圖們江口及鄰近區域海岸線遙感監測及變化分析

苗俊偉，馬毅，張杰，孫偉富，胡亞斌，3

(1.山東科技大學 青島 266590;2.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061; 3.大連海事大學 大連 116026)

圖們江口及鄰近區域海岸線遙感監測及變化分析

苗俊偉1，2，馬毅1，2，張杰1，2，孫偉富2，胡亞斌2，3

(1.山東科技大學 青島 266590;2.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061; 3.大連海事大學 大連 116026)

文章利用1985、1995、2005、2009年的Landsat衛星遙感影像和2015年的GF-1衛星遙感影像，分析近30年來圖們江口海岸線的變化特征。結果表明:近30年來圖們江口海岸線長度整體呈增長態勢，累積增加0.66 km，主要由人類開發活動及泥沙堆積等引起;人工岸線比例增大，但1985—1995年因河流改道致使岸線減少3.8 km。1985—2005年海岸帶淤積面積大于侵蝕面積，其中河流改道使1995—2005年淤積面積達到4.522 7 km2;2005—2015年侵蝕面積大于淤積面積; 2005—2009年徑流量減少使侵蝕面積達到4.203 7 km2。河口處的岸線遷移變化最大，其他地區較穩定。

遙感;圖們江口;海岸線;岸線變遷

1 引言

中華人民共和國國家標準《海洋學術語:海洋地質學》(GB/T18190—2000)對海岸線的定義是:海陸分界線，在我國系指多年大潮平均高潮位時海陸分界線［1］。海岸線不僅標志沿海地區的海陸分界線，而且包含豐富的環境信息，其變化可以直接影響潮間帶的灘涂資源量以及海岸帶的環境變化，引起海岸帶資源與生態過程的改變，影響人類生產活動。因此，對海岸線進行動態變化監測，有利于了解海岸帶的生態環境變化。

傳統的海岸線獲取方法主要依靠常規測量手段，近年來Baptista等［2］開始利用GPS結合沙灘摩托和步行方法進行岸線測量，雖然岸線提取精度很高，但現場踏勘費時費力且很多地區人員無法到達。與之相比，遙感技術具有大范圍、時效性強、節約資源等優勢，對于獲取海岸線長時間的變化具有獨特優勢。

國內外在海岸線變遷遙感分析上成果頗多。在海岸線自動提取方面，Chen等［3］利用直方圖均衡化及Canny邊緣檢測算子提取臺灣西部外傘頂洲的水邊線;王李娟［4］、晁暉等［5］用Sobel算法和修復歸一化水體指數提取海岸線;以馮永玖、劉云朋為代表的學者利用CV模型［6］、元胞自動機［7－8］和岸線追蹤技術［9］等方法提取海岸線，并在人工岸線、砂質岸線及淤泥質岸線進行應用和分析;Kuleli等［10］利用Landsat TM和ETM+影像的水體指數進行閾值處理，對二值圖像矢量化后提取土耳其5個海岸帶濕地的水邊線。

在海岸線人－機交互解譯提取方面，部分學者界定遙感圖像中海岸線的確切位置，給出相應提取原則，并對岸線提取結果進行精度驗證［11－15］。Misra等［16］基于Landsat衛星數據，利用不同波段之間的比值區分海陸分界線，進而人工提取海岸線;Kevin White等［17］基于Landsat系列衛星遙感影像提取尼羅河三角洲河口區域的岸線，并研究岸線動態特征;Mujabar［18］通過人－機交互方法提取印度兩地之間的岸線，并利用 DSAS分析海岸淤蝕狀況;張怡［19］、包萌［20］、趙宗澤［21］、周相君［22］基于衛星影像，采用人－機交互方法提取海岸線，并對其變化進行時空分析。

遙感具有范圍廣、多時相等特點，國內外采用遙感手段進行海岸線變遷監測與分析較廣泛。本文在建立的各岸線類型解譯標志的基礎上，利用1985、1995、2005、2009年的 Landsat衛星影像和2015年GF-1衛星遙感影像對圖們江口及鄰近區域海岸線進行提取，從岸線長度變遷、岸線類型變化和海岸帶侵蝕淤積狀況等方面對圖們江口地區海岸線變遷情況進行分析，監測該區海岸線近30年的變化，為該區岸線保護與開發提供科學參考。

2 研究區域

圖們江大部分在中國境內，以琿春市為截點出境，注入日本海。圖們江口地處130°22'E—131°02' E、42°14'N—42°44'N，涉及中、朝、俄三國，毗鄰韓、日兩國，是東北亞地區重要樞紐，具有優越的地理位置與重要的戰略地位，未來該地區將成為我國在東北地區與其他國家進行合作交流的橋頭堡，推動東北地區大發展。

該區屬溫帶大陸性氣候，臨近日本海，在東南季風、地形因素和日本海域的影響下，降水和徑流都比較豐富。圖們江口海岸線類型以自然岸線為主，近年來由于開發活動加劇，河口處岸線類型及長度發生較大變化。由于地理位置特殊，對該區域海岸線提取及變遷的研究尚為空白，本文基于衛星遙感影像進行研究。

3 數據和方法

3.1 數據與處理

為監測圖們江口地區海岸線近30年來的變化，本文應用 1985年、1995年、2005年、2009年的Landsat影像和2015年的GF-1影像(表1)。

表1 研究區遙感數據源信息

Landsat5 TM 30 1995年11月 2 Landsat7 ETM+ 30 2005年10、11月 2 Landsat5 TM 30 2009年10月 2 GF-1 PMS 8 2015年3月2

利用拼接、裁剪后的2005年ETM+衛星影像數據對TM及經過正射校正的GF-1衛星數據進行幾何配準，配準誤差控制在1個像元之內，并對配準后的圖像進行拼接裁剪，獲得研究區衛星影像，利用近紅外、紅、綠波段組合開展海岸線提取。

3.2 方法

采用目視解譯方法，根據不同海岸線類型在衛星影像中的特征建立海岸線類型的解譯標志，進而提取圖們江口海岸線。根據當地實際狀況與衛星遙感影像信息，結合孫偉富等［13］建立的海岸線類型遙感解譯標志，將該地區海岸線分為基巖岸線、砂質岸線、粉砂淤泥質岸線與人工岸線4種，參考《我國近海海洋綜合調查與評價專項海岸線修測技術規程》［23］中的界定原則，結合各類海岸線的地貌特征，確定各類型岸線的位置。

基巖岸線位于由巖石組成的基巖海岸上，常有突出的海岬和深入陸地的海灣，岸線曲折。在影像中基巖岸線位于明顯的水陸分界線上(圖1(a))。

砂質岸線位于砂質海岸上，砂質海岸通常較為平直，在大潮潮水搬運下常堆積成一條與海岸平行的脊狀的砂質沉積——灘脊，該處即為海岸線位置。海岸的干燥灘面光譜反射率較高，在影像上表現為白亮的區域，灘脊痕跡線處堆積有植物碎屑、雜物等，亮度較低，海水的光譜反射率較低，含水量較高的沙灘光譜反射率也較低，在影像上表現略暗。在影像中砂質岸線的位置應取在灘脊痕跡線上限處(圖1(b))。

粉砂淤泥質岸線位于淤泥質海岸上，該類型海岸多由潮汐作用形成，受上沖流影響灘面坡度平緩，寬度可達數千米甚至更大。粉砂淤泥質海岸向陸一側植被生長茂盛，成紅色或者暗紅色;向海一側植被較稀疏，呈現為淺紅色或沒有植被，裸露潮灘上多有樹枝狀潮溝發育，潮灘淹沒時高潮線處植被稀疏。在影像中植被茂盛與稀疏程度明顯差異處即為粉砂淤泥質岸線所在位置(圖1(c))。

人工岸線是人工建筑物形成的岸線，在影像上建筑物一般亮度較高，呈白色，狹長延伸分布，紋理平滑，堤外淤泥質灘涂顏色灰暗，人工岸線一般確定在建筑物外緣(圖1(d))。

圖1 海岸線遙感解譯標志

在海岸線提取結果上，從岸線長度、岸線類型、海岸帶侵蝕淤積、遷移速率4個方面對5期海岸線進行變化監測，并根據衛星圖像及文獻資料分析岸線變化的主要原因。

4 結果與分析

4.1 岸線時空變遷總體分析

通過5期衛星遙感圖像的海岸線提取結果可以發現:1985—2015年圖們江口區域的海岸線變遷主要發生在河口地區，其他地區變化較弱;目前岸線長度為320.78 km，較1985年增加0.66 km，陸域面積增加1.000 4 km2，泥沙堆積使岸線長度增加，港口碼頭建設也增加岸線長度。

海岸線變遷程度受自身與外部因素影響。一方面，在海岸線各類型中，基巖岸線最為穩定，受外界自然因素影響較小，而砂質岸線與粉砂淤泥質岸線較為脆弱，易受環境影響;另一方面，自然因素對海岸線的變遷作用較為緩慢，而人為因素可在極短時間內產生自然因素影響幾十年才能產生的變化，人類活動一直在岸線變遷中起主導作用。

4.2 岸線類型轉化分析

根據提取的5期圖們江口區域海岸線，獲取5期岸線類型信息(表2)。

表2 不同年份各類型海岸線的長度統計

結果表明:岸線總長度及各類型岸線長度均存在波動變化。1985—2015年由于人類活動使基巖岸線減少;砂質岸線整體增長，主要是河道內泥沙堆積引起，其中1985—1995年砂質岸線大量減少的主要原因是河流改道，1995—2005年河流再次改道，砂質岸線有所增加;由于修建港口碼頭、防護堤等人類活動，人工岸線持續增加;粉砂淤泥質岸線的變化與河流徑流量及海浪沖刷關系較大，但1985—2005年粉沙淤泥質岸線減少的原因與砂質岸線類似，均為河流改道，而2005—2009年河道再次改變，粉砂淤泥質岸線長度增加，但與改道前相比長度減少，2009年之后海浪沖刷使河口處粉砂淤泥質岸線繼續減少。整體上自然岸線比例減小、人工岸線比例增大，說明該區開發利用進一步加強。

4.3 海岸帶侵蝕淤積分析

圖們江口及鄰近區域1985—2015年由于海岸線變遷導致陸地面積凈增1.000 4 km2，平均每年增加0.033 3 km2(表3)。

表3 海岸帶侵蝕淤積統計 km2

圖們江口區域1985—2015年4個時段的變遷情況不同，主要是由海水侵蝕、河流徑流量變化、人類開發與泥沙堆積共同作用引起的。1985—1995年雖然河流改道侵蝕面積較大，但河流徑流量充沛，泥沙堆積使岸線加長，加之圍海造陸使淤積面積大于侵蝕面積，海岸帶總面積增加;1995—2005年河流再次改道，使淤積面積遠大于上一時期，海岸帶增長面積也比上一時期大;2005—2009年降水減少、徑流量減小，泥沙補充不足，原本在河口處的部分陸地變成沙洲，導致海岸帶侵蝕加大，該時期內海岸帶面積減小;2009—2015年徑流量增大，但洪水沖刷河道導致河道侵蝕，使海岸帶面積減小。

圖們江口區域1985—2015年海岸帶地區侵蝕淤積變化共存。其中岸線減少的主要原因是河流改道、泥沙補充不足導致侵蝕，以及在入海口地區海浪對砂質岸線的沖刷侵蝕。如，由于圖們江位于松遼流域，根據松遼流域河流泥沙公報，2005—2009年該流域多屬于枯水少沙狀態，水量、沙量明顯減少［24］，泥沙補充不足;同時在日本海海浪的侵蝕下，河口堆積的泥沙后退，侵蝕面積增大。2009—2015年該流域河流徑流量變大、總輸沙量增大，尤其是2010年發生洪水災害［24］，使河流徑流增大、攜帶泥沙量增大，導致2009—2015年砂質岸線略微變長，海岸帶淤積面積較上一時期增大;但由于發生洪水時河流水速較快，對河道猛烈沖刷產生侵蝕，加之海浪的侵蝕作用，使侵蝕面積大于淤積面積，因此海岸帶面積依舊呈減少態勢。

4.4 海岸線遷移分析

目前量化分析海岸線變遷的主要方法較多［25］，本研究選用基線法分析圖們江口地區30年來的海岸線遷移狀況。

基線法最早由 Doln等［26］提出，經過 Thieler等［27］的進一步完善，形成基于ArcGIS平臺的“Digital Shoreline Analysis System，DSAS”功能模塊，用于分析海岸的時空變化狀況。采用DSAS分析模塊，由海岸線向陸縱深得到基線并使海岸線在基線同側，然后從基線向海岸線一側做長度為D的垂線，與基線交點間的距離為基線采樣間隔，每根垂線與各時期的海岸線相交，將每個交點至基線的距離相減，可得海岸線的變化距離。

本文選用的基線由手工繪制，基線采樣間隔為50 m，由DSAS分析得到最終時空變化(圖2)。

圖2 各時期不同區域終點變化速率分布*注:加重線段為河口區域

從海岸線終點變化速率及其分布空間來看，1985—2015年河口地區(斷面號大約位于669～1 088)海岸線變化較為明顯，其他地區變化較少。1985—1995年由于河道部分地區泥沙淤積使岸線向水域推進，導致終點變化速率為正值，而河口地區由于河流改道使河口邊界向陸地推移，終點變化速率為負值且變化速率較大。1995—2005年河口位置再次發生變化，向水域猛烈推進，導致終點變化速率值巨大且為正值。2005—2009年河口推進情況與上一時段相反，終點變化速率值為負值且數值巨大。2009—2015年由于部分地區河道位置改變以及河口岸線位置改變，加之岸線推移較短，該時段終點變化速率較小、范圍較廣。除河口區域外的其他變化區域終點變化速率值較小且變化范圍較小，主要是因為人類活動少，河流寬度較窄、多為細小河流，河道位置變化較小，河流徑流量對河口區域影響較弱。

通過對比不同時期的變化可以發現，發生變化的斷面越來越多，橫軸右側處(約在斷面號2 200后)波動區域增加;根據斷面號定位到遙感圖像上，發現變化地區向北推進且變化率較大的斷面號多分布在砂質岸線與基巖岸線處，由此說明該區砂質岸線受海浪影響加重，查閱資料并將斷面號定位到遙感影像上可知，該地區沿海開發活動進一步增強。

5 岸線變遷原因

海岸線變遷驅動力復雜，通常受自然和人為因素雙重影響，前者包括河流輸沙量、風暴潮、氣候變化、海浪和潮汐等，后者包括海岸工程采砂、岸堤修建、養殖池和鹽池建設、圍海造陸等。通過閱讀研究區的歷史資料及相關文獻，并參考不同時期間的遙感衛星影像，結合本文得出的岸線分析結果，進一步分析岸線變遷原因。

5.1 自然因素

從長時間序列看，海岸線變遷的主要自然因素是地殼運動和海平面升降;從短時間序列看，海岸線變遷的主要自然因素為海岸侵蝕、海水入侵、海浪、潮汐和風暴潮等。具體到圖們江口，影響其大陸海岸線變遷的自然原因主要有以下幾個方面。

5.1.1 波浪及潮流的作用

改變海岸地貌的主要外動力為波浪和潮流。波浪在海岸塑造中最積極、最活躍，靠近東海的朝鮮海峽(大韓海峽)處的海潮潮差可達2 m，劇烈的海浪對該區岸線的變化起到推動作用;潮流是泥沙運營的主要動力，沿東岸北流的對馬暖流和沿西岸南流的利曼寒流組成日本海海流，形成反時針型的環流系統［28］。在波浪、潮流等動力作用下，近岸泥沙發生轉運，以沙嘴的形式形成堆積岸段;隨著沙嘴的遷移，岸段另一端發生侵蝕，形成相對侵蝕的海岸。以2005—2009年為例，在圖們江入?？诟浇捎谛纬煞磿r針型環流系統，在近海一端波浪從北向南流，在海浪和潮汐作用下海岸發生侵蝕;而在遠海一端海浪侵蝕不到，從而發生淤積。

5.1.2 河流徑流的作用

該區位于歐亞大陸東岸，屬溫帶大陸氣候，受東南季風、地形因素和日本海域的影響，降水和徑流都比較豐富，因此降水對徑流影響較大，二者分布規律大體相一致。近年來氣候變化等因素使河流輸沙逐漸減少，通過查閱松遼流域河流公報［24］可以發現，2005—2009年由于流域內徑流量減少、河流輸沙量減少，導致河流入?？诟浇哪嗌扯逊e減少;而2010年發生洪水災害，河流帶來大量泥沙，并在河道及河口堆積，使該流域入海口的岸線又變長。

5.2 人為因素

該區海岸線變化的主要原因是以填海造地為代表的各種人為活動。在人類活動的影響下，自然岸線總長度縮短、人工岸線增加、岸線形態更為曲折。總體看來，以下因素對于圖們江口地區海岸線時空動態變化特征具有不同程度的影響。

5.2.1 港口碼頭的修建

該區地理位置復雜重要，各國為提高在該區的實力在海灣地區大力修建港口，促進海上經濟發展。大規模的建設改變海灣的位置形狀，如在朝鮮造山灣附近修建港口使岸線位置及類型發生變化。

5.2.2 防護堤壩的修建

近年來海平面上升和極端氣象災害頻發，使岸線遭受嚴重威脅。為加固海岸，人工堤壩逐漸出現，保護岸線不受侵蝕，如河口南部地區在原始自然岸線的基礎上修建人工岸線及堤壩。防護堤壩在人工岸線中所占比例較大，也是該區人工岸線變化的主要類型。

6 結論

本文利用圖們江口地區1985年、1995年、2005年、2009年的Landsat影像和2015年的GF-1影像，基于GIS、RS技術，對5期海岸線進行信息提取，分析圖們江口地區海岸線長度、類型、侵蝕淤積、岸線遷移的變化情況。

將研究區海岸線分為基巖岸線、砂質岸線、粉砂淤泥質岸線和人工岸線4類，以近紅外、紅、綠波段組合假彩色影像，根據不同岸線的特征建立圖們江口地區主要岸線類型的遙感解譯標志，并給出4類岸線的提取原則，經過目視解譯提取得到最終的海岸線。

從岸線的長度、類型、侵蝕淤積、岸線遷移等方面對5期岸線的分布狀況分別進行統計分析。結果表明，30年間圖們江口地區岸線長度增減共存，但總體上呈增加趨勢;1985—2015年共增加0.66 km，原因是泥沙堆積使砂質岸線增長，而且人類開發活動也使岸線有所增長。從整個研究時期看，30年間岸線類型的轉化較為平緩，其中減少最多的是基巖岸線，共減少0.87 km，減少的岸線多轉變為人工岸線;增長最多的則是人工岸線與砂質岸線，均為1.14 km，岸線變遷態勢較穩定。1985—2005年淤積面積大于侵蝕面積，其中1985—1995年因徑流量充沛和人類開發活動加大，淤積面積為2.238 0 km2、侵蝕面積僅為0.892 9 km2;1995—2005年河流改道使淤積面積達到4.522 7 km2，侵蝕面積較上一時間段約減少50%;2005—2015年侵蝕面積大于淤積面積，2005—2009年因徑流量減少，侵蝕面積達到4.203 7 km2;2009—2015年侵蝕面積又有大幅度減少。30年間因海岸線變遷導致陸域面積累積新增1.000 4 km2。通過對比4個時期的終點變化速率分布可以發現，整體上岸線波動范圍較小，河口地區岸線變化波動較大且變化區域向北移動，變化點多分布于砂質岸線與基巖岸線處。

人類活動在岸線變遷中作用時間短、效果明顯，是岸線變遷的主要推動力，如港口及防護堤壩的修建都能在短時間內改變岸線長度及岸線類型。而自然因素在岸線變遷中推動緩慢、效果不明顯，如在不發生特殊氣象災害的情況下，海浪及河流徑流量對岸線的影響效果要在幾年內才可顯現，且作用效果較小。

由于本文使用的Landsat影像為中低分辨率影像，對海岸線的目視解譯造成一定的困難，使海岸線的提取結果存在偏差，今后將選用分辨率更高的影像進一步研究。此外，在岸線精度評價中，由于該區地理位置特殊，研究尚不全面，如缺乏實測岸線，不能更好地判斷本文提取岸線的精度。今后將對該地區收集實測數據，獲得實際海岸線位置。

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Coastline Monitoring by Remote Sensing and Change Analysis in Tumen River Estuary and the Adjacent Area

MIAO Junwei1，2，MA Yi1，2，ZHANG Jie1，2，SUN Weifu2，HU Yabin2，3

(1.Shandong University of Science And Technology，Qingdao 266590，China;2.The First Institute of Oceanography，SOA，Qingdao 266061，China;3.Dalian Maritime University，Dalian 116026，China)

Four years'Landsat satellite images of 1985，1995，2005，2009 and one year's GF-1 remote sensing satellite images of 2015 were used to analyze the changing characteristics of the past 30 years in the Tumen River estuary coastline．The results showed that:over the past 30 years，the whole coastline length shows an increasing trend，mainly caused by human development activities and sediment buildup，and the cumulative increase is 0．66 km．The ratio of artificial shoreline increased，but between 1985 and 1995，the coastline length decreased 3．8 km because the river course was diverted．Between 1985 and 2005，the deposition area of the coastal zone was larger than that of the erosion area，and the river course was diverted to make the deposition area increase 4.522 7 km2between 1995 and 2005．From 2005 to 2015，the erosion area was greater than the deposition area．From 2005 to 2009，the erosion area reachedto 4.203 7 km2because the runoff had been reduced．The shoreline at the mouth had the greatest changes in migration and other regions were more stable．

Remote sensing，Tumen River estuary，Coastline，Coastline change

P74

A

1005－9857(2017)02－0039－07

2016-10-15;

2016-12-17

高分海岸帶遙感監測與應用示范．

苗俊偉，碩士研究生，研究方向為海洋遙感與應用，電子信箱:rsmiaojunwei@163.com

張杰，研究員，博士，研究方向為海洋遙感，電子信箱:zhangjie@fio.org.cn