利用EO数据对尼罗河三角洲海岸线及海平面变化进行短期监测与预测

《Environmental and Sustainability Indicators》：Harnessing EO Data for Short-Term Surveillance and Projections of The Nile Delta Coastline and Sea-Level Dynamics

沿海侵蚀与海平面上升对埃及尼罗河三角洲的影响评估。利用Landsat 8、Sentinel-2和DEM数据，分析2010-2020年海岸线变化，发现年均侵蚀0.46 km2，最脆弱地区为El-Behira和Kafr El-Sheikh。SLR情景模拟显示，1米海平面上升将淹没5097 km2，威胁1亿人口；3米情景下淹没面积达11444 km2，影响1.6亿人。研究强调需综合运用海岸防护工程、人工增沙和适应性城市规划应对复合型风险。

　　埃及北部沿海地区是资源丰富且生态复杂的区域，承载着全国近45%的人口，并分布着多种基础设施，包括城市中心、工业区、港口和农业用地。然而，这一地区由于气候变化的影响，特别是海平面上升（SLR）和海岸侵蚀，面临着严重的环境威胁。本研究通过地球观测技术，利用Landsat 8、Sentinel-2、数字高程模型（DEM）以及海平面数据集，对这些风险进行了评估。研究结果表明，不同海平面上升情景下，该地区将面临显著的洪水风险。如果海平面上升1米，预计会有约5,097平方公里的区域被淹没，影响近1000万人；而3米的上升则可能导致11,444平方公里的区域被淹没，造成约1600万人的迁移。此外，2010年至2020年的海岸侵蚀分析显示，这一时期共有约4.662平方公里的土地被侵蚀，年均侵蚀速率为-0.46平方公里。在较短的2010-2015年间，约-2.181平方公里的沿海区域被侵蚀，年均侵蚀速率为-0.44平方公里。最易受这些环境威胁影响的地点包括艾尔贝希拉、亚历山大、开罗省和苏伊士港。这些环境威胁对社会经济造成严重风险，可能导致数十亿美元的损失，由于基础设施、农业和当地工业的损坏。因此，本研究强调了采取适应性海岸管理策略的紧迫性，以减轻长期风险并增强尼罗河三角洲地区的韧性。

沿海地区是全球社会经济系统中至关重要的组成部分，支持着超过21.5亿人口，其中8.98亿人居住在低海拔地区，这些地区特别容易受到环境变化的影响。除了经济价值外，这些区域还孕育着多样的生态系统，为生物提供关键栖息地和生态服务。然而，沿海地区正面临来自自然和人为因素的日益加剧的威胁。气候变化是其中的主要驱动力之一，导致海平面上升、海岸侵蚀、沉积物运输中断、环境污染和城市扩张。气温上升影响地下水和渔业资源，并可能引发有害藻类爆发。气温和降水量的变化还加剧了风暴、风暴潮和海水入侵，进一步威胁生物多样性和淡水资源。在埃及，北部尼罗河三角洲正面临显著的环境变化和快速的人口增长。这一地区拥有多种生态系统、自然资源和关键的社会经济资产。该区域占全国农业用地的63%，并且贡献了全国渔业产量的近三分之二，支持了超过50%的人口（约8000万）以及全国70%的工业和商业活动。许多研究已经探讨了气候变化对埃及地中海沿岸，尤其是尼罗河三角洲地区的影响，因为这些地区对气候变化具有高度敏感性。

尼罗河三角洲的海岸侵蚀主要由多种因素驱动，包括阿斯旺大坝的建设导致的沉积物损失、洪水、波浪作用、海平面上升以及土地沉降。历史侵蚀速率在不同地点有所变化，例如罗塞塔、巴尔蒂姆和达米耶塔分别经历了每年114米、9米和31米的后退。相反，一些地区如阿布基尔湾、阿布哈希巴、哈纳菲、基奇纳排水渠以及苏伊士港防波堤后的区域，由于西北方向波浪的推动，会受到向东运输的沉积物影响，从而减少侵蚀。结合加速的气候变化，这些动态使尼罗河三角洲成为全球海平面上升最易受影响的国家之一。沿海低洼地区，尤其是亚历山大、贝希拉、苏伊士港和达米耶塔的地区，面临极端脆弱性。在极端海平面上升情景下，这些城市可能面临频繁的暴露风险。这可能导致亚历山大和苏伊士港约30%的土地面积流失，影响约200万人的居住安全。根据观察数据，地中海海平面从1993年至2011年期间每年上升2.6至3.0厘米。结合海平面上升和土地沉降，到2100年，尼罗河三角洲的海平面上升可能增加0.89米，淹没近2,672平方公里的三角洲区域。

适应这些气候变化影响对于水资源、粮食生产和人口稳定至关重要。有效的适应需要基于全面需求评估的明确计划，以保护沿海社区、生态系统和经济，为子孙后代创造可持续的未来。适应性措施包括海岸防御、湿地恢复和改善城市规划等。本研究的独特之处在于整合了尼罗河三角洲北部的海岸侵蚀和海平面上升分析，关注气候变化和自然海岸过程的综合影响。本研究的主要目标是使用地球观测技术评估海岸侵蚀和海平面上升对尼罗河三角洲北部的风险。为此，本研究具体包括以下内容：1）利用Landsat 8、Sentinel-2和海平面数据集，量化海岸侵蚀和海平面上升随时间的变化；2）分析这些变化的空间和时间模式，以提供详细且准确的海岸动态评估；3）研究气候变化与自然海岸过程之间的相互作用及其对海岸线稳定的影响。通过使用基于卫星的监测和多源数据集的整合，本研究为海岸变化动态提供了新的见解，支持有针对性的适应策略，以减轻气候变化对尼罗河三角洲的影响。

研究区域位于埃及地中海沿岸，沿尼罗河三角洲延伸约240公里，从阿布基尔半岛向西至苏伊士港向东。这是埃及人口最密集和农业最显著的地区之一。然而，该地区因自然和人为因素经历了显著的环境变化。人口过剩对农业扩张造成巨大压力，导致沿海湿地的干涸和土地的脆弱性增加。此外，该地区对土地沉降极为敏感，这加剧了海平面上升的风险。同时，该地区经历了持续的海岸线变化，这是由于动态的海岸过程导致的侵蚀和堆积。这些变化预计会随着气候变化的加剧而变得更加严重，使尼罗河三角洲成为地中海沿岸最脆弱的海岸区域之一。

本研究采用遥感影像、专题地图、数字高程模型（DEM）以及实地测量数据，分析尼罗河三角洲沿海地区的侵蚀和海平面上升变化。通过遥感方法，利用Sentinel-2、Landsat-5 TM和Landsat-8 OLI卫星影像来研究海岸线变化（即侵蚀和堆积）。Sentinel-2影像（10米分辨率）用于2015年至2020年的短期监测，而Landsat-5 TM和Landsat-8 OLI（30米分辨率）则用于2010年至2020年的长期分析。为了量化十年内的海岸线变化，研究收集了2010年、2015年和2020年的卫星图像。在数据预处理阶段，使用ENVI软件进行了辐射校正、暗像元减除和噪声减少等步骤，以提高影像质量并进行拼接。通过提取归一化水体差异指数（NDWI）来确定海岸线，NDWI能有效区分水体和陆地，是海岸线提取的重要工具。通过Otsu阈值法（Otsu, 1979），确定NDWI的最优阈值，以最大化类别间方差，确保与人工解释的比较具有客观性和可重复性。这一方法在所有年份中一致使用，并结合传感器数据以保持整个时间序列的可靠性和一致性。必要时进行微调，并与高分辨率影像和附加地形图进行验证。

为了验证遥感观测并评估局部海岸变化，研究在2021年11月至12月期间进行了实地调查。调查重点针对尼罗河三角洲北部的热点地区，包括亚历山大、贝希拉、达克希亚和苏伊士港。使用手持GPS设备收集了海岸线的GPS点，以精确确定陆地与水体的交界线。此外，还记录了海岸侵蚀和堆积的范围，以及人为干预（如海堤、港口和沿海建筑）对海岸变化的影响。GPS数据提供了定量的地面真实测量，然后与遥感提取的海岸线在GIS环境中叠加，以便直接比较地面收集的和遥感得到的海岸线，测量位置偏差作为水平距离误差，从而验证遥感结果的准确性并加深对海岸动态的理解。通过将实地观测与卫星影像相结合，研究实现了对尼罗河三角洲海岸动态的稳健、空间精确评估，支持了信息丰富的海岸管理与适应策略。

在检测潜在的海平面上升时，研究使用了基于DEM的洪水分析。为此，研究利用了近全球范围的航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）数字高程模型（DEM）。SRTM DEM提供了约30米空间分辨率的高精度地形数据，全球范围内的垂直精度估计为±16米，90%置信度。然而，区域校正可以提高尼罗河三角洲低起伏地区的数据可靠性。DEM的预处理包括填补数据中的空缺、纠正负高程值以确保所有高程反映真实地形，以及垂直调整以提高三角洲地形的精度。这些步骤确保了数据集适合于平坦沿海地区的淹没建模，其中微小的高程差异具有重要意义。

研究还应用了三种海平面上升情景（1米、2米和3米），以评估尼罗河三角洲沿海地区和相邻区域的潜在淹没风险。这些情景被选为该地区代表性的高估预测。1米的海平面上升与IPCC AR5 RCP8.5的2100年预测一致，而2米和3米则考虑了由于沉降、土地利用变化和潜在极端事件导致的区域海平面上升放大效应。尼罗河三角洲地区可能因记录的沉降影响而具有更高的海平面。敏感性分析探讨了假设的高估案例，以研究可能的影响。通过结合基于模型的预测和极端情景，研究提供了对潜在淹没风险的全面评估，并量化了经济、社会和人口影响。

通过GIS分析，研究对不同海平面上升情景下的淹没区域进行了空间分析。首先，将DEM重新分类以识别每个海平面上升情景下低于海平面的区域。然后，将这些淹没图层与人口和行政边界数据进行空间叠加，以估算受影响的人口数量。最终的洪水易发区域被提取为栅格和矢量图层，用于空间分析和可视化。这种方法为不同海平面上升情景下的淹没风险提供了明确的空间评估。

在分析海平面上升对尼罗河三角洲的影响时，研究发现，该地区在2015年至2020年间的海平面变化显示，海平面平均上升了约43.9%。这种上升趋势加剧了沿海洪水和土地损失的风险。全球因素，如温度升高导致的热膨胀、冰川和冰盖融化，以及海洋和大气环流变化，都对这一趋势有所贡献。同时，区域因素，如洋流、风向模式和当地地质过程，也起到了重要作用。土地沉降进一步加剧了相对海平面上升的影响。尼罗河三角洲经历了与阿斯旺大坝建设相关的局部沉降，这与尼罗河流量减少有关。在亚历山大，现代新构造活动和地震活动导致的沉降较小，而在东部，尤其是苏伊士港附近，由于全新世三角洲沉积物的压实和排水，沉降增加。这些发现突显了埃及北部海岸对气候引发的海平面上升日益增加的脆弱性。这一观察到的海平面上升趋势强调了沿海地区对全球变暖及其他区域活动的脆弱性。理解这些变化对于长期保护沿海社区和关键基础设施至关重要。适应性措施包括加强海岸防御（如海堤、防波堤和海滩补充）、实施管理性退缩计划以迁移高风险人口、增强早期预警系统以提高灾害应对能力、以及整合可持续城市规划以减少低洼地区的暴露。通过评估不同海平面上升情景下的空间暴露、人口脆弱性和政策影响，本研究为决策者和城市规划者提供了有价值的见解。尼罗河三角洲的高人口密度、经济重要性和关键基础设施，需要紧急且协调一致的气候适应策略，以管理与海平面上升相关的风险。如果不采取行动，侵蚀、洪水和海平面上升将继续重塑尼罗河三角洲的海岸线，带来严重的经济和人道主义后果。

此外，除了阿斯旺大坝导致的沉积物供应减少外，其他人为活动也加剧了尼罗河三角洲的沿海脆弱性，例如：城市扩张和港口建设改变了自然的沉积物运输，并增加了不透水地表的比例；旅游业的发展改变了沿海栖息地，并促进了局部侵蚀；地下水开采加速了土地沉降，放大了相对海平面上升的影响；农业和工业活动扰乱了自然的沉积物平衡和水文状况。将这些多因素压力与海平面上升和自然海岸过程结合起来，有助于更全面地理解当前和未来的风险。这些发现强调了整合管理方法的重要性，这些方法需要考虑自然和人为因素，以增强尼罗河三角洲的韧性。

本研究综合运用了遥感技术和实地观测，实现了对动态海岸线变化的精确映射，并验证了地球观测（EO）得出的评估。多情景预测提供了对易受影响区域和人口暴露的明确空间分析。此外，研究还考虑了自然过程和人为活动（包括阿斯旺大坝导致的沉积物减少、城市化、港口发展和土地沉降）对海岸脆弱性的影响。基于这些见解，建议采取综合的适应策略，如加强海岸防御（例如防波堤）、实施综合海岸带管理、强化关键基础设施，并保护自然缓冲区，如沙丘和湿地。这些措施可以减轻风险，提高韧性，并在气候变化背景下支持可持续发展。通过将科学研究与战略规划相结合，埃及可以加强尼罗河三角洲的稳固性，并保护其沿海社区、生态系统和基础设施免受持续和未来的气候相关风险的影响。