海岸线被国际地理数据委员会(International Geographic Data Committee)认定为27个地表要素之一^[1], 是海岸带最古老和最直观的表现形式。海岸线的时空动态变化是全球环境过程、海岸带环境过程、人类活动综合作用的结果与反映, 是海岸带生态系统演变态势的体现, 也是海岸带经济发展活动的重要标识^[2-5]。研究海岸线的时空变化特征, 对海岸带的开发与保护、生态系统演变、区域社会经济发展、近海生物多样性、气候环境变化研究等都具有重要的意义^[6-9]。

在影响海岸线变化的众多因素中, 人类活动的影响通常是最快、最直接和最显著的, 且通常为不可逆过程, 常见的改变海岸线空间位置及类型形态的人类活动主要有围填海之后所进行的水产养殖、盐田建设、港口码头建设、防护堤建设、旅游开发和沿海城镇化建设等^[10-13]。2013年10月我国提出21世纪海上丝绸之路的战略构想, 并于2015年3月发布了《推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动》^[14], 标志着该战略构想进入全面实施阶段。享有“海上十字路口”和“海上生命线”之誉的马六甲海峡在该战略中占据着极为重要的角色。海峡每年有各类商船5万余艘通过, 年均海上货运量约占世界海运货物总量的1/3~1/4, 其年均油、气的海运量相当于世界海运总量的1/2和2/3^[15], 这极大促成了马六甲海峡两岸港口的规模化发展, 也必然导致海峡两岸岸线的形态结构不断发生着变化。

针对不同区域海岸线变化监测的研究已有很多, 例如: Gong等^[16]基于Landsat影像分析了佛罗里达州西部1984—2013年间的海岸线时空变化特征; Hou等^[17]分析了20世纪40年代初以来中国大陆海岸线的时空变化特征; Purkis等^[18]分析了1963—2013年间迪戈加西亚岛的岸线时空变化特征。针对围填海对海岸线变化特征影响的研究也已有很多, 例如:朱高儒等^[19]分析了渤海湾西北岸1974—2010年逐年填海造陆进程; 魏帆等^[20]运用3S技术, 采用水体指数法(MNDWI)、分形维数法、土地利用转移矩阵和回归分析等方法, 以环渤海海岸带1980—2017年9个时期TM遥感影像为主数据源, 研究了近40年围填海活动影响下的环渤海海岸线动态演变特征。目前, 国内外对马六甲海峡的研究大多集中于海峡航道安全及其战略地位研究^[21-23], 而以航道所带有的交通运输功能为主要驱动因素, 分析海岸线时空变化特征的研究还较少。

为了了解马六甲海峡发达的航运能力对两岸岸线的影响, 以及港口区域在不同发展阶段的岸线变化特征, 本研究利用遥感和GIS技术, 提取1988、2000和2015年3个时期的岸线信息, 对1988—2000年、2000—2015年和1988—2015年3个阶段海峡两岸以及槟城港等12个主要港口区域的岸线时空变化特征进行分析。

1 研究区与数据源介绍 1.1 研究区概况

马六甲海峡东连南海, 西接安达曼海, 是连接印度洋与太平洋以及东亚、非洲和欧洲的重要水道之一, 加之新加坡海峡, 海峡总长约1 100 km, 西北口宽约233 km, 东南新加坡海峡最小宽度不足20 km。海峡处于赤道无风带, 底质平坦, 水流平缓, 水深17~70 m不等, 两岸以滩涂为主, 通航条件良好, 是继英吉利海峡之后的全球第二大繁忙海峡^[24-26]。宫晓婞评价海上丝绸之路关键节点的动态安全效率, 指出马六甲海峡是安全效率最高的^[27]。可见, 马六甲海峡无论在经济或军事上, 都是极为重要的国际水道。

研究区包括马来半岛西海岸(自西北端泰国的普吉岛8°12′14.18″N, 98°17′00″E至东南端马来西亚新山市东南部1°22′15.74″N, 104°16′57.41″E), 苏门答腊岛东海岸(自西北端Lampageu西北部, 5°34′32.50″N, 95°13′30.21″E, 至东南端Serapung东南部0°27′18.00″N, 103°06′25.75″E)以及新加坡全境和印度尼西亚的巴淡岛全境, 如图 1。

1.2 数据源与处理

数据源主要是1988、2000、2015年前后的Landsat TM/OLI遥感影像(表 1), 所选影像云量较少, 成像清晰, 满足岸线信息的提取要求。影像均为“L1T”产品(Level1 Terrain Corrected Product), 均已经过正射校正和几何校正, 基于这些遥感影像提取的岸线误差不超出2个像元。利用ENVI 5.3、ArcGIS 10.2软件对影像进行了影像融合、图像增强等数据预处理。辅助数据主要有GoogleEarth影像、GlobeLand30土地利用数据^[28](http://www.globallandcover.com/GLC30Download/)、世界港口交通地图集^[29]、世界标准地名地图集^[30]等。

2 研究方法 2.1 岸线分类与提取

海岸线具有明显的瞬时性与动态性特征, 研究中多采用指示海岸线指示海陆边界, 如瞬时水边线、平均高潮线、高(低)潮线、植被线、干湿分界线和杂物线等^[31], 其中平均高潮线被广泛应用于国内外研究与应用中。因此, 本研究也采用平均高潮线。受地形、地貌、地质构造、近海洋动力、气候环境、海岸生物及人类活动等诸多因素的综合影响, 海岸带在发育过程中会呈现出不同的形态特征, 即表现为不同类型的海岸线^[32-34]。

根据不同岸线类型在影像上的色调、纹理、空间形态和分布等特征差异, 以及马六甲海峡两岸岸线的实际状态, 将海岸线分为人工岸线与自然岸线两个一级类, 又将人工岸线分为丁坝突堤、港口码头、围垦(中)岸线、养殖岸线、盐田岸线、交通岸线、城镇岸线7个二级类(表 2)。

基于ArcGIS 10.2, 按照岸线提取技术规范^[35], 提取马六甲海峡两岸1988年前后、2000年前后、2015年前后3个时期的海岸线。

挑选了海峡两岸10个主要港口, 以港口核心区为中心, 15 km为半径做缓冲区, 分别制作出10个港口区域3个时期的岸线数据, 由于新加坡和巴淡岛为岛屿, 面积较小, 港口密度较大, 因此, 将新加坡和巴淡岛也作为两个独立的研究单元, 制作出3个时期的岸线数据, 如表 3。

2.2 岸线变化分析方法

引入以下定量化指标分别从岸线结构、岸线变迁、海陆格局、岸线开发利用4个方面进行综合分析。

2.2.1 岸线变迁强度

采用某一时段内海岸线长度的年均变化百分比来表示海岸线的变迁强度(intensity of shoreline change)^[36], 这一指标避免了各研究单元长度不一, 监测时期间隔不同而造成的分析误差, 能够更加客观地表征岸线长度变迁的时空差异, 公式如下:

$ I_{i, j}=\frac{L_{j}-L_{i}}{L_{j}(j-i)} \times 100 \%, $

(1)

式中: I_{i, j}表示某一研究单元内第i年至第j年间的岸线长度变迁强度; L_j、L_i分别表示第i年和第j年的岸线长度; I_{i, j}为正值表示岸线增长, I_{i, j}为负值表示岸线缩短, |I_{i, j}|数值越大, 表示岸线变迁强度越大。

2.2.2 岸线端点速率

选择基线法分别计算3个时期两两之间的端点速率, 以3个时期叠加之后的最内侧(靠近陆地侧)岸线作为基线, 然后从基线向岸线一侧作长度为D的垂线, 相邻两垂线与基线交点间的距离d即为基线采样间隔, 每条垂线与两个时期岸线相交, 如图 2, 利用DSAS系统, 以两条岸线的距离间隔与时间间隔的比值作为岸线端点速率(end point rate)^[37]。公式如下:

$ R_{m, i, j}=\frac{D_{m, j}-D_{m, i}}{T_{i, j}}, $

(2)

式中, R_{m, i, j}为m剖面的第i与第j时相间岸线变化的端点速率; D_{m, i}与D_{m, j}分别代表m剖面上两个时相岸线与剖面的交点到基线的距离; T_{i, j}为i与j时相间的时间间隔。

2.2.3 岸线开发利用强度

参照土地利用程度综合指数的概念与计算方法, 以及已有文献中的研究基础^[36], 引入岸线开发利用强度(intensityof coastline development and utilization), 定量描述各类岸线对海岸带资源的综合影响程度, 公式如下:

$ U=\frac{\sum\limits_{i=1}^{n} L_{i} P_{i}}{L}, $

(3)

式中: U为岸线开发利用强度; n为岸线类型数量; L_i为研究单元内第i类岸线的长度; P_i为第i类岸线类型对海岸带资源的影响因子, 影响因子P表示不同海岸类型针对自然海岸的资源环境影响程度大小(0 < P_i≤1), 见表 4; L为研究单元内岸线总长。

2.2.4 陆地面积增长指数

定义单位长度岸线的陆地面积增长量为陆地面积增长指数(index of land area growth), 意在定量表征岸线开发状态与强度信息, 公式如下:

$ G=\frac{A}{L}, $

(4)

式中: G为陆地面积增长指数, G为正值表示岸线总体为陆进海退状态, G为负值表示岸线总体为陆退海进状态, |G|越大表示岸线开发强度越大; A为岸线变迁所造成的陆地面积净变化量; L为对应岸线长度。

3 数据结果 3.1 岸线结构时空变化特征

岸线结构指某一区域内各种类型岸线的长度占总长度的比例情况, 能够反映岸线在长期自然海陆交互作用以及人类活动共同影响下岸线的类型、状态、和属性特征。统计海峡两岸以及12个港口区域3个时期7类人工岸线以及自然岸线的占比情况, 图 3分别展示1988年、2000年和2015年的岸线结构。

1988—2000年, 海峡南岸自然岸线比例由97.00%降到91.47%, 人工岸线比例由3.00%增长到8.53%;而北岸的自然岸线比例由93.97%急剧减少到74.24%, 人工岸线比例也相应由6.03%猛增到25.76%, 是原来的4.27倍, 其中贡献最大的为养殖岸线, 增加了约14倍。12个港口区域中自然岸线比例下降最快的是槟城港, 由59.54%骤减到26.54%, 其次为马六甲港和巴生港, 这三大港口均为马来西亚最主要的港口, 自然岸线的骤减正是大力发展港口运输和迅速城镇化的结果; 人工岸线增加最快的是庞卡兰苏苏港, 增加了13.95倍, 其中围垦岸线贡献最多, 由0急剧增加到10.52%, 这是由于大量的红树林被人类所围垦。

2000—2015年, 海峡南岸自然岸线比例由91.47%降到87.91%, 人工岸线比例由8.53%增长到12.09%;而北岸的自然岸线比例由74.24%减少到69.15%, 人工岸线比例由25.76%增加到30.85%。12个港口区域中, 自然岸线减少最快的是马六甲港, 由37.18%减少到17.86%;人工岸线比例增长最快的是勿拉湾港, 由18.49%增加到29.98%, 其中盐田岸线和城镇岸线的大幅增加起主导原因。2000—2015年这一阶段无论是自然岸线的减少幅度还是人工岸线的增长幅度较1988—2000年期间均明显放缓, 北岸尤为显著。

近30年, 南北两岸均表现出自然岸线骤减、人工岸线剧增的特征。12港口区域中, 自然岸线减幅超过40%的为马六甲港(77.36%)、槟城港(68.70%)、新加坡(45.95%)、巴生港(43.24%); 人工岸线增幅超过3倍的为庞卡兰苏苏港(9.90倍)、杜迈港(3.93倍)、巴淡岛(3.7倍), 可见, 自然岸线减幅明显的港口均位于海峡的北侧, 而人工岸线增加明显的港口多位于海峡的南侧。

就整体结构而言, 1988年前后, 在多数分析单元内, 自然岸线比例都超过了90%, 有绝对的主导地位, 然而, 受马六甲海峡发达的交通运输、两岸社会经济发展等人类活动影响, 以及海平面上升、近海极端气候等自然因素的影响, 岸线人工化的速度与规模大幅增加, 自然岸线比例持续降低, 岸线结构开始从以自然岸线为绝对主导的单一类型主导向多种人工岸线并存的多元结构转变。

3.2 岸线变迁强度特征

统计海峡两岸整体和12个港口区域3个时期的岸线长度, 以及3个不同阶段的岸线变迁强度。总的来说, 除个别港口外, 岸线长度总体上是持续增加的, 变迁强度则有所差异, 具体特征见图 4。

1988—2000年, 南岸岸线年均增长速率为8.03 km/a, 变迁强度为0.44%, 北岸岸线年均增长速率达11.49 km/a, 变迁强度为0.35%。12个港口区域中, 普吉港和巴淡岛岸线缩短较多, 主要是因为对沿岸海湾进行围填, “凹”型部分被大量围填造成岸线的缩短; 槟城港、勿拉湾港和马六甲港的变迁强度超过1%, 主要原因都是因为在原来较为平直的岸线基础上围填, 进行港口建设以及围垦养殖等人工活动所造成。

2000—2015年, 海峡两岸的岸线长度也均有所增加, 但这一阶段的增加幅度和速率较上一阶段均明显萎缩。12个港口区域中, 变迁强度绝对值超过1%的仅有马六甲港, 这一阶段岸线长度变化相对不大。

近30年, 海峡南北两岸的岸线长度均表现为增长, 年均增长速率分别为4.94 km/a和6.11 km/a。12个港口区域中岸线缩短的仅有丹绒乌班港和巴淡岛, 其余港口区域均是岸线增长。除巴生港外, 各港口区域岸线变迁强度绝对值均大于所在沿岸的平均变迁强度。

3.3 岸线变化速率特征

岸线变化速率是描述岸线时空变化特征的最基本要素之一, 分别计算海峡两岸和12个港口区域的平均变化速率、平均扩张速率以及平均侵蚀速率, 总的来说, 岸线以向海扩张为主, 个别港口区域也有较为明显的侵蚀现象, 具体特征见表 5。

1988—2000年, 海峡南岸的扩张岸线与侵蚀岸线的比例相当, 分别为24.09%和23.95%, 对应岸段的平均变化速率分别为34.09 m/a和–6.08 m/a; 北岸的扩张岸线比例两倍于侵蚀岸线, 分别为11.91%和6.52%, 对应岸段平均变化速率分别为17.96 m/a和–20.12 m/a。12港口区域中, 扩张岸线比例最大的是勿拉湾港, 高达49.75%, 对应的扩张速率也最大; 侵蚀岸线比例最大的是杜迈港, 为33.80%, 侵蚀速率为–10.05 m/a。

2000—2015年, 海峡南岸的扩张岸线比例约为侵蚀岸线的1/3, 分别为13.75%和38.91%, 对应岸段的平均变化速率分别为17.66 m/a和–25.33 m/a; 北岸的扩张岸线与侵蚀岸线比例均较小, 分别为4.25%和3.62%, 对应岸段的平均变化速率为24.95 m/a和–7.34 m/a。12个港口区域中, 扩张岸线比例最大的是巴淡岛, 高达49.91%, 平均扩张速率最大的是新加坡; 侵蚀岸线比例最高的是勿拉湾港, 高达55.11%, 相应的侵蚀速率也最大。

近30年, 海峡两岸岸线均表现为向海扩张, 平均变化速率南岸略小于北岸, 但是, 无论是扩张侵蚀岸线的比例还是对应的岸线变化速率, 南岸均明显大于北岸, 这表明, 马六甲海峡南侧岸段变化波动较大, 不稳定性特征显著。

3.4 海陆格局变化特征

统计近30年以及中间两阶段陆进海退、陆退海进的面积规模特征, 见表 6。

1988—2000年, 海峡南岸整体净增面积254.07 km², G为0.15, 其中向海扩张面积306.75 km², 向陆后退52.68 km²; 北岸整体净增面积仅18.89 km², G仅为0.01, 向海扩张与向陆后退面积相差不大, 分别为62.62 km²和43.74 km²。12个港口区域中, 卢穆特港的G最小为–0.03, 向陆后退面积为2.85 km²; 勿拉湾港G最大为0.33, 净增面积高达31.50 km²。

2000—2015年, 海峡南岸面积表现为减少状态, 萎缩量共161.62 km², G为–0.09, 其中向海扩张65.06 km², 向陆后退226.68 km²; 北岸整体面积净增62.37 km², G为0.02, 向海扩张71.28 km², 向陆后退8.91 km²。12个港口区域中, 勿拉湾港的G最小为–0.34, 向陆后退面积高达38.71 km²; 马六甲港G最大为0.27, 净增面积为10.46 km²。

近30年, 海峡南岸净增面积为92.45 km², G为0.05, 其中向海扩张共304.55 km², 向陆后退212.10 km²; 北岸净增面积为81.26 km², G为0.03, 其中向海扩张119.84 km², 向陆后退38.58 km²。12个港口区域中, G最大的是马六甲港, 为0.23, 最小的是均位于南岸的勿拉湾港和杜迈港, 为–0.08, 另外, G绝对值整体上一直表现为南岸大于北岸。

3.5 岸线开发利用强度特征

3个时期岸线开发利用强度如图 5, 总的来说, 3个时期的开发利用强度呈逐年增长态势, 具体特征如下。

1988年, 南北两岸的岸线开发利用强度相仿, 分别为0.12和0.13。12个港口区域中, 最大的是槟城港和新加坡, 均为0.32, 巴生港和马六甲港次之, 分别为0.23和0.20, 均位于海峡北岸, 其余港口区域均大于0.10小于0.20。

2000年, 南北两岸的岸线开发利用强度均有所增加, 分别增加到了0.15和0.24, 前者增幅要小于后者。12个港口区域仍大致分为3个层次, 最高的为槟城港, 高达0.59。介于0.30~0.50的有巴生港、马六甲港和新加坡, 分别为0.42、0.48和0.40。其余区域均介于0.10~0.30, 最小是普吉港, 仅为0.17。另外, 较1988年来说, 马六甲港和槟城港增幅较大, 分别增加了0.28和0.27。

2015年, 南北两岸的岸线开发利用强度均增加了0.02。12个港口区域同样大致分为3个层次, 强度大于0.50的有槟城港和马六甲港, 分别为0.65和0.53。介于0.30~0.50的有巴生港、乌拉湾港、杜迈港、巴淡岛和新加坡。其余区域均介于0.10~0.30, 庞卡兰苏苏港最小, 仅为0.17。

近30年, 马六甲海峡北岸港口在1988—2000年这一阶段的岸线开发利用强度增长较快, 为港口的快速开发阶段, 2000—2015年则为开发饱和阶段, 增长明显放缓。然而, 对于海峡南岸港口(除庞卡兰苏苏港)和巴淡岛而言, 第一阶段开发较慢, 第二阶段才是其快速开发阶段。新加坡在这30年则一直表现为均速开发态势。

4 结论与讨论

基于1988年、2000年和2015年前后的3期遥感影像提取3个时期马六甲海峡两岸的岸线数据, 基于整体以及12个主要的港口区域, 从5个方面分析岸线的时空动态特征, 主要结论如下。

1) 近30年, 马六甲海峡两岸及12个主要港口区域的岸线在长度、结构组成、空间位置和开发利用强度等方面都发生了较大的变化, 主要体现为人工岸线长度和比例不断增加、岸线的开发利用强度持续增强、岸线长度和空间位置除个别港口区域外, 分别表现为长度不断增长、岸线位置不断背陆向海运动, 海陆格局整体表现为陆进海退的扩张态势。

2) 岸线结构与岸线开发利用强度存在较为明显的时空差异性, 整体表现为: 1988—2000年, 马六甲海峡南侧港口区域处于早期发展阶段, 人工岸线比例与开发利用强度增长缓慢, 而北侧港口区域则处于快速发展阶段, 人工岸线比例与开发利用强度均大幅增加; 2000—2015年, 海峡南侧港口区域进入到快速发展阶段, 水产养殖业、港口码头和城镇化建设加快, 人工岸线比例和岸线开发利用强度迅速增加, 北侧港口区域发展则接近饱和状态, 人工岸线比例和岸线开发强度增长明显放缓, 但整体上北侧沿岸及港口区域的发展程度仍强于南侧。导致这些差异的主要原因是, 马六甲海峡的主航道是沿马来半岛一侧, 大型船舶多经停北侧沿岸的港口, 因此, 海峡北岸的港口建设及社会经济发展受航运影响时间早, 影响程度大。另一方面, 就岸线位置的空间稳定性而言, 整体表现为南岸稳定性要差于北岸, 主要原因是因为苏门答腊岛沿岸分布大量沼泽湿地, 岸线较为曲折, 一方面受人为开发影响, 占用大量湿地进行养殖、港口和城镇化建设, 另一方面, 沿岸地势低平, 受海平面上升和近海极端天气影响, 尤其近十几年间, 侵蚀岸线比例加剧, 以红树林为主的大量湿地侵蚀严重。

3) 近30年, 马六甲海峡两岸岸线的各方面变化是自然因素和人类活动因素共同影响的综合反馈, 但马六甲海峡作为国际上重要的水道之一, 航运是两岸社会经济发展的主要驱动要素, 因此, 以围填海为主的人类活动无疑是主导的影响因素, 且其影响随离主航道距离的增加而有所递减, 与Yan等^[38]得出的结论一致。

随着“一带一路”倡议的不断推进发展, 马六甲海峡在“海上丝绸之路”的发展中仍将担任连接亚、欧、非的重要纽带, 其交通运输功能将持续影响两岸岸线的开发与利用, 因此, 港口岸线的开发、港口城市的城镇化建设以及沿岸自然岸线的保护是未来马六甲海峡两岸岸线综合管理的重要任务。建议以港口基础设施、装卸效率、服务功能以及信息化程度等因素为标准, 对港口级别以及发展阶段进行等级的划分并实施分类管理, 从岸线开发、保护和管理三个方面, 分别建立针对不同级别及处于不同发展阶段港口的岸线综合管理办法, 一方面要避免或杜绝无序开发、低效开发和破坏性开发的现象, 优化和提高岸线资源的利用效率, 另一方面要大力保护现有自然岸线资源, 并尝试修复已被破坏的自然岸线。