分辨率因素的影響下，獲取的岸線的連續(xù)性和準(zhǔn)確性存在一定問(wèn)題，提取結(jié)果需要人工輔助修測(cè);2)提取結(jié)果均為影像獲取時(shí)間的瞬時(shí)水邊線，必須經(jīng)過(guò)潮位校正后方能作為海岸線。潮位校正一般根據(jù)衛(wèi)星成像時(shí)刻的潮位高度、平均大潮高潮位的潮水高度以及海岸坡度等信息，計(jì)算水邊線至高潮線的水平距離，從而確定海岸線的位置。

2.2.3海岸線的目視解譯

多光譜遙感影像呈現(xiàn)的各類(lèi)岸線的典型而豐富的光譜特征，使得岸線的目視解譯成為可能。具體而言，可結(jié)合各類(lèi)型岸線的地學(xué)特征、光學(xué)特征，總結(jié)形成岸線解譯標(biāo)志，并通過(guò)野外驗(yàn)證與修正，建立多光譜遙感影像上各類(lèi)岸線的解譯標(biāo)志與判繪原則，利用多光譜遙感影像識(shí)別海岸線的類(lèi)型，判繪岸線位置［19］。

基巖岸線在標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成的彩色影像上，海水區(qū)域呈深藍(lán)色，而陸地因?yàn)閹r石或植被輻射作用，呈亮白色或紅色，顏色差異較大，可直接提取水陸邊界線作為海岸線。

砂礫質(zhì)岸線在標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像上呈亮白色，而海岸線以下海灘因?yàn)樗拈g歇或經(jīng)常淹沒(méi)作用較為濕潤(rùn)，在影像上則較暗，因此，砂礫質(zhì)海灘岸線的影像解譯位置一般選擇在亮白色向暗色轉(zhuǎn)折的分界線上，且偏向于亮白色區(qū)域。

淤泥質(zhì)岸線淤泥質(zhì)海岸向陸一側(cè)一般植被生長(zhǎng)茂盛，在標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像上呈紅色或暗紅色，向海一側(cè)植被較為稀疏或沒(méi)有植被，則呈淺紅色或灰色，因此岸線的遙感解譯位置取紅色明顯變淡或變?yōu)榛疑霓D(zhuǎn)折處。

人工岸線一般比較平直并因而在影像上易于辨識(shí)，丁壩和突堤一般直接沿其中心線提取，其余人工岸線一般取人工構(gòu)筑物向海一側(cè)的水陸邊界線作為海岸線。

2.3岸線信息質(zhì)量控制

岸線數(shù)據(jù)集一般是基于某一特定時(shí)刻的靜態(tài)影像所提取，因此，它只能代表特定定義與特定時(shí)間或時(shí)段的陸海分界線，而且，岸線數(shù)據(jù)的提取受人為主觀影響較大，因此，提取結(jié)果必然與實(shí)際陸海分界線存在差異。對(duì)提取的岸線數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析和精度控制，判斷并保證其能達(dá)到某一特定應(yīng)用或需求，是岸線相關(guān)研究中非常必要和重要的過(guò)程?；镜乃悸肥怯?jì)算提取的岸線與真實(shí)岸線之間的位置差異并判斷其是否在應(yīng)用或用戶的可接受范圍內(nèi)，若不在，則采取相應(yīng)措施予以改進(jìn)。獲得數(shù)字格式的“真實(shí)岸線”是不可能的，所以在實(shí)際的岸線質(zhì)量控制過(guò)程中，一般是將已知具有較高精度的岸線作為真值參與比較。

2.3.1岸線質(zhì)量評(píng)估

岸線質(zhì)量評(píng)估的方法可分為基于特征點(diǎn)評(píng)估、推論評(píng)估、基于線評(píng)估。

基于線評(píng)估美國(guó)國(guó)家圖像與地圖局(National Imagery and Mapping Agency，NIMA)2000年白皮書(shū)中提出了針對(duì)線性要素的質(zhì)量評(píng)估方法?；舅枷霝樵u(píng)估代表同一地球表面要素的兩條線數(shù)據(jù)的相似性，度量方法包括地圖概括因子、失真因子、偏離因子、模糊因子。四者分別描述線要素的不同特征，同時(shí)，又具有能夠表現(xiàn)誤差的空間分布形式的能力。1)地圖概括因子:待評(píng)估岸線與已知具有較高精度岸線長(zhǎng)度之比，反映待評(píng)估岸線與較高精度岸線所能呈現(xiàn)的細(xì)節(jié)相似度，值越接近1，待評(píng)估岸線越接近較高精度岸線;2)失真因子:將待評(píng)估岸線與較高精度岸線數(shù)據(jù)同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化并平均分割，依照同一方向?yàn)閮蓷l岸線的分割點(diǎn)編號(hào)，計(jì)算兩條岸線上所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)的平均距離反映兩岸線對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的差異，值越大，待評(píng)估岸線相對(duì)于較高精度岸線的變形越大;3)偏離因子:待評(píng)估岸線落于較高精度岸線右邊的弧段與左邊弧段長(zhǎng)度比，反映待評(píng)估岸線相對(duì)于較高精度岸線的擺動(dòng)情況，值越大，待評(píng)估岸線相對(duì)于較高精度岸線的擺動(dòng)越不規(guī)則;4)模糊因子:計(jì)算兩條岸線兩對(duì)端點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)距離，取較大值作為半徑，以4個(gè)端點(diǎn)為圓心分別做圓，兩對(duì)端點(diǎn)的圓對(duì)應(yīng)相交，求相交面積較大者與整圓面積的比值，反映待評(píng)估岸線的端點(diǎn)相對(duì)于較高精度岸線的偏移情況，值越接近1，待評(píng)估岸線的端點(diǎn)越接近較高精度岸線的端點(diǎn)。

基于特征點(diǎn)評(píng)估選擇已知誤差且精度較高的數(shù)據(jù)集作為參照對(duì)象，如，GPS野外采樣點(diǎn)、由更高空間分辨率的影像提取的岸線點(diǎn)等，比較參照數(shù)據(jù)集與待評(píng)估數(shù)據(jù)集中對(duì)應(yīng)岸線特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)，按公式計(jì)算均方根誤差(RMSE)［20］，或計(jì)算較高精度岸線數(shù)據(jù)集中的岸線點(diǎn)至待評(píng)估岸線的垂直距離，然后按公式計(jì)算中誤差［16］:

式中，RMSE(均方根誤差)為誤差統(tǒng)計(jì)量，(XTj，YTj)為實(shí)地控制點(diǎn)坐標(biāo)，(Xtj，Ytj)為實(shí)地控制點(diǎn)在岸線數(shù)據(jù)圖形上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)，RMS為中誤差，D為較高精度岸線數(shù)據(jù)集中的岸線特征點(diǎn)至待評(píng)估岸線的垂直距離。

推論評(píng)估當(dāng)用戶因?yàn)闆](méi)有足夠的資金與時(shí)間支持而無(wú)法獲得有效數(shù)量的高精度特征控制點(diǎn)或岸線數(shù)據(jù)時(shí)，岸線的質(zhì)量評(píng)估可采用推論評(píng)估法。該方法認(rèn)為數(shù)據(jù)源誤差、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理過(guò)程中產(chǎn)生的誤差會(huì)積累并傳播至最終的岸線數(shù)據(jù)，一般是分析并推算岸線提取過(guò)程中所有潛在的可能誤差項(xiàng)，并按公式(3)計(jì)算綜合誤差，該方法又可稱為多誤差綜合法［20］:

式中，U表示綜合誤差，Er為校正誤差，Ed為數(shù)字化誤差，Ep為像元誤差，Etd為潮差誤差，Es為季節(jié)誤差。具體計(jì)算時(shí)，可視具體情況添加或刪除某些誤差項(xiàng)。

2.3.2岸線質(zhì)量判斷

對(duì)于空間數(shù)據(jù)的水平精度，不同組織或個(gè)人根據(jù)應(yīng)用需要，在不同空間尺度上定義了質(zhì)量判斷標(biāo)準(zhǔn)，其中，可用于岸線質(zhì)量判斷的分別如下:

1)美國(guó)國(guó)家地圖精度標(biāo)準(zhǔn)(National Map Accuracy Standard，NMAS)指出，當(dāng)制圖比例尺大于1∶2萬(wàn)時(shí)，90%的特征點(diǎn)應(yīng)落在制圖比例尺下真實(shí)值的1/30英寸范圍內(nèi);美國(guó)聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會(huì)(Federal Geographic Data Committee，F(xiàn)GDC)則指出，當(dāng)有20個(gè)控制特征點(diǎn)時(shí)，95%置信水平要求只能有一個(gè)點(diǎn)落在所設(shè)定的誤差范圍外;連同美國(guó)攝影測(cè)量與遙感(American Society Photogrammetry and Remote Sensing，ASPRS)，3個(gè)機(jī)構(gòu)均要求當(dāng)制圖比例尺大于1∶2萬(wàn)時(shí)，用于比較的特征點(diǎn)數(shù)量不能小于20個(gè)，且所有特征點(diǎn)必須均勻分布以使其能反映研究區(qū)域的地理特征及數(shù)據(jù)集中的誤差分布。金永福等利用GPS實(shí)測(cè)了1083個(gè)上海的岸線點(diǎn)，將其與Google Earth(空間分辨率0.6—1 m)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)90%以上的點(diǎn)偏移距離小于5 m，最大偏移小于10 m，滿足1∶2萬(wàn)的制圖精度要求［21］。

2)美國(guó)海岸和大地測(cè)量局(U.S.Coast and Geodetic Survey)第49號(hào)攝影測(cè)量與制圖指南中要求，在基于地圖資料提取海岸線時(shí)，岸線定位誤差不應(yīng)超過(guò)一定制圖比例尺下地圖距離的0.5 mm［6］，例如，對(duì)于比例尺為1∶5萬(wàn)、1∶10萬(wàn)和1∶25萬(wàn)的地圖，岸線定位誤差應(yīng)分別小于25、50、125 m。劉善偉等利用GPS采集青島市261個(gè)岸線點(diǎn)，計(jì)算這些岸線點(diǎn)到由SPOT影像提取的岸線的距離的中誤差，結(jié)果優(yōu)于5 m，由此判斷SPOT遙感影像提取的岸線滿足1∶1萬(wàn)比例尺的制圖精度要求［16］。

3)在岸線變化的相關(guān)研究中，岸線的誤差要求小于岸線的變化值，否則，岸線變化的分析將不可靠。例如，Bradley M.Romine等2009年運(yùn)用推論評(píng)估法計(jì)算岸線誤差，并比較由岸線誤差計(jì)算的速率誤差與變化速率的大小關(guān)系，判斷夏威夷歐胡島東南海岸線變化速率的可靠性、統(tǒng)計(jì)顯著性及合理性［22］。

3　海岸線變化特征、機(jī)制與影響研究

3.1海岸線變化特征的分析方法與技術(shù)

海岸線變化特征包括長(zhǎng)度消長(zhǎng)、形態(tài)演化、位置變遷、利用類(lèi)型轉(zhuǎn)移、岸線所圍陸?？臻g更替等。在對(duì)海岸線變化進(jìn)行分析時(shí)，可定性分析，或憑借一些簡(jiǎn)單的基本統(tǒng)計(jì)量定量分析，如，利用長(zhǎng)度值、海陸域面積、分形維、變化速率等分析岸線長(zhǎng)度、形態(tài)、位置的時(shí)空變化特征。Bradley M.Romine等人，通過(guò)計(jì)算岸線變化速率，對(duì)夏威夷群島的考艾島、歐胡島、毛伊島的岸線位置變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析［23］;孫曉宇等人從岸線長(zhǎng)度、海陸域面積變化等方面分析渤海灣地區(qū)岸線的時(shí)空變遷特征［7］;徐進(jìn)勇等人從岸線變化強(qiáng)度及分形維數(shù)變化為切入點(diǎn)，分析中國(guó)北方岸線長(zhǎng)度及形態(tài)的時(shí)空變化特征［24］。

岸線位置變化的分析在岸線變化研究中占據(jù)重要地位，主要研究方法分為定性和定量?jī)煞N。定性分析主要通過(guò)地圖疊加分析對(duì)岸線位置變化形成基本的了解和定性認(rèn)識(shí)。定量分析則通過(guò)數(shù)值統(tǒng)計(jì)量，如，面積、速率等對(duì)岸線位置變化進(jìn)行量化，其中，基于剖面的位置變化速率方法可同時(shí)在多層空間尺度上進(jìn)行，對(duì)岸線變化特征的刻畫(huà)因此更為深刻與全面，該方法自提出至今，其具體的速率計(jì)算方法一直在不斷被改進(jìn)，已從最初簡(jiǎn)單的端點(diǎn)速率、平均速率發(fā)展到較為復(fù)雜的線性回歸與加權(quán)線性回歸速率，近年來(lái)又出現(xiàn)了能夠描述海岸線非線性變化與空間相關(guān)性的速率模型。更復(fù)雜的方法不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，方法的嘗試、檢驗(yàn)與多種方法的優(yōu)劣比較、適用條件的討論也因此成為很多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)［25］。根據(jù)速率的計(jì)算方法，定量分析方法又可分為簡(jiǎn)單模型分析與復(fù)雜模型分析。

3.1.1地圖疊加分析

即將不同時(shí)期岸線圖層疊加，利用視覺(jué)感觀定性分析岸線位置變化的時(shí)空特征［26-27］。這種方法比較簡(jiǎn)單，但分析過(guò)程主觀，分析結(jié)果粗糙，不能進(jìn)行時(shí)間或空間的比較，無(wú)法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分析。

3.1.2簡(jiǎn)單模型分析

此類(lèi)方法認(rèn)為岸線位置變化過(guò)程是單調(diào)線性的，即中間沒(méi)有波動(dòng)。距離和速率的計(jì)算方法主要有4種:

1)多重緩沖區(qū)法［28］構(gòu)建原始岸線不同半徑的緩沖區(qū)，計(jì)算岸線落入不同緩沖區(qū)的長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的百分比。對(duì)于既定的一個(gè)百分比序列，如5%、10%、15%..95%，存在與序列中每個(gè)值相對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)的寬度，這些緩沖區(qū)寬度構(gòu)成一個(gè)服從高斯分布的序列，根據(jù)高斯分布的概率及非線性最小二乘法求得這個(gè)序列的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差，即岸線的變化距離及變化距離的置信區(qū)間。該方法不涉及尺度效應(yīng)、岸線長(zhǎng)度及復(fù)雜性影響，更重要的是具有統(tǒng)計(jì)精確性［29］，但它假設(shè)岸線只在水平方向上移動(dòng)，沒(méi)有考慮方向性［30］。

2)動(dòng)態(tài)分割法［31］在不打斷實(shí)際岸線的基礎(chǔ)上，根據(jù)地域特征在岸線屬性發(fā)生變化的位置進(jìn)行分割，計(jì)算基線與岸線上對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)點(diǎn)間的平均距離。該方法保持了岸線同其它空間要素的拓?fù)潢P(guān)系，但當(dāng)岸線較長(zhǎng)且較復(fù)雜時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不合理值［29］。

3)基于點(diǎn)的計(jì)算將較早時(shí)相的岸線多邊形化，將較新時(shí)相岸線分割為點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算點(diǎn)至多邊形的最短距離，除以兩時(shí)相的時(shí)間間隔即得岸線變化速率［32］。

4)基于剖面的計(jì)算以平行于所有歷史岸線基本走向的線要素為基準(zhǔn)線，構(gòu)建垂直于基線并與所有岸線相交的剖面，基于剖面計(jì)算岸線變化速率。剖面與岸線的交點(diǎn)構(gòu)成岸線位置的時(shí)間序列，對(duì)此時(shí)間序列進(jìn)行擬合求速率的模型有:端點(diǎn)速率［33］、平均速率［34］、最小二乘法線性擬合［35］、交叉驗(yàn)證法［36］、加權(quán)線性回歸法［37］、再加權(quán)最小二乘法［37］、絕對(duì)值最小法［37］等。

3.1.3復(fù)雜模型分析

認(rèn)為岸線變化過(guò)程是非單調(diào)線性的，變化速率也不再是常數(shù)，而是隨時(shí)間變化。計(jì)算方法仍是基于剖面對(duì)岸線位置的時(shí)間序列進(jìn)行擬合，但不同于簡(jiǎn)單模型階段的線性模型，其擬合模型為復(fù)雜的多項(xiàng)式模型，圖形顯示為曲線。曲線的波峰或波谷所在時(shí)間點(diǎn)為海岸線運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生變化的時(shí)間拐點(diǎn)，曲線的凹口方向決定海岸線變化的方向及速度的變化。擬合時(shí)多項(xiàng)式的次數(shù)不由用戶決定，而是由岸線數(shù)據(jù)的精度、樣本量等本身固有特征而定。岸線數(shù)據(jù)的誤差越大、樣本量越多，多項(xiàng)式的次數(shù)將越高，模型匹配度與復(fù)雜性也隨之增加。因此，選擇模型之前首先要構(gòu)建統(tǒng)計(jì)量，通常稱為信息標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，該統(tǒng)計(jì)量的值隨模型匹配度的增加而減小，隨模型復(fù)雜性的增加而增加，統(tǒng)計(jì)量的值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的模型為最優(yōu)模型，此時(shí)，擬合模型最精簡(jiǎn)同時(shí)匹配度最高［38］。

美國(guó)聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局所實(shí)施的“國(guó)家海岸線評(píng)估項(xiàng)目(U.S.Geological Survey National Shoreline Assessment Project)”提出岸線位置相關(guān)性概念，認(rèn)為某單個(gè)剖面上岸線的位置變化并非獨(dú)立事件，而是受相鄰剖面同時(shí)相岸線位置的牽制，即相鄰剖面岸線位置變化具有空間相關(guān)性。因此，同時(shí)考慮岸線的相關(guān)性及波動(dòng)性，擬合模型也就變得更加復(fù)雜，目前已有的計(jì)算方法仍在嘗試階段，還未被廣泛應(yīng)用與了解。選擇標(biāo)準(zhǔn)仍然是滿足擬合模型最精簡(jiǎn)且匹配度最高，但模型不再是傳統(tǒng)的多項(xiàng)式模型，而是能表達(dá)相關(guān)性的復(fù)雜模型。如:IC-bin［39］與T、|bin［40］局部模擬方法均是將剖面分為若干組，組內(nèi)剖面具有相關(guān)性，組間剖面則不具備相關(guān)性，每組對(duì)應(yīng)一個(gè)相關(guān)擬合模型，最終岸線變化速率在空間上表現(xiàn)為分段常數(shù)序列;多項(xiàng)式與特征向量模擬方法則在全局尺度上以考慮了相關(guān)性的線性、三角函數(shù)或特征向量模型統(tǒng)一擬合，剖面線上岸線變化具有加速度，速率不再是常值［22，40］。

3.2海岸線變化的影響因素分析

3.2.1海岸線變化的影響因素

海岸帶變化的影響因子可歸為三類(lèi):全球環(huán)境過(guò)程、海岸帶環(huán)境過(guò)程、人類(lèi)活動(dòng)。

(1)全球環(huán)境過(guò)程新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面大尺度起伏等環(huán)境過(guò)程是構(gòu)筑海岸輪廓和骨架、決定海岸沉積/侵蝕方向和速率的作用力，是較長(zhǎng)時(shí)間尺度海岸發(fā)育和變化的背景要素［41］。而氣候變暖則構(gòu)成20世紀(jì)以來(lái)全球及區(qū)域岸線變化的重要影響因素。政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第三次評(píng)估報(bào)告指出，全球表面平均溫度將上升1.4—5.8℃。全球變暖，熱帶洋面溫度上升，氣壓下降，熱帶氣旋隨之增多，當(dāng)熱帶氣旋將遠(yuǎn)海沉積物搬運(yùn)至近海分布時(shí)，岸線將向海推進(jìn)［42］，而當(dāng)熱帶氣旋登陸，在海平面升高背景下，極端海水漫溢與洪澇災(zāi)害頻率、強(qiáng)度增加［43］，岸線將會(huì)遭受大規(guī)模、更強(qiáng)與更頻繁的侵蝕［44］。

(2)海岸帶環(huán)境過(guò)程海洋動(dòng)力(如波、浪、潮等)以及沉積物運(yùn)移是影響岸線變化的最基本的海岸帶環(huán)境過(guò)程。波、浪、潮等海洋動(dòng)力是海岸形態(tài)的主要營(yíng)造動(dòng)力［45-46］，其與海岸的作用方向、作用強(qiáng)度和海岸帶地形、地貌、岸線形狀、岸線走向相關(guān)［47］，其對(duì)海岸的改變作用具有空間差異性。沉積物運(yùn)移是海岸侵蝕的結(jié)果和海岸淤積的物質(zhì)來(lái)源，海洋動(dòng)力對(duì)沉積物的搬運(yùn)，造成海岸線在較大空間尺度上的改變［14］;而海岸帶微氣候因素，如，氣壓、溫度、風(fēng)場(chǎng)等，通過(guò)降水、蒸發(fā)、徑流等過(guò)程對(duì)河流向海洋的泥沙補(bǔ)給產(chǎn)生影響［48-49］，造成海岸線在較小空間尺度上的改變。

(3)人類(lèi)活動(dòng)人類(lèi)活動(dòng)對(duì)岸線的直接改變具有較強(qiáng)的破壞性及不可逆性，原有自然系統(tǒng)的功能及原始狀態(tài)的恢復(fù)較為困難，對(duì)其所引起的生態(tài)環(huán)境的惡化和退化進(jìn)行治理與補(bǔ)救代價(jià)高昂。例如，以海岸防護(hù)為目的的防潮堤、丁壩突堤的修筑，以增加人類(lèi)生存與發(fā)展空間為目的的圍填海工程，以物品貿(mào)易、經(jīng)濟(jì)交流與交換為目的港口碼頭的修建與擴(kuò)張等。人類(lèi)活動(dòng)通過(guò)干擾全球環(huán)境過(guò)程與海岸帶環(huán)境過(guò)程，也間接地影響海岸的變遷。例如，采沙［1］、補(bǔ)沙［50］等活動(dòng)改變波、浪、潮與海岸作用的方向、能量，影響海岸帶侵蝕與堆積過(guò)程，從而改變海岸線形狀;河流上游水庫(kù)蓄水?dāng)r沙、水土保持工程、土地利用變化、城市擴(kuò)展、河流或河口改道等，打破河流與海洋間原有的泥沙供給平衡，導(dǎo)致局部岸線的變化［51］。

3.2.2海岸線變化影響因素分析方法

對(duì)于岸線變化影響因子的分析可通過(guò)3條途徑:

(1)基于岸線實(shí)際變化過(guò)程的影響因子與影響機(jī)制分析，即，通過(guò)事件前后、不同區(qū)域岸線位置變化特征的對(duì)比，分析環(huán)境因子與過(guò)程等對(duì)岸線變化的影響。Cheryl J.Hapke等將美國(guó)加里福尼亞州分為北、中、南三部分，從岸線變化平均速率、最高速率的空間趨勢(shì)及空間差異方面出發(fā)，探索岸線變化與海蝕崖變化的相關(guān)關(guān)系及內(nèi)部影響機(jī)制［11］;Jffrey H.List等分析風(fēng)暴潮前、中、后三個(gè)時(shí)期岸線的變化特征，討論海岸線對(duì)風(fēng)暴潮響應(yīng)的空間異質(zhì)性［52］;Keqi Zhang等選擇美國(guó)東部海岸的5個(gè)岸段，通過(guò)分析海岸線變化速率的空間差異探究海平面變化與海岸侵蝕之間的關(guān)系［53］。

(2)基于數(shù)學(xué)方法的影響因素分析，即，通過(guò)影響因子變化過(guò)程與岸線變化過(guò)程的相關(guān)分析，確認(rèn)兩個(gè)過(guò)程是否具有關(guān)聯(lián)。Courtney A.Schupp等利用卡方檢驗(yàn)、交叉相關(guān)分析及數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)等方法，探討美國(guó)北卡羅萊納州外灘群島沙壩、近岸沉積物與海岸線變化的關(guān)系［54］。

(3)基于模型的岸線變化分析和模擬，即，利用以自然過(guò)程或因子為參數(shù)的模型模擬海岸線變化，分析這些自然過(guò)程或因子對(duì)岸線變化的影響。Hilary F.Stockdon等以預(yù)測(cè)的風(fēng)暴潮海平面高度，結(jié)合風(fēng)暴潮前的沙丘和坡臺(tái)高程，模擬不同沙灘地區(qū)風(fēng)暴潮前后海岸線和沙灘體積的變化，揭示風(fēng)暴潮前后海平面高度、海灘坡度對(duì)海岸線變化的影響［55］;Lisa M.Valvo等利用模型模擬不同海濱淺層地下巖巖性對(duì)海岸線變化的影響［56］。

3.3海岸線變化的影響效應(yīng)

岸線侵蝕過(guò)程的影響效應(yīng)海岸的蝕退作用增強(qiáng)、岸線后退速度劇增，直接造成海岸帶土地資源、生物多樣性資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)資源的損失［57］，并導(dǎo)致海水入侵、土地鹽漬化加劇、淡水資源減少、地基承載力下降、沿海建筑物穩(wěn)定性被破壞與削弱［58］等。

人力作用下岸線變化的影響效應(yīng)包括對(duì)海洋動(dòng)力的影響以及對(duì)環(huán)境和生態(tài)的影響。海岸帶的人工建造物，如，養(yǎng)殖池、港口碼頭、防潮堤都會(huì)干擾沿岸流的方向及速率［59］，或產(chǎn)生新的沿堤流，從而改變或產(chǎn)生新的泥沙搬運(yùn)-沉積過(guò)程，打破其本身及附近海區(qū)原有的沖刷與淤積平衡狀態(tài)，干擾或逆轉(zhuǎn)海岸線的自然演變趨勢(shì)［60］。海岸工程伴隨大量垃圾的排放入海，海洋環(huán)境退化，污染加劇;養(yǎng)殖使用的化學(xué)制劑、餌料，通過(guò)廢水排入海洋，會(huì)顯著提高近海水域營(yíng)養(yǎng)物濃度，海水富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題加重，赤潮發(fā)生率提高［61］。海岸工程導(dǎo)致海岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)大面積的減少與破壞，其所特有的諸如氣候調(diào)節(jié)、防洪、為人類(lèi)提供特定生物資源及作為野生動(dòng)植物棲息地等生態(tài)服務(wù)功能也隨之喪失。

4　海岸線變化研究的展望

近年來(lái)，國(guó)外研究主要探討基于剖面的變化速率的計(jì)算方法與岸線變化影響因子。除日本、荷蘭、新加坡等，世界上其它國(guó)家少有大規(guī)模的圍填?；顒?dòng)，但愈演愈烈的海岸帶開(kāi)發(fā)利用，如，農(nóng)牧漁業(yè)發(fā)展、采沙、旅游與娛樂(lè)等，以及氣候變暖、海平面上升、河流入海泥沙減少等因素，同樣使得海岸帶面臨越來(lái)越多的問(wèn)題與威脅。與中國(guó)海岸正經(jīng)歷大規(guī)模向海推進(jìn)的變化趨勢(shì)相反，海灘侵蝕是全球海岸所面臨的最普遍問(wèn)題［62］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上有70%的海岸長(zhǎng)期遭受侵蝕［2］，如，美國(guó)的夏威夷群島［63］以及意大利［51］、土耳其［64］和印度［2］等國(guó)家的岸線。主要的影響因素是海平面上升［65］、風(fēng)暴潮［45-46，52］和人類(lèi)干擾［66］。其中，風(fēng)暴潮對(duì)海岸的影響是間歇的，而非周期性的，且風(fēng)暴潮過(guò)后海岸的變化會(huì)回歸到其固有的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)［67］，所以風(fēng)暴潮對(duì)全球海岸普遍存在的后退趨勢(shì)不起決定作用;人類(lèi)干預(yù)對(duì)海岸的改變則具有地區(qū)差異性。因此，海平面上升是全球海岸侵蝕現(xiàn)象的決定性和關(guān)鍵性因子。

國(guó)內(nèi)對(duì)于岸線變化的研究多數(shù)是對(duì)岸線基本特征的分析，如岸線長(zhǎng)度變化、海陸面積交替、岸線利用類(lèi)型的相互轉(zhuǎn)移以及岸線分形維時(shí)空動(dòng)態(tài)特征等;對(duì)岸線變化影響因子的討論一般是在岸線利用類(lèi)型或沿海土地利用類(lèi)型變化的基礎(chǔ)上展開(kāi)，以定性討論為主，且多數(shù)研究認(rèn)為目前中國(guó)岸線變化的主要控制因素是人類(lèi)活動(dòng)，例如，河流上游的調(diào)水治沙活動(dòng)引起的入海水、沙量的減少導(dǎo)致河口入?？谔幇毒€的侵蝕，港口碼頭、防潮堤的建設(shè)使岸線結(jié)構(gòu)硬化從而破壞其上下游沿岸沉積物的侵蝕與堆積平衡，大規(guī)模圍填海運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致岸線向海劇烈擴(kuò)張等;受高精度數(shù)據(jù)及方法的限制，基于剖面的位置變化與預(yù)測(cè)分析在國(guó)內(nèi)研究中仍較少見(jiàn)。

在氣候變暖、海平面上升引起的全球岸線普遍后退的大趨勢(shì)與背景下，國(guó)內(nèi)岸線因?yàn)槿沼鷱?qiáng)烈的圍填海運(yùn)動(dòng)正大規(guī)模向海推進(jìn)。已有研究表明，新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)先后經(jīng)歷了四次圍填海高潮:前3次分別是新中國(guó)成立之初的圍海曬鹽，20世紀(jì)60年代中期至70年代的圍海造田，80年代中后期至90年代的圍海養(yǎng)殖;第四次圍填海高潮始于2008年國(guó)際金融危機(jī)，沿海一些地方政府主導(dǎo)港口經(jīng)濟(jì)與臨海工業(yè)，圍、填海造地規(guī)模遠(yuǎn)超過(guò)去，造成近年來(lái)海岸線以數(shù)倍于以往的速度大規(guī)模向海擴(kuò)張。我國(guó)圍填海的熱點(diǎn)區(qū)域20世紀(jì)90年代以前是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，1990年代以來(lái)，天津、河北以及珠江三角洲岸線開(kāi)發(fā)、圍填海熱度開(kāi)始超越長(zhǎng)江三角洲，尤其是2000年以后，在天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè)的影響下，渤海灣的圍填熱潮躍居全國(guó)首位，并輻射和帶動(dòng)了整個(gè)環(huán)渤海區(qū)域，與長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲一起形成三足鼎立的格局［68-69］。針對(duì)圍填海工程是否對(duì)海洋及海岸帶生態(tài)系統(tǒng)造成較大及不可逆危害，在國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界有較大爭(zhēng)議。相關(guān)學(xué)者從海洋動(dòng)力條件、海岸帶濕地面積、海洋及海岸帶生物等方面的變化入手，對(duì)圍填海工程的影響進(jìn)行討論與分析。

綜合分析國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展發(fā)現(xiàn):岸線變化的研究方法由定性轉(zhuǎn)為定量，而研究?jī)?nèi)容則從特征的描述發(fā)展為機(jī)理與機(jī)制的探討。岸線變化的研究方法由最初較為簡(jiǎn)單的視覺(jué)定性分析過(guò)渡為以簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)量量化岸線變化特征，如今已發(fā)展出以簡(jiǎn)單線性或復(fù)雜非線性模型擬合分析岸線變化特征的方法。岸線變化的研究?jī)?nèi)容最初僅停留在對(duì)岸線長(zhǎng)度、分形維、海陸面積變遷等特征的簡(jiǎn)單描述，現(xiàn)如今則以探討引起岸線變化的環(huán)境、物理、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等內(nèi)在機(jī)理與機(jī)制為主。

綜合國(guó)內(nèi)外海岸線變化方面的研究，得出:1)利用多源、多類(lèi)型、長(zhǎng)期的資料和數(shù)據(jù)對(duì)海岸線變化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是海岸線變化研究的基礎(chǔ)，仍將是普遍關(guān)注的研究重點(diǎn)之一，更高時(shí)空分辨率遙感數(shù)據(jù)的作用和優(yōu)勢(shì)將日益顯現(xiàn)，但其應(yīng)用仍將面臨實(shí)測(cè)潮汐等信息不足的制約;2)對(duì)海岸線變化特征、規(guī)律與機(jī)理的認(rèn)識(shí)已經(jīng)日益深化，基于大量高精度數(shù)據(jù)和機(jī)理模型的深入研究已成為熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題，新近對(duì)“海岸線位置相關(guān)性及非單調(diào)線性變化”特征的認(rèn)識(shí)使得對(duì)岸線變化特征的描述更加深入、更加接近真實(shí)情景，但也對(duì)研究方法，尤其是模型的發(fā)展提出了新的要求;3)在多時(shí)空尺度氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響下，海岸線變化的過(guò)程、機(jī)制、趨勢(shì)與影響具有顯著的復(fù)雜性和區(qū)域差異性，由于海岸帶綜合管理只能在區(qū)域?qū)用娴玫接行?shí)施，所以，針對(duì)不同的海岸帶區(qū)域開(kāi)展大量綜合的研究，聚焦海岸線變化的原因和機(jī)制及其對(duì)海岸帶環(huán)境和生態(tài)的影響，以及不同區(qū)域之間的相互聯(lián)系與影響特征，這將是未來(lái)研究的重點(diǎn)之一;4)中國(guó)的海岸帶復(fù)雜而多樣，海岸線變化的獨(dú)特性、復(fù)雜性異常突出，因而是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)區(qū)域，從促進(jìn)和支撐中國(guó)的海岸帶綜合管理實(shí)踐的角度出發(fā)，未來(lái)時(shí)期，海岸線變化研究有必要在技術(shù)和方法創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，量化不同區(qū)域岸線變化的趨勢(shì)，評(píng)估岸線變化對(duì)當(dāng)前及未來(lái)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)的影響，提高決策者與管理者對(duì)岸線變化所帶來(lái)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重視，為中國(guó)海岸帶的科學(xué)規(guī)劃與發(fā)展提供信息與決策依據(jù)。

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Review of research on coastline changes

WU Ting1，2，HOU Xiyong1，*
1 Yantai Institute of Coastal Zone Research(YIC)，Chinese Academy of Sciences(CAS)，Yantai 264003，China
2 University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Abstract:Because of the combined effects of global and coastal environmental processes and human activities，dramatic changes to coastlines have had significant effects on the environment，ecosystems，and human society in the coastal zone，and the issue has increasingly become a major socio-economic concern to countries along the coast.Consequently，coastline changes have drawn great attention in the academic community，and numerous studies on this issue have been conducted and results subsequently published.Following the definition of proxy-based coastlines and rules of coastline classification，in this paper，we review the methodologies and technologies of coastline interpretation，quality calculation，and estimation of coastlines extracted from remote sensing imageries and topographic maps，as well as analytical methodologies and technologies related to coastline change.Driving factors and the effects of coastline changes are also summarized and analyzed in this paper.Progress and directions of expected research are presented in the last part of this paper.A coastline is a wet-dry boundary or ocean-land boundary.In this paper，individual shoreline indicators generally fall into two categories:visually discernible coastlines(e.g.，wet-dry line，debris line，vegetation line)，or intersection lines of the coastal profile with a specific vertical elevation defined by the tidal constituents of a particular area(e.g.，mean high-low water line，mean sea level line).Methodologies and data sources of coastline data extraction are reviewed in the second part，and the methodologies are classified into three categories based on whether they involve human assistance(automaticbook=1171,ebook=283extraction，semi-automatic extraction，and visual interpretation).Calculation of quality and estimation of coastlines are discussed in the second part of this paper，and include line-based evaluation，point-based evaluation，and deduction evaluation.In the third part，methods for analysis of coastline change are reviewed and explained，from simple methods to more complicated ones，and from qualitative methods to more quantitative ones.The driving factors are reduced to three categories:global environmental processes(e.g.，global warming，sea level rise)，coastal environmental processes(e.g.，ocean dynamic，sediment movement)，and human activities(e.g.，coastline hardening，sea reclamation).In the last part of this paper，we discuss research progress and expected research on coastline change around the world.We put forward the following views.Dynamic monitoring of coastline changes remains one of the highest research priorities，as our understanding of features，laws，and mechanisms of coastline change deepens，and as research based on high-accuracy data and advanced mechanistic models develops.Studies focus on causes and mechanisms of coastline changes，impacts on coastal environments and ecosystems of various coastal zones，as well as on the characteristics of interrelations and mutual influences of different coastal regions，are another major area of focus of studies on global coastline change.Furthermore，coastline changes in China have distinct characteristics and complexity;therefore，studies of the Chinese coastline should be used to set the primary goals for improving and supporting the practices of ICZM(Integrated Coastal Zone Management).These studies will increase the awareness of decision-makers and stakeholders of the risks of hazards caused by coastline change，and will provide key information for coastal scientific planning and development.

Key Words:coastline;extraction by remote sensing;accuracy control;spatial variation;driving factors

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:xyhou@yic.ac.cn

收稿日期:2014-06-18;網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-07-09

基金項(xiàng)目:中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA05130703);中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-14);中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所“一三五”項(xiàng)目(Y254021031)

DOI:10.5846/stxb201406181270