基于數字岸線分析系統的海岸線時空變化速率分析
——以海州灣為例

沈昆明，李安龍*，蔣玉波,3，劉鑫倉

( 1. 海底科學與探測技術教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2. 中國海洋大學 海洋地球科學學院 山東 青島 266100；3. 鹽城師范學院 城市與資源環境學院，江蘇 鹽城 224299)

1 引言

海州灣東鄰黃海，西接山東日照與江蘇連云港，三面環陸，另一面為海，整體呈圓弧形或U形，屬于海陸過渡地帶，具有廣闊的潮下帶環境和相對較窄的潮間帶環境。這里不僅是社會經濟活動對環境產生嚴重影響的地區，也是海陸相互作用最為活躍的地帶[1]。海州灣地處魯南蘇北，具有明顯的季風氣候，地理環境良好，自然風景旅游資源豐富，漁業資源豐富，北面有嵐山港，南面為連云港，具有廣闊的發展空間。隨著現階段國家大力推進“一帶一路”建設，海州灣迎來了新的發展機遇，其必將成為環黃海經濟圈的重要組成部分[2]。

遙感（RS）所具有的全天候、高精度、大范圍同步、高頻度觀測以及高性價比的優勢顯得尤為突出，國內外學者利用遙感技術已圍繞海灣岸線變化科學問題做了大量相關研究。巢子豪等[3]利用數字海岸線分析系統(Digital Shoreline Analysis System,DSAS)中終點變化速率（End Point Rate，EPR）模型對1984-2012年海州灣岸線進行時空演變分析，得出海州灣海岸線整體呈淤積趨勢；劉鵬等[4]在提取9期歷史岸線基礎上，運用DSAS和FA研究了1959-2002年黃河三角洲海岸線演變規律及影響因素；David等[5]提取2000-2016年的4期遙感圖像中岸線數據，利用DSAS分析馬納爾灣范島的海岸形態的長期和短期變化；Mahapatra等[6]提取1972-2011年的4期遙感圖像中岸線數據，利用DSAS中LRR模型對印度南古吉拉特邦沿海岸線變化進行分析。近年來，海州灣的研究主要聚焦于生物資源、人工魚礁建設環境影響、生態環境等方面，在岸線變化方面研究有所欠缺，本文則對灣內長時間尺度下不同區域海岸線變化進行了系統分析[7-8]。

本文在提取1985-2018年6期岸線數據基礎上，利用RS技術與GIS技術相結合，充分運用數字海岸線分析系統中多個計算模型對岸線變化進行定量分析。根據海州灣岸線變化率時空特征對岸線分類進行綜合研究，分為增長、平衡和侵蝕岸線，反演了海陸交互過程。從而對海州灣岸線變化的時空演變特征提供了更為準確的描述，一定程度上彌補了現有研究中時效性差及驅動力分析不足的缺陷，對海州灣合理利用海岸帶資源，實現可持續發展具有重要意義[9-13]。

2 研究區域

海州灣位于南黃海西部（圖1），研究區域是北起山東日照嵐山頭的佛手咀（35°5′13.483″N，119°20′48.252″E），南至江蘇連云港的高公島（34°43′44.204″N, 119°27′57.643″E）的半封閉海灣，地跨日照、連云港兩市。人工岸線以圍墾養殖為主，自然岸線主要由砂質岸線組成，局部出現淤泥質岸線、基巖岸線和河口岸線。

3 數據來源與分析方法

3.1 數據源及預處理

本文綜合考量影像數據成像日期、云量等因素，從已有的Landsat衛星遙感存檔數據中，選擇成像季相較為一致的1985年、1995年、2005年、2009年、2014年和2018年共計6期遙感圖像，遙感影像信息見表1。

為區分陸地與水體，本文利用ENVI軟件對遙感圖像進行假彩色合成，組合方式為R：Band5、G：Band6、B：Band4。其中利用Landsat7和Landsat8圖像中高分辨率單波段和合成的低分辨率多光譜影像進行GS圖像融合，生成后的2005年、2009年、2014年和2018年影像空間分辨率可達15 m，同時具有多光譜特征。Landsat遙感影像均經過輻射校正、大氣校正預處理和對Landsat7影像采用地理空間數據云平臺條帶修復模型處理，通過野外踏勘10個分布均勻的地面控制點（GCP）和遙感影像坐標的對應關系進行幾何精校正，并基于已配準好的2009年影像分別對1985年、1995年、2005年、2014年和2018年影像進行配準。其中配準影像的均方差為0.102個像元（RMSE=3.076 60），誤差范圍在 0.416 55～7.703 48 m，其中7個校正點的誤差小于0.1個像元，整體幾何糾正誤差小于0.5個像元，滿足研究需要[14]。

圖1 海州灣地理位置Fig. 1 Location of the Haizhou Bay

表1 遙感影像信息Table 1 Remote sensing image information

3.2 岸線解譯與提取

基于ENVI校正后的遙感影像，以ArcGIS10.1軟件為平臺，根據圖像色彩、紋理、地物鄰接關系等方面建立不同海岸類型的遙感解譯標志，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》，采用目視解譯方法，進行人機交互解譯建立岸線的矢量化文件[15-18]。

3.3 分析方法

現階段分析岸線時空變化的方法有面積法、動態分割法、基線法，以及最小二乘法等[19]。其中面積法可分析岸線總體擺動范圍特征，基線法可反映岸線變化的空間分布差異。基于海州灣岸線變化特點，本文選用面積法與基線法相結合的方法進行分析[20]。

基線法采用美國地質調查局(USGS)研發的DSAS 4.3版本，用來計算岸線移動和變化的速率，從而對海州灣岸線進行定量化分析。DSAS分析借助ArcGIS10.1平臺，其中執行DSAS模塊分為5個步驟：（1）海岸線提取；（2）基線創建：基線創建采用最接近于海岸線的相同彎曲形狀的緩沖區法；（3）生成橫截面：設定橫截面長度為9 000 m，以及100 m的采樣間距，這意味著整個海州灣岸線每100 m等距計算一次。在經過多次平滑、擬合和調整后，橫截面從基線正交投射于不同年份的海岸線，共生成了547條等間距垂線[12]；（4）計算基線與岸線之間的距離；（5）計算海岸線變化速率：分別選取相鄰岸線，利用不同的統計模型[EPR、最小平方中值（LMS）、凈海岸線移動（NSM）]自動計算海岸線變化率。在DSAS的各種計算操作中，NSM用于測量1985-2018年之間的長期凈海岸線變化（單位：m），其余統計測量如EPR和LMS顯示短期上述期間每年的變化率，在DSAS分析中，變化率以m/a的負值和正值表示; 負值表示為侵蝕，正值表示增長[21-23]。

EPR的計算方法是將海岸線移動距離除以最舊和最近海岸線之間經過的時間，其計算公式如下：

式中，Ei,j指的是從基線延伸的某條切線H在相鄰年份間岸線終點變化速率；dj為第j期海岸線沿切線H到基線的距離；di為第i期海岸線沿切線H到基線的距離；△Yj,i為第j期與第i期海岸線年份數的差值。

NSM得出的是距離，而不是速率。NSM與日期相關聯只有兩條海岸線。

LMS在普通最小二乘回歸和加權最小二乘回歸中，最佳擬合線被放置在各點之間，使平方殘差之和最小。在線性回歸方法中，用樣本數據來計算平均偏移量，并通過最小化這個值來確定直線的方程，從而使輸入點盡可能接近回歸線。在最小二乘法中，用平方殘差的中值代替均值來確定直線的最佳擬合方程[24]。

4 岸線變化結果分析

4.1 岸線總長度與面積變化

依據遙感解譯結果表明，1985-2018年海州灣岸線變化幅度較大，整體增加了10.40 km（圖2a）。其中，1985-1995年增加了2.02 km，1995-2005年減少了2.77 km，2005-2009年增加了4.83 km，2009-2014年增加了5.21 km，2014-2018年增加了1.11 km（表 2）。

根據衛星圖像地物解譯標志，將1985年、1995年、2005年、2009年、2014年、2018年6期的海岸線分為人工岸線和自然岸線。其中，人工岸線有圍墾養殖岸線、碼頭建設岸線等，人工岸線未做二級分類分析，自然岸線二級分類有砂質岸線、基巖岸線、淤泥質岸線和河口岸線。近年來，人工岸線長度逐年增加，自然岸線呈現出不斷減少的趨勢。自然岸線中砂質岸線比例最高，集中在繡針河口到興莊河口，以及西墅以東基巖海岸的岬灣凹岸內，共減少6.47 km；基巖岸線次之，集中在西墅以東區域，但2009年后隨著連云新城建設，部分區域變成人工岸線，共減少了3.77 km；河口岸線分布均勻，變化幅度較小。除了1995-2005年自然岸線變化微小，人工岸線變化速率為-0.27 km/a外。1985年自然岸線長度為41.23 km，占岸線長度的46.25%，經過33年的經濟開發活動，到2018年，自然岸線長度降至28.64 km，占岸線長度的28.78%，比例下降了17.48%。與此形成鮮明對比，人工岸線長度總體呈上升趨勢，2005-2009年期間，岸線增長速度為1.98 km/a，為岸線增長最快階段，1985-1995年為 0.99 km/a，2009-2014年為 1.07 km/a，2014-2018年為0.63 km/a（圖3）。海州灣面積變化的數據表明，灣內面積呈現逐年減小趨勢，從1985年的665.73 km2減小到2018年的612.89 km2，面積變化率為-7.9%，陸地面積增長主體為2009-2014年的新沭河至西墅岸段（圖 2b，圖 2c）[25]。

4.2 DSAS分析

4.2.1 短期岸線變化

在DSAS分析中計算了5個時期的海岸線短期變化，分別為1985-1995年，1995-2005年，2005-2009年，2009-2014年和 2014-2018年（圖 4）。研究在計算EPR的結果基礎上，同時利用變異系數（C.V）來比較岸線數據離散程度大小，發現海岸線在不同年份不同區域變化各具特點，但總體呈向海方向推進趨勢（表 3）[26]。

圖2 海州灣岸線不同時期海岸線長度、陸地增長面積及海州灣面積變化過程Fig. 2 The length of the Haizhou Bay coastline, the change of land growth area and the change process of the Haizhou Bay area

表2 海州灣海岸線長度統計Table 2 Coastal length of the Haizhou Bay

1985-1995年海岸線年變化速率為18.65 m/a，總體以增長為主。繡針河北-柘汪河海岸線變化速率為11.37 m/a，該段1985年岸線長度為21.40 km，呈現以增長為主，最大增長率為123.73 m/a，最大侵蝕率為48.25 m/a；柘汪河-新沭河海岸線年變化速率為16.22 m/a，該段1985年岸線長度為32.60 km，呈現以增長為主，最大增長率為116.36 m/a，最大侵蝕率為58.01 m/a，內部差異最大（C.V=2.23）；新沭河-高公島段海岸線年變化速率為24.83 m/a，該段1985年岸線長度為35.13 km，呈現以增長為主，最大增長率為173.55 m/a，最大侵蝕率為-25.79 m/a，內部差異最小（C.V=1.33）。

圖3 1985-2018年海州灣岸線變遷Fig. 3 The coastline changes of the Haizhou Bay from 1985 to 2018

1995-2005年海岸線年變化速率為11.62 m/a，總體以增長為主。繡針河北-柘汪河段海岸線年變化速率為-0.15 m/a，該段1995年岸線長度為14.60 km，呈現出輕微侵蝕，最大增長率為79.25 m/a，最大侵蝕率為 47.97 m/a，內部差異最大（C.V=-144.39），柘汪河-新沭河段海岸線年變化速率為5.43 m/a，該段1995年岸線長度為38.10 km，呈現以增長為主，最大增長率為117.85 m/a，最大侵蝕率為63.19 m/a，較上一個階段內部差異減小；新沭河-高公島段海岸線年變化速率為22.40 m/a，該段1995年岸線長度為38.44 km，呈現以增長為主，最大增長率為74.48 m/a，最大侵蝕率為17.14 m/a，內部差異最小（C.V=0.93）。

2005-2009年海岸線年變化速率為23.25 m/a，總體以增長為主。繡針河北-柘汪河段海岸線年變化速率為18.61 m/a，該段2005年岸線長度為22.80 km，總體呈現以增長為主，最大增長率為115.39 m/a，最大侵蝕率為67.91 m/a，內部差異較小（C.V=1.53）；柘汪河-新沭河段海岸線年變化速率為0.92 m/a，該段2005年岸線長度為30.40 km，呈現出輕微呈現出輕微增長，最大增長率為141.29 m/a，最大侵蝕率為274.11 m/a，內部差異最大（C.V=54.52）；新沭河-高公島段海岸線年變化速率為50.65 m/a，該段2005年岸線長度為35.17 km，呈現以增長為主，最大增長率為441.43 m/a，最大侵蝕率為112.57 m/a。

2009-2014年海岸線年變化速率為79.20 m/a，總體以增長為主。繡針河北-柘汪河段海岸線年變化速率為21.41 m/a，該段2009年岸線長度為22.1 km，總體呈現以增長為主，最大增長率為131.39 m/a，最大侵蝕率為41.13 m/a，內部差異較小（C.V=1.74）；柘汪河-新沭河段海岸線年變化速率為46.06 m/a，該段2009年岸線長度為30.20 km，呈現出以增長為主，最大增長率為420.29 m/a，最大侵蝕率為33.94 m/a，內部差異最大（C.V=2.26）；新沭河-高公島段海岸線年變化速率為144.13 m/a，該段2009年岸線長度為40.90 km，呈現以增長為主，最大增長率為576.03 m/a，最大侵蝕率為73.13 m/a，內部差異最小（C.V=1.57）。

2014-2018年海岸線年變化速率為9.02 m/a，總體以增長為主。繡針河北-柘汪河段海岸線年變化速率為9.20 m/a，該段2014年岸線長度為26.30 km，總體呈現以增長為主，最大增長率為237.01 m/a，最大侵蝕率為-13.25 m/a，內部差異較小（C.V=1.74）；內部差異較小（C.V=1.74）；柘汪河-新沭河段海岸線年變化速率為5.81 m/a，該段2014年岸線長度為35.70 km，呈現出以增長為主，最大增長率為91.07 m/a，最大侵蝕率為-235.31 m/a，內部差異最大（C.V=4.70）；新沭河-高公島段海岸線年變化速率為12.57 m/a，該段2014年岸線長度為36.41 km，呈現以增長為主，最大增長率為215.65 m/a，為-32.18 m/a，內部差異最小（C.V=2.50）。

海州灣岸線變化具有較大的時間異質性，不同區域均呈現出較快的增長趨勢，但岸線變異系數逐漸減小；空間變化上繡針河北-柘汪河段岸線變化速率最小，這與當地圍墾養殖活躍程度較低有關。新沭河-高公島段岸線變化速率最大，這是與西墅填海造陸和連云港在自1973年來的港口建設和旅游經濟活動密切相關。

4.2.2 長期岸線變化

（1）海岸線分類

根據EPR和LMS結果分析，對海州灣岸線進行分類，主要是為了突出總體趨勢變化，同時對海岸線變化敏感度提出相對衡量標準。依據EPR值將海州灣岸線分為 3 類：增長岸線（＞5 m/a），平衡岸線（-5～5 m/a），侵蝕岸線（＜-5 m/a）（圖 5）[27]。

圖4 1985-2018年海州灣不同時期的岸線終點變化速率及其分布Fig. 4 Change rate and distribution of shoreline endpoints of the Haizhou Bay in different periods from 1985 to 2018

由1985-2018年分成的5個時期中，年均增長岸線比例經歷了略微增加-降低-持續增加趨勢。第一個階段從1985-1995年到1995-2005年，增長岸線比例從43.04%升至44.87%，僅增加了1.83%，相應的侵蝕岸線比例從11.54%增加到11.90%，增加了0.36%。第二個階段為1995-2005年到2005-2009年，增長岸線比例發生突變，岸線比例從44.87%降至22.16%，降低了22.71%，相應的侵蝕岸線比例從11.90%增加到14.84%，增加了2.94%，平衡岸線比例增加較大，達到19.78%。第三個階段為2005-2009年到2014-2018年，增長岸線比例從22.16%升至61.90%，增加了39.74%，而侵蝕岸線比例則發生了先增加后減少的過程，從14.84%增加至25.46%，后又降至5.4%。

其中年均侵蝕岸線比例變化較小，最高占比25.46%。從1985-1995年到2009-2014年，平衡岸線占比最大，增長岸線占比次之，侵蝕岸線占比最少，而2014-2018年增長岸線占比最大[28]。

（2）凈海岸線變化結果

凈海岸線運動的平均值是記錄海岸線距離變化的有效指標。圖6顯示了海岸線的總運動以及當前岸線變化特征。其中，新沭河-高公島段記錄了最大的海岸線變化，5個時期中變化最大時期為2009-2014年，該段增長岸線長度平均增加了1 335.66 m，侵蝕岸線長度平均減少了52.14 m，變化最小時期為2014-2018年，該段增長岸線長度平均增加了62.03 m，侵蝕岸線長度平均減少了50.75 m，這是由于連云新城建設初步完成，以及人工構筑物增加較少。總體上，繡針河北-柘汪河段海岸線變化最小，除了早期1985-2005年人工養殖用地需求，后期岸線變化趨于穩定。其中，1995-2005年變化最大，該段增長岸線長度平均增加了263.56 m，侵蝕岸線長度平均減少了93.59 m，2014-2018年變化最小，該段增長岸線長度平均增加了64.36 m，侵蝕岸線長度平均減少了12.69 m。

（3）終點速率法結果

根據EPR結果，研究揭示了一般的岸線長期變化趨勢，海州灣地區岸線以前進為主，記錄EPR增加總橫斷面全都超過50%（表3）。其中，2005-2009年記錄增加的橫斷面最多，達到77.11%，2009-2014年記錄增加的橫斷面最少，僅為50.64%。2009-2014年岸線變化速率增長最大，海岸線平均變化率為79.20 m/a，2014-2018年岸線增長最小，海岸線平均變化率為9.02 m/a。

表3 海州灣岸線變化趨勢Table 3 Change trend of the Haizhou Bay shoreline

圖5 1985-2018年海州灣增長、平衡、侵蝕岸線所占比例Fig. 5 Proportion of the Haizhou Bay growth, balanced and eroded shoreline from 1985 to 2018

4.3 岸線驅動力分析

利用ArcGIS軟件對提取的6期岸線定量分析發現，海州灣海岸帶變化30多年來具有典型的時空異質性。海岸線變化劇烈的區域主要集中在繡針河北-柘汪河段、柘汪河-新沭河段和新沭河-高公島段，同時在各個時期的變化具有顯著差異。因此，本文通過對這3個區域詳細分析來反演1985-2018年的海陸交互過程。

（1）繡針河北-柘汪河段：該區域30多年來陸域面積增長顯著，圍海造陸區域主要用于圍墾養殖與海灘建設。其中1985-2009年陸域增長用地主要為圍墾養殖，面積增加了2.34 km2，岸線平均變化速率為29.83 m/a。2009年，連云港新海灣碼頭開始建設，臨港用地需要量增大。同期，多島海風景區開始建設，至2018年完成省級旅游度假區和國家4A級旅游景區創建目標。陸域面積增長了1.94 km2，岸線平均變化速率為30.61 m/a。用于農業目的的海水養殖和多島海風景區海灘設施的建設或現有設施的擴建加快了岸線前進速率，從而抑制了沿海地區的自然恢復過程，許多地方的海灘基礎設施已完全取代了自然環境。

圖6 1985-2018年海州灣不同時期的凈海岸線變化及其分布Fig. 6 Changes and distribution of net coastline of the Haizhou Bay in different periods from 1985 to 2018

（2）柘汪河-新沭河段：該區域陸域增長面積主要為圍墾養殖和贛榆新城建設。其中，1985-2009年陸域增長用地主要為圍墾養殖，陸域面積增加了7.79 km2，岸線平均變化率為22.58 m/a。2009-2018年期間，贛榆新城琴島天籟片區總體工程于2011年5月動工建設，2012年12月10日完成合龍。該工程填海面積2.35 km2，內海面積0.62 km2，圍海造陸北起沙汪河、南至青口河、西起現有達標海堤、東至海堤向東約2.1 km。整個區域在2009-2018年面積增加了8.33 km2，岸線平均變化率為51.87 m/a。

（3）新沭河-高公島段：該區域陸域增長面積主要為連云港新城建設和港口用地。其中，新沭河口在徑流輸沙和海域供沙的共同作用下不斷淤積，淤積速率為53.54 m/a（圖3）。1985-2009年期間，連云港于2005年提出“城市東進，擁抱大海”的發展戰略，臨洪口至西墅岸段變遷加快，連云港從1973年開始便穩步建設。1985-2009年陸域面積增長16.67 km2，岸線平均變化率為99.70 m/a。2009-2018年期間，2012年市委、市政府出臺《關于加快新海新區開發建設的意見》，新海新區建設進入加速期。2009-2018年陸域面積增加了19.33 km2，岸線平均變化率為156.70 m/a。

分析發現引起岸線變化主要原因為自然因素和人為因素。受區位政策及經濟活動影響，海州灣進行了大量的圍海造陸、圍墾養殖和港口建設，人工岸線增長顯著，海州灣的岸線呈持續向海擴張趨勢。

5 結論

本文基于假彩色合成遙感資料，利用地理信息系統和數字海岸線分析系統對海州灣岸線進行數字化及定量分析了岸線變化速率，描述了海州灣岸線1985-2018年的短期變化與長期變化，得出結論如下：

（1）2009年之前，海州灣岸線處于向海緩慢推進，增加陸域面積24.3 km2，岸線總長度增加了4.08 km，圍墾養殖為最大影響因素。2009年之后，海州灣岸線向海推進速率加快，陸域增加面積28.54 km2，岸線總長度增加了6.32 km，贛榆新城和連云新城建設為最大影響因素。

（2）海州灣30多年來岸線變化具有時空異質性，其整體呈向海前進的態勢，除1995-2005年繡針河北-柘汪河段發生輕微侵蝕，侵蝕速率為0.15 m/a。3個區域不同時期岸線變化增長速率不同，其中2009-2014年，新沭河-高公島增長速率最大，達到144.13 m/a，主要受此期間連云港市政府出臺《關于加快新海新區開發建設的意見》政策影響，新海新區建設進入加速期，由此引發岸線變化劇烈。

（3）海州灣岸線以人工岸線為主，且所占比例日漸加大，由1985年的47.90%到2018年的70.88%，這與沿海經濟開發活動密切相關，包括連云港港口建設、圍墾養殖、圍海造陸建新城區和海灘風景區建設。其中，贛榆新城琴島天籟片區總體工程和連云港新城建設對岸線變遷的影響最大，由此引發大量圍海造陸工程，建設大量人工構筑物，人工岸線具有良好的幾何學特征。