珠江三角洲海岸线遥感调查和近期演变分析

朱俊凤，王耿明，张金兰，黄铁兰

(1.广东省地质调查院，广州 510080;2.广东工贸职业技术学院，广州 510510)

0 引言

海岸带是响应全球气候变化最迅速，随生态环境变化最敏感、最脆弱的地带，海岸线的侵蚀与增长已成为全世界广为关注的问题之一［1］。快速而准确地测定海岸线，对海岸资源管理、开发，以及为决策部门提供动态、科学、及时有效的信息都具有十分重要的意义。卫星遥感具有数据获取方便、重复观测时间短、覆盖面广等优点，在海岸线调查和动态监测方面具有无可比拟的优势，已成为海岸线调查与监测的主要技术手段［2－4］。

珠江三角洲是我国沿海经济最发达的地区之一，也是海岸线变迁最活跃的地区之一。很多学者应用遥感技术监测和分析了珠江三角洲部分海岸线的变迁:如，朱小鸽［5］应用1973，1992 和1998年遥感数据，采用神经网络分类方法监测了珠江口、香港和澳门地区海岸线的变化;李学杰［6］应用1979—2003年间遥感数据提取了珠江口伶仃洋的多时相海岸线，并分析了海岸线的变化特征及环境效应;于杰等［7］利用卫星遥感数据提取并研究了大亚湾海岸线1987—2005年间的变化特征;李猷等［8］分析了深圳市1978—2005年间海岸线的动态演变;赵玉灵［9］利用遥感数据分析了珠江口地区1978—2006年间海岸线和红树林的变迁。但已有文献对近期珠江三角洲海岸线变迁的研究较少，且主要集中于部分海岸线的研究，缺少对整个珠江三角洲较为完整的研究。“十一五”期间，广东省改革开放和现代化建设取得了重大成就，一批重大工程项目(如南沙开发、珠海港口建设、深圳港口建设和大亚湾石化城等)的建设必然会使海岸线发生变化。因此，本文利用1998，2003 和2008年3个时段的遥感数据，以整个珠江三角洲为研究区域，提取3个时段的海岸线，并对海岸线提取结果进行近期演变分析。

1 研究区概况和数据源

1.1 研究区概况

珠江三角洲是中国南部沿海地区的一个发展程度较高的经济区域，地理上以香港、澳门和广州为中心。由包括珠江三角洲区域的2个省级特别行政区(香港、澳门)、广东省的2个副省级市(广州市和深圳市)及7个地级市(珠海市、佛山市、惠州市、肇庆市、江门市、中山市和东莞市)所组成(图1)。珠江三角洲海岸带的地理范围在E112°18'08″～115°01'19″，N 21°42'31″～22°42'23 之间。受地质构造的影响，其地形、地貌呈高地低地相间分布的格局。山地、丘陵和平原交错分布于海滨，形成海岸线曲折、港湾众多、岛屿星罗棋布的地貌特色。珠江三角洲海岸线(不包括香港)类型复杂多样，主要有河口岸、人工岸、基岩岸和沙砾质岸等。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographic location of study area

1.2 数据的选择与处理

本文收集了1998，2003 和2008年3个时段的遥感数据，其中1998 和2003年的数据为Landsat TM 或ETM 数据，2008年的数据为ALOS AVNIR－2多光谱数据，TM 和AVNIR－2 数据空间分辨率分别为30 m 和10 m。此外还收集了1∶5 万地形图数据和少量海图数据。

对遥感数据的预处理主要包括几何纠正、图像镶嵌和裁剪。在PCI 软件平台上，以1∶5 万比例尺地形图作为参考选择控制点，采用二次多项式法进行几何纠正。具体处理过程是首先纠正AVNIR－2数据，然后将2 期TM 图像与之配准，并对相邻图像进行镶嵌，最后裁剪出研究区域海岸线范围。

海岸线提取在原始图像(而非镶嵌图像)上进行，其原因是图像镶嵌过程中要考虑相邻图像的色调均衡，会损失原始图像的光谱信息，不利于海岸线的自动提取。

2 遥感调查方法

本文采用计算机自动提取和目视解译相结合的方法提取海岸线。首先针对不同的海岸类型，采用不同的图像处理方法进行海岸线的初步解译;然后在ArcGIS 平台上将海岸线初步解译结果、遥感图像、已有地形图和海图进行空间叠加、综合分析与判别，并对初步解译结果进行修改，对解译的重点和难点地区进行必要的野外调查验证。鉴于卫星过顶时刻拍摄的水陆分界线没有考虑到海水悬浮泥沙、潮位和季节等因素的影响，因此图像上显示的瞬时水边线不是真正意义的海岸线［10］。故本文采用平均大潮高潮位时刻的海陆分界线作为要提取的海岸线。

2.1 解译标志的建立

根据研究区海岸实际情况，将海岸分为河口岸、基岩岸、人工岸、沙砾质岸、淤泥质岸和红树林岸共6 类。各类型海岸线的影像及其特征见表1。

2.2 海岸线的提取

以2008年ALOS 图像为例，阐述各类岸线的提取过程如下:

1)河口岸线的提取。河口岸以潮流界为限，解译时多参考已有海岸线。

2)基岩岸线的提取。基岩岸的水陆分界线基本上代表着海岸线［11］。选取近红外波段遥感图像提取基岩海岸线。首先，确定合适的阈值对图像进行二值化，将海水和陆地分开;然后采用滤波算法对二值图像进行边缘增强;最后再对边缘增强图像二值化并将栅格数据转化为矢量数据，得到海岸线的提取结果。阈值的确定借助了ENVI 的水平剖面(即X 剖面)工具，即将图像定位于海陆分界处，利用X 剖面工具查看该水平线上的DN 值变化，从而确定合适的阈值;采用ENVI 软件中的Laplacian 算子进行二值图像的滤波增强，滤波核为3 像元×3 像元。基岩海岸的提取过程如图2所示。

图2 基岩岸线的自动提取效果Fig.2 Automatic extraction of rocky coastline

3)人工岸线的提取。人工岸的构筑物大都由水泥和石块构筑，具有较高的光谱反射率，和海水的分界线明显，人工岸线就是海岸线。人工岸线的提取过程和基岩岸线的提取过程相似，也采用近红外波段遥感图像进行。人工岸线的提取过程如图3所示。

图3 人工岸线的自动提取效果Fig.3 Automatic extraction of artificial coastline

由于人工海岸的堤坝有一定的宽度，因此二值图像滤波增强后的边缘有2 条线，取靠近海一侧的线为最终海岸线［12］。本文把人工养殖岸划分为人工岸。

4)沙砾质岸线的提取。沙砾质岸是沙砾在海浪作用下堆积形成的，因此可以把沙砾质海岸和非沙砾质地物的分界线作为海岸线［13］。沙砾在红波段有比较高的反射率，因此选择红波段图像提取沙砾质海岸线。首先用分割阈值区分沙砾和其他地物，得到二值图像;再对二值图像进行Laplacian 滤波增强，得到沙砾质岸界线;最后取靠陆地一侧的分界线作为沙砾质海岸线(图4)。

图4 沙砾质岸线的自动提取效果Fig.4 Automatic extraction of sandy and gravel coastline

5)淤泥质岸线和红树林岸线的提取。淤泥质岸以陆地植物生长边缘或公路作为海岸界线［14］。红树林岸以靠陆一侧的堤坝或道路作为海岸界线，采用目视解译方法提取。本文提取的红树林岸不包括沿海岛屿上的红树林岸，如淇澳岛上的红树林岸等。

2.3 海岸线提取结果

应用上述方法，依次提取1998，2003 和2008年海岸线，其结果如图5 所示。图中海岸线的叠放顺序为以老盖新，以便直观地反映海岸线的演变［9］。

图5 海岸线提取结果Fig.5 Map of coastlines extracted

从图5 可以看出，在研究时段内，珠江三角洲岸线变化主要分布于珠江口两岸的广州南沙区、深圳机场，珠海唐家湾、高栏港，黄茅海两岸的台山市都斛镇和珠海金湾区，深圳蛇口半岛地区和惠州市大亚湾石化工业区等处。

2.4 提取精度检验

在原始图像上随机选取海岸线点，通过查看Google Earth 上对应位置的高分辨率遥感图像(部分解译的重点、难点区段请有经验的遥感专家进行解译)，在各时段图像上每种海岸类型选取30个像元点进行检验。结果表明，基岩岸有个别错分为沙砾质岸，人工岸中的养殖岸线有个别错分为淤泥质岸，但总体精度高于90%;河口岸由于解译时参考了已有海岸线，提取的总体精度高于85%;沙砾质岸和淤泥质岸有部分相互错分，淤泥质岸有个别错分为红树林岸总体精度大于80%;红树林岸有个别错分为淤泥质岸，总体精度优于85%。因此，本文提取的海岸线类型总体上准确可靠。

3 海岸线演变分析

3.1 海岸线长度变化分析

各时段不同类型海岸线长度及其占珠江三角洲海岸线长度统计结果见表2。

从表2 可以看出，在研究时段内，珠江三角洲海岸线长度在1998—2003年间几乎没有多大变化，而在2003—2008年间岸线增加较多。从海岸类型来看，人工岸比例最高(达50%以上)，其次是基岩岸、河口岸、沙砾质岸和淤泥质岸，红树林岸所占比例最低;从变化幅度来看，人工岸、沙砾质岸和淤泥质岸变化较大，基岩岸变化较小，而河口岸和红树林岸几乎没有变化;从变化趋势来看，人工岸逐渐增加，沙砾质岸和淤泥质岸持续减少。

表2 各类海岸线长度统计Tab.2 Statistics of coastline length (km)

3.2 典型岸段演变分析

在研究时段内，珠江三角洲海岸线以向海延伸为主，总体表现为海岸工程建设、滩涂围垦、围海造地和人工养殖等。本文选取6个有代表性的岸段进行演变分析，详细阐述珠江三角洲海岸线的演变特点、规律和趋势。

3.2.1 南沙开发区岸线

南沙开发区岸线对应于图5 中“1”标注的位置。3个时段的影像如图6 所示。

图6 南沙开发区岸线Fig.6 Coastline of Nansha development district

该区属于广州南沙经济技术开发区，是广州近年来投资开发的重点地区，位于珠江入海口，悬浮泥沙含量较高，是出海口泥沙的主要沉积区［15－17］。河口淤积是该区海岸线变迁的主要自然因素，而人工围海造地则是该区海岸线变迁的主要原因。1998—2008年，横门岛南侧向东围海，万顷沙岛没有继续向海延伸。龙穴岛主要规划发展现代物流业，因此近期将进行港口、码头建设。1998年龙穴岛开始填海，2003年填海面积扩大，2008年南部新增填海区，海岸线向南延伸。该区海岸线虽然进一步向海延伸，但相比1978—1998年的海岸线变化，幅度有所下降，海岸线向海延伸速率有所放慢［6，9］。

3.2.2 珠海唐家湾岸线

珠海唐家湾岸线对应于图5 中“2”标注的位置。3个时段的影像如图7 所示。

图7 珠海唐家湾岸线Fig.7 Coastline of Tangjiawan in Pearl River City

该区位于珠海市唐家湾地区，2007年9月，《珠海市唐家湾分区规划》明确提出将进行填海建设，城市建设面积增加22 km2。从图7 可以看出，1998—2003年金星港围海养殖，海岸线向海延伸，唐家湾地区南面海湾处开始填海;2003—2008年唐家湾南面海湾处继续填海，东部也开始向东南方向填海。1998—2008年总的填海面积约3.5 km2。唐家湾地区填海还将继续，未来填海区为金星港围海养殖区。

3.2.3 珠海高栏港岸线

珠海高栏港岸线对应于图5 中“3”标注的位置。3个时段的影像如图8 所示。

图8 珠海高栏港岸线Fig.8 Coastline of Gaolan port in Pearl River City

该区属于珠海市高栏港经济区，规划建设成为现代化港口新区。1998年高栏港还未开工建设，珠海港西北方向为滩涂区;2003年高栏港开始围海造地，高栏岛西面开始工程建设，珠海港西北方向滩涂区被围垦为养殖区;2008年高栏港大面积围海造地，整个高栏港湾有合围之势，珠海港也进一步扩建，高栏岛西面开始围海造地。未来高栏港、珠海港和高栏岛将会进一步围海造地。

3.2.4 台山黄茅海岸线

台山黄茅海岸线对应于图5 中“4”标注的位置。3个时段的影像如图9 所示。

图9 台山黄茅海岸线Fig.9 Coastline of Huangmaohai in Taishan City

该区位于珠江入海口的崖门和虎跳门的西侧，面向黄茅海，海岸类型为淤泥质海岸，海岸线变迁主要是滩涂围垦和人工养殖，表现为不断向海一侧延伸扩展趋势。

3.2.5 深圳蛇口半岛岸线

深圳蛇口半岛岸线对应于图5 中“5”标注的位置，3个时段的影像如图10 所示。

图10 深圳蛇口半岛岸线Fig.10 Coastline of Shekou in Shenzhen City

该区为深圳蛇口半岛地区，是深圳重要的加工和贸易区。1998—2003年前海的养殖岸线向海延伸，后海开始填海造陆。2003—2008年前海人工养殖区被填，且海湾南、北两端向中间填充，未来整个海湾将被合围，海岸线也将被裁弯取直;妈湾也有工程建设，海岸线向西南方向延伸;赤湾继续向海延伸;后海完成填海。但1998—2008年蛇口港变化不大。

3.2.6 惠州大亚湾岸线

惠州大亚湾岸线对应于图5 中“6”标注的相应位置。3个时段的影像如图11 所示。

图11 惠州大亚湾岸线Fig.11 Coastline of Dayawan in Huizhou city

该区为惠州大亚湾石化工业区，是惠州市“十一五”重点发展的石化工业基地。1998 和2003年大亚湾海岸还是淤泥质岸，但2003年靠近海岸区域已有工程建设，到2008年工程建设已初具规模，海岸线向海最大延伸1 300 m。

从以上典型岸线的海岸线演变可以看出，珠江三角洲海岸线变迁的主要驱动因素是人为造地。

4 结论与展望

4.1 结论

1)根据海岸类型特点，建立遥感解译标志，采用人工目视解译和计算机自动提取相结合方法，得到了3个时段的海岸线，各类海岸线提取的总体精度优于80%，结果较为准确、可靠。

2)珠江三角洲海岸线在1998—2003年间几乎没有多大变化，而2003—2008年间岸线增加较多，主要是人工岸的增加。

3)在珠江三角洲海岸线类型中，人工岸所占比例最高(达50%以上)，其次是基岩岸、河口岸、沙砾质岸和淤泥质岸，红树林岸占比例最低。

4)珠江三角洲海岸线以向海延伸为主，总体表现为海岸工程建设、滩涂围垦、围海造地、人工养殖等。人为造地是海岸线变迁的主要驱动因素。

4.2 展望

1)受遥感数据空间分辨率(10 m 和30 m)的限制，本文所提取的海岸线还存在一定的误差，但用于分析整个珠江三角洲岸线的变迁趋势和规律是完全可行的。随着SPOT5(2.5 m)，IKONOS(1 m)和QuickBird/WorldView(亚米级)等高空间分辨率遥感图像的应用，利用遥感图像提取海岸线的精度将会大大提高。同时，随着遥感图像处理算法的不断发展，也会有新的海岸线提取方法，如元胞自动机方法［18］、岸线追踪［19］、几何活动轮廓模型［20］等。

2)大量的围海造地和工程建设必然会对沿海环境带来影响，如海水污染、河口区河道延长和变窄带来的排洪不畅、洪涝等。未来将进一步研究海岸线变迁带来的环境问题以及可能的解决方案，加强环境保护，走社会经济可持续发展之路［21－22］。

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