湄公河三角洲地區海岸線遙感時空變化分析

馬字偉,陳博偉,張 麗,畢京鵬,羅正宇,袁 鑫

(1.桂林理工大學 a.測繪地理信息學院; b.廣西空間信息與測繪重點實驗室, 廣西 桂林 541006;2.中國科學院遙感與數字地球研究所 數字地球重點實驗室, 北京 100094; 3.三亞中科遙感研究所， 海南 三亞 572029;4.生態環境部衛星環境應用中心, 北京 100094)

0 引 言

海岸線處于海洋與陸地的交匯處,不僅是平均大潮高潮時的海陸分界線,還載負著豐富的環境信息,對海平面升降、新構造運動、沿海灘涂、濕地生態系統及近岸海洋環境等有著重要的指示意義[1]。受全球及海岸帶區域環境過程與人類活動的綜合影響,全球海岸線表現出受侵蝕加劇與向海劇烈擴張并存的特征[2-3]。全球范圍內超過24%的海灘正以大于0.5 m/a的速度發生侵蝕,超過28%的沙灘在向海洋擴張,且海洋保護區的大部分砂質岸線正在受到侵蝕[4]。高效精確地進行岸線變化監測對于海洋資源管理、沿海陸地區域規劃以及海洋資源可持續發展具有重要的意義。傳統海岸線監測通常采用人工實地勘測,費時費力,且效率低下。遙感技術可通過對地觀測衛星攜帶的各種傳感器對地表景觀進行快速準確地識別與監測。利用遙感技術對海岸線監測具有高效、費用低等特點。

湄公河三角洲地區作為東南亞的糧倉,跨越南、柬埔寨等國家,擁有近2 000萬人口,是一個非常重要的農業和畜牧業綜合地區。地理優勢使得周邊國家對三角洲地區的開發利用日益加劇,近年來,沿河流域國家對三角洲的過度開發嚴重破壞了湄公河三角洲生態的穩定性,關于三角洲岸線侵蝕已經成為熱點研究問題。目前,對海岸線的變化監測主要利用多時相的遙感影像：彭遠新等[5]選取1973—2017年6個時相的Landsat影像, 通過面向對象分類和人機交互目視解譯法, 對萊州灣南岸中段的海岸線動態變化作了研究; 黎良財等[6]提取北部灣水邊線后進行潮位改正， 獲取了多時序的海岸線, 并對各時期的海岸線時空分布、 變遷速率進行分析, 探討了海岸線動態變遷的驅動因素; Bagheri等[7]利用數字岸線分析系統對土耳其北部三角洲岸線進行了研究。針對湄公河三角洲地區,Kondolf等[8]研究了湄公河筑壩工程對湄公河三角洲地貌的影響;Erban等[9]利用測井以及干涉合成孔徑雷達(InSAR)影像對地下水開采引起的湄公河三角洲地區地面沉降作了研究; Phan等[10]以1989年為時間節點研究了1965—2002年湄公河三角洲沿海紅樹林退化與岸線侵蝕情況，研究表明大片紅樹林可以削減海浪對海岸的沖擊作用,在岸線保護中扮演著重要的角色。20世紀90年代初,由于建筑用材和取火用材,以及將林地轉變為森林-水產-漁業耕作系統(silvo-aquaculture-fisheries farming systems,SAFS),紅樹林遭到嚴重破壞，Christensen等[11]對紅樹林恢復以及管理規劃作了相關研究。總體而言,利用遙感技術系統性地針對于湄公河三角洲地區岸線侵蝕與擴張的研究仍然非常匱乏。

基于以上研究背景和相關國內外研究現狀, 本文利用遙感技術獲取了湄公河三角洲1990—2018年間的8期長時間序列岸線分布圖, 并基于數字岸線分析系統(digital shoreline analysis system, DSAS), 針對三角洲地區的岸線時空分布特征以及海岸開發利用情況, 以越南行政省邊界為區域劃分依據，從岸線結構、 岸線分形、 岸線變化速率、 陸海格局等角度出發, 對湄公河三角洲沿海地區分區域分析, 并探討了湄公河三角洲岸線的時空變化特征。

1 研究區及數據

1.1 研究區概況

湄公河三角洲地區具體位置如圖1所示。湄公河發源于中國唐古拉山的東北坡,在中國境內叫瀾滄江，流入中南半島后的河段稱為湄公河，流經中國、緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南,于越南胡志明市流入南海。河流流經柬埔寨首都金邊后分成兩條河,在越南境內稱為前江和后江,后江南部為金甌半島,半島西側海灘長滿了熱帶特有的紅樹林。前江和后江之間是平坦肥沃的平原,河渠密如蜘網。前江西北為同塔梅平原。湄公河下游及其9條叉道流入南海時所形成的沖積平原,稱為湄公河三角洲,這里聚集了越南南部60%～70%的農業人口,是著名的稻米生產地。湄公河三角洲因其得天獨厚的地理位置以及肥沃的資源,使得三角洲流域居民加大了對三角洲地區的開發利用,如修筑堤壩、河床采砂、伐林養殖等。這些人為活動使得湄公河三角洲岸線逐漸受到侵蝕,加劇了三角洲的生態脆弱性。

圖1 研究區示意圖

1.2 數據源及預處理

本文數據源主要包括遙感數據和輔助數據, 其中遙感數據為Landsat TM/OLI(https://earthexplorer.usgs.gov/), 數據空間分辨率為30 m。根據湄公河地區潮汐特點, 選擇受潮汐波動影響較小的時間段的影像進行岸線信息提取。因影像質量以及影像缺失,若某一期沒有滿足要求的影像時,則從該期前一年影像中選取合適的影像,最終下載滿足要求的影像共計32景, 具體的影像信息。見表1。輔助數據主要包括越南行政區劃圖(global administrative areas,GADM), 數字高程模型(digital elevation model, DEM)和當地的社會人文資料等數據。

遙感數據的預處理主要在ENVI軟件中進行。因研究區由四景影像覆蓋,首先在ENVI 5.1 Toolbox

表1 Landsat數據

工具箱中加載下載處理好的遙感影像,采用圖像無縫鑲嵌工具Seamless Mosaic,通過調整影像疊置順序來預覽鑲嵌效果,隨后采用直方圖匹配(histogram matching)方法進行勻色處理并采用自動繪制接邊線(auto generate seamlines)方法消除拼接接縫； 將研究區邊界矢量在ENVI中將矢量文件轉為ROI文件對遙感影像進行裁剪； 最后對遙感影像進行幾何精校正, 通過Google Earth上選取的控制點,最終實現校正誤差控制在0.5像元內。

2 研究方法

技術流程如圖2所示, 首先進行遙感影像的預處理; 之后根據有關文獻資料和遙感影像特征建立岸線類型解譯標志, 并在此基礎上結合相關輔助數據通過人機交互, 判讀獲取8期岸線分布與類型信息; 基于DSAS系統進行岸線時空變化分析。 其中岸線空間變化特征重點分析了岸線長度和類型的變化情況; 岸線時序變化特征主要包括岸線變化速率、 分形特征及陸海格局。

2.1 岸線分類體系

海洋與陸地分界線具有瞬時性與動態性等特征, 實際應用中常采用指示海岸線, 主要包括平均高潮線、 干濕分界線、 植被線、 雜物線等[12]。 國際上,繪制地形圖以及其他研究應用中多采用平均高潮線作為海陸邊界指示線[3]。在國內,《海道測量規范》(GB 12327—1998)、《中國海圖圖式》(GB 12319—1998)和《國家基本比例尺地圖圖式第1部分： 1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖圖式》(GB/T 20257.1—2007)等國家標準中將平均大潮高潮的痕跡線作為水陸分界線。 結合眾多學者對于海岸線的研究成果[13-17],本文也采用平均高潮線作為海陸分界指示線,對岸線位置及類型信息進行提取。不同地區地理環境存在差異,根據研究區地貌特征將岸線類型主要分為4種進行信息提取(表2)。結合建立的解譯標志采取人機交互方法對海岸線信息進行提取,獲取岸線的位置及類型信息。

圖2 技術流程

2.2 岸線變化評價模型

2.2.1 岸線變化速率特征評價模型 計算分析歷史時期的岸線變化速率, 可以清晰地看到某一地區長時間序列范圍內岸線時空變化特征, 以便明確識別岸線侵蝕段、岸線淤積段,這是研究岸線變化的可靠手段。在進行岸線變化速率特征評價時采用岸線終點變化速率(end point rate,EPR)進行評價分析。以多時相的海岸線數據為基準,在近海一側,生成一條與海岸線形態結構擬合的基準岸線,根據研究區范圍,在基準線上以500 m的采樣間距生成1 139條斷面線(transect),分別選取相鄰的兩期岸線,利用DSAS系統對1 139個斷面線進行計算。岸線終點變化速率[18]

(1)

式中:Ei,j是兩期岸線間沿某條切線t的岸線終點變化速率;Dj為沿切線t第j期海岸線到基線的距離;Di為沿切線t第i期海岸線到基線的距離; ΔYj,i為沿切線t第j期與第i期海岸線年份數的差值。

2.2.2 海岸線分形特征評價模型 海岸線的分形特征是對海岸線的形態結構、彎曲程度等固有特征的反映,一般情況下,線狀目標的分形維數在1～2,直線為1。計算線體的分維有兩種方法:量規法和網格法[19]。網格法既可以分析連續的線體,也可以分析間斷的線體;既可以分析單條線體,也可以分析多條線體。本文采用網格法實現8期海岸線分形維數的特征計算,算法的基本原理是:使用不同長度的正方形網格連續且不重疊的覆蓋被測的線狀信息,當網格長度r發生變化,則覆蓋線狀信息所需要的網格數N(r)也會發生變化,根據分形維數理論可得出關系

N(r)∝r-D,

(2)

對該式兩邊同取對數可得

lnN(r)=-Dlnr+C,

(3)

式中:C為待定常數;D為被測海岸線的分形維數。

根據研究區的范圍,選取120、 150、 180、 210、 240、 270、 300、 330、 360、 390、 420和450 m共計12種網格長度指標作為覆蓋海岸線網格的長度。 通過網格長度r與網格數目N(r)可得出二者之間的雙對數散點圖, 根據式(3)利用最小二乘法進行線性回歸分析, 得到海岸線分形維數。

2.2.3 陸海格局變化特征 海岸侵蝕、河口淤積和圍填海以及采砂筑壩等工程導致區域尺度海岸線的變化,進而引起宏觀尺度陸海格局的變化。不同時期大陸海岸線位置變化可以揭示岸線變遷的方向特征;兩期海岸線所包圍的空間區域可以反映陸海變遷的規模特征;對比起、止兩期的岸線空間位置可以反映陸進海退或陸退海進的變化特征;對比不同時期岸線類型屬性,可以分析陸海格局變遷的驅動因素。

統計了越南沿岸7個行政區近30年間湄公河三角洲陸海分布格局的動態變化特征。以1990年海岸線長度為參考,用“陸地面積增長指數”表征單位長度岸線的陸地面積增長量,來分析不同地區海岸侵蝕與擴張的強度特征：

(4)

3 結果分析與討論

3.1 湄公河三角洲地區岸線結構變化特征

湄公河三角洲1990—2018年海岸線長度的變化情況如圖3所示。

圖3 1990—2018年湄公河地區海岸線長度變化

整體上岸線總長度呈現先減少后增加的趨勢, 其中2002年前后為海岸線長度變化的轉折點。 1990—2002年岸線長度共計減小49.67 km, 減少幅度為 3.6%, 平均年變化速率為4.14 km/a。 2002—2018年岸線長度總體上呈增加趨勢, 共計增加18.27 km, 增加幅度為1.4%, 平均年變化速率為1.14 km/a, 總體增加趨勢比較平緩。 值得注意的是, 1994—1998年岸線長度變化發生了一次短暫逆轉, 由1994年的1 351.97 km增加到1998年的1 353.57 km, 共計增加1.6 km, 增加幅度為0.1%。

圖4展示了1990—2018年湄公河三角洲海岸線類型變化情況, 4種岸線變化存在明顯差異。 人工岸線基本處于持續增長狀態, 1990年人工岸線長度為53.19 km, 2018年人工岸線增長到142.95 km, 共計增長89.76 km, 增長幅度為168.75%。 其中1994—1998年、 2006—2010年是人工岸線猛增的兩個階段, 2006—2010年岸線增長幅度最大, 增長幅度為128.78%; 其次為1994—1998年,增長幅度為41.80%，其主要的原因是金甌半島西側海灘附近居民砍伐紅樹林、圍塘養殖,使自然岸線向人工岸線發生了轉變(圖5)。

與此同時, 生物質岸線也呈現增長趨勢, 1990—2018年共計增長35.98 km, 增長幅度為10.75%, 其中2002—2006年增長18.94 km, 增幅較來的長度且有所增長, 達到了374.43 km。長期以來越南的紅樹林受到水產養殖、伐木、海平面上升和筑壩造成的泥沙截留等綜合因素的影響，漁業和水產養殖對當地經濟至關重要,該國82%的海產品來自近岸地區,不受控制的水產養殖發展導致越南紅樹林面積的損失[20]。為回應紅樹林的損失,越南已實施多項修復及重建計劃,如 “未來紅樹林”(MFF)項目等[21],恢復工作取得了不同程度的成功。大。 但在2010年左右生物質岸線長度發生了巨大的變化, 2006—2010年, 生物質岸線長度由370.93 km驟減為327.56 km; 2010—2014年, 岸線又恢復到原淤泥質岸線則呈相反趨勢——持續減少, 1990—2018年共計減少142.93 km，主要發生在1990—1994年、1998—2002年、2010—2014年3個階段,依次減少28.82、36.59、51.81 km,其中2010—2014年減少幅度為12.29%,達到最大。2014—2018年淤泥質岸線長度基本保持不變。河口岸線從1990—2018年近30年間基本保持穩定。

圖4 1990—2018年湄公河三角洲海岸線類型變化統計

圖5 圍塘養殖

3.2 湄公河三角洲地區岸線變化速率特征

圖6為相鄰兩期以及1990—2018年的平均變化速率,其中紅色區域為嚴重侵蝕區域,侵蝕速率最高可達到每年上百米左右;藍色部分為岸線劇烈擴張區域,主要發生在河口位置;黃色位置為岸線無明顯變化區域。

從圖6和圖7可以看出, 湄公河三角洲地區在近30年間整體上呈現岸線向海推進的態勢。1990—2018年間湄公河三角洲海岸線向海以0.04 m/a的速率向海推進,其中1998—2002年岸線向海推進強度最大,達到7.38 m/a，其次是2014—2018年,岸線向海推進速率為3.43 m/a。如圖8所示, 主要分布在越南(三角洲南部)的沿海省份如薄遼省、朔莊省和茶榮省以及入海口的位置。圖7(其中生成的1 139條斷面按省域劃分)進一步展示了湄公河三角洲沿岸各省份海岸線終點變化速率強度的對比情況,薄遼省是整個湄公河三角洲地區岸線向海擴張強度最大的區域,主要發生在1990—2002年,其中1990—1994年擴張速率最大,達到了38.42 m/a。朔莊省和茶榮省沿海地區,岸線始終向海擴張,總體變化幅度不大。朔莊省沿海地區在1998—2002年和2014—2018年擴張速率達到了兩個峰值,依次為22.83和32.48 m/a,其主要原因是河口位置泥沙淤積。

圖6 湄公河三角洲海岸線終點變化速率的強度分布特征

圖7 湄公河三角洲沿岸各省份海岸線終點變化速率強度對比

岸線侵蝕主要發生在2002—2014年,2010—2014年間岸線侵蝕強度最大,為6.76 m/a,其次為2002—2006年,岸線侵蝕速率為5.99 m/a; 2006—2010年,岸線侵蝕強度最小。岸線侵蝕主要分布在金甌省沿海地區,除1998—2002年外,該地區岸線一直處于侵蝕態勢,且主要集中在金甌省南部地區。2002—2006年金甌省侵蝕速率達到16.96 m/a,成為該階段湄公河三角洲區域變化最劇烈的地區，主要是因為農業種植,水產養殖、城市化的發展,使該地區紅樹林大規模的砍伐。紅樹林有消浪減災、保護岸堤、沉淤造陸的功能,對海岸帶有極大的保護作用。因紅樹林被大面積的圍塘養殖以及水稻種植所替代,海岸缺少天然的屏障保護,從而使得沿海岸堤受到嚴重的侵蝕。

3.3 湄公河三角洲地區海岸線分形特征分析

為進一步探討湄公河三角洲地區海岸線的分形特征,圖9為8期海岸線擬合得到的分形維數,分別為1.046 0、1.027 4、1.024 5、1.016 1、1.011 8、1.010 0、1.011 5、1.012 2,整體呈現先減小后增大的趨勢,浮動范圍在1.01～1.05。

1990—2010年整體海岸線的分形維數持續減小, 表示海岸線的整體復雜度和曲折度降低。 2010年以后, 岸線分形維數有所增長, 表示海岸線的整體復雜度和曲折度增加。 金甌省西側海灘地區集中了較多的生物質岸線、 淤泥質岸線, 如金甌岬的紅樹林分布區域, 受人工干預和改造的可能性較大, 2011年以前,因對蝦養殖, 紅樹林占地轉化為養殖塘, 導致岸線規整化, 拐點減少; 2011年以后, 紅樹林自然恢復以及紅樹林人工種植等保護措施實行[22], 生物質岸線增加, 岸線曲折度與復雜度增加。 因此研究區整體岸線的分形維數呈先降低后逐步上升的趨勢,但變化幅度不大。

圖8 河口淤積

圖9 研究區海岸線擬合分形維數

3.4 湄公河三角洲地區陸海格局變化特征

如圖10、 11所示, 湄公河三角洲近30年間陸海分布格局的變化特征比較復雜, 存在顯著的陸進海退和陸退海進現象, 部分地區沿海陸地面積減少, 但整個三角洲沿海地區陸地面積顯著增加,沿海陸地面積凈增加約28.55 km2。

檳椥省地區是沿海陸地面積凈增加最顯著的區域,占整個三角洲面積凈增量的71.66%;金甌省地區是沿海陸地面積凈減少最劇烈的區域,占整個三角洲面積凈增量的-71.03%。朔莊省地區雖然面積凈變化量在減少,但是程度不大,僅為-2.95 km2。陸地面積增長指數最高的區域是薄遼省地區,陸地面積增長指數為0.2 km2/km;金甌省和朔莊省兩個地區的陸地面積增長指數均為負值,意味著這兩個區域的陸海格局變化特征為陸退海進。三角洲的西南地區屬于易于壓縮的沼澤和泥地,易發生沉降,且沉降率相對較高,超過1.5 cm/a[23],位于三角洲西南的金甌省地區尤為明顯。圖12進一步展示了自1990年以來金甌省南部地區岸線侵蝕情況,可以看出該地區近30年來岸線一直處于受侵蝕狀態,其變化特征與本文的岸線變遷特征相吻合。

圖10 海洋-陸地凈變化情況

圖11 陸地面積增長指數

4 結 論

本文基于湄公河三角洲地區1990—2018年共8期遙感影像, 全面系統地分析了近30年間湄公河三角洲岸線的時空變化,相關結果表明:

圖12 金甌省南部地區岸線侵蝕情況(背景影像 Landsat OLI, 成像時間 2018-04-17)

(1)1990—2018年湄公河三角洲岸線整體呈現先減少后增加的趨勢,同時人工岸線增長明顯,自然岸線中生物質岸線和淤泥質岸線相互轉化;

(2)在三角洲西南部(金甌省南部)地區岸線侵蝕嚴重,沿岸陸地面積減少,而在三角洲東南部(檳椥省)地區陸地向海推進明顯,沿岸陸地面積增加較大;

(3)總體上整個三角洲地區沿岸陸地面積凈增加了約28.55 km2,其中檳椥省地區是沿海陸地面積凈增加最顯著的區域,金甌省地區是沿海陸地面積凈減少最劇烈的區域。

本文的研究結果可以輔助相關組織或部門結合區域經濟的發展情況,制定科學合理的區域發展規劃。例如,對于三角洲西南部金甌省的紅樹林生長區,采取必要的措施予以保護或種植,建立生態保護區;對于金甌省南部岸線持續侵蝕的區域進行補砂或者修建防護堤,減少或限制近岸采砂;對于河流中上游合理規劃筑壩等。