1990—2017 年杭州湾大陆岸线时空变迁分析

2020-12-11王力彦邢喆侯辰章任群张苗苗杨慧贤

海洋通报 2020年4期

王力彦，邢喆，侯辰，章任群，张苗苗，杨慧贤

（国家海洋信息中心，天津 300171）

大陆岸线是海陆相互交汇的界线，蕴藏着丰富的生物资源和景观资源（严恺等，2002），其时空变迁对海岸带的自然地理环境有重要指示作用，不但表现为岸线位置变迁和类型转变，还会引起海岸带滩涂资源的演化，对生物多样性、滨海湿地生态系统及近岸海洋环境产生影响，进而影响人类的生存环境（高义等，2013；杨磊等，2014）。大陆岸线信息提取与变化监测对海岸资源管理、海岸环境保护、海岸可持续发展，以及合理规划起到至关重要的作用（Li et al，2002）。改革开放以来，随着中国沿海经济带的不断发展，中国大陆岸线在自然作用和人类活动的共同影响下发生了剧烈的变化。杭州湾位于我国沿海中部，长江三角洲南翼，是钱塘江河口区外海滨部分，外形呈喇叭状，自海口向内由宽变窄。其大陆岸线类型多样，沿岸资源丰富。通过对杭州湾大陆岸线的变化监测与成因分析，可以为大陆岸线的变迁规律研究提供借鉴和参考，对于沿海生态环境保护、资源开发和可持续发展意义重大。

遥感具有宏观、高时效、可重复观测的优点（彭修强等，2014；许宁等，2016），能够快速准确地提取杭州湾大陆岸线的变化信息，从而实现海岸动态实时监测。杨金中等（2002）选用杭州湾20 世纪50—70 年代的航空摄影图像和20 世纪70年代以来的MSS、TM、IRS 卫星扫描资料，对杭州湾南北两岸的岸线进行了遥感调查，研究岸线变迁规律及影响因素，为杭州湾合理开发、管理和保护提供了依据。张华国等（2005）利用1986 年以来8 个时相的TM/ETM+遥感数据，调查杭州湾围垦淤涨情况，发现杭州湾岸线变化主要是由人工围垦和滩涂养殖引起。李建佳（2013）基于近30 年来的杭州湾地区遥感影像和两岸的历史变迁资料，系统分析了杭州湾两岸岸滩冲淤的历史和近期的演变规律。徐谅慧（2015）以1990、2000、2010 年的TM 遥感影像、野外实地考察数据、地图及其他相关参考数据等为数据源，利用3S 等技术手段，对浙江省大陆岸线的时空演化特征、空间格局及围填海格局进行了分析评价。邵明明（2016）采用历史资料和Landsat MSS、TM、ETM+遥感影像数据，分析了1962、1973、2005、2015 年4 个不同时期杭州湾海岸线的变化情况，研究近53 年岸线变迁对其内部水动力过程的影响及作用机理。叶梦姚等（2017）以1990—2015 年6 期的TM/OLI 遥感影像为数据源，利用RS 和GIS 技术，分析了浙江省大陆岸线变迁及开发利用空间格局变化。张琳等（2017）以1985、1995、2005 年TM 影像和2015年OLI 影像为数据源提取浙江省大陆岸线，分析了各期岸线长度、围填面积和土地利用类型及分形维数的变化情况。这些研究均在一定程度上涉及了杭州湾大陆岸线变化情况分析，但是也存在一些问题。主要表现在：其一，研究采用数据以中等分辨率影像为主；其二，部分研究范围为浙江全省，对杭州湾区域的分析较少；其三，部分研究受学科限制，分析方法相对单一。

本文以中、高分辨率遥感影像为数据源，分别提取杭州湾1990、2000、2005、2010、2014、2017 年6 个时期的大陆岸线，从岸线长度和岸线类型、岸线变化趋势以及岸线变化区域类型3 个方面分析其时空变迁规律和形成原因，可以掌握20世纪90 年代以来海岸开发对杭州湾大陆岸线的影响，为未来海域合理使用与开发提供参考依据。

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

图1 杭州湾地理位置示意图

杭州湾西起浙江省海盐县澉浦镇和慈溪市之间的西三丰收闸断面，与钱塘江水域为界；东至上海扬子角—宁波镇海区连线，与舟山市、北仑区海域为邻；南连宁波镇海区，北接上海金山区（图1）。其上游接入钱塘江，下游濒临东海，是比较典型的河口海湾。由于湾底的地貌地形和海湾的喇叭状外形特征，使得这里经常产生巨大海潮差，出现涌潮或是暴涨潮现象。在潮汐、风浪等水动力作用下，杭州湾南、北两岸长期受到侵蚀、淤积的作用，使其两岸岸线、潮滩发生较大的演变（李亮，2015）。

1.2 数据源

研究收集了杭州湾1990、2000、2005、2010、2014、2017 年共6 个年份的遥感影像，数据见表1。一方面，随着遥感技术的革新和新型传感器的出现，遥感影像分辨率显著提升；另一方面，所有卫星影像数据均为无云或少云遮挡，能够清晰地辨认大陆岸线所在的位置，有利于岸线的提取。

表1 遥感影像数据列表

考虑到各时期遥感影像由于传感器不同导致空间位置和分辨率存在差异，对上述数据进行标准化处理。以2005 年“我国近海海洋综合调查与评价专项”（简称“908 专项”）SPOT 5 影像数据为基准，利用ENVI 软件采用二次多项式和双线性内插重采样法，对各期影像进行几何精校正和重采样处理，得到标准化后的遥感影像，用于岸线信息提取（廖甜等，2016）。

2 大陆岸线提取方法

根据《我国近海海洋综合调查与评价专项海岸线修测技术规程》（国家海洋局908 专项办公室，2007）相关内容建立杭州湾大陆岸线遥感解译标志库（表2），采用人机交互方式采集各时期大陆岸线。具体方法是以908 专项修测岸线和海域确权数据为参考，首先确定2005 年大陆岸线位置，然后在此基础上依据遥感解译标志依次向前提取2000、1990 年大陆岸线，向后提取2010、2014、2017 年大陆岸线。为避免不同年份间主观判断不一致而造成的岸线变化干扰，仅对大陆岸线类型和空间位置发生变化的岸段进行编辑。

表2 遥感解译标志

为了定量分析大陆岸线时空变迁的成因，在岸线的基础上进一步对大陆岸线变化区域进行分类提取。大陆岸线变化区域是指两个不同年份的大陆岸线相互叠加，在岸线位置发生变化的地方围成的面状区域。大陆岸线变化区域分类体系见表3。

表3 大陆岸线变化区域类型

3 大陆岸线提取结果

分别提取杭州湾1990、2000、2005、2010、2014、2017 年6 个时期大陆岸线以及1990—2000年、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2014年、2014—2017 年间大陆岸线变化区域，并对大陆岸线变化区域进行分类，结果如图2—图4 所示。

4 大陆岸线时空变迁分析

4.1 基于大陆岸线长度和类型的分析

针对不同年份大陆岸线提取结果，统计各年份大陆岸线总长度，分析岸线长度变化趋势。基于908 专项岸线成果中自然岸线分布情况，结合遥感影像对2005、2010、2014、2017 年自然岸线分布情况进行统计，同时结合岸线总长度统计结果，研究自然岸线保有率变化情况（表4）。值得注意的是，由于1990、2000 年影像分辨率较低，为了避免由于影像误判造成的影响，暂不讨论这两个年份的自然岸线分布。

图2 杭州湾大陆岸线提取结果

图3 杭州湾大陆岸线变化区域提取结果

图4 杭州湾大陆岸线变化区域分类结果

表4 大陆岸线长度和岸线类型变化统计（单位：km）

为了直观地展示大陆岸线总长度及其类型构成的变化趋势，图5 给出了2005 年以来大陆岸线类型权重分布统计结果。

图5 大陆岸线类型权重分布统计图

结合表4 和图5 可以看出，1990—2017 年间，杭州湾大陆岸线总长度在1990—2000 年间有所减少，2000—2005 年间转而增加并达到最大值，2005 年以后又呈现出明显的递减趋势。其中，南段岸线的长度变化较之北段岸线波动较大。而2005—2014 年间自然岸线长度逐渐减少，相应的自然岸线保有率也有明显降低。2014—2017 年间，由于国家对自然岸线保护工作的重视，自然岸线长度没有发生变化，大陆岸线总长度的减少造成自然岸线保有率微弱提升。

4.2 基于大陆岸线变化速率的分析

岸线变化速率是用于分析海岸变化过程和预测海岸变化趋势的常用指标。岸线变化速率分析是利用历史岸线位置随时间的变化计算岸线变化速率的方法。采用端点速率法（黎良财等，2015）定量分析杭州湾大陆岸线变化速率过程如下：

（1）根据大陆岸线数据生成大致平行于海岸的基线，保证各期岸线均位于基线的同一侧。

（2）在基线上以等间距向大陆岸线作垂线，每一个垂线对应一个编号，任意两期岸线与垂线交点的距离，即为对应时期岸线变化距离，从而可以定量地分析任一时期大陆岸线的变迁速率。

所谓的端点速率法就是基于基线，计算两期大陆岸线在垂线上的距离与对应时期的时间间隔之间的比值，计算公式如下：

式中：EPRm（i，j）为i、j 两个时相大陆岸线在m 条基线上的变化速率，Dmj、Dmi分别为i、j 两个时相大陆岸线在第m 条垂线的交点至基线的距离，T 为i、j 两个时相的时间间隔。

本文采用端点速率法定量分析1990—2000、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2014 年和2014—2017 年杭州湾大陆岸线变化速率，结果见表5。

表5 大陆岸线变化速率统计（单位：m·a-1）

结合大陆岸线提取结果和变化速率统计结果可以看出，1990—2017 年期间杭州湾大陆岸线整体以较快的速率向海一侧推进。其中，以2000—2005 年和2005—2010 年推进速率最快，2014—2017 年推进幅度明显减弱。以河口为界，北段岸线向海推进幅度较缓，以海宁市和海盐县交界附近区域推进幅度最大。南段岸线则普遍以较大的幅度向海推进，岸线平直、整齐，说明人类活动是促使岸线向海推进的主要原因，且南岸人类活动较之北岸更加剧烈。

4.3 基于大陆岸线变化区域类型的分析

大陆岸线变化区域类型分析是通过对不同时相间大陆岸线变化区域进行分类统计以定量分析造成岸线变化的原因。其过程如下。

（1）将相邻年份的岸线进行叠加，然后由线转成面，在生成的面文件中，岸线重叠的位置为空，岸线发生变化的部分构成变化区域。

（2）对生成的岸线变化区域进行面积统计，设定阈值，对不具有统计意义的图斑予以舍弃。

（3）对b 中得到的岸线变化区域进行分类，分别统计各类型变化区域的变化面积（表6）。

可以看出，虽然4 个阶段大陆岸线变化区域围成的总面积逐渐减少，但是平均每年的变化强度却有显著的不同。其中，2000—2005 年变化最为剧烈，2005—2010 年次之，2010—2014 年和1990—2000 年变化强度一般，2014—2017 年变化最为缓慢。

此外，为了更加直观地分析造成1990—2000年、2000—2005 年、2005—2010 年、2010—2014 年、2014—2017 年间大陆岸线变化的原因，图6 展示了各阶段大陆岸线变化区域的类型分布。由于退陆还海变化区域面积极小，在图中未予显示。可以看出，填海造地在大陆岸线变化区域类型权重分布中占比高达57.88%～94.74%，是造成杭州湾大陆岸线变化的最重要影响因素。其次是围海工程，其在1990—2014 年大陆岸线变化区域类型权重分布中占比达5.26%～35.76%，在2014—2017 年间占比更是高达100%。河口变化造成的大陆岸线变化相对较少，即使在其权重分布占比最高的1990—2000 年，也仅占6.36%。