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近40 年苏北海岸线时空动态变迁分析

崔红星 汪驰升 杨红 胡忠文 王春峰

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近40 年苏北海岸线时空动态变迁分析

    作者简介: 崔红星(1985-),男,河南永城人,硕士,研究方向为海洋环境遥感,E-mail:1492143326@qq.com;
    通讯作者: 汪驰升(1988-),男,江西抚州人,助理教授,博士,主要研究方向为新型遥感数据处理应用,E-mail: wangchisheng@163.com
  • 基金项目: :国土资源部城市土地资源监测与仿真重点实验室开放基金资助课题项目(KF-2018-03-004);国家自然科学基金(41974006);深圳市科创委研究项目(KQJSCX20180328093453763,JCYJ20180305125101282);深圳大学教师启动项目(2018073)

Analysis of spatiotemporal dynamic changes of the north Jiangsu coastline in the past 40 years

  • 摘要: 海岸线对海平面上升、海岸侵蚀、港湾淤积、湿地生态资源和近海海域环境等具有重要指示作用。利用遥感(remote sensing, RS)和地理信息系统(geographic information system, GIS)技术获取苏北海岸在1978年至2018年5期海岸线数据,对海岸线长度变化、岸线速率变化以及岸线类型转变进行分析,并以河口为分界点对岸线变迁特征分段分析。结果表明:(1)40 年间研究区岸线总长度大致呈现递减趋势,岸线类型变化较为明显,随时间推移人工岸线和自然岸线分别表现为增长和削弱的趋势。(2)研究区在1978年至2018年,海岸线向海域推进速率远大于海岸线向陆域推进速率。(3)1978年至1988年,射阳河口至新阳港口之间的海岸线推进速率最为明显,主要以自然淤长的方式向海域推进,岸线平均端点速率(end point rate, EPR)为281.4 m/a;在1988至1998年,新阳港口到斗龙港口之间岸线推进速率最为明显,主要以自然淤长方式向海域推进,平均EPR为535.5 m/a;在1998年至2008年,斗龙港口到大丰港口之间岸线推进速率最为明显,主要以人工围垦方式向海域推进,平均EPR为502.1 m/a;在2008年至2018年,梁垛河口到方塘河口之间岸线推进速率最为明显,主要以人工围垦方式向海域推进,平均EPR为347.7 m/a。
  • 图 1  研究区域位置

    Figure 1.  The location of study area

    图 2  苏北海岸实地勘测点分布

    Figure 2.  Distribution of field investigation points on the coast of northern Jiangsu

    图 3  研究区域人工岸线和自然岸线分布

    Figure 3.  Distribution of artificial coastline and natural coastline on study area

    图 4  1978—1988年研究区域岸线速率和距离变化状况

    Figure 4.  Study of regional coastline rate and distance changes during the period 1978-1988

    图 5  1988-1998年研究区域岸线速率和距离变化状况

    Figure 5.  Study of coastline shoreline rate and distance changes during the period 1988-2008

    图 6  1998—2008年研究区域岸线速率和距离变化状况

    Figure 6.  Study of regional coastline rate and distance changes during the period 1998-2008

    图 7  2008—2018年研究区域岸线速率和距离变化状况

    Figure 7.  Study of regional coastline rate and distance changes during the period 2008—2018

    表 1  不同类型的人工岸线精度验证

    Table 1.  Accuracy verification of different types of artificial shoreline

    岸滩类型验证点数最大值/m最小值/m平均值/m标准差/m
    盐养围堤岸线19721.430.319.613.77
    港口码头岸线1119.390.522.962.15
    河流河堤岸线618.330.784.222.98
    建设围堤岸线2420.010.383.072.01
    道路海堤岸线6119.220.633.161.89
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    表 2  各类型人工岸线长度 单位:km

    Table 2.  Length of different types of artificial shoreline uint: km

    年份盐养围堤海岸道路海堤海岸建设围堤海岸港口码头海岸河流河堤海岸总计
    197870.2648.989.230.0010.44138.91
    50.58%35.26%6.64%0.00%7.51%
    198868.1232.2610.250.0011.10121.73
    55.96%26.50%8.42%0.00%9.12%
    199865.8826.239.980.006.93109.02
    60.43%24.06%9.15%0.00%6.36%
    200892.0624.7312.644.3316.05149.81
    61.45%16.51%8.44%2.89%10.71%
    201896.0330.2312.045.2318.20161.73
    59.38%18.69%7.44%3.23%11.25%
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    表 3  研究区域各时期端点速率(EPR)最大值和最小值 (单位:m·a−1

    Table 3.  Maximum and minimum values of EPR for each time-period of the study area (unit:m·a−1

    时间区间EPR扁担河口射阳河口新洋港口斗龙港口大丰港口梁垛河口方塘河口
    1978-1988年Max EPR(海域推进)9.55881.941004.90554.82547.94271.83316.29
    Min EPR(陆域侵蚀)−16.38−7.44−80.70−31.47−10.00−39.50−37.87
    1988-1998年Max EPR(海域推进)176.97256.04323.95869.4344.70419.72470.83
    Min EPR(陆域侵蚀)−18.65−20.80−93.85−334.08−277.98−11.44−12.78
    1998-2008年Max EPR(海域推进)147.55138.15490.85532.58451.01689.80533.74
    Min EPR(陆域侵蚀)−51.47−39.88−64.26−8.48−81.79−20.4−69.25
    2008-2018年Max EPR(海域推进)5.92179.03173.5238.0335.24320.17234.42
    Min EPR(陆域侵蚀)−61.85−28.55−23.93−23.44−125.78−46.73−90.57
    注:Max EPR表示最大端点移动速率,Min EPR表示最小端点移动速率
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-04
  • 录用日期:  2019-10-19
  • 网络出版日期:  2020-03-04
  • 刊出日期:  2020-10-20

近40 年苏北海岸线时空动态变迁分析

    作者简介:崔红星(1985-),男,河南永城人,硕士,研究方向为海洋环境遥感,E-mail:1492143326@qq.com
    通讯作者: 汪驰升(1988-),男,江西抚州人,助理教授,博士,主要研究方向为新型遥感数据处理应用,E-mail: wangchisheng@163.com
  • 1. 深圳大学自然资源部大湾区地理环境监测重点实验室,广东 深圳 518060
  • 2. 深圳大学自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室,广东 深圳 518060
  • 3. 上海海洋大学 海洋生态与环境学院,上海201306
基金项目: :国土资源部城市土地资源监测与仿真重点实验室开放基金资助课题项目(KF-2018-03-004);国家自然科学基金(41974006);深圳市科创委研究项目(KQJSCX20180328093453763,JCYJ20180305125101282);深圳大学教师启动项目(2018073)

摘要: 海岸线对海平面上升、海岸侵蚀、港湾淤积、湿地生态资源和近海海域环境等具有重要指示作用。利用遥感(remote sensing, RS)和地理信息系统(geographic information system, GIS)技术获取苏北海岸在1978年至2018年5期海岸线数据,对海岸线长度变化、岸线速率变化以及岸线类型转变进行分析,并以河口为分界点对岸线变迁特征分段分析。结果表明:(1)40 年间研究区岸线总长度大致呈现递减趋势,岸线类型变化较为明显,随时间推移人工岸线和自然岸线分别表现为增长和削弱的趋势。(2)研究区在1978年至2018年,海岸线向海域推进速率远大于海岸线向陆域推进速率。(3)1978年至1988年,射阳河口至新阳港口之间的海岸线推进速率最为明显,主要以自然淤长的方式向海域推进,岸线平均端点速率(end point rate, EPR)为281.4 m/a;在1988至1998年,新阳港口到斗龙港口之间岸线推进速率最为明显,主要以自然淤长方式向海域推进,平均EPR为535.5 m/a;在1998年至2008年,斗龙港口到大丰港口之间岸线推进速率最为明显,主要以人工围垦方式向海域推进,平均EPR为502.1 m/a;在2008年至2018年,梁垛河口到方塘河口之间岸线推进速率最为明显,主要以人工围垦方式向海域推进,平均EPR为347.7 m/a。

English Abstract

  • 海岸线是海岸带环境的重要组成部分,受全球气候变化、海平面上升和人类活动影响,其变化具有复杂、敏感和多变的特性[1]。人类不断开发海洋,海陆相互作用逐渐加强,海岸带的开发变得尤为活跃,岸线变迁也变得剧烈且复杂。海岸线变迁蕴含着非常丰富的信息,不仅反映出人类改造利用海岸的活动,同时影响着海岸的生态环境和沿岸居民的生活发展[2]。海岸线变迁的动态监测,可为沿海地区的社会经济发展、生态自然保护、沿岸工程建设提供科学指导和决策。近年来,海岸线变迁研究引起了专家学者的广泛关注,利用遥感和地理信息系统技术提取和监测海岸线变化已成为研究热点[3-8]。朱小鸽[9]利用神经网络分类方法监测1973年、1992年、1998年珠江口海岸线变化并计算增加的面积。陈玮彤等[10]基于多源多时相遥感影像对江苏中部淤泥质海岸岸线进行了遥感监测研究。叶晓敏等[11]以渤海湾为研究区域,使用美国Landsat-5的TM影像、Landsat-7的ETM影像和中国环境卫星HJ-1A/B的CCD遥感数据为数据源,在1986至2014年对研究区域岸线长度以及岸线分形维数做解译测算,同时分析了岸线变迁主要驱动力。杨金中等[12]以杭州湾南北海岸为研究区域,使用多时相遥感影像,并根据遥感影像的时间和空间特征,了解到海岸线变迁的规律。周良勇等[13]以江苏盐城和南通海岸为研究区域,使用多时相遥感图像数据,提取出研究区域不同时期的海岸线数据,并对海岸线进行了变迁特征分析。姚晓静等[14]以海南海岸为研究区域,使用了1980、1990、2000、2010年4个时期研究区域的岸线数据,利用基线法分析了研究区域海岸线在30 年的时空变迁特征。陈晓英等[15]基于GIS软件和DSAS(digital shoreline analysis system)分析模块,以海州湾为研究区域,使用基线法和面积法对研究区域岸线变化速率和陆域面积以及岸线变迁驱动力进行了分析。彭修强等[16]以苏北废黄河三角洲海岸为研究区域,基于一般高潮线法,提取4期研究区域海岸线并进行海岸线变迁动态分析,初步探讨了海岸线变迁的主要控制因素。徐伟等[17]基于GIS/RS技术及数理统计原理对苏北废黄河口三角洲海岸进行长时间序列的海岸线变迁研究分析,结果表明,近年海岸线变迁的驱动力主要来自人类活动。

    现有研究主要从海岸线变化长度、演变速率与围垦面积的角度估算岸线演变特征。但对岸线细化分段,分析岸线在不同河口之间的时空变迁特征较少。因此,本文对苏北海岸使用1978至2018年间5期多源多时相遥感影像,基于RS技术进行海岸线信息提取,并基于GIS技术分析在人类活动和自然驱动力影响下不同河口间岸线长度变化、岸线类型转变及时空变迁特征。

    研究区域位于盐城市射阳县到东台市之间,向南至方塘河口沿海区域,向北至扁担河口沿海区域,向东比邻黄海。其范围在119°52′ E-121°11′ E和32°30′ N-34°18′ N之间的区域,该区域为苏北海岸河口分布较密集岸段。研究区域范围如图1所示。

    图  1  研究区域位置

    Figure 1.  The location of study area

    • 根据江苏省北部沿海滩涂特征以及遥感图像成像质量,本文选取了1978年,1988年,1998年,2008年和2018年的多源多时相遥感图像,所选影像云量均小于5%。LandSat系列影像包括1978年MSS影像,1988年、1998年和2008年TM影像,2018年选取遥感影像数据为Sentinel-2A的MSI影像。

      为准确获取海岸线解译标志,对解译结果进行验证,分别于2017年和2018年进行每年4季度野外勘测,共获取约300个点位数据。野外勘测采集数据主要用于建立岸线解译标志和几何校正的地面控制点,野外勘测点位分布如图2所示。

      图  2  苏北海岸实地勘测点分布

      Figure 2.  Distribution of field investigation points on the coast of northern Jiangsu

    • 在水边线提取过程中,由于不同传感器所获取遥感影像分辨率不一致,为保证水边线提取一致性。在对遥感影像预处理基础上。首先,以60 m分辨率多光谱影像为基准,对空间分辨率20 m和30 m多光谱影像使用三次卷积方法做降采样,获取60 m分辨率多光谱影像。其次采用面向对象方法,在对各时期遥感影像进行多尺度分割的基础上,使用阈值分割法并经后处理获取水边线。依据海岸线遥感特征并结合实地调查数据、海图等资料,将海岸线分为自然岸线和人工岸线,其中人工岸线为盐养围堤岸线、港口码头岸线、河流河堤岸线、建设围堤岸线和道路海堤岸线,自然岸线为淤泥质岸线[18]。不同类型海岸线根据地物特征采用不同遥感解译标志进行提取:

      (1)盐养围堤岸线:指由滩涂水产养殖堤坝或盐田堤坝形成的海岸线。

      (2)港口码头岸线:指沿港区岸边布置的永久沿海构造形成的海岸线。

      (3)河流河堤岸线:指河岸的海岸线,位于海口,沿河两岸大致平行。

      (4)建设围堤岸线:指用于城镇,景观或海洋休闲娱乐场所建设挡水护岸结构形成的人工海岸线。

      (5)道路海堤岸线:指临海修建可以通达车辆的海岸线。

      (6)淤泥质岸线:以潮滩上生长的植被向海一侧外界所在位置作为海岸线。

      在基于面向对象提取水边线基础上,根据上述海岸线解译标志,在ArcGIS中修正自动提取的水边线。为确保不同海岸线位置和未改变区域属性之间的一致性。首先修正2018年海岸线,其次根据2018年海岸线数据对其余4个时期海岸线进行修正。

    • 本文采用DSAS模块计算岸线平均端点变化速率[19],用于描述一定时间内岸线空间位置变化状态。其基本分析原理,首先设置一条用于海岸线变迁分析的基线即岸线基线,本文中的基线以1978年海岸线向陆域方向缓冲500 m获取,岸线基线长度267.21 km。沿着岸线基线向海域方向作垂线段获取断面,为获取较高的断面覆盖度,本文断面间隔设置为500 m,断面长度设置为10 km并依次编号。每个断面与各个时期的海岸线相交,通过交点之间距离计算海岸线平均端点速率EPR。端点速率EPR计算公式为:

      式中:${E_{i,j}}$为相邻年份间沿某条线切线的岸线端点变化速率;dj为沿某条切线的j期海岸线到基线距离;di为沿某条切线的i期海岸线到基线的距离;$\Delta {Y_{j,i}}$为沿某条切线第j期与第i期海岸线年份数的差值。

    • 本文使用野外勘测的实测点对提取的不同类型人工岸线进行精度验证,为体现验证客观性,使用与采集实测点的同期2018年岸线作为被验证的岸线数据。通过使用ArcGIS的近邻分析工具,分岸线类型计算出各个实测点离岸线的最近距离,对计算结果的最小值、最大值、平均值和标准差做统计分析,精度验证结果见表1。五种类型的人工岸线验证结果误差均小于1个像元。为明确淤泥质岸线的提取结果,将淤泥质岸线与同期亚米级的Google Earth卫星影像做叠加分析,淤泥质岸线与遥感影像吻合较好。海岸线提取结果总体可以满足对研究区域的岸线分析需求。

      岸滩类型验证点数最大值/m最小值/m平均值/m标准差/m
      盐养围堤岸线19721.430.319.613.77
      港口码头岸线1119.390.522.962.15
      河流河堤岸线618.330.784.222.98
      建设围堤岸线2420.010.383.072.01
      道路海堤岸线6119.220.633.161.89

      表 1  不同类型的人工岸线精度验证

      Table 1.  Accuracy verification of different types of artificial shoreline

    • 随时间推移,人工岸线长度整体呈现先减少后增加趋势,自然岸线长度整体大致呈现减少趋势。以1998年为时间节点,之前人工岸线和自然岸线均呈递减趋势,1978—1988年人工岸线长度减少17.18 km,自然岸线长度减少7.79 km,1998年相对于1988年人工岸线长度减少12.71 km,自然岸线增加23.24 km;1998年后自然岸线长度呈递减趋势,人工岸线长度转而增加,2008年对于1998年人工岸线长度增加40.79 km,自然岸线长度减少64.21 km,2018年相对于2008年人工岸线长度增加11.92 km,自然岸线长度减少9.38 km。如图3所示。

      图  3  研究区域人工岸线和自然岸线分布

      Figure 3.  Distribution of artificial coastline and natural coastline on study area

      对研究区域盐养围堤海岸、道路海堤海岸、建设围堤海岸、港口码头海岸和河流河堤海岸的岸线长度进行统计分析,不同类型人工海岸线的长度及占比见表2。其中盐养围堤海岸为研究区域主要的人工海岸类型,占比最大,随着时间的推移,盐养围堤海岸线长度呈现增长趋势;其次是道路海堤海岸线占比少于盐养围堤海岸线,道路海堤海岸线长度随时间增加整体呈现下降趋势;建设围堤海岸线和河流河堤海岸线占比相近,且两者随时间变化趋势较小;港口码头海岸是人工海岸类型中占比最小的海岸类型,且在1978—1998年无港口码头海岸,2008年至2018年期间出现小部分的港口码头海岸。

      年份盐养围堤海岸道路海堤海岸建设围堤海岸港口码头海岸河流河堤海岸总计
      197870.2648.989.230.0010.44138.91
      50.58%35.26%6.64%0.00%7.51%
      198868.1232.2610.250.0011.10121.73
      55.96%26.50%8.42%0.00%9.12%
      199865.8826.239.980.006.93109.02
      60.43%24.06%9.15%0.00%6.36%
      200892.0624.7312.644.3316.05149.81
      61.45%16.51%8.44%2.89%10.71%
      201896.0330.2312.045.2318.20161.73
      59.38%18.69%7.44%3.23%11.25%

      表 2  各类型人工岸线长度 单位:km

      Table 2.  Length of different types of artificial shoreline uint: km

    • 海岸线是一种自然动态特征,它是对一定时期内波浪、潮汐、河流输入和海平面上升等自然物理过程变化的响应。海岸线的动态变化提供了海岸带动态变化和泥沙迁移的信息[5]。在研究区域,海岸沉积物的迁移受到波浪和潮汐的动力作用,表现为泥沙冲淤和侵蚀的现象[20]。这些变化现象可以通过计算岸线端点速率对其做定量化描述。对计算的端点速率EPR进行统计,见表3。在同一河口附近,对于不同时间区间,岸线平均变化速率EPR具有较大差异。同时,在同一时间区间,不同河口间的岸线平均变化速率EPR也具有较大差异。

      时间区间EPR扁担河口射阳河口新洋港口斗龙港口大丰港口梁垛河口方塘河口
      1978-1988年Max EPR(海域推进)9.55881.941004.90554.82547.94271.83316.29
      Min EPR(陆域侵蚀)−16.38−7.44−80.70−31.47−10.00−39.50−37.87
      1988-1998年Max EPR(海域推进)176.97256.04323.95869.4344.70419.72470.83
      Min EPR(陆域侵蚀)−18.65−20.80−93.85−334.08−277.98−11.44−12.78
      1998-2008年Max EPR(海域推进)147.55138.15490.85532.58451.01689.80533.74
      Min EPR(陆域侵蚀)−51.47−39.88−64.26−8.48−81.79−20.4−69.25
      2008-2018年Max EPR(海域推进)5.92179.03173.5238.0335.24320.17234.42
      Min EPR(陆域侵蚀)−61.85−28.55−23.93−23.44−125.78−46.73−90.57
      注:Max EPR表示最大端点移动速率,Min EPR表示最小端点移动速率

      表 3  研究区域各时期端点速率(EPR)最大值和最小值 (单位:m·a−1

      Table 3.  Maximum and minimum values of EPR for each time-period of the study area (unit:m·a−1

      1978至1988年,对整个研究区域的统计表明,海岸线整体处于前进和后退的动态变化之中(图4),在射阳河口、新洋港口以及斗龙港口附近,海岸线表现为向海域推进。射阳河口和斗龙港口附近区间海岸线变化最为明显,在射阳河口到新洋港口之间,岸线变化的平均EPR为281.4 m/a,岸线变化的驱动力主要为自然淤长和人工围垦。方塘河口附近,海岸线变化特征表现为海岸线的侵蚀后退。该岸段岸线平均后退的EPR为32.4 m/a。

      图  4  1978—1988年研究区域岸线速率和距离变化状况

      Figure 4.  Study of regional coastline rate and distance changes during the period 1978-1988

      对1988—1998年整个研究区域海岸线变迁进行的统计表明,海岸线整体变迁以向海域推进为主(图5),主要驱动力为自然冲淤。在新洋港口至斗龙港口中部岸线特征表现为强烈的淤长现象,淤长平均EPR为535.3 m/a。除此之外,在大丰港口至梁垛河口之间,岸线也表现为向海域推进的现象,主要是驱动力为人工围垦和自然淤长。在斗龙港口附近存在轻微的岸线冲刷现象,使得岸线向陆域推进。

      图  5  1988-1998年研究区域岸线速率和距离变化状况

      Figure 5.  Study of coastline shoreline rate and distance changes during the period 1988-2008

      从1998—2008年研究区域岸线变迁的统计结果来看(图6),其与1978—1998年岸线变迁特征相比有较大转变。在该时期岸线向海域推进方式,以人工围垦为主。人工围垦所造成的岸线向海域推进距离远大于自然淤长带来的影响。其中以斗龙港口到大丰港口之间的海岸线变化最为显著,该区间岸线表现为向海域推进,这主要由于当时人工大规模的围海造陆活动,平均EPR高达502.1 m/a。射阳河口至新洋港口之间与大丰港口至方塘河口之间,人工围垦的强度相对较弱。在扁担河口与射阳河口之间海岸线以自然淤长的方式向海域推进。整个研究区域存在零星的岸线侵蚀现象。

      图  6  1998—2008年研究区域岸线速率和距离变化状况

      Figure 6.  Study of regional coastline rate and distance changes during the period 1998-2008

      2008—2018年研究区域岸线变迁的统计表明(图7),海岸线变迁的强度与1998—2008年岸线变迁强度相比明显减弱。但海岸线向海域推进方式依然以人工围垦为主。首先在梁垛河口至方塘河口之间,人工围垦的强度最大,其中有少部分为淤长造成的岸线推移,平均EPR达到347.7 m/a。其次是大丰港口至梁垛河口之间,人工围垦和自然淤长所造成的岸线变迁程度相当。整个研究区间的部分岸段出现少量冲刷现象,造成岸线侵蚀。

      图  7  2008—2018年研究区域岸线速率和距离变化状况

      Figure 7.  Study of regional coastline rate and distance changes during the period 2008—2018

    • (1)40 年间研究区岸线总长度大致呈现递减趋势,岸线类型变化较为明显,随时间推进人工岸线和自然岸线分别表现为增长和削弱趋势。

      (2)研究区域在1978至2018年,海岸线向海域推进速率远大于向陆域推进速率。

      (3)1978—1988年,射阳河口到新阳港口之间的推进速率最为明显,以自然淤长的方式向海推进,平均EPR为281.4 m/a;在1988至1998年,新阳港口到斗龙港口之间的推进速率最为明显,以自然淤长的方式向海推进,平均EPR为535.5 m/a;1998—2008年,斗龙港口到大丰港口之间的推进速率最为明显,以人工围垦的方式向海推进,平均EPR为502.1 m/a;2008—2018年,梁垛河口到方塘河口之间的推进速率最为明显,以人工围垦的方式向海推进,平均EPR为347.7 m/a。

参考文献 (20)

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