基于遥感的北部湾茅尾海岸滩时空变化研究

杨钰文 ，卢 远 ，2*，黄 萍

（1. 南宁师范大学 地理科学与规划学院， 广西 南宁 530001；2. 北部湾环境演变与资源利用教育部重点实验室，广西 南宁 530001）

水资源是连接自然环境与人类社会的关键纽带[1]。受全球气候变化与人类活动等因素的影响，世界上许多河流的入海水沙通量急剧减少[2-5]。这不仅影响近岸海域的盐度、悬沙浓度和营养物质浓度，而且还会引起河口浅滩淤涨速率改变、河口水下三角洲发育、海岸线变迁，最终造成海湾生态环境的变化[6-9]。这些情况成为了当前地球科学，尤其是国际地圈——生物圈计划之“海岸带陆海相互作用”（IGBP-LOICZ）研究的热点。海岸带是人类社会经济高度集中分布的地区，海岸线的变化对港口的安全、海岸带生态环境的改变、滨海土地的侵蚀都有着极其重要的影响。潮滩是河流来沙堆积的主要场所，是潜在的土地资源，对入海水沙变化的反应十分敏感[10-11]。因此，在变化环境下探讨岸线以及潮滩的演变规律尤为重要。

目前，常用的海岸线变化特征分析方法有叠加分析法、多重缓冲区法、动态分割法、基于点的计算和基于剖面的计算等[12]。其中，基于剖面的计算方法可同时在多层空间尺度上进行，对岸线变化特征的刻画更为深刻与全面，其具体的速率计算方法又分为端点速率、平均速率、线性回归速率与加权线性回归速率4 种。端点法的计算量最小，仅需两个时期的历史海岸线就可计算岸线的长期变化特征。线性回归法根据统计原则求得对应所有数据的最佳趋势线，可较好地反映岸线变化的总体趋势。因此，将端点法和线性回归法相结合，能够很好地计算出岸线的时空变化特征[13]。因潮滩地理位置特殊，受潮位影响较大，大部分为测绘的“盲区”。基于遥感的潮滩范围获取大多是对瞬时水边线的分析、校正来获取的[14-16]。基于遥感瞬时水边线获取潮滩范围的方法操作较复杂、效率较低。为此，本文依据滩涂与水体的光谱差异，建立了新遥感指数—滩涂指数（Tidal Flat Index， TFI），用以自动获取出露水面潮滩范围。该方法无须判定水边线，操作简便，为潮滩的长时间、大面积变化监测提供了新思路。

在自然与人类活动双重影响的背景下，广西海岸环境呈现脆弱性[17]，岸线冲淤交互存在、平直化趋势明显[18]，滩涂面积递减[19-20]，近海水质恶化[21]等等。这一系列变化直接影响着岸线、潮滩冲淤的演变规律，胁迫海岸带地区动植物生长，最终将导致海岸带生态环境破坏[17]。北部湾茅尾海地处广西海岸带北部，深入内地，受人类活动影响强烈。近年来，茅尾海沿海流域的河流水文一致性发生显著改变，入海水沙通量呈减少趋势[22-23]。为探讨在变化的环境下茅尾海海湾对河流来水来沙减少的响应，以茅尾海岸线和河口潮滩作为研究对象，利用DSAS 软件中的端点法和线性回归法分析岸线的时空分布，采用新遥感指数反演多年河口潮滩面积，并辅以潮位数据揭示了潮滩的变化趋势，最后分析总结了在变化环境下茅尾海岸线与河口潮滩的演变规律，由此为茅尾海未来发展规划提供科学依据。

1 研究区和数据来源

1.1 研究区概况

茅尾海地处广西壮族自治区南部，为钦州湾内湾（108°28′～108°37′E，21°46′～21°54′N），其东面、西面、北面均与陆地相邻，如图1 所示。据《中国海湾志》记载[24]，茅尾海海岸线总长约115.15 km，沿岸以淤泥质海岸为主，兼有基岩和沙质、沙泥质岸的共同特征，其中东侧海岸（钦江区域）受侵蚀，而西侧海岸（茅岭江区域）发生沉积。茅尾海入湾径流包括钦江和茅岭江，两江携带来的泥沙在河口区附近沉积并且不断向海推进发展，形成大片沙质和泥质浅滩，孕育了丰富的海岸滩涂资源。茅尾海海域潮流属不规则全日潮，因地形较平坦，潮滩在高潮时部分被淹没，低潮时出露。由于潮滩分布广，湾内生长有大片的红树（Rhizophora apiculata Bl），林间夹长有 茳 芏 （Cyperus malaccensis）， 白 鹭（Egretta garzetta），蓑衣鹤（Anthropoides virgo），以及大量种类繁多的鱼虾贝类等生物生活在其中，盛产大蚝（Ostrea gigas thunberg），青蟹（Scylla serrata），对虾（Penaeus orientalis）和石斑鱼（Epinephelus spp）。同时，江海两水交融，导致湾内盐度较低，有利于渔业生态旅游的发展，例如湾内拥有自治区级重要的大蚝养殖基地。2010 年以来，钦州市出台了《茅尾海综合整治规划》，通过综合整治进一步保护茅尾海的海洋资源和生态环境，建设宜商宜居海湾城市，进一步推进钦州港口、新城、产业的快速发展。

图1 研究区Landsat 影像图

1.2 数据来源

本文采用的遥感数据共计149 期，其中Landsat系列有110 期，环境星有39 期。Landsat 系列卫星包括 TM、ETM+、OLI，时间分辨率为 16 d，空间分辨率为30 m，时间序列为1990—2018 年，数据来源于美国地质调查局（USGS）和地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/）；环境星作为影像数据插补，时间分辨率为4 d，空间分辨率为30 m，时间序列为2009—2018 年，数据来源于中国资源卫星应用中心（http：//www.cresda.com/CN/）。此外，还用到茅尾海湾内龙门港历史实测潮位数据，时间跨度为1990—2018 年，参见海洋出版社整编的《潮汐表》[25]；以及覆盖茅尾海的历史海图资料（来源于中国人民解放军海军海道测量局），该海图为1965—2016 年测量数据整理得出，包含湾内水深、地形等信息。

2 研究方法

2.1 海岸线提取与分析方法

选取23 期质量较高、时间跨度为1990—2018年的Landsat 影像，结合实地调查资料、潮位信息，采用人机交互的方法对茅尾海海岸线进行解译。最后，利用数字化海岸线分析系统（Digital Shoreline Analysis System，DSAS）对茅尾海历史海岸线变化趋势进行分析。

DSAS 是ESRI ARCGIS 的一个附加组件，它可以利用多个历史海岸线数据来计算出海岸线变化速率，其基本原理是通过历史海岸线到基线的距离不同来描述海岸线的变化情况。DSAS 包含13 个计算海岸线变化速率的指标，本文选取线性回归变化速率和端点变化速率来描叙茅尾海岸线的时空变化。该DSAS 模型中参数设置如下：因岸线较曲折，共设置6 条基线，均位于海上（Offshore）；两条剖面线之间的平均间隔为100 m，剖面线长度为1 800 m，其他设置默认。依据海岸线的剖面线与研究区地理事物空间位置关系，将研究区域海岸线划分为3 部分：西湾茅岭江区域（剖面线序号：1 号—152 号），湾顶北部区域（剖面线序号：153 号—466 号）以及东湾钦江区域（剖面线序号：467 号—638 号），如图2 所示。

图2 茅尾海岸线分区示意图

2.1.1 线性回归变化速率（Linear Regression，LRR）LRR 是以时间为自变量，岸线到基线的距离为因变量，利用最小二乘法来拟合出线性方程，最终计算出岸线的变化速率。LRR 能够拟合出所有年份海岸线变化情况。其方程可以表示为[26]：

式中：y 是一个因变量，表示海岸线到基线的距离；x 为自变量，表示年份；a 为拟合的常数截距；b是回归斜率，表示每个单位x 变化所对应的y 变化，即LRR。

2.1.2 端点变化速率（End Point Rate，EPR） EPR是指两个时期岸线之间距离的变化速率，它可以对两条海岸线直接进行计算分析。公式如下：

式中：i 表示最远年份海岸线与剖面线相交的点，j 表示最近年份海岸线与剖面线相交的点；EPR(i,j)表示自最远年份海岸线到最近年份海岸线的终点变化率，即EPR；di和dj分别表示最远年份和最近年份的海岸线到基线的距离；ΔY(j,i)表示最近年份与最远年份之间的时间间隔。

2.2 滩涂指数（Tidal Flat Index，TFI）

制作覆盖研究区域内边长为1 000 m ×1 000 m的渔网，以每个渔网的中心作为取样点，结合影像数据、对应潮位信息、历史海图资料对取样点进行解译并判定为潮滩或水体，取样点分布如图3 所示。将在室内判读的取样点进行实地考察，最终判定水体为87 个样点，潮滩为61 个样点，提取取样点所对应的蓝（Blue）、绿（Green）、红（Red）、近红外波段（NIR）的反射率，结果如图4～图5。潮滩取样点中，NIR 的值总体上均大于 Red、Green、Blue 的值；在水体取样点中，NIR 的值总体上均小于Red，Green，Blue 的值。基于此建立遥感指数 TFI（TFI1，TFI2，TFI3），公式如下：

图3 取样点分布图

图4 水体取样点各波段反射率对比

图5 潮滩取样点各波段反射率对比

式中：ANIR为近红外波段反射率值；BBlue为蓝光波段反射率值；BGreen为绿光波段反射率值；BRed为红光波段反射率值。

图6 取样点TFI 值分布

计算影像的TFI 值，将取样点TFI 值导出，如图6所示，潮滩取样点的TFI 值整体上均大于1，水体取样点的TFI 值整体上小于1，因此，设置TFI 阈值为1 以区分潮滩和水体。

对比 TFI1≥1，TFI2≥1，TFI3≥1 这 3 个表达式提取潮滩分布的效果。利用潮滩误差与水体误差作为误差评判标准，潮滩误差即将潮滩错分为水体的点占总量的百分比，水体误差即将水体错分为潮滩的点占总量的百分比。分别计算3 个表达式出现误差的点，误差信息如表1 所示，可知表达式TFI1≥1 提取潮滩的精度最佳。

表1 潮滩提取表达式精度评价表

3 结果分析

3.1 茅尾海岸线时空变化分析

图7 茅尾海岸线变化率

图8 茅尾海岸线变化强度分布图

利用EPR 和LRR 指标对1990—2018 年的茅尾海岸线进行分析研究。结果表明：茅尾海岸线总体上呈现出向海推进的趋势，尤其东西两侧的钦江区域和茅岭江区域；北部区域则保持相对稳定的状态，详见图7。以LRR 为指标，茅尾海岸线变化强度分为：高变化（LRR≤-20 m/a）、中变化（-19 m/a≤LRR≤-10 m/a）、低变化（-9 m/a≤LRR≤4 m/a）。高变化主要集中在钦江区域中部，中变化大部分分布在茅岭江区域中下部以及钦江区域中部，详见图8。

3.1.1 钦江区域岸线 对钦江区域岸线的高、中变化区域进行分析，计算每条岸线到基线的距离再求平均值，即找出岸线变化率开始突变的年份，结果如组图9 所示，得出钦江高变化区域岸线在2013年出现大幅度向海推进的趋势；中变化区域岸线在2001 年和2015 年出现幅度向海推进。结合岸线突变年份和已有海岸线数据将钦江区域岸线变化时期分为 1992—2011 年、2012—2013 年、2014—2018年；经计算，这3 个时期EPR 的年平均变化率分别为：-0.15 m/a，-0.78 m/a，-0.98 m/a。因此，钦江区域岸线集中在2013 年起大幅度向海推进，岸线变化率显著增大。

图9 1992-2018 年钦江区域岸线到基线距离变化情况

3.1.2 茅岭江区域岸线 对茅岭江区域岸线的高、中变化区域进行分析，计算每条岸线到基线的距离再求平均值，结果如图10 所示，得出茅岭江高变化区域岸线在1998 年出现大幅度向海推进的趋势中变化区域岸线在2001 年出现幅度向海推进。结合岸线突变年份和已有海岸线数据，将茅岭江区域岸线变化时期分为 1992—1998 年，1999—2001 年 ，2002—2018年，经计算，3 个时期EPR 的年平均变化率分别为：-0.043 m/a，-0.76 m/a，-0.18 m/a。因此，茅岭江区域岸线集中在2001 年前后向海推进速率增大，岸线变化率发生突变。

图10 1992—2018 年茅岭江区域岸线到基线距离变化情况

3.2 茅尾海潮滩演变趋势分析

3.2.1 茅尾海潮滩时空变化 因茅尾海地形坡度较平缓，潮滩受潮位影响较大，本文所提取的潮滩面积仅为出露水面部分，即对研究区域进行海陆分离而获取潮滩面积，并辅以广西龙门港验潮站数据进行分析。为剔除岸线冲淤影响，潮滩研究部分采用统一海岸线作为河口潮滩范围。通过计算广西龙门港验潮站1990—2018 年的潮位资料，茅尾海平均大潮高潮位为510.1 cm，茅尾海全部有效影像中最高潮位影像为 2005 年 10 月 11 日 2：59：05（UTC）的TM 影像，对应潮位501.0 cm，由此绘制茅尾海河口潮滩研究范围，如图1 所示。

利用ENVI 批处理工具按TFI1公式对149 期影像进行潮滩面积提取，结果显示如图11 所示。潮滩面积和潮位呈明显的反关系，高潮位对应低潮滩面积，1991 年以来茅尾海的潮滩面积一直表现为剧烈波动，2013—2018 年的数据组合波动形态发生明显改变。

图11 茅尾海历史潮滩面积与潮位变化趋势图

目前针对这种时间间隔不统一的数据波动形态尚未有有效的定量评价方法，故选取潮位相近的两组影像对进行定量分析，结果如表2、图12 所示。1991—2016 年茅尾海潮滩面积明显下降，在潮位均为197 cm 水平下，1991 和2016 年茅尾海潮滩面积分别为60.92 km2和36.28 km2，25 年间茅尾海潮滩面积减少了40.45%。结合潮位193.0 cm 和191.6 cm水平的一对影像可以看出，茅尾海潮滩面积变化集中于 2010—2015 年，5 年内潮滩面积减少了41.04%，同时也印证了图11 中数据波动形态在2013 年后出现明显变化的论点。

3.2.2 茅尾海潮滩变化驱动因素 从图12 可知，钦江区域潮滩形态人类活动痕迹较明显，而茅岭江河口三角洲处潮滩冲刷形状较自然。2010 年钦州市出台了《茅尾海综合整治规划》，对钦江河口淤泥滩进行了三期工程的清淤整治，钦江河口淤泥滩的冲刷形态主要来源于人为清淤工程[27]。

表2 茅尾海相近潮位影像对信息表

图12 茅尾海相近潮位历史影像对比图

从时间和空间上剔除清淤工程的影响，选取2013 年之前的两对潮位相近的影像进行对比分析，详见图13。茅尾海潮滩面积在缓慢减少，尤其在茅岭江处的河口三角洲，受到明显冲刷。如表3 所示，自1995—2009 年，14 年间潮滩面积减少 2.27%；2002—2007 年，5 年内潮滩面积减少3.74%。由此可知，茅岭江河口三角洲处受河流来沙减少的影响，三角洲形态发生变化，面积在缓慢减少。

表3 茅尾海相近潮位影像对信息表

图13 茅尾海相近潮位历史影像对比图

4 讨论

4.1 钦江区域岸滩变化因素分析

20 世纪90 年代以来，钦江区域岸线，自2013年起大幅度向海推进；钦江区域潮滩也是在2013年起面积显著减少，钦江区域岸线与潮滩变化具有一致性。从岸滩的突变年份来看，其变化主要是受人类活动的影响。根据2010 年钦州市出台的《茅尾海综合整治规划》，茅尾海东部区域设置了滨海新城启动区以及人工沙滩建设区，同时为改善水动力条件，加大了航道水深以及船舶的通行能力，茅尾海进行了航道及浅滩清淤工程，分三期实施[27]。因此，受填海造陆以及清淤工程影响，钦江区域岸线在2013 年起大幅度向海推进；茅尾海潮滩面积在2013 后急剧减少。

4.2 茅岭江区域岸滩变化因素分析

西部茅岭江河口处为红树林保护区，生态良好、人为活动较弱。从水动力的角度来分析，其岸滩变化主要受河向来沙减少的影响。茅尾海为半封闭式的内海海湾，北部有钦江与茅岭江汇入，南部出海口狭窄，湾内泥沙主要为河向来沙，受海外作用影响较小。湾内动力以径流和潮流为主，其中落潮流大于涨潮流，夏季大于冬季，湾内悬沙输送方向与余流方向一致，无论冬夏季均有向茅岭江区域运输[28]，因此，茅岭江区域岸线处一直处于淤积状态。据资料记载，钦江和茅岭江两河1955—1982 年间的年平均径流量和年平均输沙量分别为48.60 亿m3和101.80 万t（珠江流域水文资料，1955—1982）；中国海湾志中记载钦江和茅岭江两河年平均径流量和年平均输沙量分别为27.3 亿m3和58.85 万t（中国海湾志编委会，1993）。所以，钦江和茅岭江入海水沙通量呈减少趋势。当河流来沙减少时，来沙量小于海洋动力携沙量，三角洲遭受冲刷，冲刷后的淤泥因湾内径流、潮流作用等影响堆积至茅岭江岸线处，导致茅岭江区域岸线变化率发生变化。

综上所述，在变化的环境背景下人类活动对河口岸滩的影响远远大于其他自然因素的影响。河口潮滩对河流水沙响应的敏感性大于岸线，只有当时间和空间尺度足够大时，河流水沙通量减少对河口岸线、潮滩的影响才能得到充分体现。因此，在一个入海河流系统中，当河流水沙通量发生变化时，河口岸线和潮滩的演变规律就会发生改变（这一改变存在一定的滞后性），海湾生态系统随之遭受影响。

5 结论

本文基于Landsat 以及国产环境星，通过数字化海岸线分析系统和建立的新遥感指数：滩涂指数，结合历史潮位数据的分析和讨论，可得以下结论：（1）1990—2018 年，北部湾茅尾海岸线总体呈现出向海推进的趋势。受填海造陆影响，钦江区域岸线在2013 年向海推进速率增大；因潮流和波浪等作用，茅岭江区域岸线一直处于淤积状态，2001 年前后受河流来沙减少的影响，岸线向海推进速率发生突变；（2）受清淤工程影响，茅尾海潮滩受到明显冲刷，2013 年后面积显著减少。从时间和空间上剔除清淤工程的影响来分析，茅尾海潮滩受河流来沙减少的影响相对较弱，受河流来沙减少影响较明显区域在茅岭江河口三角洲处；（3）依据潮滩和水体光谱的差异性建立新遥感指数—滩涂指数（包含TFI1，TFI2，TFI3），实现自动化提取出露水面潮滩范围。该方法与现有方法相比具有工作量小、效率高、数据易获取、提取精度较高等优点，为潮滩长时间序列、大面积范围的研究提供新的方法。该方法的不足就是只能提取出露水面部分的潮滩，水下部分潮滩的提取有待深入研究。