罗斗沙岛动态变化的遥感监测

李晓敏，张 杰，马 毅，李团结

（1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.国家海洋局 南海工程勘察中心，广东 广州 510300）

0 引言

2010年3月1日，《中华人民共和国海岛保护法》正式实施。《中华人民共和国海岛保护法》规定：国家实行海岛保护规划制度，海岛保护规划是从事海岛保护、利用活动的依据；全国海岛保护规划应当确定可利用的无居民海岛；从事全国海岛保护规划确定的可利用无居民海岛的开发利用活动，应该遵守可利用无居民海岛保护和利用规划；开发利用可利用无居民海岛，应当提交项目论证报告、开发利用具体方案等申请文件。

2010年4月12日，国家海洋局公布了首批176个可以开发利用的无居民海岛名录，涉及辽宁、山东、江苏、浙江、福建、广东、广西和海南8个省、自治区。海岛开发主导用途涉及旅游娱乐、交通运输、工业、仓储、渔业、农林牧业、可再生能源、城乡建设和公共服务等多个领域。广东省可利用无居民海岛有60个，罗斗沙岛是其中之一，主导用途定为旅游娱乐用岛。

罗斗沙岛属泥沙岛，位于广东省湛江市徐闻县前山镇东南海域。由于其附近的海沙是整个徐闻县中质量最好的，故这里的海沙被偷采的现象十分严重，致使罗斗沙岛正在一天天变小。多年来有关罗斗沙岛的具体动态变化情况还未见过文献报道。

遥感技术具有大面积、同步、对同一区域可重复进行观测等突出优势，可不依赖于海域和地表状况进行长期、灵活的调查。利用遥感技术能有效监测泥沙岛的动态变化过程，不同时相遥感影像的叠加可快速发现泥沙岛的动态变化情况。王赋等［1］根据1997、2002和2003年3个不同时相的卫星影像，利用遥感和地理信息系统技术监测了长江口冲积沙岛的冲淤变化。刘永学等［2］利用1973—2000年间9个时相的卫片，叠合海图，分析了江苏东沙的动态变化。钱敏等［3］利用1994—2006年间10个时相的Landsat卫星影像，研究了江苏西太阳沙长时期的稳定性及演变规律。冯永玖等［4］利用2001、2005和2008年3组Landsat ETM影像，研究了上海九段沙2001年来的岸线变迁过程与趋势。

本文利用遥感技术的独特优势，基于1973—2011年间12个时相的卫星遥感数据，监测罗斗沙岛的分布位置、形状和面积的变化，回答了近40a来罗斗沙岛的动态变化情况，了解其动态变化趋势，以期为罗斗沙岛的海岛保护与利用规划的编制、海岛开发利用具体方案的制定、海岛生态保护措施的提出等提供数据支撑，进而为罗斗沙岛的生态保护和相关部门对其进行海岛管理提供服务资料。

1 研究区域概况

罗斗沙岛位于雷州半岛南部、琼州海峡东北侧，呈东北—西南向的长条形分布，东北宽，西南窄（图1）。该岛地势平坦，东北高，西南低，最高海拔为3.6m［5］。受非法采沙者疯狂盗沙等的影响，罗斗沙岛的面积逐渐变小。位于该岛西北部的罗斗沙灯塔是岛上唯一的建筑物，为罗斗沙岛的标识物，灯塔在建时离岸边有100多m［6］，而现今该灯塔已位于岸边，靠海一侧的塔基已被海水冲毁，灯塔变得岌岌可危（图2）。

2 影像处理和信息提取

2.1 影像处理

本文 以 1973，1977，1987，1991，1995，2001，2004，2006，2008，2009，2010和2011年共12个时相的遥感影像为主要数据源（表1），辅以2008年的现场踏勘数据。其中，与现场踏勘时间相一致的2008年的遥感影像，除用于海岛动态变化监测外，还作为其它时相遥感影像的几何校正参考，并用于检验海岛岸线的提取精度。

表1 遥感影像数据列表Tab.1 List of remote sensing image

图3 各时相不同波段组合的遥感影像图Fig.3 Remote sensing images of different bands composition

由于罗斗沙岛的位置、形状等都是动态变化的，且岛上没有固定、明显可利用的地物控制点，因此只能利用卫星遥感影像的几何连续性［2］，通过同景影像大陆部分的精确校正，实现对罗斗沙岛的准确定位。由于罗斗沙岛海拔低、地势平坦，因此仅对各时相影像进行几何精校正，未考虑地形的影响。首先根据现场踏勘测得的地面控制点对2008年的遥感影像进行几何精校正，然后以校正后的2008年遥感影像为地理参考，配准1973，1977，1987，1991，1995，2001，2004，2006，2009，2010和2011年的遥感影像。以上年份的遥感影像都被重采样成30m分辨率的影像，以确保基于不同时相遥感影像提取的罗斗沙岛信息具有可比性。为了能更好地反映罗斗沙岛的信息，对各时相的遥感影像进行不同波段的组合和适当的影像增强处理。经过几何精校正和影像增强处理后的各时相不同波段组合的遥感影像见图3。

2.2 信息提取

对罗斗沙岛动态变化情况的遥感监测，首先要解决的关键问题是基于不同时相的遥感影像确定不同时期的海岸线位置。根据中国海洋灾害公报［7］和文献资料［8］记录，各时相遥感影像成像时，研究区没有发生过风暴潮，不存在增水漫过海岸线的可能，所以基于遥感影像提取出海岸线是可行的。但是，遥感影像上直接显示的是卫星成像时刻的瞬时水边线，不是真正意义上的海岸线，实际海岸线需要做进一步的分析才能获得。不同类型的海岸线有不同的界定原则［9］，其遥感解译标志也不一样［10］。罗斗沙岛岸线类型为砂质岸线，由于砂滩暴露在水上的时间长短而导致其含水量的不同，在遥感影像上表现为不同的灰度色阶和彩色特征信息，在影像上砂滩色调突然变亮处可以被确定为海岸线的位置。以此为解译标志，用2008年12月8日成像的遥感影像提取了罗斗沙岛的海岸线，将其与2008年10月7日现场踏勘实测的罗斗沙岛岸线点进行对比，发现两者对应点位置吻合得很好，对应点位置平均相差7m左右，最小不到2m，最大不超过20m（图4）。对比结果表明：基于此解译标志，由遥感影像信息提取的海岸线是可靠的。利用此解译标志，在GIS平台下，对1973，1977，1987，1991，1995，2001，2004，2006，2009，2010和2011年11个时相的遥感影像分别进行目视解译，提取不同时期的罗斗沙岛海岸线信息（图5）。

3 结果分析

基于1973—2011年间12个时相的遥感影像，通过综合应用遥感和GIS技术，对罗斗沙岛的演变过程进行了监测，分析其动态变化情况。近40a来，罗斗沙岛的位置、形状和面积均发生了较大的变化（表2）。

1973—2011年，罗斗沙岛的几何中心位置由原来的20°21′05″N、110°34′04″E移至20°21′20″N、110°34′27″E，向东北方向移动了0.8km；岸线长度由16.68km缩短为7.50km，缩短了9.18km；东北—西南向的长度由7.44km缩短为3.26km，缩短了4.18km；该岛面积由433.8hm2减小为144.0hm2，减小了289.8hm2，减小的海岛面积是现存海岛面积的2倍多；该岛面积呈现不断减小的趋势，但个别年份由于淤积作用面积有小幅增长（图6）。

表2 罗斗沙岛岸线长度和面积的统计Tab.2 Coastline length and area of Luodousha Island

图6 罗斗沙岛的面积变化图Fig.6 Area changes of Luodousha Island

从图5和图6可以看出，罗斗沙岛一直处于不断变化过程中，该岛总体上以侵蚀为主。从1973—2011年，罗斗沙岛的东北和西南头部均发生了严重侵蚀，东北头部被侵蚀了215.4hm2，西南头部被侵蚀了113.5hm2，被侵蚀的面积多达328.9hm2，是2011年该岛总面积的2.28倍；该岛淤积的范围较小，主要分布在西南头部偏北和岛中部的东南侧。

近40a来，罗斗沙岛的动态变化可分为3个阶段：第一阶段（1987年以前），罗斗沙岛为一个完整的岛体；第二阶段（1987—2001年），罗斗沙岛被分为东北和西南两部分；第三阶段（2001年至今），罗斗沙岛的西南部分消失，仅剩下东北部分（图7）。不同时段罗斗沙岛的具体变化情况如下：

图7 罗斗沙岛的动态变化图Fig.7 Dynamic change of Luodousha Island

1987年以前，罗斗沙岛为一个完整的岛体。1973—1977年，罗斗沙岛体的平面形态变化不大，基本处于稳定状态。1977—1987年，罗斗沙岛体横、纵向均发生了比较明显的变化，横向变化主要表现为岛体东南—西北向的宽度愈来愈窄，1987年岛体最窄处的宽度不到100m；纵向变化集中在岛体的东北侧头部，该处发生了大范围侵蚀，被侵蚀的面积达70hm2。

1987年和1991年的遥感影像及信息提取结果对比后可以发现：1991年罗斗沙岛已经从中部被断开，分成东北和西南两部分，但从影像上还能清楚看出其原来的形状。同时，罗斗沙岛的东北侧头部继续发生较严重的侵蚀，被侵蚀的面积约36hm2，岸线后退约330m，岸线被侵蚀的速度每年达80多m。

1991—1995年，由于受波浪、水流的作用，罗斗沙岛的西南部分呈牛轭状分布，且面积略有增加；该岛的东北部分北侧头部继续发生侵蚀，被侵蚀的面积约15hm2，岸线后退120多m；该岛的东南沿岸大范围淤积，淤积面积达39hm2。

1995—2001年，罗斗沙岛的西南部分仅剩1hm2；该岛的东北部分西北侧头部继续被侵蚀，被侵蚀的面积约23hm2，使岸线后退330多m；该岛的东南沿岸也开始被大面积侵蚀；泥沙在该岛的西南头部淤积，淤积的面积约37hm2，导致罗斗沙岛的东北—西南向的长度增加了860多m。

2001—2004年，罗斗沙岛的西南部分消失；该岛的东北部分以横向侵蚀为主，罗斗沙岛灯塔附近岸线后退了70多m，已紧接木麻黄海岸防护林的边缘；该岛的东南沿岸被侵蚀面积约27hm2，使岸线后退了100多m，这些泥沙在潮流、风浪和沿岸流等作用下向岛体的东北部运移淤进，淤积面积约为10hm2。

2004—2008年，罗斗沙岛西北侧灯塔附近的沙洲区由于受木麻黄的护岸作用，海岸基本稳定；泥沙继续在该岛的东北头部淤积，2006年淤积面积约10hm2，且在淤积沙和原沙之间形成1个深湾，深度达500多m，湾内水体不断侵蚀沿岸沙体，导致湾顶处的海岸蚀退，到2008年12月，湾顶处的西北—东南向的宽度不到80m；罗斗沙岛的中段东南侧又开始淤积，2006年淤积面积约为5hm2，2008年淤积面积增加到17hm2。

2009—2011年，罗斗沙岛的基本形状没有发生明显的变化，岛体横向处于稳定状态，纵向变化主要集中在岛体的东北侧头部，岸线不断向西南方向后退，2009—2010年岸线后退了160多m，2010—2011年岸线后退了280多m。

4 结论与讨论

遥感技术具有对同一区域重复进行观测的独特优势，是有效监测泥沙岛动态变化的主要手段。本文利用1973—2011年间的12个时相的遥感影像，分析了罗斗沙岛近40a来的动态变化情况，得出如下结论：（1）罗斗沙岛的位置、形状和面积均发生了较大的变化，该岛的几何中心向东北方向移动了0.8km，岸线长度缩短了9.18km，东北—西南向的长度缩短了4.18km，该岛面积减小了289.8hm2，减小的面积是现存面积的2倍多；（2）罗斗沙岛一直处于不断的变化过程中，总体上该岛以被侵蚀为主，1973—2011年，罗斗沙岛的东北和西南头部均发生了严重侵蚀，侵蚀面积多达328.9hm2，是2011年该岛总面积的2.28倍；该岛淤积的范围较小，主要分布在岛的西南头部偏北和中部东南侧。（3）罗斗沙岛的动态变化可分为3个阶段：第一阶段（1987年以前），罗斗沙岛为一个完整的岛体；第二阶段（1987—2001年），罗斗沙岛被分为东北和西南两部分；第三阶段（2001年至今），罗斗沙岛的西南部分消失，仅剩下东北部分。

泥沙岛的稳定性取决于泥沙来源、水动力作用和海岸地形3大因素的动态平衡。罗斗沙岛附近的海沙被偷采的现象十分严重，该处海底经过抽沙后，形成许多凹坑，海水涨、落潮时将岛上的沙逐渐带下海里填补凹坑，导致该岛面积不断变小；同时，罗斗沙岛和柯家沙湾海岸线之间为外罗水道，其靠近罗斗沙岛处存在大片浅滩，在浅滩和罗斗沙岛之间，存在一个冲刷深槽，深槽近年来被严重冲刷。

本文使用的遥感数据是在不同时相成像的，潮汐会在一定程度上影响岸线信息提取的精度，导致提取结果与实际情况可能存在一定的偏差。此外，受收集资料的限制，本文未对罗斗沙岛动态变化的原因进行深入的分析。

致谢本文所用的Landsat影像从NASA网站免费下载；所用的环境数据由中国资源卫星应用中心免费提供。

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