基于GIS和洛倫茲曲線的遼寧省海島空間分布特征探析

趙東洋,雷利元,尤廣然,劉 明,席小慧,畢遠(yuǎn)溥

(遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院, 遼寧 大連 116023)

基于GIS和洛倫茲曲線的遼寧省海島空間分布特征探析

趙東洋,雷利元,尤廣然,劉 明,席小慧,畢遠(yuǎn)溥*

(遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院, 遼寧 大連 116023)

為合理開發(fā)利用和保護(hù)遼寧海島資源,優(yōu)化海島產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局,以遼寧納入中國海域海島標(biāo)準(zhǔn)名錄的633個海島為研究對象,在對其地理坐標(biāo)、陸域面積等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過GIS的空間分析和繪制洛倫茲曲線、計(jì)算基尼系數(shù),對遼寧海島的空間分布特征進(jìn)行了分析與研究。結(jié)果表明：遼寧海島屬集聚型分布類型,在空間上呈組團(tuán)與帶狀分布,按聚集程度來看,形成了黃海北部長山群島集聚區(qū)、遼東半島南部淺海集聚帶與遼東灣西部淺海集聚帶三個區(qū)域；約60%的海島處在離大陸岸線直線距離在10 km以內(nèi)的范圍內(nèi),近陸程度高；海島陸域面積分布不均衡,基尼系數(shù)達(dá)0.9。

遼寧海島；空間分布；核密度估計(jì)法；平均鄰近距離法；基尼系數(shù)

0 引言

遼寧是我國的海洋大省,瀕臨黃海和渤海,地處我國萬里海疆最北端,以鴨綠江為界與朝鮮半島相望。大陸岸線東起鴨綠江口,西止遼冀海岸分界線,長約2 110 km,海域(大陸架)面積約15×104km2,近海水域面積近4×104km2*苗豐民,付元賓.遼寧省海洋資源環(huán)境基本狀況[R].國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,2011:1.。在廣袤的海域中,星羅棋布、大小不一地分布著633個海島,島嶼總面積約505 km2、島嶼岸線總長約920 km[1]。海島作為四面環(huán)海水并在高潮時高于水面的自然形成的陸地區(qū)域,憑借著優(yōu)越的地理位置和獨(dú)特的空間資源,已成為壯大海洋經(jīng)濟(jì)、保護(hù)海洋環(huán)境、捍衛(wèi)國家權(quán)益的重要載體。

遼寧作為我國海島數(shù)量較多的省區(qū)之一,也是我國北方海島分布的主要區(qū)域,海島在遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶和振興東北老工業(yè)基地建設(shè)中,擔(dān)負(fù)著內(nèi)聯(lián)外引、發(fā)展外向經(jīng)濟(jì)的重任,已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。自20世紀(jì)90年代初期以來,許多學(xué)者在遼寧海島資源[2-3]、旅游[4]、保護(hù)開發(fā)與管理[5-11]等領(lǐng)域進(jìn)行了研究,取得了重要成果和進(jìn)展,相比之下對其空間格局及規(guī)律進(jìn)行探討的不多[12-14],研究形式以數(shù)理統(tǒng)計(jì)、定性描述和案例分析為主,很少進(jìn)行定量化測度。

本文基于全省633個海島的地理位置、陸域面積、距大陸岸線距離等空間和屬性數(shù)據(jù),利用GIS空間分析技術(shù),鑒于經(jīng)濟(jì)學(xué)中洛倫茲曲線和基尼系數(shù)的構(gòu)建思路,對全省633個海島的空間分布特征和空間格局進(jìn)行了解讀,以期為全省合理開發(fā)利用與保護(hù)海島資源,優(yōu)化海島產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與布局,促進(jìn)海島經(jīng)濟(jì)及海洋經(jīng)濟(jì)的健康與可持續(xù)發(fā)展提供一定參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以2010—2013年開展的遼寧省海島地名普查中確定的并納入中國海域海島標(biāo)準(zhǔn)名錄的633個海島為研究對象,選取海島的地理坐標(biāo)、陸域面積等地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。海島的地理位置信息以GPS測量方式獲取,標(biāo)稱精度優(yōu)于1 m,坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000國家大地坐標(biāo)系。通過高斯投影正算,將大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo),在ArcGIS 10.2軟件中對海島陸域面積和離岸距離等地理信息進(jìn)行量算。

1.2 研究方法

利用ArcGIS 10.2中的最鄰近距離(Nearest Neighbor Distance)、最鄰近點(diǎn)指數(shù)(Nearest Point Index)、核密度(Kernel Density)、鄰近(Near)等工具,判別海島的空間分布類型、分析海島的空間分布格局,并計(jì)算海島與大陸岸線間的最近距離；同時通過繪制海島數(shù)量-面積的洛倫茲曲線,計(jì)算基尼系數(shù),對全省海島陸域面積分布的均衡性進(jìn)行定量化測度。

1.2.1 最鄰近距離法

(1)

1.2.2 核密度估計(jì)法

核密度估計(jì)法(Kernel Density Estimation, KDE)假設(shè)地理事件可以發(fā)生在空間的任一地點(diǎn),但是在不同的位置上所發(fā)生的概率不同。點(diǎn)密集的區(qū)域事件發(fā)生的概率高,點(diǎn)稀疏的地方事件發(fā)生的概率低。根據(jù)概率理論,核密度估計(jì)的定義為：設(shè)點(diǎn)集置X1,X2,……,Xn,為從分布密度函數(shù)為f的總體中抽取的樣本,核密度估計(jì)f在某點(diǎn)x處的值為f(x),表達(dá)式為：

1.2.3 洛倫茲曲線

洛倫茲曲線(Lorenz Curve)是統(tǒng)計(jì)學(xué)家M.Lorenz在20世紀(jì)初提出的用來描述收入或財(cái)富分配不均勻度的一種方法。它先將一國或一地區(qū)人口按收入由低到高排序,把每一等分的人口所擁有的財(cái)富百分比累計(jì)起來,并將相應(yīng)的點(diǎn)描繪在圖上,得到的曲線就是洛倫茲曲線。作為其特例,即當(dāng)財(cái)富分配絕對平等時為絕對平均線,當(dāng)財(cái)富分配絕對不平等時為絕對不平均線。但它只是一種定性的描述,為了能夠定量精確地反映社會收入分配不平等程度,在洛倫茲曲線的基礎(chǔ)上,提出了基尼系數(shù)(Gini Coefficient)的概念,其含義是實(shí)際洛倫茲曲線與絕對平均線所包圍的面積A占絕對平均線與絕對不平均線之間的面積A+B的比重,用公式表示為：

(3)

基尼系數(shù)的取值范圍在0和1之間,基尼系數(shù)越小表示越均衡,越大表示越不均衡[18]。在實(shí)際計(jì)算過程中,由于面積A和B無法精確求得,許多學(xué)者提出很多近似的解算方法,如張建華[19]在繪制洛倫茲曲線基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出一種簡便易用的計(jì)算方法,其計(jì)算公式如下：

(4)

在本文應(yīng)用中,式中w為海島陸域面積實(shí)際數(shù)據(jù)累計(jì)百分比,n為海島數(shù)量分組組數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 空間分布類型

遼寧633個海島在黃海北部和渤海海域均有分布,地理坐標(biāo)范圍為119°52.6°～123°49.6°E,38°34.3°～40°55.7°N,東西橫跨約340 km,南北縱跨約260 km[20]。海島作為特殊的地理實(shí)體,可抽象為點(diǎn)狀要素,離散分布于海洋之中,在地域上表現(xiàn)為隨機(jī)、均勻和集聚三種空間分布類型。為深入探究海島空間分異規(guī)律,總體把握全省海島的空間分布類型,在ArcGIS 10.2中利用Average Nearest Neighbor工具,使用歐幾里得距離(Euclidean Distance),得出遼寧海島實(shí)際最鄰近距離與理論最鄰近距離的比值，即最鄰近點(diǎn)指數(shù)R為0.18,Z得分(ZScore)為-39.56,顯著性水平P<0.01。表明遼寧海島在空間上屬于集聚分布。

2.2 總體空間分布格局

為總體反映遼寧海島的空間分布態(tài)勢,利用ArcGIS 10.2空間分析中集成的核密度(Kernel Density)工具進(jìn)行海島密度估計(jì),經(jīng)多次試驗(yàn),最終以10 km為最佳帶寬(Search Radius),生成遼寧海島的核密度分布圖,如圖1所示。

圖1 遼寧海島核密度分布圖Fig.1 The distribution pattern of islands in Liaoning based on Kernel Density Estimation

從圖1可以直觀看出,遼寧海島在空間上呈帶狀與組團(tuán)分布,大體上形成了3個明顯的空間分布集聚區(qū)或帶,分別是黃海北部海域集聚區(qū)、遼東半島南部淺海集聚帶和遼東灣西部淺海集聚帶。特別是黃海北部海域集聚區(qū)為遼寧海島密度最高的集聚地,此區(qū)域也是我國近岸陸架最大群島之一的長山群島,包括外長山列島、里長山列島和石城列島。

2.3 與大陸岸線的空間關(guān)系

海島后方是否有便利的交通網(wǎng)絡(luò)和廣闊的經(jīng)濟(jì)腹地,對其來說是重要的依托和支撐,海島與大陸岸線之間的距離,直接影響著海島的保護(hù)、開發(fā)與利用。為方便統(tǒng)計(jì)與研究,以遼寧省2008年公布的大陸岸線為基準(zhǔn)[21],在ArcGIS 10.2中,利用Near距離分析工具,得出各海島到大陸岸線的近陸距離。全省633個海島中,距岸最近的僅10 m、最遠(yuǎn)的不到70 km,平均距離約13 km,經(jīng)綜合統(tǒng)計(jì)分析,海島與大陸岸線之間的空間關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出,大多數(shù)海島(近60%)距離岸線的直線距離在10 km以內(nèi),說明海島近陸程度較高,且隨著離岸距離的增加,海島數(shù)量呈遞減趨勢。按照海島通常分類體系中根據(jù)離岸距離對海島進(jìn)行分類[22],遼寧海島有陸連島、沿岸島、近岸島,但無遠(yuǎn)岸島,其中以沿岸島居多,約占全省海島總數(shù)量的58%。

圖2 海島距大陸岸線最近距離統(tǒng)計(jì)分布圖Fig.2 Statistics of straight line distances between islands and coastline in Liaoning

2.4 海島陸域面積分布均衡性

海島陸域區(qū)域是承載海島特殊海洋資源和生態(tài)環(huán)境的復(fù)合區(qū)域,兼?zhèn)湄S富的海陸資源,是海島保護(hù)與開發(fā)利用的重要載體,為海島最基本、最重要的屬性。在全省的633個海島中,陸域面積大小不一,從5 m2到219 km2不等。為直觀、簡潔地顯示全省海島陸域面積在海島間的均衡分配程度,根據(jù)全省海島數(shù)量和面積的分布狀況,借鑒經(jīng)濟(jì)學(xué)中的洛倫茲曲線,依據(jù)其基本原理,把全省海島按陸域面積從小到大排列,并分成均等10組數(shù)據(jù),以海島數(shù)量累計(jì)百分比為橫軸、海島陸域面積累計(jì)百分比為縱軸(具體數(shù)據(jù)見表1),繪制反映全省海島面積分配差距的洛倫茲曲線,如圖3所示。

表1 遼寧海島數(shù)量和面積累計(jì)百分比值Tab.1 Accumulative total percentage distribution of island number and the corresponding land area in Liaoning

圖3 遼寧海島數(shù)量和面積的洛倫茲曲線圖Fig.3 Lorenz Curve based on island number and the corresponding land area in Liaoning

從圖3可以看出,海島陸域面積的洛倫茲曲線明顯下凸、彎曲程度大,遠(yuǎn)離平均分布曲線,非常接近絕對不平均線,表明全省海島陸域面積在空間分布上不均衡,集中化程度高。

為進(jìn)一步描述和定量分析遼寧海島陸域面積分布的均衡程度,對其進(jìn)行定量化測度,在繪制洛倫茲曲線基礎(chǔ)上,計(jì)算其基尼系數(shù)(G),根據(jù)計(jì)算公式(4),將表1中的相應(yīng)數(shù)據(jù)代入其中,得到基尼系數(shù)G=0.9,參考聯(lián)合國有關(guān)組織對國民收入分配基尼系數(shù)的分級規(guī)定[23],可以看出G值不但大于0.5,且接近于1,表明海島陸域面積分布相當(dāng)不均衡,即全省海島陸域面積主要集中在部分島嶼上,也說明了海島間的陸域面積大小差距懸殊,這一結(jié)論也正好印證了上述洛倫茲曲線的初步判斷。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

遼寧海島的空間分異特征是自然、社會、經(jīng)濟(jì)等眾多因素共同作用的產(chǎn)物。從成因上來看,遼寧海島絕大多數(shù)屬于地質(zhì)時期與大陸相連的基巖大陸島,是地殼運(yùn)動及海陸變遷的產(chǎn)物,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化為遼寧海島今天的分布格局奠定了基礎(chǔ)。從構(gòu)造地質(zhì)來看,遼寧海岸大地構(gòu)造處于東西向陰山-天山復(fù)雜構(gòu)造帶東段與新華夏系一級構(gòu)造第二巨型隆起帶(遼東山地)、第二巨型沉降帶(下遼河平原)、第三巨型隆起帶(遼西山地)的構(gòu)造復(fù)合部位,決定了遼寧海島在遼東和遼西山地海岸外側(cè)一線分布,而對應(yīng)下遼河沉隆帶的遼東灣頂部海域則無島嶼發(fā)育[12]。

但海島作為分布于海洋中的地理實(shí)體,其他因素對海島的空間分布特征也有一定的影響。其一,特殊的自然環(huán)境,如海浪的沖淤作用、河口泥沙的堆積作用等,可能會孕育新的海島或?qū)е潞u的自然消亡；其二,在人類開發(fā)活動的作用下,如沿海大規(guī)模的圍填海建設(shè)會造成海島滅失,而海島的整治修復(fù)與保護(hù),會維持海島的穩(wěn)定；其三,人們在對海島資源的認(rèn)識和獲取過程中,往往受當(dāng)時的獲取方式、調(diào)查技術(shù)與手段的限制,對海島數(shù)量的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和界定范圍不同,導(dǎo)致認(rèn)定的遼寧海島統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)存在差異,如從20世紀(jì)70年代起至今,遼寧海島數(shù)量共有5種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),按照時間先后順序分別為506、247、265、402和633個[20,24-25]。

根據(jù)遼寧海島陸域面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),全省633個海島陸域總面積約505 km2,陸域面積在10 km2以上的海島僅9個,但其總面積約430 km2,占全省海島陸域面積的85%,其中長興島作為遼寧省第一大島,海島陸域面積約219 km2,占全省海島陸域面積的43%,幾乎占了全省海島陸域面積的一半。而陸域面積在0.000 5～0.5 km2的海島達(dá)337個,陸域總面積才11 km2,僅占全省海島陸域面積的2%[20]。經(jīng)上述數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,充分印證了遼寧海島陸域面積分布的不均衡性。

3.2 結(jié)論

本文利用ArcGIS 10.2的空間分析工具并通過構(gòu)建海島陸域面積分布的洛倫茲曲線和基尼系數(shù),從定性和定量兩個方面綜合分析了遼寧633個海島的空間分布特征,得到如下主要結(jié)論：

(1)遼寧海島屬于集聚型分布類型,最鄰近點(diǎn)指數(shù)R=0.18<1,Z得分(ZScore)為-39.56,顯著性水平P<0.01。

(2)遼寧海島在空間上呈組團(tuán)與帶狀分布,按集聚程度形成了黃海北部長山群島集聚區(qū)、遼東半島南部淺海集聚帶和遼東灣西部淺海集聚帶。表明遼寧海島有群體優(yōu)勢和良好的地域組合,適宜以組團(tuán)和區(qū)域聯(lián)動的模式進(jìn)行開發(fā)。

(3)近60%的海島距離大陸岸線的直線距離在10 km以內(nèi),近陸程度高,且多為沿岸島。沿岸海島又是發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的“第二經(jīng)濟(jì)帶”[26],顯然遼寧在海洋開發(fā)利用中具備了天然優(yōu)勢,為遼寧發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)提供了切實(shí)可行的重要基地和支點(diǎn)。

(4)海島陸域面積分布不均衡、集中化程度高,基尼系數(shù)達(dá)0.9。反映了遼寧海島陸域面積主要集中在少數(shù)島嶼上,而海島陸域空間又是影響海島經(jīng)濟(jì)開發(fā)活動的重要因素,這就決定了在遼寧的海島開發(fā)利用中,需要珍惜島陸空間,合理布局,使其健康持續(xù)發(fā)展。

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Application of GIS and Lorenz Curve to study the spatial distribution characteristics of islands in Liaoning Province

ZHAO Dong-yang，LEI Li-yuan，YOU Guang-ran，LIU Ming，XI Xiao-hui，BI Yuan-pu*

(LiaoningOceanandFisheriesScienceResearchInstitute，Dalian116023,China)

In order to reasonably develop, utilize and protect islands’ resources in Liaoning Province and optimize the industry structures and arrangements on islands, the spatial distribution characteristics of islands in Liaoning Province were investigated by application of GIS spatial analysis, Lorenz Curve and Gini Coefficient calculation based on the statistical data of 633 islands’coordinates and land areas, which have been listed in the Standard Directory of Islands in China Sea .The results show that the distribution type of islands in Liaoning Province belongs to aggregated distribution and presents group and zonal distribution in space. The islands of Liaoning Province have shaped Changshan Island aggregation district in the northern of the Yellow Sea and shallow sea aggregation zones in the southern of Liaoning Peninsula and in the western of Liaodong Gulf in terms of the levels of aggregation. Approximately 60% islands locate within the range of 10 km off the mainland coastline in straight line, leading to near the land at high degree. The land areas are imbalance among islands with the Gini Coefficient of 0.9.

islands in Liaoning; spatial distribution；Kernel Density Estimation; average nearest neighbor; Gini Coefficient

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.009.

2016-03-28

2016-10-11

全國海域海島地名普查遼寧專項(xiàng)項(xiàng)目資助；遼寧省海洋與漁業(yè)廳科研計(jì)劃項(xiàng)目資助(201017)

趙東洋(1982-),男,遼寧大連市人,助理研究員,主要從事海域、海島的開發(fā)與保護(hù)。E-mail:dongyang7@126.com

*通訊作者：畢遠(yuǎn)溥(1958-),男,研究員,主要從事海島海岸帶保護(hù)開發(fā)與可持續(xù)利用研究與管理。E-mail:byp98@163.com

P737.1；P208.2

A

1001-909X(2017)01-0073-07

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.009

趙東洋，雷利元，尤廣然，等.基于GIS和洛倫茲曲線的遼寧省海島空間分布特征探析[J].海洋學(xué)研究,2017,35(1):73-79,

ZHAO Dong-yang，LEI Li-yuan，YOU Guang-ran, et al. Application of GIS and Lorenz Curve to study the spatial distribution characteristics of islands in Liaoning Province[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(1):73-79, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.009.