毋　亭，侯西勇1中國科學院煙臺海岸帶研究所，煙臺　2640032中國科學院大學，北京　100049

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海岸線變化研究綜述

毋亭1，2，侯西勇1，*
1中國科學院煙臺海岸帶研究所，煙臺264003
2中國科學院大學，北京100049

摘要:受全球及海岸帶區(qū)域環(huán)境過程與人類活動的綜合影響，海岸線發(fā)生劇烈的變化，對生態(tài)、環(huán)境及經(jīng)濟社會的影響不容忽視，海岸線變化相關(guān)研究因此得到普遍的關(guān)注。在討論海岸線的定義和分類的基礎(chǔ)上，介紹岸線信息提取的方法與技術(shù)，總結(jié)國內(nèi)外海岸線變化的特征、機制與影響方面研究的進展，并指出未來研究的趨勢，包括:對海岸線變化過程進行動態(tài)監(jiān)測仍將是普遍關(guān)注的研究重點之一;對海岸線變化特征、規(guī)律與機理的認識已經(jīng)日益深化，基于大量高精度數(shù)據(jù)和機理模型的研究已成為熱點和前沿問題;針對不同的海岸帶區(qū)域，聚焦海岸線變化的原因和機制及其對環(huán)境和生態(tài)的影響，以及不同區(qū)域之間的相互聯(lián)系與影響特征，這將是未來研究的重點之一;中國海岸線變化的獨特性、復(fù)雜性突出，促進和支撐中國的海岸帶綜合管理實踐，提高決策者與管理者對岸線變化所帶來的災(zāi)害風險的重視，為中國海岸帶的科學規(guī)劃與發(fā)展提供依據(jù)，這應(yīng)該是我國海岸線變化研究的重要目標。

關(guān)鍵詞:海岸線;遙感提取;精度控制;空間變化;驅(qū)動因素

毋亭，侯西勇.海岸線變化研究綜述.生態(tài)學報，2016，36(4):1170-1182.

Wu T，Hou X Y.Review of research on coastline changes.Acta Ecologica Sinica，2016，36(4):1170-1182.

海岸線具有獨特的地理、形態(tài)和動態(tài)特征，是描述海陸分界的最重要的地理要素，是國際地理數(shù)據(jù)委員會(International Geographic Data Committee)認定的27個地表要素之一［1］。在全球氣候變暖及海平面上升的背景下，全球超過一半的海灘遭受侵蝕而后退［2］。然而，20世紀以來，世界沿海國家經(jīng)濟重心向濱海地區(qū)轉(zhuǎn)移，全球已有超過一半的人口居住在離海岸線100km的范圍內(nèi)［3］，海岸帶成為人類經(jīng)濟活動最活躍、最集中的地區(qū)。日愈飽和與擁擠的生活與生產(chǎn)空間，迫使一些沿海國家、區(qū)域以圍填海形式向海洋要土地，使得部分區(qū)域海岸線一反全球海平面上升背景下的海岸侵蝕趨勢而大規(guī)模向海擴張，海岸線正以遠大于自然狀態(tài)下的速度與強度在改變。海岸線的劇烈變化，給世界各國沿海地區(qū)帶來經(jīng)濟、社會、生態(tài)、環(huán)境等方面的矛盾與難題。岸線侵蝕，海岸帶土地資源減少，土地承載力下降，海水入侵，淡水資源緊張;岸線固化，陸海間的水沙供給過程中斷，加劇海岸帶地面下沉、濕地退化以及風暴潮災(zāi)害影響;人工岸線擴張，侵占和破壞濕地資源，污染海岸帶環(huán)境，加劇富營養(yǎng)化等問題。國內(nèi)外學者已經(jīng)認識到:海岸線的位置、走向和形態(tài)變化是全球及海岸帶環(huán)境過程、人類活動綜合作用的結(jié)果與反映，不僅體現(xiàn)海岸帶環(huán)境特征及演變態(tài)勢，也反映海岸帶經(jīng)濟社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境變化與政策導(dǎo)向之間的博弈關(guān)系，因此，海岸線動態(tài)變化研究是海岸帶環(huán)境監(jiān)測、資源開發(fā)與管理等研究的基礎(chǔ)［4］，有助于加深對海岸帶環(huán)境與生態(tài)過程的理解，以及促進海岸帶資源與環(huán)境的可持續(xù)管理與開發(fā)。有鑒于此，本文對近年來國內(nèi)外海岸線變化方面的研究進行系統(tǒng)地總結(jié)，以期指出這一問題研究的現(xiàn)狀、特征和發(fā)展態(tài)勢。

1　海岸線的定義、空間位置與分類

1.1海岸線的定義與空間位置確定

海岸線被定義為陸地表面與海洋表面的交界線［5］。理想情況下，研究與管理中所涉及到的海岸線應(yīng)該與實際水陸邊界線一致，但因為周期性的潮汐與不定期風暴潮的影響，水陸邊界線具有瞬時性，且一直處于擺動狀態(tài)。因此，在實際應(yīng)用中，一般采用較為固定的線要素代替水陸邊界線指示海岸線的位置，稱為指示岸線或代理岸線。指示岸線分為兩大類:目視可辨識線，即肉眼可分辨的線要素，如，干濕分界線、植被分界線、雜物堆積線、硝壁基底線、侵蝕陡崖基底線、大潮高潮線等;基于潮汐數(shù)據(jù)的指示岸線，即海岸帶垂直剖面與利用實測潮汐數(shù)據(jù)計算的某一海平面的交線，如，平均高潮線為多年潮汐數(shù)據(jù)計算的平均大潮高潮面與海岸帶垂直剖面的交線，平均海平面線為多年潮汐數(shù)據(jù)計算的平均海平面與海岸帶垂直剖面的交線等。較常見的指示岸線如表1和圖1所示。

表1　常見指示岸線的定義Table1　The definition of some common shoreline indicators

圖1　常見指示岸線空間位置的剖面圖Fig.1Profile map of the spatial location of some common shoreline indicators

指示岸線的具體選擇需要根據(jù)特定的研究背景、研究區(qū)的海岸特點和研究區(qū)域的可利用數(shù)據(jù)信息而定。通常認為大潮高潮線是海水與陸地的分界線，地形圖中的岸線多數(shù)是指大潮高潮線，但在遙感影像及野外現(xiàn)場，大潮高潮線往往并不直接可見?？杀孀R岸線中，除人工岸線外，其余岸線均是在大潮高潮的長期淹沒、沖刷、搬運等作用下形成，很好地指示了大潮高潮線的位置，因此，在岸線變化的時空特征研究與陸地制圖中，常選擇這些岸線代替大潮高潮線進行說明。平均高潮線是多年高潮線的平均值，但在溫和氣候下，以制圖為目的輸出的高潮線與平均高潮線的差距是非常小的［6］，因此，一些研究中選擇平均大潮高潮線代替大潮高潮線?；诔毕珨?shù)據(jù)的指示岸線，暗含了海水侵蝕與淹沒海岸的距離，因此，常被用于海岸帶的管理、規(guī)劃與災(zāi)害預(yù)防等行政領(lǐng)域。如，在新西蘭，平均大潮高潮線是法定的規(guī)劃分界線。

1.2海岸線的分類

岸線的分類體系較為多樣化。孫曉宇等根據(jù)是否被人類利用將環(huán)渤海地區(qū)的岸線分為自然岸線與人工岸線兩大類［7］;姚曉靜等根據(jù)海岸的物質(zhì)組成將海南島的自然岸線分為河口、基巖岸線、砂礫質(zhì)岸線、生物岸線，以及將人工岸線分為建設(shè)圍堤、碼頭岸線、農(nóng)田圍堤、養(yǎng)殖圍堤［8］;武芳等根據(jù)海岸的形態(tài)、物質(zhì)構(gòu)成及人類干擾程度將遼東灣東岸岸線分為人工岸線、基巖岸線、砂質(zhì)岸線、已開發(fā)的淤泥質(zhì)岸線、未開發(fā)的淤泥質(zhì)岸線和河口岸線［9］;孫偉富等將岸線分為基巖岸線、砂質(zhì)岸線、粉砂淤泥質(zhì)岸線、生物岸線和人工岸線;高義等將中國大陸自然岸線分為基巖岸線、淤泥質(zhì)岸線和砂質(zhì)岸線［10］。綜合眾多研究，海岸線可按人類利用情況分為自然岸線與人工岸線2個一級類;按照海岸的物質(zhì)組成，又可將自然岸線劃分為基巖岸線、砂礫質(zhì)岸線、淤泥質(zhì)岸線、生物岸線等二級類;而人工岸線則可根據(jù)用途差異分為丁壩與突堤、港口碼頭、養(yǎng)殖與鹽田圍堤、交通圍堤、防潮堤等。

2　海岸線信息提取的方法與技術(shù)

海岸線信息提取是對現(xiàn)實世界海陸分界線的概括過程，最終呈現(xiàn)的線要素模型是現(xiàn)實世界海陸分界線上具有代表性的特征點的集合。提取過程主要涉及數(shù)據(jù)源選取、提取的方法與技術(shù)、數(shù)據(jù)精度控制等問題。

2.1主要數(shù)據(jù)源

1927年以前，航空攝影測量技術(shù)尚未出現(xiàn)，海岸線信息主要來源于歷史文獻與地圖資料(如，歷史地質(zhì)地貌、專題地圖)［11］、18世紀的地形圖(如，美國地形圖(Topographic sheet)［12］、英國地形測量圖(Ordnance Survey maps))等。此類數(shù)據(jù)源通常地域性比較強，所能覆蓋的空間范圍有限。

1927—1980年，航空攝影測量技術(shù)問世并逐漸成熟，各種航空攝影測量像片［13］成為岸線信息獲取的重要來源。航空像片覆蓋范圍較廣，但成本高、時間覆蓋率低，仍然具有很強的地域性。

20世紀70年代以來，美國陸地衛(wèi)星發(fā)射升空，遙感影像數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣、重復(fù)周期短、獲取成本低、空間分辨率高，成為岸線等研究的首選數(shù)據(jù)源。應(yīng)用最普遍的是Landsat系列遙感影像數(shù)據(jù)［14］，以及QuickBird、IKONOS、SPOT、HJ-CCD、CBERS、IRS、Radarsat等衛(wèi)星影像。此外，遙感衛(wèi)星的相關(guān)產(chǎn)品及衍生數(shù)據(jù)，如，GPS坐標、海深、氣候氣象等也常被用作岸線研究的補充與輔助數(shù)據(jù)。

90年代以來發(fā)展起來的數(shù)碼影像系統(tǒng)技術(shù)，利用若干固定位置的攝像機按照一定的時間間隔曝光獲取海岸影像，可監(jiān)測岸線的連續(xù)變化，但僅限于特定的離散點，適用空間尺度小。

同樣在90年代出現(xiàn)的激光雷達探測數(shù)據(jù)，能在很短的時間內(nèi)獲取較大范圍區(qū)域的地面信息，因此，在海岸線研究中的應(yīng)用發(fā)展較快。按照承載雷達的工具可分為航天合成孔徑雷達、航空激光雷達［11］、船載雷達［15］、車載雷達等。但雷達數(shù)據(jù)的獲取成本仍然較高，在岸線研究中的應(yīng)用仍局限于較小的空間尺度。

2.2海岸線提取的方法與技術(shù)

海岸線的提取包括幾何位置繪制與類型識別等。岸線類型識別主要靠人工判讀。岸線幾何位置的提取，根據(jù)繪制過程中是否需要人工輔助或手動修改分為自動、半自動與目視解譯三種技術(shù)。實際應(yīng)用時，在統(tǒng)一海岸線標準的基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合考慮各種岸線提取精度的影響因素，結(jié)合多源數(shù)據(jù)匹配組合的特征，運用地學相關(guān)知識，選擇合適的方法高效、準確的提取海岸線。

2.2.1海岸線的自動提取

海岸線的自動提取主要依賴于雷達探測的DEM高程數(shù)據(jù)，即，提取海岸帶地形剖面與海岸線高程面的交線。海岸線高程面可以是:1)驗潮站長期觀測資料計算的平均高潮面或平均海平面;2)沒有驗潮站資料時可現(xiàn)場測量多個岸線點的高程然后取平均高程面;3)在沒有驗潮站觀測資料同時又無法實施現(xiàn)場測量時，可在DEM數(shù)據(jù)或遙感影像解譯標志明顯的區(qū)域判繪多個岸線點，然后取平均高程面［16］。后兩種獲取高程面的方法假定區(qū)域內(nèi)岸線的高程面一致，只適用于地形起伏與空間差異可以忽略的較小空間區(qū)域的岸線提取。位置確定后，結(jié)合遙感影像各類型海岸的解譯標志或?qū)嵉亟?jīng)驗，判斷岸線的類型。

2.2.2海岸線的半自動提取

借助ERDASENVIPCI等遙感圖像處理軟件的數(shù)字圖像處理技術(shù)可實現(xiàn)岸線的半自動化提取，如圖2所示。

圖2　岸線半自動提取技術(shù)流程Fig.2Technical process of semi-automatic extraction of shoreline

對于單波段影像(LIDAR、SAR、航空像片、Landsata ETM+全色波段、Landsat-SPOT等的可見光多光譜的單波段等)，可通過3條技術(shù)流提取岸線:通過濾波、去噪等邊緣增強最大化岸線與背景地物的輻射對比度，設(shè)定閾值將圖像二值化以提取岸線;利用邊緣檢測算法，檢測灰度梯度突變的邊緣點，然后連接提取岸線;運用模糊聚類、修正模糊聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類、馬爾科夫分類、面向?qū)ο蟮确诸惙椒▍^(qū)分陸地與海洋像元并將同類鄰近像元合并斑塊化，利用輪廓邊界跟蹤技術(shù)提取岸線。

對于多光譜影像，可通過I=aR+bG+cB關(guān)系，將彩色圖像轉(zhuǎn)化為單波段形式的灰度圖像，利用基于灰度圖像的岸線提取技術(shù)提取岸線;或者構(gòu)建歸一化植被指數(shù)(NDVI)、歸一化水體指數(shù)(NDWI)［17］，識別陸地與海洋斑塊，利用輪廓邊界跟蹤技術(shù)提取岸線。

對于數(shù)碼彩色影像(Video Image)，可將其“紅-綠-藍(Red-Green-Blue，RGB)”空間轉(zhuǎn)換為“色調(diào)-飽和度-亮度(Hue-Saturation-Value，HSV)”空間，利用水體與陸地“色調(diào)-飽和度”或亮度差異，識別陸地與海洋單元，實現(xiàn)海陸分離和海岸線提?。?8］。

利用數(shù)字圖像處理技術(shù)提取岸線，存在2個問題:1)在圖像噪聲及分辨率因素的影響下，獲取的岸線的連續(xù)性和準確性存在一定問題，提取結(jié)果需要人工輔助修測;2)提取結(jié)果均為影像獲取時間的瞬時水邊線，必須經(jīng)過潮位校正后方能作為海岸線。潮位校正一般根據(jù)衛(wèi)星成像時刻的潮位高度、平均大潮高潮位的潮水高度以及海岸坡度等信息，計算水邊線至高潮線的水平距離，從而確定海岸線的位置。

2.2.3海岸線的目視解譯

多光譜遙感影像呈現(xiàn)的各類岸線的典型而豐富的光譜特征，使得岸線的目視解譯成為可能。具體而言，可結(jié)合各類型岸線的地學特征、光學特征，總結(jié)形成岸線解譯標志，并通過野外驗證與修正，建立多光譜遙感影像上各類岸線的解譯標志與判繪原則，利用多光譜遙感影像識別海岸線的類型，判繪岸線位置［19］。

基巖岸線在標準假彩色合成的彩色影像上，海水區(qū)域呈深藍色，而陸地因為巖石或植被輻射作用，呈亮白色或紅色，顏色差異較大，可直接提取水陸邊界線作為海岸線。

砂礫質(zhì)岸線在標準假彩色合成影像上呈亮白色，而海岸線以下海灘因為水的間歇或經(jīng)常淹沒作用較為濕潤，在影像上則較暗，因此，砂礫質(zhì)海灘岸線的影像解譯位置一般選擇在亮白色向暗色轉(zhuǎn)折的分界線上，且偏向于亮白色區(qū)域。

淤泥質(zhì)岸線淤泥質(zhì)海岸向陸一側(cè)一般植被生長茂盛，在標準假彩色合成影像上呈紅色或暗紅色，向海一側(cè)植被較為稀疏或沒有植被，則呈淺紅色或灰色，因此岸線的遙感解譯位置取紅色明顯變淡或變?yōu)榛疑霓D(zhuǎn)折處。

人工岸線一般比較平直并因而在影像上易于辨識，丁壩和突堤一般直接沿其中心線提取，其余人工岸線一般取人工構(gòu)筑物向海一側(cè)的水陸邊界線作為海岸線。

2.3岸線信息質(zhì)量控制

岸線數(shù)據(jù)集一般是基于某一特定時刻的靜態(tài)影像所提取，因此，它只能代表特定定義與特定時間或時段的陸海分界線，而且，岸線數(shù)據(jù)的提取受人為主觀影響較大，因此，提取結(jié)果必然與實際陸海分界線存在差異。對提取的岸線數(shù)據(jù)進行誤差分析和精度控制，判斷并保證其能達到某一特定應(yīng)用或需求，是岸線相關(guān)研究中非常必要和重要的過程?；镜乃悸肥怯嬎闾崛〉陌毒€與真實岸線之間的位置差異并判斷其是否在應(yīng)用或用戶的可接受范圍內(nèi)，若不在，則采取相應(yīng)措施予以改進。獲得數(shù)字格式的“真實岸線”是不可能的，所以在實際的岸線質(zhì)量控制過程中，一般是將已知具有較高精度的岸線作為真值參與比較。

2.3.1岸線質(zhì)量評估

岸線質(zhì)量評估的方法可分為基于特征點評估、推論評估、基于線評估。

基于線評估美國國家圖像與地圖局(National Imagery and Mapping Agency，NIMA)2000年白皮書中提出了針對線性要素的質(zhì)量評估方法?；舅枷霝樵u估代表同一地球表面要素的兩條線數(shù)據(jù)的相似性，度量方法包括地圖概括因子、失真因子、偏離因子、模糊因子。四者分別描述線要素的不同特征，同時，又具有能夠表現(xiàn)誤差的空間分布形式的能力。1)地圖概括因子:待評估岸線與已知具有較高精度岸線長度之比，反映待評估岸線與較高精度岸線所能呈現(xiàn)的細節(jié)相似度，值越接近1，待評估岸線越接近較高精度岸線;2)失真因子:將待評估岸線與較高精度岸線數(shù)據(jù)同時標準化并平均分割，依照同一方向為兩條岸線的分割點編號，計算兩條岸線上所有對應(yīng)點對的平均距離反映兩岸線對應(yīng)點間的差異，值越大，待評估岸線相對于較高精度岸線的變形越大;3)偏離因子:待評估岸線落于較高精度岸線右邊的弧段與左邊弧段長度比，反映待評估岸線相對于較高精度岸線的擺動情況，值越大，待評估岸線相對于較高精度岸線的擺動越不規(guī)則;4)模糊因子:計算兩條岸線兩對端點間的對應(yīng)距離，取較大值作為半徑，以4個端點為圓心分別做圓，兩對端點的圓對應(yīng)相交，求相交面積較大者與整圓面積的比值，反映待評估岸線的端點相對于較高精度岸線的偏移情況，值越接近1，待評估岸線的端點越接近較高精度岸線的端點。

基于特征點評估選擇已知誤差且精度較高的數(shù)據(jù)集作為參照對象，如，GPS野外采樣點、由更高空間分辨率的影像提取的岸線點等，比較參照數(shù)據(jù)集與待評估數(shù)據(jù)集中對應(yīng)岸線特征點的平面坐標，按公式計算均方根誤差(RMSE)［20］，或計算較高精度岸線數(shù)據(jù)集中的岸線點至待評估岸線的垂直距離，然后按公式計算中誤差［16］:

式中，RMSE(均方根誤差)為誤差統(tǒng)計量，(XTj，YTj)為實地控制點坐標，(Xtj，Ytj)為實地控制點在岸線數(shù)據(jù)圖形上的對應(yīng)點坐標，RMS為中誤差，D為較高精度岸線數(shù)據(jù)集中的岸線特征點至待評估岸線的垂直距離。

推論評估當用戶因為沒有足夠的資金與時間支持而無法獲得有效數(shù)量的高精度特征控制點或岸線數(shù)據(jù)時，岸線的質(zhì)量評估可采用推論評估法。該方法認為數(shù)據(jù)源誤差、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理過程中產(chǎn)生的誤差會積累并傳播至最終的岸線數(shù)據(jù)，一般是分析并推算岸線提取過程中所有潛在的可能誤差項，并按公式(3)計算綜合誤差，該方法又可稱為多誤差綜合法［20］:

式中，U表示綜合誤差，Er為校正誤差，Ed為數(shù)字化誤差，Ep為像元誤差，Etd為潮差誤差，Es為季節(jié)誤差。具體計算時，可視具體情況添加或刪除某些誤差項。

2.3.2岸線質(zhì)量判斷

對于空間數(shù)據(jù)的水平精度，不同組織或個人根據(jù)應(yīng)用需要，在不同空間尺度上定義了質(zhì)量判斷標準，其中，可用于岸線質(zhì)量判斷的分別如下:

1)美國國家地圖精度標準(National Map Accuracy Standard，NMAS)指出，當制圖比例尺大于1∶2萬時，90%的特征點應(yīng)落在制圖比例尺下真實值的1/30英寸范圍內(nèi);美國聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會(Federal Geographic Data Committee，F(xiàn)GDC)則指出，當有20個控制特征點時，95%置信水平要求只能有一個點落在所設(shè)定的誤差范圍外;連同美國攝影測量與遙感(American Society Photogrammetry and Remote Sensing，ASPRS)，3個機構(gòu)均要求當制圖比例尺大于1∶2萬時，用于比較的特征點數(shù)量不能小于20個，且所有特征點必須均勻分布以使其能反映研究區(qū)域的地理特征及數(shù)據(jù)集中的誤差分布。金永福等利用GPS實測了1083個上海的岸線點，將其與Google Earth(空間分辨率0.6—1 m)進行對比，發(fā)現(xiàn)90%以上的點偏移距離小于5 m，最大偏移小于10 m，滿足1∶2萬的制圖精度要求［21］。

2)美國海岸和大地測量局(U.S.Coast and Geodetic Survey)第49號攝影測量與制圖指南中要求，在基于地圖資料提取海岸線時，岸線定位誤差不應(yīng)超過一定制圖比例尺下地圖距離的0.5 mm［6］，例如，對于比例尺為1∶5萬、1∶10萬和1∶25萬的地圖，岸線定位誤差應(yīng)分別小于25、50、125 m。劉善偉等利用GPS采集青島市261個岸線點，計算這些岸線點到由SPOT影像提取的岸線的距離的中誤差，結(jié)果優(yōu)于5 m，由此判斷SPOT遙感影像提取的岸線滿足1∶1萬比例尺的制圖精度要求［16］。

3)在岸線變化的相關(guān)研究中，岸線的誤差要求小于岸線的變化值，否則，岸線變化的分析將不可靠。例如，Bradley M.Romine等2009年運用推論評估法計算岸線誤差，并比較由岸線誤差計算的速率誤差與變化速率的大小關(guān)系，判斷夏威夷歐胡島東南海岸線變化速率的可靠性、統(tǒng)計顯著性及合理性［22］。

3　海岸線變化特征、機制與影響研究

3.1海岸線變化特征的分析方法與技術(shù)

海岸線變化特征包括長度消長、形態(tài)演化、位置變遷、利用類型轉(zhuǎn)移、岸線所圍陸?？臻g更替等。在對海岸線變化進行分析時，可定性分析，或憑借一些簡單的基本統(tǒng)計量定量分析，如，利用長度值、海陸域面積、分形維、變化速率等分析岸線長度、形態(tài)、位置的時空變化特征。Bradley M.Romine等人，通過計算岸線變化速率，對夏威夷群島的考艾島、歐胡島、毛伊島的岸線位置變化趨勢進行了分析［23］;孫曉宇等人從岸線長度、海陸域面積變化等方面分析渤海灣地區(qū)岸線的時空變遷特征［7］;徐進勇等人從岸線變化強度及分形維數(shù)變化為切入點，分析中國北方岸線長度及形態(tài)的時空變化特征［24］。

岸線位置變化的分析在岸線變化研究中占據(jù)重要地位，主要研究方法分為定性和定量兩種。定性分析主要通過地圖疊加分析對岸線位置變化形成基本的了解和定性認識。定量分析則通過數(shù)值統(tǒng)計量，如，面積、速率等對岸線位置變化進行量化，其中，基于剖面的位置變化速率方法可同時在多層空間尺度上進行，對岸線變化特征的刻畫因此更為深刻與全面，該方法自提出至今，其具體的速率計算方法一直在不斷被改進，已從最初簡單的端點速率、平均速率發(fā)展到較為復(fù)雜的線性回歸與加權(quán)線性回歸速率，近年來又出現(xiàn)了能夠描述海岸線非線性變化與空間相關(guān)性的速率模型。更復(fù)雜的方法不斷被開發(fā)出來，方法的嘗試、檢驗與多種方法的優(yōu)劣比較、適用條件的討論也因此成為很多學者關(guān)注的熱點［25］。根據(jù)速率的計算方法，定量分析方法又可分為簡單模型分析與復(fù)雜模型分析。

3.1.1地圖疊加分析

即將不同時期岸線圖層疊加，利用視覺感觀定性分析岸線位置變化的時空特征［26-27］。這種方法比較簡單，但分析過程主觀，分析結(jié)果粗糙，不能進行時間或空間的比較，無法進行驅(qū)動力分析。

3.1.2簡單模型分析

此類方法認為岸線位置變化過程是單調(diào)線性的，即中間沒有波動。距離和速率的計算方法主要有4種:

1)多重緩沖區(qū)法［28］構(gòu)建原始岸線不同半徑的緩沖區(qū)，計算岸線落入不同緩沖區(qū)的長度占總長度的百分比。對于既定的一個百分比序列，如5%、10%、15%..95%，存在與序列中每個值相對應(yīng)的緩沖區(qū)的寬度，這些緩沖區(qū)寬度構(gòu)成一個服從高斯分布的序列，根據(jù)高斯分布的概率及非線性最小二乘法求得這個序列的平均值及標準差，即岸線的變化距離及變化距離的置信區(qū)間。該方法不涉及尺度效應(yīng)、岸線長度及復(fù)雜性影響，更重要的是具有統(tǒng)計精確性［29］，但它假設(shè)岸線只在水平方向上移動，沒有考慮方向性［30］。

2)動態(tài)分割法［31］在不打斷實際岸線的基礎(chǔ)上，根據(jù)地域特征在岸線屬性發(fā)生變化的位置進行分割，計算基線與岸線上對應(yīng)關(guān)聯(lián)點間的平均距離。該方法保持了岸線同其它空間要素的拓撲關(guān)系，但當岸線較長且較復(fù)雜時，可能會出現(xiàn)不合理值［29］。

3)基于點的計算將較早時相的岸線多邊形化，將較新時相岸線分割為點數(shù)據(jù)，計算點至多邊形的最短距離，除以兩時相的時間間隔即得岸線變化速率［32］。

4)基于剖面的計算以平行于所有歷史岸線基本走向的線要素為基準線，構(gòu)建垂直于基線并與所有岸線相交的剖面，基于剖面計算岸線變化速率。剖面與岸線的交點構(gòu)成岸線位置的時間序列，對此時間序列進行擬合求速率的模型有:端點速率［33］、平均速率［34］、最小二乘法線性擬合［35］、交叉驗證法［36］、加權(quán)線性回歸法［37］、再加權(quán)最小二乘法［37］、絕對值最小法［37］等。

3.1.3復(fù)雜模型分析

認為岸線變化過程是非單調(diào)線性的，變化速率也不再是常數(shù)，而是隨時間變化。計算方法仍是基于剖面對岸線位置的時間序列進行擬合，但不同于簡單模型階段的線性模型，其擬合模型為復(fù)雜的多項式模型，圖形顯示為曲線。曲線的波峰或波谷所在時間點為海岸線運動趨勢發(fā)生變化的時間拐點，曲線的凹口方向決定海岸線變化的方向及速度的變化。擬合時多項式的次數(shù)不由用戶決定，而是由岸線數(shù)據(jù)的精度、樣本量等本身固有特征而定。岸線數(shù)據(jù)的誤差越大、樣本量越多，多項式的次數(shù)將越高，模型匹配度與復(fù)雜性也隨之增加。因此，選擇模型之前首先要構(gòu)建統(tǒng)計量，通常稱為信息標準參數(shù)，該統(tǒng)計量的值隨模型匹配度的增加而減小，隨模型復(fù)雜性的增加而增加，統(tǒng)計量的值最小時對應(yīng)的模型為最優(yōu)模型，此時，擬合模型最精簡同時匹配度最高［38］。

美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局所實施的“國家海岸線評估項目(U.S.Geological Survey National Shoreline Assessment Project)”提出岸線位置相關(guān)性概念，認為某單個剖面上岸線的位置變化并非獨立事件，而是受相鄰剖面同時相岸線位置的牽制，即相鄰剖面岸線位置變化具有空間相關(guān)性。因此，同時考慮岸線的相關(guān)性及波動性，擬合模型也就變得更加復(fù)雜，目前已有的計算方法仍在嘗試階段，還未被廣泛應(yīng)用與了解。選擇標準仍然是滿足擬合模型最精簡且匹配度最高，但模型不再是傳統(tǒng)的多項式模型，而是能表達相關(guān)性的復(fù)雜模型。如:IC-bin［39］與T、|bin［40］局部模擬方法均是將剖面分為若干組，組內(nèi)剖面具有相關(guān)性，組間剖面則不具備相關(guān)性，每組對應(yīng)一個相關(guān)擬合模型，最終岸線變化速率在空間上表現(xiàn)為分段常數(shù)序列;多項式與特征向量模擬方法則在全局尺度上以考慮了相關(guān)性的線性、三角函數(shù)或特征向量模型統(tǒng)一擬合，剖面線上岸線變化具有加速度，速率不再是常值［22，40］。

3.2海岸線變化的影響因素分析

3.2.1海岸線變化的影響因素

海岸帶變化的影響因子可歸為三類:全球環(huán)境過程、海岸帶環(huán)境過程、人類活動。

(1)全球環(huán)境過程新構(gòu)造運動、海平面大尺度起伏等環(huán)境過程是構(gòu)筑海岸輪廓和骨架、決定海岸沉積/侵蝕方向和速率的作用力，是較長時間尺度海岸發(fā)育和變化的背景要素［41］。而氣候變暖則構(gòu)成20世紀以來全球及區(qū)域岸線變化的重要影響因素。政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第三次評估報告指出，全球表面平均溫度將上升1.4—5.8℃。全球變暖，熱帶洋面溫度上升，氣壓下降，熱帶氣旋隨之增多，當熱帶氣旋將遠海沉積物搬運至近海分布時，岸線將向海推進［42］，而當熱帶氣旋登陸，在海平面升高背景下，極端海水漫溢與洪澇災(zāi)害頻率、強度增加［43］，岸線將會遭受大規(guī)模、更強與更頻繁的侵蝕［44］。

(2)海岸帶環(huán)境過程海洋動力(如波、浪、潮等)以及沉積物運移是影響岸線變化的最基本的海岸帶環(huán)境過程。波、浪、潮等海洋動力是海岸形態(tài)的主要營造動力［45-46］，其與海岸的作用方向、作用強度和海岸帶地形、地貌、岸線形狀、岸線走向相關(guān)［47］，其對海岸的改變作用具有空間差異性。沉積物運移是海岸侵蝕的結(jié)果和海岸淤積的物質(zhì)來源，海洋動力對沉積物的搬運，造成海岸線在較大空間尺度上的改變［14］;而海岸帶微氣候因素，如，氣壓、溫度、風場等，通過降水、蒸發(fā)、徑流等過程對河流向海洋的泥沙補給產(chǎn)生影響［48-49］，造成海岸線在較小空間尺度上的改變。

(3)人類活動人類活動對岸線的直接改變具有較強的破壞性及不可逆性，原有自然系統(tǒng)的功能及原始狀態(tài)的恢復(fù)較為困難，對其所引起的生態(tài)環(huán)境的惡化和退化進行治理與補救代價高昂。例如，以海岸防護為目的的防潮堤、丁壩突堤的修筑，以增加人類生存與發(fā)展空間為目的的圍填海工程，以物品貿(mào)易、經(jīng)濟交流與交換為目的港口碼頭的修建與擴張等。人類活動通過干擾全球環(huán)境過程與海岸帶環(huán)境過程，也間接地影響海岸的變遷。例如，采沙［1］、補沙［50］等活動改變波、浪、潮與海岸作用的方向、能量，影響海岸帶侵蝕與堆積過程，從而改變海岸線形狀;河流上游水庫蓄水攔沙、水土保持工程、土地利用變化、城市擴展、河流或河口改道等，打破河流與海洋間原有的泥沙供給平衡，導(dǎo)致局部岸線的變化［51］。

3.2.2海岸線變化影響因素分析方法

對于岸線變化影響因子的分析可通過3條途徑:

(1)基于岸線實際變化過程的影響因子與影響機制分析，即，通過事件前后、不同區(qū)域岸線位置變化特征的對比，分析環(huán)境因子與過程等對岸線變化的影響。Cheryl J.Hapke等將美國加里福尼亞州分為北、中、南三部分，從岸線變化平均速率、最高速率的空間趨勢及空間差異方面出發(fā)，探索岸線變化與海蝕崖變化的相關(guān)關(guān)系及內(nèi)部影響機制［11］;Jffrey H.List等分析風暴潮前、中、后三個時期岸線的變化特征，討論海岸線對風暴潮響應(yīng)的空間異質(zhì)性［52］;Keqi Zhang等選擇美國東部海岸的5個岸段，通過分析海岸線變化速率的空間差異探究海平面變化與海岸侵蝕之間的關(guān)系［53］。

(2)基于數(shù)學方法的影響因素分析，即，通過影響因子變化過程與岸線變化過程的相關(guān)分析，確認兩個過程是否具有關(guān)聯(lián)。Courtney A.Schupp等利用卡方檢驗、交叉相關(guān)分析及數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)等方法，探討美國北卡羅萊納州外灘群島沙壩、近岸沉積物與海岸線變化的關(guān)系［54］。

(3)基于模型的岸線變化分析和模擬，即，利用以自然過程或因子為參數(shù)的模型模擬海岸線變化，分析這些自然過程或因子對岸線變化的影響。Hilary F.Stockdon等以預(yù)測的風暴潮海平面高度，結(jié)合風暴潮前的沙丘和坡臺高程，模擬不同沙灘地區(qū)風暴潮前后海岸線和沙灘體積的變化，揭示風暴潮前后海平面高度、海灘坡度對海岸線變化的影響［55］;Lisa M.Valvo等利用模型模擬不同海濱淺層地下巖巖性對海岸線變化的影響［56］。

3.3海岸線變化的影響效應(yīng)

岸線侵蝕過程的影響效應(yīng)海岸的蝕退作用增強、岸線后退速度劇增，直接造成海岸帶土地資源、生物多樣性資源、社會經(jīng)濟資源的損失［57］，并導(dǎo)致海水入侵、土地鹽漬化加劇、淡水資源減少、地基承載力下降、沿海建筑物穩(wěn)定性被破壞與削弱［58］等。

人力作用下岸線變化的影響效應(yīng)包括對海洋動力的影響以及對環(huán)境和生態(tài)的影響。海岸帶的人工建造物，如，養(yǎng)殖池、港口碼頭、防潮堤都會干擾沿岸流的方向及速率［59］，或產(chǎn)生新的沿堤流，從而改變或產(chǎn)生新的泥沙搬運-沉積過程，打破其本身及附近海區(qū)原有的沖刷與淤積平衡狀態(tài)，干擾或逆轉(zhuǎn)海岸線的自然演變趨勢［60］。海岸工程伴隨大量垃圾的排放入海，海洋環(huán)境退化，污染加劇;養(yǎng)殖使用的化學制劑、餌料，通過廢水排入海洋，會顯著提高近海水域營養(yǎng)物濃度，海水富營養(yǎng)化問題加重，赤潮發(fā)生率提高［61］。海岸工程導(dǎo)致海岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)大面積的減少與破壞，其所特有的諸如氣候調(diào)節(jié)、防洪、為人類提供特定生物資源及作為野生動植物棲息地等生態(tài)服務(wù)功能也隨之喪失。

4　海岸線變化研究的展望

近年來，國外研究主要探討基于剖面的變化速率的計算方法與岸線變化影響因子。除日本、荷蘭、新加坡等，世界上其它國家少有大規(guī)模的圍填?；顒?，但愈演愈烈的海岸帶開發(fā)利用，如，農(nóng)牧漁業(yè)發(fā)展、采沙、旅游與娛樂等，以及氣候變暖、海平面上升、河流入海泥沙減少等因素，同樣使得海岸帶面臨越來越多的問題與威脅。與中國海岸正經(jīng)歷大規(guī)模向海推進的變化趨勢相反，海灘侵蝕是全球海岸所面臨的最普遍問題［62］。據(jù)統(tǒng)計，世界上有70%的海岸長期遭受侵蝕［2］，如，美國的夏威夷群島［63］以及意大利［51］、土耳其［64］和印度［2］等國家的岸線。主要的影響因素是海平面上升［65］、風暴潮［45-46，52］和人類干擾［66］。其中，風暴潮對海岸的影響是間歇的，而非周期性的，且風暴潮過后海岸的變化會回歸到其固有的長期變化趨勢［67］，所以風暴潮對全球海岸普遍存在的后退趨勢不起決定作用;人類干預(yù)對海岸的改變則具有地區(qū)差異性。因此，海平面上升是全球海岸侵蝕現(xiàn)象的決定性和關(guān)鍵性因子。

國內(nèi)對于岸線變化的研究多數(shù)是對岸線基本特征的分析，如岸線長度變化、海陸面積交替、岸線利用類型的相互轉(zhuǎn)移以及岸線分形維時空動態(tài)特征等;對岸線變化影響因子的討論一般是在岸線利用類型或沿海土地利用類型變化的基礎(chǔ)上展開，以定性討論為主，且多數(shù)研究認為目前中國岸線變化的主要控制因素是人類活動，例如，河流上游的調(diào)水治沙活動引起的入海水、沙量的減少導(dǎo)致河口入海口處岸線的侵蝕，港口碼頭、防潮堤的建設(shè)使岸線結(jié)構(gòu)硬化從而破壞其上下游沿岸沉積物的侵蝕與堆積平衡，大規(guī)模圍填海運動導(dǎo)致岸線向海劇烈擴張等;受高精度數(shù)據(jù)及方法的限制，基于剖面的位置變化與預(yù)測分析在國內(nèi)研究中仍較少見。

在氣候變暖、海平面上升引起的全球岸線普遍后退的大趨勢與背景下，國內(nèi)岸線因為日愈強烈的圍填海運動正大規(guī)模向海推進。已有研究表明，新中國成立以來，我國先后經(jīng)歷了四次圍填海高潮:前3次分別是新中國成立之初的圍海曬鹽，20世紀60年代中期至70年代的圍海造田，80年代中后期至90年代的圍海養(yǎng)殖;第四次圍填海高潮始于2008年國際金融危機，沿海一些地方政府主導(dǎo)港口經(jīng)濟與臨海工業(yè)，圍、填海造地規(guī)模遠超過去，造成近年來海岸線以數(shù)倍于以往的速度大規(guī)模向海擴張。我國圍填海的熱點區(qū)域20世紀90年代以前是長江三角洲地區(qū)，1990年代以來，天津、河北以及珠江三角洲岸線開發(fā)、圍填海熱度開始超越長江三角洲，尤其是2000年以后，在天津濱海新區(qū)建設(shè)的影響下，渤海灣的圍填熱潮躍居全國首位，并輻射和帶動了整個環(huán)渤海區(qū)域，與長江三角洲、珠江三角洲一起形成三足鼎立的格局［68-69］。針對圍填海工程是否對海洋及海岸帶生態(tài)系統(tǒng)造成較大及不可逆危害，在國內(nèi)學術(shù)界有較大爭議。相關(guān)學者從海洋動力條件、海岸帶濕地面積、海洋及海岸帶生物等方面的變化入手，對圍填海工程的影響進行討論與分析。

綜合分析國內(nèi)外的研究進展發(fā)現(xiàn):岸線變化的研究方法由定性轉(zhuǎn)為定量，而研究內(nèi)容則從特征的描述發(fā)展為機理與機制的探討。岸線變化的研究方法由最初較為簡單的視覺定性分析過渡為以簡單統(tǒng)計量量化岸線變化特征，如今已發(fā)展出以簡單線性或復(fù)雜非線性模型擬合分析岸線變化特征的方法。岸線變化的研究內(nèi)容最初僅停留在對岸線長度、分形維、海陸面積變遷等特征的簡單描述，現(xiàn)如今則以探討引起岸線變化的環(huán)境、物理、社會、經(jīng)濟等內(nèi)在機理與機制為主。

綜合國內(nèi)外海岸線變化方面的研究，得出:1)利用多源、多類型、長期的資料和數(shù)據(jù)對海岸線變化過程進行動態(tài)監(jiān)測是海岸線變化研究的基礎(chǔ)，仍將是普遍關(guān)注的研究重點之一，更高時空分辨率遙感數(shù)據(jù)的作用和優(yōu)勢將日益顯現(xiàn)，但其應(yīng)用仍將面臨實測潮汐等信息不足的制約;2)對海岸線變化特征、規(guī)律與機理的認識已經(jīng)日益深化，基于大量高精度數(shù)據(jù)和機理模型的深入研究已成為熱點和前沿問題，新近對“海岸線位置相關(guān)性及非單調(diào)線性變化”特征的認識使得對岸線變化特征的描述更加深入、更加接近真實情景，但也對研究方法，尤其是模型的發(fā)展提出了新的要求;3)在多時空尺度氣候變化和人類活動的共同影響下，海岸線變化的過程、機制、趨勢與影響具有顯著的復(fù)雜性和區(qū)域差異性，由于海岸帶綜合管理只能在區(qū)域?qū)用娴玫接行嵤?，所以，針對不同的海岸帶區(qū)域開展大量綜合的研究，聚焦海岸線變化的原因和機制及其對海岸帶環(huán)境和生態(tài)的影響，以及不同區(qū)域之間的相互聯(lián)系與影響特征，這將是未來研究的重點之一;4)中國的海岸帶復(fù)雜而多樣，海岸線變化的獨特性、復(fù)雜性異常突出，因而是國內(nèi)外研究的熱點區(qū)域，從促進和支撐中國的海岸帶綜合管理實踐的角度出發(fā)，未來時期，海岸線變化研究有必要在技術(shù)和方法創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，量化不同區(qū)域岸線變化的趨勢，評估岸線變化對當前及未來生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會的影響，提高決策者與管理者對岸線變化所帶來的災(zāi)害風險的重視，為中國海岸帶的科學規(guī)劃與發(fā)展提供信息與決策依據(jù)。

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Review of research on coastline changes

WU Ting1，2，HOU Xiyong1，*
1 Yantai Institute of Coastal Zone Research(YIC)，Chinese Academy of Sciences(CAS)，Yantai 264003，China
2 University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Abstract:Because of the combined effects of global and coastal environmental processes and human activities，dramatic changes to coastlines have had significant effects on the environment，ecosystems，and human society in the coastal zone，and the issue has increasingly become a major socio-economic concern to countries along the coast.Consequently，coastline changes have drawn great attention in the academic community，and numerous studies on this issue have been conducted and results subsequently published.Following the definition of proxy-based coastlines and rules of coastline classification，in this paper，we review the methodologies and technologies of coastline interpretation，quality calculation，and estimation of coastlines extracted from remote sensing imageries and topographic maps，as well as analytical methodologies and technologies related to coastline change.Driving factors and the effects of coastline changes are also summarized and analyzed in this paper.Progress and directions of expected research are presented in the last part of this paper.A coastline is a wet-dry boundary or ocean-land boundary.In this paper，individual shoreline indicators generally fall into two categories:visually discernible coastlines(e.g.，wet-dry line，debris line，vegetation line)，or intersection lines of the coastal profile with a specific vertical elevation defined by the tidal constituents of a particular area(e.g.，mean high-low water line，mean sea level line).Methodologies and data sources of coastline data extraction are reviewed in the second part，and the methodologies are classified into three categories based on whether they involve human assistance(automaticbook=1171,ebook=283extraction，semi-automatic extraction，and visual interpretation).Calculation of quality and estimation of coastlines are discussed in the second part of this paper，and include line-based evaluation，point-based evaluation，and deduction evaluation.In the third part，methods for analysis of coastline change are reviewed and explained，from simple methods to more complicated ones，and from qualitative methods to more quantitative ones.The driving factors are reduced to three categories:global environmental processes(e.g.，global warming，sea level rise)，coastal environmental processes(e.g.，ocean dynamic，sediment movement)，and human activities(e.g.，coastline hardening，sea reclamation).In the last part of this paper，we discuss research progress and expected research on coastline change around the world.We put forward the following views.Dynamic monitoring of coastline changes remains one of the highest research priorities，as our understanding of features，laws，and mechanisms of coastline change deepens，and as research based on high-accuracy data and advanced mechanistic models develops.Studies focus on causes and mechanisms of coastline changes，impacts on coastal environments and ecosystems of various coastal zones，as well as on the characteristics of interrelations and mutual influences of different coastal regions，are another major area of focus of studies on global coastline change.Furthermore，coastline changes in China have distinct characteristics and complexity;therefore，studies of the Chinese coastline should be used to set the primary goals for improving and supporting the practices of ICZM(Integrated Coastal Zone Management).These studies will increase the awareness of decision-makers and stakeholders of the risks of hazards caused by coastline change，and will provide key information for coastal scientific planning and development.

Key Words:coastline;extraction by remote sensing;accuracy control;spatial variation;driving factors

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:xyhou@yic.ac.cn

收稿日期:2014-06-18;網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015-07-09

基金項目:中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA05130703);中國科學院重點部署項目(KZZD-EW-14);中國科學院煙臺海岸帶研究所“一三五”項目(Y254021031)

DOI:10.5846/stxb201406181270