基于潮位觀測的三亞灣海岸侵蝕遙感提取與分析

段依妮，滕駿華，蔡文博

（國家海洋環境預報中心，北京 100081）

基于潮位觀測的三亞灣海岸侵蝕遙感提取與分析

段依妮，滕駿華，蔡文博

（國家海洋環境預報中心，北京 100081）

摘要：為了研究20世紀90年代初期至今海南三亞灣的海岸侵蝕情況，基于潮位觀測數據，采用遙感與GIS技術，提取了三亞灣1991、2013年兩個時期的水邊線位置變化信息，用于反映該時期海岸線的相對位置變化關系，完成海岸侵蝕信息提取。綜合利用多種遙感指數、高分辨率遙感影像、人類活動記錄等多源信息，對海岸侵蝕的原因進行了詳細分析。理論分析結果表明：根據潮汐與農歷日期的對應關系，選擇農歷日期最接近、成像時間差最小的遙感影像，能夠有效消除潮汐對水邊線位置的影響。實驗結果表明：三亞灣的砂質海岸存在明顯的侵蝕現象，海岸西段最大后退距離達45—60 m，中段最大后退距離達60 m，東段最大后退距離達30 m。分析結果表明：三亞灣海岸侵蝕受人類活動和自然因素的共同影響，海岸工程的建設、近岸原生植被的破壞是海岸侵蝕的重要原因，后續應更加合理開發與利用海岸線資源。

關鍵詞：潮位觀測；三亞灣；海岸侵蝕；遙感監測

1　　引言

海岸侵蝕是指由自然因素、人為因素或者兩種因素迭加而引起的海岸線位置后退或岸灘（包括海灘或潮灘）下蝕［1］。海岸侵蝕是一種災害性的海岸地質現象，近年來呈現不斷加劇的趨勢，常造成堤岸坍塌、村鎮后遷、海岸工程設施破壞，由此進行的海岸侵蝕管理花費了大量的專項投入，給沿海地區經濟社會的發展造成了極大危害［2-3］。

三亞位于海南島的最南端，是中國最南部的熱帶濱海旅游城市。然而，自20世紀80年代以來，隨著旅游資源的開發和城市建設的拓展，三亞灣的海岸侵蝕現象愈演愈烈，引起了學者們的廣泛關注［4］。

三亞灣海岸侵蝕的研究方法主要分為傳統的野外調查與遙感監測兩類。在野外調查方面，黃少敏等通過現場調查、定位測量及地圖對比，對海南島砂質海岸的侵蝕狀況及侵蝕原因進行了分析［5］。李喜海等野外調查了三亞灣的海岸侵蝕情況，并重點監測了侵蝕現象較為突出的岸段［6］。在遙感監測方面，高義、姚曉靜、包萌等先后以多期Landsat衛星影像為數據源，分析了海南島近30—40 a間的海岸線長度和利用類型的時空變化［7-10］，但針對三亞灣的論述較少，并且沒有海岸線位置進退的定量研究。

與野外調查相比，遙感技術在海岸帶侵蝕研究方面具有長期、連續、大范圍監測的優勢，在海岸線提取、變化監測等方面也取得了較多成果［11-13］，但仍存在下列問題：

第一，受潮汐等因素的影響，從遙感圖像上直接提取的衛星過頂時刻的瞬時水邊線并不是理論意義上的海岸線［14］，解決這個問題的一種途徑是通過潮位校正獲得平均大潮高潮線［15］。張旭凱等在研究中詳細介紹了潮位校正的原理，但由于缺乏遙感影像獲取時刻的實時潮位觀測數據，計算得到的海岸線位置存在一定的誤差［16］；

第二，海岸侵蝕是一個相對緩慢的過程，三亞灣海岸侵蝕的年速率僅1—2 m/a，而0.1 m的潮位

為了克服遙感監測的上述問題，本文與現有的潮位校正的研究思路不同，通過研究潮汐規律選擇合適的遙感影像，最大限度地消除不同時刻潮汐對水邊線位置的影響。通過水邊線位置的變化，獲取不同時期海岸線的相對位置變化關系。

本文首先基于三亞站潮位實時觀測數據，詳細分析了三亞灣的潮位規律，對遙感影像的成像時間進行了嚴格的篩選。在此基礎上，利用遙感與GIS技術對三亞灣的海岸侵蝕信息進行提取。最后，利用多種遙感指數、高分辨率遙感影像、人類活動記錄等多源信息，分析了部分岸段侵蝕嚴重的原因。

2　　三亞灣潮汐規律分析與影像選擇

2.1研究區潮汐規律分析

三亞灣位于三亞市中心區的南側，為岬灣砂壩潟湖海岸［17］。東起鹿回頭半島南端（18°11′20″N，109°28′58″E），西至馬嶺市東角嶺角（18°17′40″N，109°20′39″E），海灣呈對數螺旋形，灣口朝西南向敞開，海岸線長17.8km，三亞灣海域總面積約為68.6km2。

本區域的潮汐屬于以日潮為主的混合潮，半日潮天數每月平均為11 d。日潮時一天內漲潮為16—17 h，落潮時極短，僅7—8 h。漲潮流為東南向，落潮流為西北向，自表層至底層均為落潮流流速大于漲潮流流速［18］。平均漲、落潮流速分別為11.2 cm/s和19.4 cm/s。此外，三亞灣還遵循潮汐的一般規律，潮汐時刻與農歷日期對應，潮差與農歷日期相關，在農歷每月的初一、十五附近出現大潮，在農歷每月初八、二十三附近出現小潮。

2.2遙感影像選擇

根據三亞灣的地理范圍，本研究收集了1980—2015年的美國陸地衛星Landsat TM/ETM+/OLI影像共30景用于侵蝕信息提取。影像的成像質量、云量分布均滿足要求，進一步的篩選條件如下：

（1）時間跨度大，有利于海岸線變化檢測；

（2）農歷月份和日期相近，季節相近，使潮汐規律相同，并且有利于比較地物地貌；

（3）每月初八、二十三附近最佳，潮差比其他日期更小，引起的海岸線提取誤差進一步降低；

（4）由于相關部門2014年6月開始對三亞灣進行大規模的補沙，因此遙感影像的成像日期需在此之前。

經過篩選，確定了成像時間為1991年、2013年，農歷為相同月份、日期最接近、時間差最小的兩景遙感影像（以下簡稱1991年影像、2013年影像）。影像的成像參數如表1所示。

表1研究使用的遙感影像參數

此外，在侵蝕原因分析的過程中，本文還使用了與上述Landsat影像時相接近的QuickBird遙感影像。

2.3潮位觀測數據分析

三亞海洋觀測站建成于1994年，因此本研究無法獲取1991年的潮位數據。由于農歷日期接近，通過統計2013年10月26日（農歷九月二十二）的潮位數據，可反映兩景影像成像當天的潮汐規律（見圖1）。

圖1三亞站2013年10月26日24 h潮位數據

圖2 2013年10月26日潮位在38 min內變化

由圖1可知，2013年影像獲取當天的潮汐為日潮。潮差變化很小，最大潮差僅為97 cm，符合農歷九月二十二出現小潮的統計規律。上述規律同樣適用于1991年影像。

由于兩景影像獲取時間相差38 min，下面對38 min內的潮位變化進行統計分析。圖2顯示了2013年10月26日10：29—11：08潮位數據，潮位在113 cm附近變化，最大潮差僅為5 cm。

設海灘的傾角為α，潮差為Δh，潮差引起的水邊線進退的水平距離為Δx，則

據統計，三亞灣海灘一般以4°—6°的緩坡向海傾斜［19］。按照平均值5°計算，將Δh=5 cm代入，解得Δx=57.2 cm=0.572 m，即5 cm的潮位上升將引起水邊線后退0.572 m。而本研究中使用的Landsat影像的空間分辨率為30 m，即潮位引起的水邊線進退變化不超過0.1個像元。因此，可以認為潮汐對研究中使用的1991年、2013年的兩景影像的影響相同。

綜上所述，本文通過篩選農歷日期和成像時刻接近的影像提取海岸線侵蝕信息的研究思路是可行的，不但考慮了潮汐對海岸線位置的影響，而且減小了潮位估算帶來的誤差。

圖3海岸侵蝕明顯的3處岸段

3　　海岸線侵蝕遙感提取與分析

研究中，首先將兩幅遙感影像進行精確的地理坐標配準。之后，基于ArcGIS軟件平臺，以幾何精校正后的Landsat影像作為工作底圖，在WGS 84坐標系下，采用人工目視解譯的方法，分別提取了1991年、2013年三亞灣的海岸線，并以不同的顏色表示。最后，以1991年影像為背景，制作海岸線侵蝕提取結果圖。通過不同時期海岸線位置的對比，即可定量提取海岸線的侵蝕情況。

為了突出海水，影像采用標準假彩色合成方案。影像中，植被為紅色，海水為深藍色，濕潤沙灘為淺藍色，干燥沙灘為白色。海水與濕潤沙灘的明顯相接處即為海岸線所在位置。

通過逐像元對比檢查，發現3處岸段存在明顯的海岸侵蝕現象，根據地理坐標確定了實地對應的地名，分別為：“肖旗河口-海航度假酒店”岸段（中心經緯度：18°7′20.90″N，109°2′9.84″E）、“海居鉑爾曼酒店-碧海藍天美術館”岸段（中心經緯度：18°6′54.28″N，109°7′29.82″E）、“海月廣場-三亞灣大橋”岸段（中心經緯度：18°5′15.78″N，109°9′40.40″E），分別對應圖3的（1）、（2）、（3）處。

3.1“肖旗河口-海航度假酒店”岸段

（1）海岸侵蝕信息提取

自肖旗河口到三亞海航度假酒店長約3 km的海岸線存在明顯的海岸侵蝕現象。圖4是1991、2013年海岸線的提取結果，其中紅色為1991年海岸線，黃色為2013年海岸線。可以看出，22 a中該岸段的最大后退距離達1.5—2個像元（45—60 m），見A、B兩處。需要說明的是，肖旗河口的東側約180 m的岸段出現了海岸線前進的情況，可能是港口修建時人工填海造地導致的。

（2）侵蝕原因分析

通過對A處兩景Landsat影像的對比，可推斷肖旗港的建設是導致海岸侵蝕的主要原因。與1991年相比，2013年的肖旗河口發生了3個明顯的變化（見圖5）：第一，水道變寬，平均寬度增加了約1個像元（30 m）；第二，港池增大，面積約增加40個像元（36 000 m2）；第三，下游修建人工湖，見圖5b的黑色區域，面積約20個像元（18 000 m2）。采用歸一化差異水體指數（NDWI）［20］提取水體信息，結果如圖6所示，盡管受到影像分辨率的限制，但該結果仍能很好地反映肖旗河口的水體變化。為了進一步證實上述結論，本文還收集了2013年11月30日的QuickBird高分辨率遙感影像（見圖7），可以清晰地看見水道、港池、人工湖等地物。

結合相關的媒體報道可知，1998—2003年期間，有關單位在肖旗河口建設游艇碼頭、擴建港池，對肖旗河口進行大面積開挖與疏浚。因此，海水涌入港口，導致水深顯著增加，大面積海灘被淹沒。另外，人工湖的建設使河水沖刷帶入大海的沙量逐年減少，致使沙源不足，補入沙量過少，不能達成沙灘穩定的動態平衡。

圖4岸段（1）的海岸線侵蝕提取結果（背景影像獲取時間為2013年）

圖5肖旗河口遙感影像對比

圖6肖旗河口NDWI提取

圖7肖旗河口高分辨率遙感影像

通過對B處兩景Landsat影像的對比，可推斷海岸旅游景區的建設、原始植被破壞也是導致海岸侵蝕的重要原因。與1991年相比，2013年的海岸植被覆蓋明顯減少（見圖8），從原來垂直岸邊的1—2個像元的寬度，減少到無明顯的植被覆蓋。圖9是2013年11月30日的QuickBird高分辨率遙感影像，可以清晰地看見海岸邊的植被稀疏，分布了多處人工建筑物。

結合相關的媒體報道可知，海航度假酒店在海岸帶景觀改造時，毀壞原始植被面積3 240 m2，降低沙壩高度1 m，鋪設紅土980 m3，改變了150 m長岸灘地形地貌，使海岸失去天然屏障，最終導致該岸段的侵蝕。

3.2“海居鉑爾曼酒店-碧海藍天美術館”岸段

（1）海岸侵蝕信息提取

自海居鉑爾曼酒店到碧海藍天美術館長約4 km的海岸線存在明顯的海岸侵蝕現象。圖10是1991、2013年海岸線的提取結果，可以看出，22 a中該岸段的最大后退距離達2個像元（60 m），見C、D兩處。需要說明的是，2013年海岸線的個別位置出現了海岸線前進的情況，可能是相鄰被海水侵蝕的岸段的泥沙沖刷、沉積到此處造成的。

（2）侵蝕原因分析

通過兩景Landsat影像的對比，可推斷三亞灣路的建設、原生植被破壞是導致該岸段侵蝕的主要原因。如圖11所示，1991年海岸植被覆蓋面積大，按照垂直于岸邊的方向計算，平均寬度有4個像元。但2013年岸上植被平均寬度僅有1—2個像元。為了進行定量的對比，采用歸一化植被指數（NDVI）［21］統計植被覆蓋度，計算得到1991年、2013年的NDVI值分別為0.09、0.05。圖12是2013年11月30日的QuickBird高分辨率遙感影像，可以清晰地看見三亞灣路的向海一側植被稀疏。

20世紀90年代初，三亞灣路寬度僅4 m，自1999年起擴建三亞灣路，建成了東起三亞港、西至天涯灣的長約10 km、寬約14 m的濱海大道。為了擴建三亞灣路，砍伐了大片的原生植被。由于原來沙壩生長的原生植被是經過長期自然選擇存活下來的，具有防風浪、抗干旱、固沙和改良土壤的作用，原生植被的破壞使海岸失去天然屏障，固沙功能減弱，導致出現岸灘留不住沙的現象。

圖8海航度假酒店區域遙感影像對比

圖9海航度假酒店區域高分辨率遙感影像

圖10岸段（2）的海岸線侵蝕提取結果（背景影像獲取時間為2013年）

圖11三亞灣路植被覆蓋的遙感影像對比

圖12三亞灣路的高分辨率遙感影像

圖13岸段（3）的海岸線侵蝕提取結果（背景影像獲取時間為2013年）

圖14　　鳳凰島建設前后的遙感影像對比

3.3“海月廣場-三亞灣大橋”岸段

（1）海岸侵蝕信息提取

自海月廣場到三亞灣大橋長約1.7 km的海岸線存在明顯的海岸侵蝕現象。22 a中該岸段的最大后退距離達1個像元（30 m），見E、F兩處。

（2）侵蝕原因分析

通過兩景Landsat影像的對比，可推斷此岸段的海岸侵蝕與三亞鳳凰島的建設有密切的關系。對比1991年影像和2013年影像（見圖14），可知鳳凰島和三亞灣大橋是新增地物。據記載，鳳凰島是在原有的三亞灣白排礁盤基礎上圍填起來的人工島，建成于2003年，通過三亞灣大橋與市區相連。鳳凰島建成后，相當于在白排礁上人為地建造了一個新的岬角，改變了三亞灣的自然水動力環境，使灣內的波浪傳播條件發生變化，波能集中，引起海灘沖刷。因此，三亞灣大橋至海月廣場西側長約1.7 km的岸段在強風暴潮及風暴巨浪作用下容易發生侵蝕現象。例如，2005年18號臺風“達維”引發的風暴潮導致三亞濱海人行道被破壞，海灘高潮線以上的椰子樹被沖毀，一定程度上改變了海岸線的形態。

3.4海岸侵蝕的自然因素分析

上述3處岸段的海岸侵蝕除了受人類活動影響之外，還受到多種自然因素的影響。通過分析和查證，主要有以下3個方面：

（1）砂質海岸的特性

三亞灣沙灘主要為灰白淺黃色中細砂、含礫粗砂，貝殼、紅藻、珊瑚碎屑及少量鈦鐵礦、鋯石等礦物。按照海岸線類型劃分，上述3處岸段均為砂質海岸，質地較疏松，易受海水的沖刷。

（2）海平面上升

海平面上升導致三亞灣弧形砂壩直岸段呈現侵蝕后退。國家海洋局海平面監測和分析結果表明，中國沿海海平面變化總體呈波動上升趨勢。1980—2013年，中國沿海海平面上升速率為2.9 mm/a，高于全球平均水平。2013年，中國沿海各省（自治區、直轄市）海平面均明顯高于常年。其中，海南最高，較常年高143 mm［22］。由于三亞的海灘坡度較緩，較小的潮位上升就能引起較明顯的海岸線后退。

（3）臺風風暴潮

海南是我國沿海臺風風暴潮發生最為頻繁的省份之一。作用于三亞灣海岸帶的風力以西風與西南風為主，風速較大，盛行于6—8月，也是臺風頻發時期，容易發生大規模的臺風風暴潮。國家海洋局發布的《中國海洋災害公報》顯示：1991—2013年的22 a中，海南共發生20余次較大規模的風暴潮災害，暴雨和潮水沖毀公路、毀壞通訊供電線路、崩決圍堤、破壞水利設施、淹沒稻田，海岸受侵蝕形成陡坎。

此外，三亞灣不同季節海平面的變化以及風暴潮造成的潮汐增水等均會帶來海岸線位置的變化，也會對海岸侵蝕程度產生一定影響。

4　　結論

本文基于潮位觀測數據，采用遙感和GIS技術提取了三亞灣1991、2013年兩個時期內的海岸線侵蝕信息，發現了3處侵蝕嚴重的岸段。結合NDWI、NDVI遙感指數，Landsat和QuickBird遙感影像，以及人類活動記錄，對3處岸段的侵蝕原因進行了詳細分析，獲得如下結論：

（1）理論研究結果表明：根據潮汐與農歷日期的關系，選擇農歷日期最接近、成像時間差最小的遙感影像，能夠有效消除不同時刻潮汐對水邊線位置的影響，既綜合考慮了潮汐對海岸線位置的影響，又減小了潮位估算帶來的誤差；

（2）監測結果表明：自1991—2013年的22 a中，三亞灣的砂質海岸存在明顯的侵蝕現象。海岸西段侵蝕較為嚴重的是肖旗河口至海航度假酒店的岸段，最大后退距離達1.5—2個像元（45—60 m）；海岸中段侵蝕較為嚴重的是海居鉑爾曼酒店至碧海藍天美術館的岸段，最大后退距離達2個像元（60 m）；海岸東段侵蝕較為嚴重的是海月廣場至三亞灣大橋的岸段，最大后退距離達1個像元（30 m）；

（3）侵蝕原因分析表明：三亞灣的海岸侵蝕受人類活動因素和自然因素的影響。人類活動因素主要包括：肖旗港、三亞灣路、鳳凰島的建設，近岸原生植被的破壞等方面。自然因素主要包括砂質海岸的特性、海平面上升、臺風風暴潮等方面。

海南省是21世紀海上絲綢之路的重要節點，生態環境不但關系人民福祉，而且是一張向世界展示中國的名片。為了改善海南三亞灣的海岸侵蝕現狀、防止海岸侵蝕加劇，建議相關部門科學規劃近岸工程、規范旅游資源的開發、嚴格禁止海岸采沙、修筑高質量的護岸工程，對侵蝕嚴重的海岸通過補沙進行修復。

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中圖分類號：P731.23

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2016）03-0057-08

DOI：10.11737/j.issn.1003-0239.2016.03.008

收稿日期：2015-07-20

基金項目：國家海洋公益性行業科研專項（201205006）。

作者簡介：段依妮（1988-），女，研究實習員，博士，主要從事海洋遙感理論與應用研究。E-mail：yiniduan@126.com上升引起的水邊線位置變化就超過1 m。因此，潮汐變化將對水邊線位置提取造成較大的誤差，研究海岸侵蝕必須最大限度地減小潮汐的影響。

Extraction and analysis of coastal erosion of Sanya Bay using remote sensing imagery and tide level data

DUAN Yi-ni，TENG Jun-hua，CAI Wen-bo
（National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081 China）

Abstract：In order to examine the coastal erosion of Sanya Bay since the beginning of 1990s，based on tide level observation data，the change of waterline locations of Sanya Bay was extracted respectively in 1991 and 2013 using the remote sensing and GIS methods.The change of waterline locations which reflects the relative change of coastline locations is used to extract the information of coastal erosion.The reasons of coastal erosion are analyzed in detail，using multi-sources information，such as remote sensing indexes，high-resolution remote sensing imagery，human activity records and so on.The theoretical analysis shows that according to the relationship between tide and lunar calendar，it can effectively eliminate the influence of tide on the waterline location by choosing imagery of similar data and imaging time.The experiment results show that there exists obvious coastal erosion in the sand coast of Sanya Bay.Some locations of the west coastline retreat up to 45 to 60 meters，the number are 60 meters for the middle coastline and 30 meters for the east coastline.The analysis represents that the coastal erosion of Sanya Bay is caused by both human activity and natural factors.The construction of coastal works and the destruction of inshore original vegetation are two important reasons for the coastal erosion.In the future，the coastal resources should be developed and used more scientifically.

Key words：tide level observation；Sanya Bay；coastal erosion；remote sensing monitoring