厦门大嶝岛海岸线与潮滩变迁的遥感分析-厦门大学学报自然科学版

收稿日期：2017-02-28录用日期：2017-07-11基金项目：厦门南方海洋研究中心项目（13GFW001NF15，15PZB009NF05）*通信作者：[e-mail]:10.6043/j.issn.0438-0479.201702044厦门大嶝岛海岸线与潮滩变迁的遥感分析李萌萌1,2,3，张彩云1,2,3*，林锐1（1.厦门大学海洋与地球学院，2.厦门大学福建省海陆界面生态环境重点实验室，3.厦门大学滨海湿地生态系统教育部重点实验室,福建厦门361102）摘要：利用长时序列卫星遥感影像资料，结合遥感与地理信息系统技术分析了1996年初以来厦门大嶝岛海岸线及潮滩的变迁特征。结果表明：1996—2014年间大嶝岛海岸线主要是向海扩张，尤其是东部岸线；大嶝岛西南和南部的潮滩以淤积为主，且2002—2011年间的年水平淤涨速率和沉积速率均明显大于1996—2002年；大嶝岛-2～2m之间的潮滩面积在1996—2011年间约增加了16%，而在2011—2014年减少了约41%，并以西南部和东部海域潮滩的变化最为明显。围填海、海域清淤工程等人为活动是导致近20年来大嶝岛潮滩变化的重要因素。关键词：潮滩；海岸线；围填海；大嶝岛；遥感中图分类号：P171.1文献标志码：A潮滩位于海陆交接与相互作用的地带，它随着潮汐的涨落而发生周期性的变化，涨潮时淹没，落潮时裸露出来。潮滩及周边地区自然资源丰富、生态环境复杂，它不仅拥有大量的滩涂资源，而且也拥有岛礁、沙滩、红树林以及物种丰富的海洋生物资源。可以说潮滩是海岸带湿地重要的组成部分，也是沿海地区重要的经济地带。潮滩动态变化对于航运安全、滨海旅游业发展，以及渔业生产等社会经济活动都有很大的影响。近年来，随着社会经济活动的增强，高强度大尺度的海岸带开发导致潮间带滩涂逐步被围垦侵蚀，潮滩湿地面积减少，生态环境恶化。因此，加强潮滩冲淤演变的研究对于潮滩开发利用、海洋防灾减灾以及海洋环境保护等都具有十分重要的意义。传统的潮滩调查方法多以实地调查为主，但潮滩空间范围较广，很难做到大范围的同步观测；且潮滩环境的动力条件复杂，不仅受潮流和波浪的周期性作用，也遭受偶发性的水文过程和人类活动的影响，因而潮滩地貌演变迅速。遥感是近几十年发展起来的一项高效空间探测技术，不仅可以进行大范围的监测，且可以获取长时间序列的研究数据，是传统测量方法的重要补充。因此，许多学者利用遥感技术对潮滩提取及演变过程开展了相关研究，并取得了一些进展。如吴隆业等[1]1997年利用卫星遥感重复成像的特点计算了海口港的沉积速率及沉积量；韩震等[2]2003年利用多时相遥感图像水边线高程反演技术，确定了温州地区不同部位淤泥质潮滩岸线的变化；结合星载热红外和微波数据，韩震等[3]2005年同样利用水边线高程反演技术定量评估了长江口九段沙面积的动态变迁；Liu和Li等[4]指出利用足够多的卫星影像可提取南黄海东沙岛潮滩的地形，所建立的数字高程模型误差与所获取的卫星影像数及覆盖率有关；Ryu等[5]人比较并分析了Landsat影像不同波段数据在提取GomsoBay潮滩水边线的优缺点；Natesan等[6]人利用遥感和USGS（UnitedStatesGeologicalSurvey）研发的DSAS(DigitalShorelineAnalysisSystem)模块监测分析了印度TamilNadu的海岸线变化。孙万龙等[7]基于Landsat遥感影像及地理信息系统技术，分析了黄河三角洲潮滩盐沼的景观演变与海岸线的动因关系，结果表明岸线变迁直接影响潮滩盐沼面积的增长或缩减，且在不同区域的影响程度不同。在潮滩冲淤演变研究上，Smith等人[8]利用高光谱影像研究海岸带泥滩的稳定性，其方法是通过高光谱影像提取与泥滩表面稳定相关的特性，用非监督分类法获得可以观测的专题数据和地形特征，得到地形和沉积物表面特征间的关系，然后利用多元回归分析方法计算得到泥滩所承受的侵蚀压力。Young[9]利用遥感和海图数据回顾了1950s～2000s期间韩国近岸潮滩围垦的历史，探讨了大规模围垦活动与社会经济政策的关系及其对潮滩形态的影响。李建国等[10]通过野外湿地调研与遥感影像解译相结合的方式，研究1977～2014年江苏中部潮滩湿地演化与围垦空间演变的规律，结果表明研究区潮滩面积减少的主要原因是湿地围垦速度远高于岸线淤涨的速度；围填新方法和技术的应用极大地缩短了潮滩围垦的演变路径和周期。此外，吴佳乐等[11]在研究江苏南通腰沙海域、韩志远和李孟国[12]在研究福建文渡湾等地的潮滩冲淤演变时，均充分利用了遥感和GIS技术相结合的研究方法。近年来，厦门湾围填海、航道清淤等活动频繁，对潮滩环境的影响相当大。大嶝岛作为厦门海域的第二大岛，随着厦门新机场选址大嶝岛方案的确定，该岛屿于2013年进入了大规模围填海造地建设的改造中，其海岛岸线及潮滩将面临极大的改变，因此基于RS（RemoteSensing）和GIS（GeographicInformationSystem）手段动态监测该海岛岸线及潮滩的动态变化特征，对于海岛及其滨海湿地环境保护与管理具有十分重要的意义。本研究中，我们拟充分利用Landsat多时相的遥感影像以及我国自主发射的高分及资源卫星影像数据，基于GIS技术，初步分析1996～2014年间大嶝岛的海岸线变迁、潮滩冲淤及面积的变化特征。1研究区概况大嶝岛位于福建厦门翔安区的东南海面，与旁边的小嶝和角屿一起俗称“大嶝三岛”。大嶝岛面积约13多平方公里，与金门岛最近距离不到2000米。大嶝岛及其海域属于亚热带海洋性季风气候，该海区受正规半日潮的影响，潮流运动形式基本为往复流。大嶝岛的湿地生态环境类型多样，既有红树林、滩涂、沙滩、岛屿等自然湿地，又有盐场、鱼塘、养殖区等人工湿地，是冬候鸟的越冬地和候鸟过境迁徙的栖息地，是国家白鹭自然保护区。由于大嶝岛毗邻金门，加上厦门海湾型城市建设的推进，大嶝岛的经济已由传统的水产养殖、晒盐等逐渐变成以滨海旅游以及对台贸易为主，并拥有全国唯一的“厦门市对台小额商品交易市场”。随着厦门新机场落地大嶝岛方案的确定，大嶝岛的人为开发力度正不断增强。(a)2002-02-03的Landsat卫星ETM+波段4大嶝岛影像图；(b)厦门市行政区划图；根据研究区潮滩的地理状况，将大嶝岛潮滩分为五个部分：东部、北部、西部、西南部、南部。图1大嶝岛及周边海域示意图Fig.1ThemapofDadengIslandandsurroudingwaters2数据与方法2.1遥感数据源及预处理本文分析数据主要来自美国发射的Landsat系列卫星携带的TM（ThematicMapper）、ETM+（EnhancedThematicMapperPlus）以及OLI（OperationalLandImager）传感器获取的遥感影像，云覆盖率基本为0，时间跨度为1996～2014年，空间分辨率为30m。2012年以来大嶝岛岸线的变化则多选用中国发射的资源三号以及高分一号等空间分辨率较高的影像，其多光谱影像的空间分辨率分别为5.8m和8m。表1列出了所有遥感数据的卫星成像时刻及潮位信息。其中潮位是通过国家海洋信息中心编制的潮汐表中厦门站潮位预报资料插值计算而得，并统一到国家85高程。表1卫星遥感数据源信息Tab.1Theinformationofremotesensingdata卫星传感器空间分辨率/m成像时间厦门站潮情厦门站潮位/mLandsat5TM301990-07-20涨末1.87Landsat5TM301996-02-11初落-1.83Landsat5TM301996-05-17落末2.00Landsat5TM301996-07-20落急-1.69Landsat7ETM+302001-10-14初落2.18Landsat7ETM+302002-01-02涨急-1.64Landsat5TM302002-01-10初涨1.85Landsat7ETM+302002-02-03初涨-2.48Landsat7ETM302002-08-30初涨-1.78Landsat5TM302011-03-08初涨-0.75Landsat5TM302011-04-09初涨-1.31Landsat5TM302011-07-30涨末1.67Landsat8OLI_TIRS302014-12-21初落1.88Landsat8OLI_TIRS302014-12-29落末-1.69ZY-3CCD5.82012-08-29初落2.23GF-1PMS82013-11-22涨急-0.41ZY-3CCD5.82013-12-09落末-2.05ZY-3CCD5.82014-04-16涨急0.61ZY-3CCD5.82014-06-04初涨-1.17GF-1PMS82014-08-27涨急1.29GF-1PMS82014-10-07初落3.05注：潮位的基准面为国家85高程，其中ZY-3代表资源三号卫星，GF-1指代高分一号卫星。本研究以一幅经过正射校正的高分一号影像为基准影像，对其他影像进行几何精校正，误差控制在1个像素内。然后通过图像配准对研究区的所有影像进行配准，以减少同一地区不同来源图像因各自校正误差所带来的影响，图像配准误差控制在0.5个像素之内。这些图像预处理过程均通过ENVI软件来实现。2.2水边线与海岸线提取水边线是潮汐波动下起伏不平的海面和陆地的瞬时交接线。在遥感影像上，它反映了卫星成像这一瞬时时刻的水陆分界状态。水边线信息的提取是进行海岸线调查的重要内容，尽管人们提出许多种方法来提取遥感影像上的水边线，但因各地近岸动力环境及潮滩地形都相当复杂，水边线提取技术也不尽相同，且具有很强的区域性[13]。在本研究中，我们结合大嶝岛的潮汐水动力环境及地形地貌等特征，对LanSAT数据选用近红外单波段密度分割法来提取水边线。这是由于水体在近红外波段有很强的吸收特性，因此通过分析近红外波段的直方图分布可以很好地确定密度分割的阈值进而分出水体。而对于空间分辨率较高但光谱分辨率较低的资源三号和高分一号数据，则采用面向对象的多波段分类方法进行提取。海岸线通常是指多年平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线[14]。受自然和人为因素的影响，海岸线始终处于动态变化中，海岸线的高度动态性决定了现实中并不存在固定的岸线，通常根据具体情况采用不同的岸线指标来表征海岸线的真实位置[15]。考虑到大嶝岛岸线不断向海推进，且多数已成为人工岸线，因此本研究选取各个年代具有较高潮位的遥感影像来提取水边线，同时结合人工判断最终获得研究区的海岸线。需要说明的是，由于大嶝岛岸线类型多为人工岸线，虽然部分过境时刻的潮位未达到最大潮位，但经目视判断和分析可以发现，大于1.6m潮位的水边线基本上已与海岸线重合。从表1可以看出，所选用提取海岸线的Landsat数据过境潮位均大于1.6m；部分资源三号和高分一号遥感数据的潮位虽未达到1.6m，但因其分辨率高且采用面向对象分类法，应可较好地分出人工岸线。2.3潮滩冲淤及面积计算方法2.3.1潮滩冲淤计算方法遥感分析潮滩的冲淤速率一般是选择潮位一样的遥感影像，通过提取并分析水边线的变动来进行计算。不过要同时获得同一潮位的遥感影像难度很大。在这里，我们参考Liu等[16]人的做法，就是选同一基准潮位来进行计算，本研究根据已有遥感数据的潮位信息，选择低潮的-2m水边线为基准来进行分析。假设在小范围内潮滩的滩面坡度基本不变，则基准潮位水边线位置的确定可参考图2进行计算。选取两景过境时间尽量相距最短的影像，提取其水边线分别设为l1和l2，潮位数据分别为h1和h2，那么滩面坡度p的计算为1212llhhp(1)设基准潮位水边线的潮位为h，则水边线l2向其移动的距离记为l，l的计算式为121222hhllhhphhl(2)滩面坡度p及基准潮位水边线的计算均可基于ArcGIS平台提供的DSAS功能模块来实现。利用DSAS对大嶝岛潮滩设置分区和断面，如图3，沿