渤海灣近30年海岸線變遷與分析

葉小敏，丁靜，徐瑩，劉宇昕

(1. 國家海洋局 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心　北京　100081； 2. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國家海洋局第二海洋研究所) 杭州　310012； 3. 國家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京　100081)

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渤海灣近30年海岸線變遷與分析

葉小敏1，2，3，丁靜1，3，徐瑩1，3，劉宇昕1，3

(1. 國家海洋局 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心北京100081； 2. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國家海洋局第二海洋研究所) 杭州310012； 3. 國家海洋局空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京100081)

海灣岸線是海灣變遷監(jiān)測的重要對象。文章利用美國陸地資源衛(wèi)星Landsat-5/TM、Landsat-7/ETM和中國環(huán)境減災(zāi)星HJ-1A、B/CCD遙感數(shù)據(jù)，對渤海灣1986-2014年近30年來的水域面積、岸線長度和岸線分形維數(shù)進(jìn)行了解譯測算。結(jié)果表明，渤海灣平均高潮位的水域面積呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，其數(shù)值由1986年的(13 909.97±3.53)km2減少至2014年的(12 641.99±11.50)km2；岸線長度呈現(xiàn)先減小再增加的變化規(guī)律，其數(shù)值由1986年的(968.41±1.84)km減少至1998年的(642.43±2.59)km，再增加至2014年的(850.94±10.78)km；渤海灣岸線分形維數(shù)從1986年的1.110 2下降至2014年的1.064 9；同時分析發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖場建造、圍填海和港口建設(shè)等海洋工程是渤海灣岸線變遷的主要驅(qū)動力因素；渤海灣岸線分形維數(shù)與天津市國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)的倒數(shù)變化呈現(xiàn)線性相關(guān)系數(shù)為0.95的高相關(guān)性。文章的測算和分析結(jié)果對海灣動力學(xué)研究、環(huán)境變遷評估和海灣開發(fā)管理具有參考價值。

渤海灣；岸線變遷；分形分析；遙感

1　引言

海岸線長度是海灣的基本參數(shù)之一，它被廣泛地應(yīng)用于海灣動力學(xué)研究、海灣環(huán)境變遷評估、海岸帶開發(fā)與管理以及海岸工程設(shè)計。海岸線可反映海域使用情況，用于沿岸海域開發(fā)情況變遷監(jiān)測與分析，為海域合理使用與開發(fā)提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。海岸線為分?jǐn)?shù)維圖形，岸線長度的測量結(jié)果具有一定程度的不確定性[1]。分形維數(shù)可統(tǒng)一不同尺度下測量的海岸線長度，同時也可反映沿岸海域的人工開發(fā)程度。

渤海的海洋環(huán)境不僅影響著環(huán)渤海地區(qū)的氣候，而且影響著環(huán)渤海地區(qū)乃至整個中國的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等方面的長期可持續(xù)發(fā)展。利用衛(wèi)星遙感的優(yōu)勢，對渤海灣海岸線進(jìn)行監(jiān)測，并對其監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，可研究分析渤海近岸海域開發(fā)現(xiàn)狀與歷史變化，對海域使用動態(tài)監(jiān)測與評價具有一定的作用和意義。

利用衛(wèi)星遙感不僅可對海灣的水域面積、岸線長度、水深、納潮量等環(huán)境屬性開展監(jiān)測和歷史變遷研究[2-8]，還可在海岸線分形研究中發(fā)揮其資料來源廣、大面積和可長時間序列監(jiān)測的優(yōu)勢。不同測尺下，所獲得的海岸線具有不同的長度，即海岸線具有分?jǐn)?shù)維，使用分形維數(shù)可以表達(dá)海岸線這一特性。

對海岸線分形維數(shù)計算和分形維數(shù)歷史變遷分析研究中，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量工作。Mandelbrot[1]分析了海岸線長度的不確定性問題，首次提出了海岸線的分形與分維概念，并且計算了英國等國海岸線的分形維數(shù)。朱曉華等研究海岸線分形維數(shù)計算方法并進(jìn)行了比較研究，研究結(jié)果表明，不同方法計算的分形維數(shù)可能不同，但使用同一種方法對不同海岸線進(jìn)行分形維數(shù)比較，不會影響海岸線的分形維數(shù)比較結(jié)果[9-10]。高俊國和邊淑華[11]使用分形分析法，以膠州灣為研究實(shí)例，根據(jù)其面積和總岸線長度的變化情況定性分析了海岸線分形維數(shù)的變化狀況。葉小敏等[12]以Landsat-5/TM衛(wèi)星圖像為基礎(chǔ)資料，計算了膠州灣海岸線的分形維數(shù)，并分析了膠州灣海岸線分形維數(shù)歷史變遷趨勢與原因。馬小鋒等[13]和張華國等[14-15]利用分形維數(shù)理論對海岸線開展了土地覆蓋類型分析、遙感信息空間尺度、遙感分類與變遷研究。

渤海灣三面環(huán)陸，位于渤海西部，在河北省唐山，天津，河北省滄州和山東省東營市黃河口之間，北起河北省樂亭縣大清河口，南到山東省黃河口。平均潮差(塘沽)2.5 m，最大可能潮差5.1 m，平均高潮潮位3.63 m，平均低潮潮位1.18 m。渤海灣海底地勢由岸向?yàn)持芯徛由?，平均水?2.5 m。渤海灣中有豐富的石油儲藏和著名的旅游和度假區(qū)，西部塘沽是重要港口——天津港，是京津的海上門戶，華北海運(yùn)樞紐。大規(guī)模的圍填海工程導(dǎo)致人為改變海岸線形狀和位置，威脅著岸線和近海的生態(tài)平衡。渤海灣的海洋環(huán)境不僅影響著環(huán)渤海地區(qū)的氣候，而且影響著環(huán)渤海地區(qū)乃至整個中國的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等方面的長期可持續(xù)發(fā)展。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)對渤海灣海岸線進(jìn)行監(jiān)測并對其監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，可間接反映渤海近岸海域開發(fā)現(xiàn)狀與歷史變化，對環(huán)渤海海域使用動態(tài)監(jiān)測與評價具有一定的作用和意義。

本文以渤海灣為研究區(qū)域，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對1986—2014年近30年來的海岸線變遷進(jìn)行測算，并進(jìn)行歷史變遷分析。

2　衛(wèi)星資料與處理方法

2.1衛(wèi)星資料

用于本文的衛(wèi)星資料包括美國陸地衛(wèi)星5號(Landsat-5)主題繪圖儀(TM)圖像資料、陸地衛(wèi)星7號(Landsat-7)增強(qiáng)主題繪圖儀(ETM)圖像資料和中國環(huán)境與災(zāi)害預(yù)報小衛(wèi)星星座A、B星(HJ-1A/B)CCD圖像資料。

Landsat-5為光學(xué)觀測衛(wèi)星，是美國陸地衛(wèi)星系列(Landsat衛(wèi)星)的第5顆衛(wèi)星，于1984年3月發(fā)射，成功在軌運(yùn)行27年。其主題繪圖儀為7個波段掃描成像儀，第1～5(0.45～0.52 μm、0.52～0.60 μm、0.63～0.69 μm 、0.76～0.90 μm 、1.55～0.175 μm)、第7(2.08～2.35 μm)波段的地面分辨率為30 m，第6(10.40～12.50 μm)波段的地面分辨率為120 m。Landsat-7為Landsat-5的后續(xù)星，于1999年4月發(fā)射。相比于Landsat-5/TM，Landsat-7/ETM的主要差別為增加了15 m分辨率的全色波段(0.52～0.90 μm)；第6波段分辨率從120 m提高到60 m。本文所用的Landsat-5/TM和Landsat-7/ETM數(shù)據(jù)資料為L2級幾何校正產(chǎn)品。

HJ-1A/B衛(wèi)星于2008年9月發(fā)射。其上裝載的CCD相機(jī)以星下點(diǎn)對稱放置，平分視場、并行觀測，聯(lián)合完成對地700 km刈幅寬度、30 m地面像元分辨率、4個譜段推掃成像。4個光譜波長范圍分別為0.43～0.52 μm、0.52～0.60 μm、0.63～0.69 μm和0.76～0.90 μm。本文所用HJ-1A/B星CCD相機(jī)多光譜數(shù)據(jù)為2級系統(tǒng)幾何校正產(chǎn)品，已經(jīng)過輻射校正和系統(tǒng)幾何校正。

本文使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料詳細(xì)信息見表1。

表1　渤海灣海岸線變遷使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息

*注：表中潮高基準(zhǔn)面在平均海平面下241 cm.

當(dāng)潮間帶大部分或全部被海水淹沒時，目視解譯法能較容易地確定海岸線的位置，為此本文選擇的覆蓋渤海灣或覆蓋渤海灣主要部分的遙感影像成像時間均盡量接近高潮時刻。

2.2岸線提取

海岸線是指平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線，一般可根據(jù)當(dāng)?shù)氐暮Ｎg階地，海灘堆積物或者海濱植被確定。海陸相互作用的結(jié)果，使得受潮汐作用的地帶在微地貌和紋理結(jié)構(gòu)上與未受作用的地帶迥然不同，這種差異導(dǎo)致了地物光譜特性的不同，從而在遙感影像上呈現(xiàn)不同的灰度或色調(diào)[2]。相關(guān)文獻(xiàn)的研究與實(shí)踐結(jié)果證明，TM/ETM衛(wèi)星遙感資料采用第7(2.08～2.35 μm)、第4(0.76～0.90 μm)、第3(0.63～0.69 μm)，HJ-1衛(wèi)星CCD資料采用第4(0.76～0.90 μm)、第3(0.63～0.69 μm)、第2(0.52～0.60 μm)波段合成的假彩色圖像，海岸線信息清楚，易于判定。不同類型的岸線具有明顯的信息特征和提取標(biāo)準(zhǔn)[12，16]；河口兩側(cè)的水陸分界線與河口入?？陂T兩岸交點(diǎn)之連線定義為河口的水陸分界線；渤海灣分界點(diǎn)分別為黃河口和清河口，河口的分界點(diǎn)定義為海岸線與河口交線的中心點(diǎn)；渤海灣的海上分界線為清河口和黃河口海岸線中心點(diǎn)的海上連線。對于面積測算，海灣中的島嶼與人工建筑均分別量算出面積，再從海灣總面積中減去[8]。由于河口泥沙沖積的原因，不同歷史時期黃河口的位置有所改變，為了便于定量比較不同歷史時期渤海灣的水域面積和岸線變化，以2014年黃河口作為渤海灣的分界點(diǎn)。

在ArcGIS9.3軟件平臺下對表1中所列的衛(wèi)星遙感資料進(jìn)行處理和岸線解譯。TM和HJ星CCD的2級產(chǎn)品已基本達(dá)到了定量量算地物面積的要求，對于少量畸變較嚴(yán)重的圖像則進(jìn)行幾何精校正。為了突出水陸邊界線，對假彩色合成的影像進(jìn)行適當(dāng)?shù)木€性拉伸以增強(qiáng)信息。本文使用的1986年Landsat-5衛(wèi)星TM遙感影像和2014年HJ-1A衛(wèi)星CCD衛(wèi)星遙感影像及渤海灣海岸線見圖1。

圖1　Landsat-5衛(wèi)星TM、HJ-1A衛(wèi)星CCD衛(wèi)星遙感影像及1986年和2014年渤海灣海岸線

2.3分形維數(shù)計算

分形或分維是指具有分?jǐn)?shù)維數(shù)的幾何體，分形的主要特征在于它具有自相似性，即局部與整體相似。如直線是1維的，平面是2維的，而普通空間是3維的。而描述海岸線這一類具有彎曲非規(guī)則幾何形態(tài)的幾何體特征時，需要引入分?jǐn)?shù)維數(shù)，即分形維數(shù)(或分維數(shù))。

在海岸線分形維數(shù)的計算方法中，常用的有量規(guī)法和網(wǎng)格法。網(wǎng)格法就是使用不同長度的正方形網(wǎng)格去覆蓋被測海岸線。當(dāng)正方形網(wǎng)格長度r出現(xiàn)變化時，則海岸線覆蓋的網(wǎng)格數(shù)目N(r)也發(fā)生變化，根據(jù)分形理論有以下方程式成立[1]:

(1)

當(dāng)網(wǎng)格長度r取不同值時，N(r)也對應(yīng)不同的值。對式(1)兩邊同時取對數(shù)，可以得到:

lnN(r)=-Dlnr+C

(2)

式中：C為待定常數(shù)；D即為被測海岸線的分形維數(shù)。采用不同的r值和對應(yīng)的N(r)值，通過擬合分析即可得到分形維數(shù)D。

計算同一條海岸線的分形維數(shù)，通常網(wǎng)格法計算得到的結(jié)果小于量規(guī)法得到的結(jié)果。然而，如使用同一種方法對不同海岸線進(jìn)行分形維數(shù)比較的話，不會影響比較結(jié)果[6]。相比較而言，網(wǎng)格法較其他計算方法簡單方便。因此，本文采用網(wǎng)格法計算膠州灣海岸線的分形維數(shù)。

3　結(jié)果與分析

3.1測算結(jié)果

為降低解譯與測算誤差，提取岸線采用多次解譯，取平均的方法獲得渤海灣岸線長度和水域面積。在對同一時間的岸線多次解譯的結(jié)果中，選擇最接近平均岸線長度的解譯結(jié)果進(jìn)行分形維數(shù)計算。

利用表1中的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，解譯提取的渤海灣水域面積和岸線長度結(jié)果見表2。

表2　渤海灣(1986-2014年)水域面積、岸線長度和岸線分形維數(shù)的衛(wèi)星遙感影像測算結(jié)果

本文測算的水域面積和岸線長度數(shù)值和相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量級相同，由于定義的海灣分界點(diǎn)位置和部分人工建筑岸線標(biāo)準(zhǔn)存在差異，致使具體數(shù)值不完全相同(如文獻(xiàn)[17]中定義老黃河口為渤海灣和萊州灣的分界點(diǎn)，本文定義2014年黃河口中間位置為渤海灣與萊州灣的分界點(diǎn)；本文不考慮寬度小于兩個像素的棧橋式人工建筑對岸線影響)，然而本文在相同標(biāo)準(zhǔn)下解譯的岸線，不影響其歷史變遷趨勢分析。

由表2的測算結(jié)果可見，渤海灣在1986-2014年近30年中，平均高潮位下的水域面積從1986年的(13 909.97±3.53)km2減少至2014年的(12 641.99±11.50)km2，呈不斷減小趨勢；而岸線長度先減小[從1986年的(968.41±1.84)km減少至1998年的(642.43±2.59)km]，再增加的變化規(guī)律(2014年增加至850.94±10.78 km)，渤海灣水域面積與岸線長度變化曲線見圖2。

圖2　渤海灣(1986-2014年)水域面積和岸線長度變化曲線

采用網(wǎng)格法，分別以150 m、300 m、750 m和1.5 km的網(wǎng)格長度獲得有岸線覆蓋的網(wǎng)格數(shù)，使用最小二乘法和本文公式(2)擬合計算得到的渤海灣岸線分形維數(shù)(表2)。渤海灣分形維數(shù)數(shù)值從1986年的1.110 2下降至2014年的1.064 9。

3.2歷史變遷分析

表2和圖2的衛(wèi)星遙感測算結(jié)果顯示了渤海灣水域面積和岸線長度的變化，使用表1中的一系列衛(wèi)星遙感影像對比發(fā)現(xiàn)：2002年以前，水域面積和岸線長度同步減少是由于渤海灣海岸帶被利用開發(fā)，海岸線從陸地逐漸向外推所造成；而2002年后，水域面積減少，岸線長度增加，這是由于圍填海減小了水域面積，增加了人造海岸線，如圖1(b)和圖3中所示的曹妃甸、天津港、南港工業(yè)區(qū)和黃驊港等。

圖3　渤海灣水域面積和岸線歷史變遷(1986—2014年)空間分布

圖3是使用1986年、2002年和2014年解譯的結(jié)果進(jìn)行比較獲得的渤海灣海岸線和水域面積變化情況的空間分布圖。

由圖3可以看出，1986—2002年間，渤海灣水域面積減少約543 km2，主要變化包括北岸大清河口至澗河口之間的岸線整體外推，外推距離約2 km；南岸的大河口、套爾河口和老黃河口地帶海岸灘涂的開發(fā)，減少了水域面積并開發(fā)為水產(chǎn)養(yǎng)殖場。這一時期的變遷主要表現(xiàn)為河北唐山市和滄州市、山東濱州市和東營市的近岸海洋養(yǎng)殖業(yè)對渤海灣海岸灘涂的開發(fā)利用。2002—2014年間，水域面積減少約724 km2，主要為河北的曹妃甸、黃驊港；天津的天津港和南港工業(yè)區(qū)建設(shè)圍填海對渤海灣海域的使用，造成了渤海灣水域面積減小，人造岸線增加。

海岸線分形維數(shù)的變化大小，可直接反映海灣自然岸線的人為改變程度[12]。海岸線在自然演化過程中，將趨于固定值，然而港口建設(shè)、養(yǎng)殖場開發(fā)和其他圍填海等大型人工海岸工程將使局部海岸線的變得平直，降低岸線的分形維數(shù)。從表1的測算結(jié)果分析，渤海灣1986—2014年近30年間海岸線分形維數(shù)呈現(xiàn)不斷減小的變遷趨勢，這表明該歷史時期內(nèi)渤海灣地區(qū)的海岸工程建設(shè)在逐步開展，不斷改變海岸環(huán)境。

從圖3的測算結(jié)果分析，1986—2002年間，岸線改變主要表現(xiàn)為自然岸線被改造為養(yǎng)殖場；2002—2014年間，岸線改變主要表現(xiàn)為港口建設(shè)增加了人造岸線。兩者均降低了岸線的分形維數(shù)。

對海岸線的開發(fā)利用，一般伴隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。搜集天津市國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局，http://data.stats.gov.cn/)，分析發(fā)現(xiàn)GDP(單位：億元)的倒數(shù)與渤海灣岸線分形維數(shù)具有基本一致的變化趨勢(圖4)，兩者變化的線性相關(guān)系數(shù)R=0.95(圖5，R2=0.91)。

圖4　渤海灣(1986-2014年)岸線分形維數(shù)與天津市GDP倒數(shù)變遷趨勢[直方圖上方數(shù)值為當(dāng)年GDP(單位：億元)]

圖5　渤海灣(1986-2014年)岸線分形維數(shù)與天津市GDP倒數(shù)對比

本文所使用的岸線為渤海灣海岸線，渤海灣緊鄰河北省唐山市和滄州市、天津市、山東省濱州市和東營市，近年來全國各省市均保持較高的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，且沿海區(qū)域占據(jù)整個行政省市經(jīng)濟(jì)的一定比例，因此僅利用天津市歷年GDP值可代表整個渤海灣沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)水平。圖4和5的結(jié)果表明，渤海灣海岸線的分形維數(shù)的變化可反應(yīng)該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展變化，這是因?yàn)檠睾５貐^(qū)海洋養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展、圍填海和人工港口等海洋工程建設(shè)與開發(fā)影響了整個地區(qū)的GDP數(shù)值，此類人類活動直接改變了海灣岸線，進(jìn)而改變了岸線的分形維數(shù)。

4　總結(jié)

在海灣動力學(xué)的衛(wèi)星遙感研究領(lǐng)域，水域面積、岸線長度和岸線分形維數(shù)是測算海灣變遷的主要參數(shù)，它們可用于海灣納潮量、潮流、泥沙輸運(yùn)、污染物擴(kuò)散和海水交換速率等海灣動力學(xué)參數(shù)的計算。

本文通過高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對渤海灣海岸線解譯和計算，獲得了1986-2014年間渤海灣的水域面積、岸線長度和岸線分形維數(shù)。通過對測算結(jié)果的分析顯示高分辨衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)不僅可用于測算海灣水域面積和岸線，還可分析其變遷的驅(qū)動力因素，同時分析結(jié)果顯示岸線分形維數(shù)與當(dāng)?shù)谿DP等經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)具有高相關(guān)性。

分析結(jié)果表明，影響渤海灣岸線變遷的主要驅(qū)動力因素是養(yǎng)殖場開發(fā)建造、圍填海和港口建設(shè)等海洋工程，渤海灣岸線分形維數(shù)與天津市年GDP的倒數(shù)具有一致的歷史變遷趨勢，其線性相關(guān)系數(shù)為0.95。本文解譯的海岸線分形維數(shù)、水域面積、岸線長度及其歷史變遷趨勢和驅(qū)動力因素分析結(jié)果可為渤海灣動力學(xué)研究、海洋環(huán)境變遷評估和海洋開發(fā)與管理提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

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On the Changes of the Coastline in Bohai Bay during the Last 30 Years

YE Xiaomin1,2,3，DING Jing1,3，XU Ying1,3，LIU Yuxin1,3

(1. National Satellite Ocean Application Service, State Oceanic Administration, Beijing 100081，China； 2. Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics, Hangzhou 310012，China; 3. Key Laboratory of Space Ocean Remote Sensing and Application, State Oceanic Administration, Beijing 100081，China)

The coastline of a bay is an important object to be monitored for the changes of the Bay. In this paper, the surface area of sea water in Bohai Bay, length and fractal dimension of its coastline in the last 30 years from 1986 to 2014 were interpreted by using American Landsat-5/TM, Landsat-7/ETM and Chinese HJ1A,B/CCD remote sensing images. The results showed that the sea water surface area has been decreasing with the value of 13 909.97±1.84 km2in 1986 and 12 641.99±11.50 km2in 2014; the length of the coastline decreased at first 12 years with the value of 968.41±1.84 km in 1986 and 642.43±2.59 km in 1998, and then increased with the value of 850.94±10.78 km in 2014; The fractal dimension decreased from 1.110 2 in 1986 to 1.064 9 in 2014. The results also showed that sea reclamation, the construction of marine farm and port were the driving factors of the changes of the coastline in Bohai Bay; the fractal dimension was correlated with the reciprocal of the Gross Domestic Product (GDP) of Tianjin Municipality linearly with the linearly correlation coefficient of 0.95. The results of measurement and analysis could be a reference for dynamic research of a bay and, changes of environment evaluation and management of bay development.

Bohai Bay，Changes of coastline，F(xiàn)ractal analysis, Remote sensing

衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題——基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的渤海海岸線變遷分形分析(SOED1411).

葉小敏，博士研究生，助理研究員，研究方向?yàn)楹Ｑ筮b感研究，電子信箱: yxm@mail.nsoas.org.cn

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A

1005-9857(2016)02-0056-07