1995—2017年福建省海岸線時空變化分析

楊 超，張小芳 ，張 旸*

(1. 福建農林大學資源與環境學院，福建 福州350002; 2. 福建農林大學公共管理學院，福建 福州350002)

海岸線不僅僅是沿海地區的水陸分界線，而且其蘊含著大量的環境信息[1]。海岸線的變化會直接影響到海岸帶環境的變化，環境的變化又會影響海岸帶資源與生態等的一系列改變，甚至影響到沿海地區的經濟、人文等發展。沿海地區作為近年來全球海洋開發興起的重點地區，研究海岸線的變化及其影響因素對了解沿海地區環境變化具有重要意義[2]。

海岸線因其位置的特殊性存在動態性特征，而基于傳統的地面調查費時、費力，相比利用遙感影像結合GIS技術提取和監測海岸線信息具有宏觀、快速、可重復觀測、成本低等優點[3-4]。目前基于遙感影像提取的海岸線多為瞬時水邊線(即衛星過境時的水陸分界線)，其與傳統地理學意義的海岸線定義并不完全一致[5-6]。福建省因海岸線曲折加之海灣、島嶼眾多[7]，尤其近年來沿海開發活動如港口、漁業等呈增長態勢必然會影響岸線變化，使得福建省成為近年來海岸線研究熱點之一。對于福建省海岸線監測，李宗梅等(2017)分別通過目視解譯和自動解譯手段提取了福建省2002、2006、2010年共3期海岸線數據，對比了各類型海岸線的提取效果，并在此基礎上分析岸線變化[8]；王琳等(2017)基于修正歸一化水體指數MNDWI提取了廈門1989、1995、2000年共3期海岸線數據并對比分析岸線變化情況[9]。綜合考慮到福建省海岸線的自然特征加之近年來人為開發對岸線的影響，僅基于岸線類型變化、小區域海岸線分析存在局限性，因此宏觀角度上對海岸線的動態變化進行監測與分析是必要的。本研究采用遙感和地理信息系統的方法，以Landsat系列影像為數據源提取福建省1995—2017年共4期的海岸線數據，旨在通過統計分析方法揭示海岸線時空變化的特征、原因以及可能造成的影響等，其對于福建省岸線資源的合理開發利用、生態環境的可持續發展等方面均具有較強的現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

福建省位于我國東南沿海，范圍為23°30′—28°20′N，115°40′—120°30′E，沿岸海域面積達1.36×105km2，海岸線曲折，基本輪廓呈東北—西南方向伸展，岬角和海灣相間分布且數量眾多[10]，自然條件的復雜多樣化使得海岸線也呈現多樣化的特征(圖1)。天然的地理優勢使得海洋經濟成為福建省國民經濟的重要組成部分，也使得福建省成為我國近年來海洋經濟迅速發展的地區之一。福建省沿海各市的海洋開發活動包括港口、漁業、天然氣等近年來呈增長趨勢，如平潭島綜合試驗區等的建設進一步推動了福建省海洋開發建設的規模、強度等。加之福建省內較大河流如閩江、九龍江等匯入臺灣海峽，河口的自然淤漲等變化和填海造陸、港口碼頭新建等人為活動必然會使得海岸線產生相應的變化，從而影響到沿海生態環境的變化。本研究中研究區海岸線包括福建省大陸、平潭島、湄洲島、南日島、廈門島和東山島等。

圖1 研究區域示意圖

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源 本研究海岸線信息提取所用遙感數據源為Landsat TM/OLI_TIRS數據，數據源空間分辨率均為30 m，遙感影像共26景，其中1995年7景、2001年6景、2010年7景(Landsat 5-TM)以及2017年6景(Landsat 8 OLI_TIRS)。影像提取時間為冬季且地面天氣晴朗少云，對遙感影像進行波段合成后圖像要求海岸帶清晰，地物識別明顯。輔助驗證材料主要包括福建省行政區劃圖、高分影像等，并結合歷史海岸類型調查數據等為海岸線遙感解譯提供支持。

1.2.2 海岸線遙感信息提取 依據各類型海岸線在標準假彩色合成影像上色調、形態、分布等特征，并結合典型地區歷史調查輔助資料分析，采用人工目視手段判讀海岸線位置。根據傳統地理學意義的海岸線定義[11]采用不同的遙感判讀標準：基巖海岸和人工海岸直接以水陸分界線來確定，以岬角的水陸相接地帶、港口碼頭等向海一側作為海岸線；砂質海岸以潮水搬運影響堆積生成的灘脊邊界確定；淤泥質海岸、生物海岸分別以植被茂盛明顯差異處、與陸地植被相比顏色較暗處確定；河口岸線針對河口處為保證岸線連續而人為確定位置，河口地貌學上一般取河口中部、沙洲密集處來確定(圖2)。

圖2 不同類型海岸線解譯標志位置圖

1.2.3 海岸線變化強度計算 為在海岸線長度變化基礎上進一步對比各地市各時期內長度變化速度的時空差異，引用海岸線變化強度[12]來分析各時期變化差異，即用某一時期內海岸線長度的年均變化比來表示：

(1)

式(1)中：LCIij表示i年到j年之間海岸線長度的變化強度，Li和Lj分別表示i年和j年海岸線長度(km)。

1.2.4 海岸線分形維數計算 海岸線分形維數計算常用方法為網格法[13]，網格法基本思路即使用長度不同的正方形網格連續、不重疊地去覆蓋研究區海岸線，當使用的正方形網格長度k出現變化時，則覆蓋研究區海岸線所需的網格數目N(k)也會產生相應的變化[14]，根據分形理論

N(k)∝k-D

(2)

對公式(2)兩邊同時取對數，得

lgN(k)=-Dlgk+A

(3)

式(2)、(3)中：D為分形維數，直線分形維數理論值為1，矩形分形維數理論值為2，分形維數值越大表示海岸線形狀越復雜；A為待定常數。

2 結果與討論

基于1995、2001、2010、2017年共4期福建省海岸線遙感信息提取結果，統計并分析海岸線長度的變化特征，并在長度變化分析基礎上結合網格法計算并分析福建省及各地市海岸線分形維數的歷史變化特征。

2.1 海岸線長度及強度時空變化特征

福建省各地各時期海岸線長度如表1所示，結果表明2017年福建省海岸線總長度為4 084.96 km，1995—2017年海岸線長度呈持續增加趨勢，共增加388.99 km，年平均增加17.68 km。1995—2017年福建省沿海海岸線長度保持福州>寧德>漳州>泉州>莆田>廈門的總體格局，其中研究時期內福州海岸線長度變化最大，增加114.42 km，年均增加5.20 km；其次寧德增加了101.10 km，年均增加4.60 km；再次為漳州、莆田和泉州，分別增加61.47、55.70、47.89 km，年均增加分別為2.79、2.53、2.18 km；最后為廈門海岸線長度增加8.18 km，年均增加0.38 km。

表1 1995—2017年福建省及各地市海岸線長度統計

研究區及各地市各時期海岸線變化強度如圖3所示，1995—2017年福建省整體及各地市海岸線長度變化強度總體可分為逐漸增加和先減小后增加兩種形態。從時間過程來看，2010年之后福建省海岸線長度進入快速增長期，其中2010—2017年是海岸線長度變化最劇烈的時期，海岸線變化強度為5.43%；其次為2001—2010年，海岸線變化強度為3.33%；再次為1995—2001年，海岸線變化強度為1.46%。從區域上看2010—2017年寧德海岸線長度變化最劇烈，海岸線變化強度為8.37%；其次為莆田和泉州，分別為6.85%和6.67%；再次為廈門、福州和漳州，分別為4.55%、4.33%和2.37%。

圖3 1995—2017年福建省及各地市海岸線長度變化強度

寧德海岸線在1995—2001、2001—2010、2010—2017年3個研究時期內變化強度差異較大，其中2010—2017年的海岸線長度變化強度最大(8.37%)，其次為1995—2001年(3.53%)，再次為2001—2010年(0.45%)，三沙灣內的港口建設成為影響寧德海岸線長度變化強度的主要原因；福州市海岸線在2001—2010年海岸線長度變化強度最大(5.90%)，其次為2010—2017年(4.33%)，再次為1995—2001年(-0.43%)，平潭島和福清灣是福州海岸線長度變化相對集中的區域，主要工程如烏土礁的開發以及火燒港的建設等；莆田海岸線長度變化強度自1995年以后開始呈逐漸增強趨勢，其中2010—2017年最大(6.85%)，其次為2001—2010年(6.17%)，再次為1995—2010年(0.28%)，興化灣港口擴建是影響莆田海岸線長度變化的主要因素。

泉州海岸線長度變化強度呈現先減后升的趨勢，在1995—2001年和2010—2017年分別為3.98%和6.67%，湄洲灣[15]和泉州灣[16]是泉州海岸線長度變化相對集中的區域，主要工程包括湄洲灣港口建設和泉州灣養殖池新建等；廈門在2010—2017年海岸線變化強度最大達4.55%，東咀港、馬鑾灣和潯江港等地是廈門海岸線長度變化的集中區域，主要建設工程包括東咀港和潯江港的擴建、馬鑾灣的圍墾等；漳州海岸線長度變化強度在2001—2010年變化最劇烈，為5.15%，其次為2001—2017年(2.37%)，再次為1995—2001年(1.72%)，東山灣、佛曇灣、舊鎮灣和詔安灣等地是漳州海岸線長度變化的集中區域，主要工程包括東山港、白沙港和佛曇港建設等。總體來看福建省內的寧德、泉州和莆田是海岸線變化最劇烈的區域，海岸線長度變化強度總體保持寧德、莆田領先其他地市的狀態。

2.2 海岸線分形維數時空變化特征

1995—2017年福建省海岸線的分形維數總體呈現先增大后減小趨勢，表明研究區海岸線形狀總體先趨于復雜化而后開始趨于穩定態勢(表2)。寧德和漳州海岸線分形維數在2010年之前以增加為主，2010年之后呈先減小后增加趨勢；福州海岸線分形維數在2001年之前以減小為主，而在2001年之后又呈現增加趨勢；莆田海岸線分形維數呈現2001年之前先持續減小，2001—2010年呈增加趨勢，而在2010年之后呈減小趨勢；泉州海岸線分形維數在2010年之前以減小為主，而在2010年之后呈增加趨勢；研究時期內廈門海岸線分形維數呈持續增加趨勢。

表2 1995—2017福建省及各地市海岸線分形維數變化

續表2

總體而言，福建省海岸線分形維數變化比較劇烈，1995—2017年福建省海岸線總體保持寧德、福州和泉州海岸線形狀最復雜，其次為漳州、莆田和廈門。

2.3 海岸線長度變化與分形維數變化的關系分析

1995—2017年福建省海岸線長度變化與分形維數變化并不存在線性關系(圖4)，與傳統意義上海岸線長度變化與分形維數變化之間存在較好的線性相關結論并不一致。

圖4 1995—2017年福建省及各地市海岸線分形維數的變化

海岸線分形維數的變化是影響海岸線動態變化的自然因素和人為因素綜合作用的結果。比較1995年與2017年兩期海岸線的變化，對福建省海岸線分形維數影響較大的動態海岸線變化主要在福州和廈門等地且是人類活動引起。其中廈門沿海建設對福建省海岸線分形維數影響較大，海岸線長度增加了8.41 km，分形維數增加了0.064；其次為泉州，海岸線長度增加了47.89 km，分形維數增加了0.015；此外寧德和福州海岸線動態變化對海岸線分形維數影響也比較大，寧德海岸線長度增加了101.10 km，分形維數增加了0.015；福州海岸線長度增加了114.42 km，分形維數增加了0.012。

因自然變化如河口侵蝕和泥沙淤積引起的福建省海岸線動態變化主要集中在九龍江，而在交溪河口、洛江河口和閩江河口等大型河口區域海岸線的變化主要由人類活動引起。九龍江河口泥沙自然淤積等變化使得漳州市總體海岸線長度各時期增加值分別為11.14、33.9、16.43 km，分形維數各時期變化值分別為0.025、0.003、0.018；交溪河口因養殖池開墾使得寧德市總體海岸線長度各時期增加值分別為28.09、3.70、69.31 km，對應的各時期分形維數變化值分別為0.024、0.012、0.003。

2.4 海岸線變化原因分析

將福建省各時期海岸線提取結果兩兩進行疊加，提取各時期的海岸線動態變化范圍，結合歷史遙感影像對各時期影響海岸線動態變化的人類活動與自然變化進行分析，中、后期全省土地面積凈增加約235.02、310.57 km2。遙感解譯結果表明1995—2017年影響海岸線變化的主要人類活動為港口建設、漁業設施建設、城鎮建設用地等，自然因素為河口侵蝕和淤積等。

海洋經濟的迅猛發展是近年來沿海地區發展的顯著特色，尤其是港口碼頭、沿海養殖池、濱海旅游等產業設施的迅速發展對海岸帶環境產生了重要影響。各類沿海建設工程的新建與擴建等使得海岸線呈現向海擴展的趨勢，如興化灣的擴建等(圖5)。大規模建設活動使得岸線向海推進最大達3 km，加之因泥沙淤積被開發為耕地等也造成土地面積增加，如斗尾、秀嶼港區合并成湄洲灣港，道路、碼頭等圍填海工程也使得大量配套設施用地增加。而局部一些沿海養殖池、河口的自然侵蝕等也會使得海岸線呈現向陸后退的現象，加之人工養殖池的開挖、河口拓寬等會使岸線后移，如2001—2010年平潭島南部因受海水侵蝕等使得岸線倒退達500 m。比較分析由局部海岸線的動態變化引起的福建省整體海岸線長度及分形維數變化，結果表明沿海的工程建設對研究區海岸線長度及分形維數影響呈增加效果。

圖5 興化灣各時期面積增減變化示意圖

3 結論

本研究結合遙感影像和GIS技術獲取了福建省1995—2017年海岸線的時空分布情況，并采用網格法計算各時期福建省及各地市海岸線的分形維數，并基于海岸線時空變化特征、海岸線長度、強度變化與分形維數之間的關系，得到主要結論如下：

(1)1995—2017年福建省海岸線長度呈持續增加趨勢，其中沿海各地市增長幅度依次為福州>寧德>漳州>莆田>泉州>廈門。

(2) 1995—2017年福建省海岸線變化強度呈持續增加趨勢。從時間過程來看，2010年之后海岸線長度快速增長，其中2010—2017年增長幅度高于2001—2010年和1995—2001年。從各地市來看，1995—2017年各地市變化幅度依次為寧德>莆田>泉州>廈門> 福州>漳州。

(3)1995—2017年福建省海岸線分形維數呈先增加后減小趨勢，總體與漳州海岸線分形維數變化趨勢接近，其中廈門海岸線分形維數變化較劇烈，而泉州、寧德、福州等地市海岸線的分形維數則相對穩定。1995—2017年福建省海岸線分形維數總體保持寧德、福州、泉州最復雜，其次為莆田、廈門、漳州。

(4)對1995—2017年各時段海岸線動態范圍對應的面積匯總情況來看，以湄洲灣、興化灣兩地面積變化最為顯著，以興化灣為例，研究時段內岸線變化使得該區各時期的土地面積增加約5.94、12.27、30.44 km2，其中建設用地面積遠高于圍墾農田面積。與自然影響相比人類活動如港口建設等對福建省影響較小。