基于多源衛星遙感的珠江口圍填海生命周期分析

艾彬,歐陽雪敏,何穎清

(1.中山大學海洋科學學院 廣州 510275；2.珠江水利科學研究院 廣州 510611)

基于多源衛星遙感的珠江口圍填海生命周期分析

艾彬1,歐陽雪敏1,何穎清2

(1.中山大學海洋科學學院 廣州 510275；2.珠江水利科學研究院 廣州 510611)

圍填海是區域社會經濟發展到一定階段向海洋謀求發展空間的一種基本手段。珠江三角洲是我國社會經濟發展的熱點區域之一，探索其近岸河口區域圍填海時空過程并對其未來趨勢進行分析對海岸帶綜合開發具有重要的意義。本研究以多源陸地資源衛星Landsat為數據源，通過影像數據處理分析探討了珠江口圍填海歷史變遷過程，并對其圍填海生命周期進行了估計。結果表明，珠江口圍填海主要發生在改革開放后，其中1978—1988年圍填海面積為18 572 hm2，1988—1996年間圍填海面積為25 528 hm2，1996—2005年間圍填海面積為13 911 hm2，2005—2015年間圍填海面積6 723 hm2。截至2015年，珠江口共圍填海面積64 753 hm2，空間上主要集中分布于西部岸段。基于歷史圍填海時空演變過程，通過圍填海生命周期圖進一步對珠江口未來的圍填海工程實施潛力進行形式預判。結果顯示，珠海岸段和深圳前海岸段是珠江口今后實施圍填海熱點區域，其他區域圍填海速度會相對減緩，但隨著珠江口海島逐漸與陸地海岸帶相接，該區域圍填海過程也將會終止。圍填海生命周期分析可為海岸帶實施圍填海工程規劃提供相關決策依據。

圍填海；生命周期分析；衛星遙感；海岸帶；珠江口

1 研究背景

生命周期分析(life cycle analysis,LCA)是匯總和評估一個產品(或服務)體系在其整個壽命周期間的所有投入及產出對環境造成的和潛在的影響的方法[1]。土地生命周期通常用來描述空間位置上的土塊形狀，性質從產生、變化到消失的一個過程。圍填海活動是人們向海要地的一種行為，是對土地的一種需求，同時也對海洋資源和生態產生了不良影響[2]。運用土地生命周期分析圍填海的發展狀況，可以對空間位置上的地塊演繹過程進行整個周期的管理，實現對各個地塊的狀態屬性進行記錄、統計、查詢、分析，從而達到土地生命周期管理的良性循環[1]。國外圍填海建設和研究較早，對圍填海活動及其帶來的環境影響的研究廣泛[3-4]。珠江口區域由于經濟發展的進一步需求，圍填海過程主要發生在改革開放后，且以西部岸線最為顯著。隨著珠江三角洲的經濟的發展和人口密度的增加，人們對珠江三角洲的圍填海現象的多方面研究也越加關注。遙感技術能大面積同步監測及其成像周期快的時效性能有效快速地觀測圍填海活動的空間位置及其范圍的變化，本文運用多源衛星遙感對珠江口圍填海的生命周期進行分析，將遙感與地理信息系統(GIS)技術相結合，從時空過程角度探討珠江口圍填海情況，并結合生命周期圖對珠江口區域未來的圍填海工程實施潛力進行形勢預判。

2 研究區概況及數據源介紹

2.1 研究區概況

本研究選擇珠江口為研究區，珠江口位于珠江流域的下游，廣東省中南部，毗鄰港澳，113°0′0″E—114°7′0″E、21°36′0″N—23°6′0″N，由廣州市、東莞市、深圳市、中山市、珠海市以及香港特別行政區、澳門特別行政區的部分區域組成。珠江為我國第三大河流，珠江水系由西江、北江、東江和珠江三角洲諸河組成，流域面積為45.4 萬km2，珠江流域入海口沉積形成的珠江三角洲面積約8 033 km2。珠江三角洲地質地貌條件獨特，河口區河汊發育,水網密布，沖積層薄,一般為20～30 m,地面起伏較大,四周是丘陵(占總面積的30 %),中部是平原,主要分布在廣州市以南、中山市以北、江門以東、虎門以西地區。珠江三角洲河網密度高達0.81 km/km2，河網區和河口灣都受到潮汐和上游河流淡水稀釋的影響，高密度河網區和眾多大小河口灣共同構成珠江河口[5]。珠江入海口有八大主要入海口門，按地理位置分布從北至南分為虎門、蕉門、洪瀝門、橫門、磨刀門、雞啼門、虎跳門和崖門，珠江水由這八大主要口門呈放射狀分流注入河口灣[6]。研究區內的河口灣包括伶仃洋、黃茅海、磨刀門海區和雞啼門海區等。

2.2 多源衛星遙感數據及影像處理

自1972年來美國發射第一顆地球資源衛星(Landsat-1)以來，世界各國都開始設計和發射了多種以探測地球資源為目的的遙感衛星[7]。如法國發射的SPOT衛星、中國的資源三號衛星等。本文選用Landsat衛星作為數據源，該系列衛星自1972年7月13日發射了第一顆地球資源技術衛星以來，迄今共發射了8顆，目前正常運行的是Landsat-5、Landsat-7和Landsat-8。

Landsat衛星的軌道接近正圓軌道，且軌道經過南北極附近地區，又稱為“極軌衛星”，可覆蓋全球絕大部分地區(南北緯82°以上地區除外)，掃幅寬度為185 km。Landsat-1至Landsat-3衛星的重復周期為18天，Landsat-4至Landsat-8衛星的重復周期為16天。Landsat-1至Landsat-3號衛星攜帶有反束光導管攝像機(RBV)和多光譜掃描儀(MSS)；Landsat-4至Landsat-5號衛星在前者基礎上改進，軌道高度下降為705 km，地面分辨率提高，攜帶有MSS外，還帶有專題制圖儀(TM)；Landsat-7衛星攜帶傳感器為專題制圖儀(ETM+)；Landsat-8衛星攜帶傳感器為陸地成像儀(OLI)和熱紅外傳感器(TIRS)。

MSS在Landsat-1至Landsat-5衛星均有裝載，除了在Landsat-3衛星增加了一個紅外線波段地面分辨率為240 m(編號為8)外，其余均采用4個工作波段(編號為4、5、6、7)，地面分辨率均為79 m。TM共有7個波段，其中TM5(1.55～1.75 μm)、TM7(2.08～2.35 μm)為新增近紅外波段，TM6為熱紅外波段，地面分辨率為120 m，其余波段地面分辨率均為30 m。ETM與TM相比增加了一個全色(PAN)波段(0.52～0.90 μm)，地面分辨率達15 m，ETM6熱紅外波段的地面分辨率提高到60 m，其他7個波段的波長范圍、瞬時視場角均與TM相同。OLI共有9個波段，地面分辨率為30 m，全色波段的地面分辨率提高到15 m，與ETM+相比有兩個新增的波段，即藍色波段(band 1：0.433-0.453 μm)和短波紅外波段(band 9：1.360-1.390 μm)，band1波段應用于海岸帶觀測，band9波段可運用于云檢測。

珠江口圍填海監測主要采用1973—2015年的Landsat衛星數據，其中1973年采用Landsat-1 MSS，1978年采用Landsat-2 MSS，1988-2005年采用 Landsat-5 TM，2015年采用Landsat-8 OLI。并對遙感圖像進行預處理，包括輻射定標、大氣校正、幾何校正，裁剪，其中影像幾何校正中誤差小于0.5個象元。圖1分別給出了珠江口不同年份的多波段合成圖。

圖1 1973—2015年珠江口的Landsat圖像

對珠江口圍填海的生命周期進行分析的關鍵是對遙感影像進行分類處理，具體包括準備工作、室內判讀、實地驗證與成圖總結4個階段[7]。為便于遙感分類結果的面積量算，本文以1∶30萬的地形圖作為遙感影像的參考控制坐標[8-9]。因研究區使用遙感數據時間跨度較大、分辨率有所區別，如1973年和1978年的圖像分辨率為79 m，1988年、1996年、2005年和2015年的圖像分辨率均為30 m。為保證多時相分析結果的精度，首先對遙感圖像進行重采樣[10]，并對影像進行線性增強處理，突出一些地物的細節信息。其次是對地物進行目視判讀與分類處理，重點是獲取圍填海導致的新增土地類型及空間范圍。

研究區地物類型主要包括水體、植被、城鎮等。由于研究區為河口區與海洋交匯地帶，首先基于水的光譜特性，確定不同時期的海岸線，用以作為判讀其他地物的標志性地物[11]，并通過多時相的對比分析獲取圍填海的發展過程。進一步以實地考察資料為輔助，校正在遙感圖像上細節不明顯、不能判讀的信息，從而提高判讀信息的完整度。基于珠江口1973—2015年遙感圖像預處理結果，進行多時相合成，綜合圖像數字信息、色調、紋理和顏色等，利用機器分類與目視解譯相結合的方法進行遙感圖像分類，并結合實地調研資料對分類判讀結果進行校正，提高分類精度。并進一步以1973年的遙感圖像為底圖，展現各階段圍填海生命周期分析的變化過程。

3 結果分析

3.1 歷史演變時空過程分析

基于多時相遙感影像數據分類對比結果，獲取了珠江口1973-2015年各時期圍填海信息，為了方便統計分析以及綜合考慮珠江口區域的經濟發展狀況與特點，將研究時間劃分為5個階段：1973-1978年，1978-1988年，1988-1996年，1996-2005年，2005-2015年。利用GIS空間分析與統計工具，獲得了不同時間段珠江口海岸帶的圍填海面積，結果如表1所示。

表1 1973—2015年珠江口圍填海面積

由表1可知，1973—1978年期間珠江口圍填海沒有明顯的體現。從1978年開始圍填海活動大量實施，1978—1988年這10年期間，圍填海面積達到18 572 hm2，且主要集中在蕉門、洪奇門、磨刀門、虎跳門和崖門海域附近，圍填海用地方式較為簡單，以圍墾和養殖等農業用途為主。1988—1996年，圍填海面積達25 528 hm2，比前10年圍填海面積大大增加，圍填海區域集中在磨刀門三灶島、雞啼門高欄島、橫門南部、澳門氹仔半島、香港大嶼山為熱點區域，土地利用類型仍然以圍墾和養殖為主，但香港大嶼山北部、澳門氹仔半島、三灶島和高欄島填海主要為工業用途，尤其是香港國際機場、珠海機場、澳門機場和武橋碼頭建設。1996—2005年，圍填海面積銳減，僅為前10年的一半左右，為13 911 hm2，集中分布在崖門左側江門海域、洪奇門、深圳前海和深圳灣，圍填海面積和集中分布區域減小，呈“小而分散”的特點[12]；2005—2015年，圍填海面積縮減至6 743 hm2，集中分布在蕉門南段、高欄島北側、澳門氹仔半島、深圳寶安，主要為工業用途，如深圳寶安機場擴建，廣州南沙港擴建，珠海武橋碼頭擴建等。

根據分類結果對比以及圍填海方式來看，珠江口圍填海過程主要開始于改革開放后，前期多是農民自發的將沿海灘涂濕地、潟湖圍墾起來作為耕地和水產養殖，用于發展第一產業，在這一期間的圍填海方式表現為無規劃、無序、粗放的特點；中后期圍填海速度逐步緩和，經濟的發展和城市化的進程使人們開始關心圍填海的規劃與使用，新生成土地主要趨向于發展第二、三產業，并逐步從無序、無度向有序、有度發展[12-13]。

3.2 圍填海特征及成因分析

3.2.1 圍填海面積西多東少

珠江口區域圍填海空間分布上呈現西多東少的特點，這主要與珠江三角洲的沉積地貌過程與特點有關。珠江三角洲的整體沉積過程和局部沉積模式獨特使其形成古河口灣的形態、峽口地形(“門”)和基巖島嶼并存的地貌形態[5]。珠江口河口灣呈喇叭狀，“八口入海”，最大的河口灣伶仃洋寬度超過35 km，珠江入海口門河口灣兩側沿海岬角處絕大多數為基巖海岸，而填海大多依靠現有島嶼。珠江口西側海岸的入海口門相比東側發育更豐富，水系更密集，入海方向與珠江入海口大致一致，河流帶來更多的泥沙沉積量，且在近海處有眾多基巖島嶼，因此珠江口西岸擁有得天獨厚的自然地理條件用于圍填海。而從圍海工程的方式來看，主要包括順岸圍割、海灣圍割和河口圍割三類[14]。

3.2.2 社會經濟西貧東貴

珠江口圍填海規模、增長速率、類型在很大程度上受到經濟發展過程與發展模式的影響。從經濟發展過程來看，珠江三角洲傳統社會經濟發展中心是廣州和香港，尤其是香港，在改革開放以前處于絕對優先地位。1980年，深圳和珠海特區同時成立，但珠江口東西岸社會經濟發達程度且迥然不同。究其原因，主要是東部海岸的深圳更加靠近香港，而香港的社會經濟輻射帶動能力明顯要高于西海岸的澳門。從粵港的復合輻射來看，東部海岸處于香港和廣州的混合輻射區，而西部的珠海和中山只相當于邊緣地區，這也從一定程度上表明，珠江口東部的深圳和東莞社會經濟發達程度明顯要高于西部的中山和珠海，最終導致了珠江口東西岸圍填海利用方式在空間分布上的差異。另一方面，東莞處于香港和廣州輻射中心的中間位置，故其圍填海發展勢頭迅猛，但其空間發展也呈現無序的特點。

3.3 珠江口圍填海周期分析

進一步制作珠江口圍填海周期線圖，如圖2所示。從珠江口圍填海周期線來看，1973―2015年，珠海岸段區域圍填海面積最大，達到了3萬hm2，占珠江口總圍填海面積的46.3%；其次為廣州岸段，達到1萬hm2，占珠江口圍填海總面積的15.4%；其他岸段均在1萬hm2以下。在時間尺度上，香港與澳門岸段的圍填海現象集中在1988―1996年和1996―2005年兩個階段，雖然香港、澳門特別行政區經濟相對其他城市更為發達，但圍填海現象卻不像珠海等地如此頻繁，對圍填海及其環境影響的研究更為成熟[12]。

圖2 珠江口各岸段生命周期圖

同時，進一步對生命周期圖及圍填海主要用地類型進行分析發現，珠江三角洲地區濱海濕地受人類活動干擾十分嚴重，與自然演化過程相比，圍填海活動是三角洲地區濕地演化的重要驅動[15]。在人類大規模的圍海造田、港口建設等工程活動的影響下，海岸線發生變動，以耕作用地和城鄉居民用地等景觀為代表的半自然或人為景觀占據了珠江三角洲總面積的60%以上[16]。珠江口東岸地區(例如：深圳、東莞)的城市化進程不斷加快，由于受到地形限制，以工業為主的城鎮用地不斷向海洋擴展，使得大量養殖用地轉變成城鎮用地，而養殖業則繼續通過新的圍墾獲得空間，這樣的發展便形成了“圍海養殖”—“城鎮化占用”—“進一步圍海養殖”—“城鎮化占用”的養殖發展空間模式[17]。總的來說，珠江口圍填海的生命周期顯示其在西岸更有生命力，主要包括珠海、江門岸段等，未來珠江口西岸的圍填海潛力面積將占到85%以上。

3.4 未來圍填海趨勢分析

根據歷史圍填海過程可知，島嶼形成與發展過程影響海水動力引起泥沙淤積，海島周圍大多以淺海為主，在圍填海工程造價方面更實惠[14]，圍填海活動也大多以島嶼為基點。然而，圍填海不是一個無休止的過程，經歷一定階段后必然趨向穩定甚至終止。此外，從圍填海過程及空間分布特點來看，有的工程周圍不宜再大量填海，比如機場周邊有著嚴格的限高要求，在機場周邊再圍填海的投入產出比可能比較低[14]。

因此，綜合考慮圍填海歷史演變規律、近岸水深、自然地理區位、沿岸經濟發展特點以及政策導向等因素，利用GIS空間分析方法，獲取珠江口未來圍填海趨勢格局圖，如圖3所示，并對可填海面積進行統計。結果表明，一些圍填海確實是經濟發展所必需，但相當多的圍填海均是地方利益驅動所致[12]，因此未來的圍填海在短時期內不會停止，但國家和地方政府對圍填海的規劃也在逐漸加強。珠江口未來圍填海的潛力面積大約為47 485 hm2，主要集中在淇澳島、珠海、黃茅海和深圳前海附近沿海岸段。根據2013年國務院批復的《廣東省海洋功能區劃(2011—2020)》，廣東對未來10年的圍填海造地劃定了紅線，截至2020年，全省圍填海造地規模控制在2.3萬hm2以內[18]，區劃中圍填海主要分布在廣州南沙、東莞交椅灣、中山橫門、深圳西部、珠海橫琴等海域。這些政策表明政府開始不再盲目追求經濟效益，從長遠的眼光來看待圍填海活動及其對河口三角洲植物、動物、土壤、水文等生態系統組成要素的影響[17-20]。

圖3 珠江口未來圍填海趨勢格局

4 結論

本文利用遙感與GIS技術獲取了珠江口圍填海歷史演變過程，制作了主要岸段的生命周期圖，并分析了珠江口各區域岸段未來圍填海潛力，為海岸帶實施圍填海工程規劃提供相關分析依據。通過對珠江口的圍填海歷史演變過程分析發現，1973—2015年期間珠江口土地空間形態發生了巨大的變化，總體呈現增加的趨勢，共增加了64 753 hm2，圍填海規模呈現明顯的空間差異，東西岸段圍填海規模、發展速率及類型很大程度上取決于沿岸經濟的發展狀況；未來珠江口圍填海發展，珠海岸段和深圳前海岸段是珠江口今后實施圍填海熱點區域，其他區域會相對減緩，圍填海過程將會隨著珠江口海島被圍填完成而終止，未來圍填海的潛力面積大約為47 485 hm2。無論是作為第一產業還是第二、三產業的開發與發展，對各個地塊的狀態屬性進行記錄，統計，查詢，分析，最終達到土地生命周期的良性發展最為重要。圍填海面積的增大，也意味著近海的生態、環境、資源的破壞。進行大規模的圍填海，尤其是在珠江入海口這樣人口密集、經濟發達、水文復雜的區域，其具有廣泛的社會性和生態性，因此，要加強公眾參與以提高圍填海管理，地方政府亦不能為了眼前經濟利益而隨意大規模填海，加強海岸帶開發管理，實施海洋功能區劃是未來海洋空間可持續開發的關鍵。

[1] 李艷麗.土地生命周期管理模式探討[J].黑龍江科技信息,2013(13):92.

[2] 劉偉,劉百橋.我國圍填海現狀、問題及調控對策[J].廣州環境科學,2008,23(2):26-30.

[3] FRENCH P W.Managed realignment the developing story of a comparatively new approach to soft engineering[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science,2006(67):409-423.

[4] VANKONINGSVELD M,MULDER J P M,STIVE M J F,et al.Living with Sea-Level Rise and Climate Change:A Case Study of the Netherlands[J].Journal of Coastal Research，2008(2):367-379.

[5] 吳超羽,包蕓,任杰,等.珠江三角洲及河網形成演變的數值模擬和地貌動力學分析:距今6 000～2 500a[J].海洋學報,2006,28(4):64-79.

[6] 中國海灣志編纂委員會.中國海灣志·第十四分冊(重要河口)[M].北京:海洋出版社,1998.

[7] 尹占娥,等.現代遙感導論[M].北京:科學出版社,2008.

[8] FUNG,T,LE DREW E.Application of principal components analysis change detection.Photogrammetric Engineering and Remote Sensing,1987,53(12):1679-1658.

[9] MARTIN L R G.Change detection in the urban fringe employing Landsat satellite imagery[J].Plan Canada,1986,26(7):182-190.

[10] 陳水森,黎夏,鄒春洋,等.利用遙感與G IS 分析珠江口番禺段近2 0 a來的沿岸變化[J].熱帶海洋學報,2001,20(3):21-26.

[11] 陳水森,黎夏,鄒春洋.珠江口岸區近20年來土地利用變化基本特點[J].人民珠江,2001(5)：52-54.

[12] 謝麗,王芳,劉惠.廣東省圍填海歷程及其環境影響研究[J].江蘇科技信息,2015(24):67-70.

[13] 陳海亮.淺談廣東省圍填海的問題和發展對策[J].海洋與漁業,2011(15):28-29.

[14] 劉偉,劉百橋.我國圍填海現狀、問題及調控對策[J].廣州環境科學,2008,23(2):26-30.

[15] IPCC.Climate Change 2007:Impacts,Adaptation,and Vulnerability.Contribution of working Group Ⅱ to the Forth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].Cambridge:Cambridge University Press,2007.

[16] 高楊,吳志峰,劉曉南,等.珠江三角洲景觀空間格局分析[J].熱帶地理,2008,28(1):26-31.

[17] 宋紅麗,劉興土.圍填海活動對我國河口三角洲濕地的影響.濕地科學，2013,11(2):297-304.

[18] 廣東省人民政府.廣東省海洋功能區劃(2011—2020年)[Z].2012.

[19] 高義,蘇奮振,孫曉宇,等.珠江口濱海濕地景觀格局變化分析[J].熱帶地理,2010,30(3):215-226.

[20] 吳濤.基于遙感技術的河口三角洲濕地景觀生態健康評價[D].上海:上海師范大學,2010.

LifeCycleAnalysisofSeaReclamationinPearlRiverEstuarywithMulti-sourceRemoteSensingImageries

AI Bin1,OUYANG Xuemin1,HE Yingqing2

(1.School of Marine Sciences,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China;2.Pearl River Hydraulic Research Institute,Guangzhou 510611,China)

Sea reclamation is regarded as an important means to seek reservation space from sea for development when regional socio-economy develops to a certain stage.The Pearl River Delta is one of hot spots for society and economy development in China.It has great importance for overall development in coastal zone to explore its spatio-temporal process and analyze the future trends of sea reclamation.This paper mainly discussed the spatio-temporal process and periodical characters of sea reclamation in the Pearl River Estuary with the multi-source Landsat imageries.The results indicated that the sea reclamation in Pearl River Estuary was mainly performed after the reform and opening up policy carried out in 1978.Four typical periods could be divided during the process of sea reclamation.Each period presented different total areas and growth rates,which was concluded as follows:the areas of sea reclamation were about 18 572 hectares,25 528 hectares,13 911 hectares,and 6 723 hectares during the periods 1978—1988,1988—1996,1996—2005,and 2005—2015,respectively.By 2015,the total reclamation area in Pearl River Estuary was up to 64 753 hectares.The hot spots of sea reclamation were especially concentrated along the west coastline.The potential regions of Pearl River Estuary for sea reclamation project in the future were further anticipated with the analysis of life cycle diagram.Results indicated that the coastal zone in Zhuhai and the former parts of coastal zone in Shenzhen would be the focus areas in implementing sea reclamation.In comparison,other areas will have relatively lower probability of sea reclamation.Furthermore,islands located in the Pearl River Estuary will be inclined to be connected with terrestrial lands because of the continual reclamation,the sea reclamation process will be terminated at last.Life cycle analysis can provide scientific reference for making planning of sea reclamation in coastal zone.

Sea reclamation,Life cycle analysis (LCA),Satellite remote sensing,Coastal zone,Pearl River Estuary

2017-04-11；

2017-08-15

國家自然科學基金青年基金資助項目(41301418，41301452)；廣東省自然科學基金資助項目(2014A030313141)；中山大學高校基本科研業務費專項資金資助項目(14lgpy06).

艾彬，副教授，博士，研究方向為海岸帶綜合開發與管理

P715；P23

A

1005-9857(2017)09-0018-07