馮嵐 ,孫省利 ,張才學(xué) ,陳灝

(1.廣東海洋大學(xué)海洋資源與環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 湛江 524088;2.廣東海洋大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院 湛江 524088)

0 引言

獨(dú)特的地理位置和組成成分使砂質(zhì)海岸對(duì)外部環(huán)境有很高的靈敏性和區(qū)域差異性,自然環(huán)境和人類活動(dòng)對(duì)砂質(zhì)海岸的演化產(chǎn)生重要影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)70%左右的砂質(zhì)海岸線以及幾乎所有開闊的淤泥質(zhì)岸線均存在海岸侵蝕現(xiàn)象,海岸帶地區(qū)侵蝕災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重影響附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全,對(duì)海岸線的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)已成為海岸帶長(zhǎng)期發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1-2]。

由于潮汐漲落和海水進(jìn)退,海陸分界線在不斷地遷移,準(zhǔn)確確定連續(xù)幾年的海岸線位置是定量和準(zhǔn)確評(píng)估給定時(shí)期內(nèi)海灘侵蝕或堆積的關(guān)鍵,這就需要對(duì)海岸線的位置劃分進(jìn)行統(tǒng)一[3]。中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《海洋學(xué)術(shù)語(yǔ):海洋地質(zhì)學(xué)》給出的海岸線定義為多年平均高潮位時(shí)的海陸分界線[4]。本研究以國(guó)標(biāo)中對(duì)海岸線的定義為標(biāo)準(zhǔn),基于多源遙感數(shù)據(jù)對(duì)多年海岸線的位置進(jìn)行提取[5-6]。

目前基于遙感圖像提取海岸線的算法有自動(dòng)解譯和目視解譯兩種,海岸線的自動(dòng)提取算法主要有邊緣檢測(cè)、閾值分割法、主動(dòng)輪廓法和面向?qū)ο蠓╗7-8]。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上以多源遙感數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,采用遙感解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相結(jié)合的方法,利用改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)法(Modified Normalized Difference Water Index,MNDWI)、迭代式閾值法對(duì)白茅海砂質(zhì)海岸的瞬時(shí)水邊線進(jìn)行提取,再用潮汐模型對(duì)瞬時(shí)水邊線進(jìn)行校正,得到平均大潮高潮海岸線,最后利用數(shù)字岸線分析系統(tǒng)(Digital Shoreline Analysis System,DSAS)的岸線端點(diǎn)變化速率(End Point Rate,EPR)、海岸線累計(jì)變化量(Shoreline Change Envelope,SCE)和岸線凈變化量(Net Shoreline Movement,NSM)3個(gè)統(tǒng)計(jì)模型對(duì)1987—2020年白茅海砂質(zhì)岸線的變遷情況進(jìn)行定量分析[9-10]。

1 研究區(qū)概況

本研究選擇廣東省湛江市白茅海舊燈塔附近岸 段(20°33'10.59″—20°33'31.28″N,110°29'15.46″—110°29'23.29″E)作 為 研 究 岸 段,長(zhǎng) 度 約4 km,灘面寬約1 km。湛江市徐聞縣錦和鎮(zhèn)白茅村白茅海位于中國(guó)大陸最南端,廣東省西南部,地處北回歸線以南的低緯地帶,屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候。多年平均氣溫23.6℃,年平均降水量1 417～1 802 mm,冬季盛行東北風(fēng),夏季盛行東南風(fēng),風(fēng)速的季節(jié)性變化較明顯,是受熱帶氣旋影響最多的地區(qū)之一。海洋水文數(shù)據(jù)收集自白茅海北側(cè)約37 km 處的硇洲島海洋站,研究區(qū)所在海域潮汐現(xiàn)象主要是太平洋潮波經(jīng)巴士海峽和巴林塘海峽進(jìn)入南海后形成,屬于不正規(guī)半日潮。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所和美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)下載的Landsat遙感影像系列、地理空間數(shù)據(jù)云獲取的先進(jìn)星載熱輻射和反射儀全球數(shù)字高程模型(ASTER GDEM)30 m 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù),其他輔助數(shù)據(jù)包括“908”專項(xiàng)海岸成果和硇洲島北港海洋站的歷年潮汐數(shù)據(jù)。

獲取到的Landsat原始數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)地形校正產(chǎn)品,衛(wèi)星參數(shù)情況如表1所示,數(shù)據(jù)已經(jīng)過系統(tǒng)輻射校正、地面控制點(diǎn)幾何校正以及數(shù)據(jù)高程模型(DEM)地形校正的處理,像元精度控制在0.3個(gè)像元。為了消除影像成像過程中存在的幾何畸變和輻射量失真現(xiàn)象,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正增強(qiáng)處理。2013年的Landsat8遙感影像中包含分辨率為15 m的Pan 波段,通過格拉姆-施米特(Gram-Schmidt)多光譜融合法將Pan 波段與多光譜波段進(jìn)行融合,從而得到分辨率為15 m 的影像;除波段融合外本研究采用的遙感信息增強(qiáng)處理還有對(duì)比度增強(qiáng)和空間域增強(qiáng)處理[11]。

表1 衛(wèi)星參數(shù)

3 研究方法

3.1 岸線提取方法

首先利用ENVI軟件對(duì)多期遙感影像進(jìn)行預(yù)處理,使用改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)法(MNDWI)[12]進(jìn)行多波段運(yùn)算來(lái)增強(qiáng)影像中的水體信息,再利用MATLAB軟件通過迭代式閾值分析法以灰度直方圖信息為主導(dǎo),用多個(gè)閾值將圖像分級(jí),將同質(zhì)區(qū)域劃分并提取出感興趣的目標(biāo)物體后進(jìn)行二值化[13],再將二值化后的圖像在ArcGIS軟件中進(jìn)行邊緣連續(xù)、矢量化、剔除多余斑塊等處理,得到研究區(qū)的瞬時(shí)水邊線[14]。研究區(qū)地勢(shì)平坦,受潮汐影響較大,得到的瞬時(shí)水邊線須經(jīng)過潮汐校正才能得到平均大潮高潮時(shí)的海岸線位置[15],潮汐校正的原理如圖1 所示。瞬時(shí)水邊線校正距離(L)計(jì)算公式為[16-17]:

圖1 潮汐校正原理

L=(H2-H1)/tan(θ)

式中:H1為瞬時(shí)水邊線對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)潮高;H2為平均大潮高朝線對(duì)應(yīng)的平均大潮高潮潮高;θ為岸灘坡度;L為海岸線潮汐校正距離[16-17]。

利用GDEMDEM 30 m 數(shù)據(jù)在ArcGIS軟件中處理計(jì)算得到研究區(qū)海岸帶的平均坡度為1.48°,根據(jù)硇洲島北港海洋站的歷年潮汐數(shù)據(jù)得到白茅海多年年平均大潮高潮為3.96 m,根據(jù)瞬時(shí)水邊線校正公式計(jì)算得到歷年瞬時(shí)水邊線潮汐校正距離如表2所示。

表2 歷年瞬時(shí)水邊線校正距離

3.2 海岸線變遷情況研究方法

本研究利用ArcGIS Desktop中的數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)(DSAS)擴(kuò)展插件對(duì)海岸線的變遷情況進(jìn)行定量分析[18]。首先建立假設(shè)基線,然后生成以20 m為間隔從南向北生成201個(gè)有效橫斷剖面,創(chuàng)建橫斷面特征類后利用不同的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)海岸線的時(shí)空變化進(jìn)行分析[19]。為了與原始海岸線保有較好的彎曲度,本研究采用緩沖區(qū)的方法生成基線[20],之后利用的統(tǒng)計(jì)模型為DSAS 中EPR、SCE和NSM 3個(gè)參數(shù),整篇文章從岸線變化距離測(cè)量和速率變化統(tǒng)計(jì)兩個(gè)角度對(duì)白茅海海岸線的變遷情況進(jìn)行分析。DSAS 統(tǒng)計(jì)模型的3 個(gè)參數(shù)中EPR反映了每個(gè)橫斷剖面的年變化速率,表征某一時(shí)期內(nèi)人類對(duì)其開發(fā)利用強(qiáng)度;SCE 統(tǒng)計(jì)了每個(gè)橫斷剖面離基線最近和最遠(yuǎn)的海岸線之間的距離,即為海岸線的最大變化范圍;NSM 統(tǒng)計(jì)了時(shí)間序列上最近和最遠(yuǎn)的兩期海岸線的凈變化距離,以此來(lái)表征海岸線多年的凈變化量[21-23]。

4 岸線提取結(jié)果與分析

4.1 岸線提取精度驗(yàn)證

得到的白茅海歷年海岸線如圖2所示,為確保利用遙感影像提取的海岸線具有可信度,本研究以“908”專項(xiàng)修測(cè)岸線作為標(biāo)準(zhǔn)參考值,對(duì)2005年提取校正的海岸線進(jìn)行精度驗(yàn)證[11],以20 m 為間距生成橫斷面,經(jīng)計(jì)算得出岸線偏差距離均值和均方根誤差(RMSE)分別為20.9 m 和25.0 m。

圖2 不同年份白茅海海岸線

圖3 白茅海岸線各橫斷剖面的EPR

4.2 岸線提取結(jié)果分析

對(duì)EPR、SCE、NSM 的結(jié)果相關(guān)性檢驗(yàn),3個(gè)參數(shù)在0.01級(jí)別具有顯著相關(guān)性。1987—2020年,白茅海海岸線以-4.29 m/年的年平均變化速率向陸侵蝕后退。由不同統(tǒng)計(jì)模型空間量化圖可以看出(圖4—圖6),白茅海海岸線變遷呈現(xiàn)出較為明顯的區(qū)域性和階段性。1987—2020年白茅海海岸線各橫斷剖面EPR均為負(fù)值(圖5),表明研究區(qū)岸段各橫斷剖面處均為侵蝕后退狀態(tài);79～87號(hào)橫斷剖面年平均侵蝕速率較快,為-7.08 m/年;189～201號(hào)橫斷剖面處岸線年平均侵蝕速率較慢,為-1.63 m/年。

圖4 白茅海岸線各橫斷剖面EPR

圖5 不同時(shí)期白茅海各橫斷剖面EPR

圖6 白茅海岸線各橫斷剖面SCE、NSM

1987—1991年、1991—2000 年、2000—2005 年、2005—2010年、2010—2020年5個(gè)時(shí)期白茅海海岸線年平均變化速率分別為-18.23 m/年、2.06 m/年、-4.31 m/年、0.31 m/年、-7.22 m/年,1987—1991年和2010—2020年兩個(gè)時(shí)期白茅海海岸線年侵蝕速率較高,1991—2000 年和2005—2010年兩個(gè)時(shí)期白茅海海岸線出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。

根據(jù)各剖面SCE、NSM 折線圖(圖6),1987—2020年白茅海海岸線出現(xiàn)明顯的變化,海岸線變遷距離最大達(dá)249.46 m;NSM 凈變化量為負(fù),再次表明白茅海海岸線整體向陸侵蝕后退。綜合SCE 和NSM 數(shù)據(jù),可以看出在190～202 號(hào)橫斷剖面,NSM 絕對(duì)值小于SCE,表明該處岸段存在侵蝕和堆積現(xiàn)象。

白茅海海岸線在不同時(shí)期有不同的變遷特征,整體上海岸線表現(xiàn)出顯著的侵蝕后退現(xiàn)象,且不同橫斷剖面存在明顯的差異,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況發(fā)現(xiàn)岸線變化最為劇烈的區(qū)域?yàn)榘酌┖Ｅf燈塔附近的岬灣處。根據(jù)EPR這一統(tǒng)計(jì)值,將海岸線侵蝕/堆積情況分成7類[22],建立海岸線侵蝕/堆積等級(jí)表(表3),研究區(qū)岸段屬于極高侵蝕狀態(tài),亟須修復(fù)和保護(hù)。

表3 海岸線侵蝕/堆積等級(jí)

4.3 岸線變遷原因分析

白茅海海岸線的變遷受到自然和人為多種因素的影響,從海岸的物質(zhì)構(gòu)成上來(lái)說,通過岸灘沉積物采樣分析,白茅海海岸帶主要是由中砂和細(xì)砂構(gòu)成的海岸,容易受到風(fēng)和波浪的作用。舊燈塔附近有一處岬角,灘外具有數(shù)百畝的巖礁,起著減浪、消浪的作用,對(duì)后方海灘和附近岸灘的水動(dòng)力環(huán)境產(chǎn)生影響[24]。

從全球變化的背景來(lái)說,白茅海海岸帶駭然面對(duì)廣闊的南海海域,受海浪侵蝕、海平面上升的作用顯著,所處的雷州半島三面環(huán)海,與多數(shù)過境熱帶氣旋路線正交,是受熱帶氣旋影響最多和最嚴(yán)重的地區(qū)之一,據(jù)統(tǒng)計(jì)每年登陸或影響雷州半島的臺(tái)風(fēng)平均為3.93次[25],風(fēng)暴潮每增加一次,海岸侵蝕加寬0.5 m[26]。根據(jù)自然資源部海洋預(yù)警監(jiān)測(cè)司《2019 年中國(guó)海平面公報(bào)》結(jié)果顯示,1980—2019年,南海沿海海平面上升速率為3.5 mm/年,2019年,南海沿海海平面較常年高77 mm,未來(lái)30年南海沿海海平面將上升50～180 mm,極大增強(qiáng)了海岸的侵蝕作用[27]。改革開放以來(lái),為了發(fā)展沿海經(jīng)濟(jì),白茅海海岸帶地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模開發(fā),20世紀(jì)80—90年代初期白茅海海岸蝦池、鹽池大規(guī)模出現(xiàn),白茅村東南靠海部分和東北部,養(yǎng)殖蝦塘密布,基本上是占用了防風(fēng)林建立起來(lái)的,蝦塘排放廢水對(duì)海岸沖刷切割,蝦塘養(yǎng)殖的大規(guī)模開發(fā)是造成1987—1991年白茅海海岸帶大幅度侵蝕后退重要原因。

2009年至今徐聞已擁有16個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目,遍布該縣沿海鄉(xiāng)鎮(zhèn)。2017 年11月10日廣東粵電湛江外羅海上風(fēng)電項(xiàng)目工程核準(zhǔn),12月28日項(xiàng)目開工,到2019 年年 底,已 有36 臺(tái)5.5 MW 風(fēng)機(jī),1 座220 kV海上升壓站和陸上集控中心投入使用,涉海面積約92 km2,場(chǎng)址最近端距離錦和鎮(zhèn)陸岸20 km,最遠(yuǎn)端距離陸岸35 km。風(fēng)電場(chǎng)建立在帶來(lái)新能源的同時(shí),也會(huì)對(duì)所在海域的水動(dòng)力環(huán)境、風(fēng)要素等產(chǎn)生影響[28],也是造成岸灘變遷的重要因素。

5 結(jié)論

(1)1987—2020年,白茅海海岸線以-4.29 m/年的年平均變化速率向陸侵蝕后退。

(2)1987—1991 年、1991—2000 年、2000—2005年、2005—2010年、2010—2020年白茅海海岸線年平均變化速率分別為-18.23 m/年、2.06 m/年、-4.31 m/年、0.31 m/年、-7.22 m/年。

(3)1987—2020年白茅海海岸線變遷距離最大為249.46 m;NSM 凈變化量為負(fù)。190～202號(hào)橫斷剖面處岸段存在侵蝕和堆積現(xiàn)象。

(4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查岸線變化最為劇烈的區(qū)域?yàn)榘酌┖Ｅf燈塔附近的岬灣處,部分岸段存在侵蝕和堆積兩種現(xiàn)象,白茅海砂質(zhì)岸線侵蝕等級(jí)為極高侵蝕,亟須修復(fù)和保護(hù)。