基于遙感和GIS的煙臺芝罘灣海岸線變遷研究

孫貴芹徐艷東*林 蕾朱金龍趙景麗魏 瀟

(1.山東省海洋資源與環(huán)境研究院 山東省海洋生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 煙臺264006；2.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所,北京100101)

海岸線是多年平均大潮高潮時(shí)形成的實(shí)際痕跡線[1],具有復(fù)雜、敏感和多變的特征,它的變化直接影響著潮間帶灘涂資源量、海岸帶的環(huán)境以及沿海地區(qū)人民的生存和發(fā)展[2]。國內(nèi)外對于岸線變化的研究取得了豐碩的成果。在岸線提取方法方面,岸線類型的識別主要靠目視解譯,而岸線位置的提取根據(jù)是否需要人為修改分為自動、半自動和目視解譯三種方法,如:利用高分辨率SPOT遙感影像和精細(xì)DEM數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)岸線自動提取[3]；基于多源遙感數(shù)據(jù),利用改進(jìn)的水邊線方法,結(jié)合部分實(shí)測潮位、坡度數(shù)據(jù)可提取多時(shí)相海岸線[4]；利用密度分割法、面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄌ崛∷吘€,并結(jié)合目視解譯可獲取研究區(qū)海岸線[5]；基于SPOT影像,結(jié)合實(shí)地踏勘資料和經(jīng)驗(yàn),建立各類型岸線的遙感解譯標(biāo)志,可人工提取較為準(zhǔn)確的岸線位置[6]。在岸線的分析研究方面,岸線變化的研究方法經(jīng)歷了簡單視覺定性分析、簡單統(tǒng)計(jì)量分析、簡單線性模型擬合分析、復(fù)雜非線性模型擬合分析等階段,而岸線變化的研究內(nèi)容從特征的簡單描述發(fā)展為對引起岸線變化的內(nèi)在機(jī)理與機(jī)制的探討[7],如:國外學(xué)者綜合多源數(shù)據(jù),采用地圖疊加的方式,對牙買加里約米尼奧河(the Rio Minho River,Jamaica)至米爾河(the Milk River)入?？陂g岸線的變化進(jìn)行定性分析[8]；基于航片從海陸面積變化方面對土耳其黑海中部薩姆松市(Samsun,Turkey)的海岸線變化特征進(jìn)行簡單定量分析[9]；綜合運(yùn)用RS和DSAS(數(shù)字岸線分析系統(tǒng))對印度[10]、越南湄公河三角洲[11]等地區(qū)的海岸線進(jìn)行簡單模型定量化分析,并利用衛(wèi)星影像和統(tǒng)計(jì)方法對孟加拉灣[12]海岸線進(jìn)行了時(shí)空變化分析和預(yù)測；基于復(fù)雜模型的IC-bin[13]和T-bin[14]局部模擬方法對夏威夷毛伊島岸線變化速率及岸線位置進(jìn)行分析和預(yù)測；而國內(nèi)學(xué)者針對岸線變化的研究多集中于對岸線基本特征的分析,例如對我國大陸沿海主要海灣形態(tài)變化[15]的研究；對我國大陸海岸線[16-18]、北方海岸線[2]、渤海[19-21]、江蘇[22]、浙江[23]、大連[24]、長島南五島[25]的海岸線時(shí)空變遷[22-23,25]、岸線分形特征的時(shí)空變化[17-18,26]及原因[16,20]分析等。

芝罘灣位于山東煙臺市區(qū)北部,其西側(cè)和北側(cè)為我國最大的陸連島——芝罘島。灣口向東敞開,為“U”字形半封閉式海灣,灣頂為砂質(zhì)海岸,兩側(cè)是基巖海岸,灣內(nèi)水深一般在10 m以內(nèi)。該灣水域開闊,灣口東側(cè)的崆峒島群形成天然屏障,使得灣內(nèi)浪小流穩(wěn),由此成為山東半島北部的天然良港[27]。隨著快速城市化進(jìn)程,芝罘灣受到人類活動的強(qiáng)烈影響,海岸線不斷向海推進(jìn),大量自然岸線被占用,人工岸線比例逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位,圍填海面積持續(xù)增加,海灣面積不斷萎縮,生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,這受到了一些學(xué)者的關(guān)注,隨之,學(xué)者們主要開展了一些研究,包括:基于遙感和GIS技術(shù)分析了煙臺典型海灣1986—2004年4個時(shí)期的海岸線長度和海灣面積的變化[28]、煙臺市海岸地區(qū)1990—2009年土地利用空間格局變化[29]、1973—2014年煙臺市岸線及近岸土地利用變化[30]、1979—2007年芝罘區(qū)土地利用變化及芝罘連島沙壩岸線變化[31]以及煙臺市1990—2015年5個時(shí)期的圍填海動態(tài)變化及驅(qū)動力[32]等。然而,這些研究的對象主要是整個煙臺地區(qū),截至目前尚未有系統(tǒng)研究芝罘灣長時(shí)段岸線變遷的報(bào)道。本文正是以芝罘灣為研究對象,開展1976—2016年近40 a長時(shí)間序列岸線時(shí)空變遷的研究,掌握9個不同時(shí)期的岸線時(shí)空分布特征和變化過程及海灣形態(tài)變化,以期為芝罘灣岸線的合理利用及海岸帶經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

芝罘灣口門北起芝罘島東南角(121°25'54″E,37°35'48″N),南至東炮臺山(121°25'47″E,37°37'07″N)[33]。根據(jù)實(shí)際研究需要,將芝罘灣口門的起止點(diǎn)調(diào)整為 A(121°25'57.11″E,37°35'43.67″N)和 D(121°25'49.73″E,37°32'6.86″N)。為進(jìn)一步研究不同岸段的分異特征,將研究區(qū)岸線劃分為3個岸段進(jìn)行研究,其中芝罘島東南角(A)至大疃島碼頭西側(cè)(B)為北岸,大疃島碼頭西側(cè)(B)至一突堤東側(cè)(C)為西岸,一突堤東側(cè)(C)至東炮臺山(D)為南岸,研究區(qū)位置和岸段劃分見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選用芝罘灣1976—2016年每5 a為一個時(shí)期(共9期)Landsat遙感影像,作為海岸線提取的數(shù)據(jù)源,數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey,USGS)網(wǎng)站①http://glovis.usgs.gov和地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站②http://www.gscloud.cn。在保證影像質(zhì)量的前提下,盡量選擇大潮高潮時(shí)期的影像數(shù)據(jù)。為提高解譯精度,借助谷歌地圖、天地圖、2004-11的煙臺市SPOT5融合正射校正圖像進(jìn)行輔助解譯。本文所采用的遙感影像數(shù)據(jù)源情況見表1。

1.3 研究方法

1.3.1 影像處理及岸線提取

為保證遙感影像的幾何精度,首先在ENVI 5.1中對遙感影像進(jìn)行預(yù)處理,然后以一幅經(jīng)過正射校正的2016年高分影像為基準(zhǔn),對1996年遙感影像進(jìn)行幾何精校正,以校正好的1996年影像對其他幾期遙感影像分別進(jìn)行配準(zhǔn)。采用二次多項(xiàng)式模型,雙線性內(nèi)插法進(jìn)行重采樣,校正配準(zhǔn)誤差控制在0.5個像元以內(nèi)。并將9期影像統(tǒng)一為高斯——克呂格投影、CGCS2000坐標(biāo)系,采用近紅外、紅、綠波段生成標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像,通過線性拉伸對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理,綜合孫偉富等[6]、毋亭等[7]、趙建華等[34]的遙感監(jiān)測分類方法建立各類岸線的解譯標(biāo)志和判繪原則,采用目視解譯法獲取岸線。為提高岸線解譯精度和準(zhǔn)確性,先利用2016年的高分遙感影像提取2016年芝罘灣海岸線,在此基礎(chǔ)上,向前逐期提取各個時(shí)相下的海岸線,著重對變化的岸段進(jìn)行矢量編輯。

1.3.2 岸線提取誤差分析

遙感影像獲取的岸線只能代表某一特定時(shí)間的海陸分界線,且岸線的提取受人為因素影響較大,導(dǎo)致提取結(jié)果與實(shí)際岸線存在一定差異。因此,對提取岸線進(jìn)行誤差分析以滿足特定研究的需要是十分必要的。在缺乏足夠數(shù)量的高精度實(shí)測控制點(diǎn)的情況下,根據(jù)Fletcher等[35]、閆秋雙等[36]、毋亭等[7]的研究,最終的岸線數(shù)據(jù)提取誤差可以采用多誤差綜合法[35],將岸線提取過程中的數(shù)據(jù)源誤差、影像處理誤差等一系列潛在的誤差項(xiàng)計(jì)入最終的誤差E計(jì)算中,公式為

式中,es為季節(jié)誤差,etd為潮差誤差,ep為像元誤差,ed為數(shù)字化誤差,er為校正誤差。本文選取的遙感影像均處于春秋兩個季節(jié),且研究區(qū)自然岸線以基巖和砂質(zhì)岸線為主,基本不受植被的影響,因此,季節(jié)誤差(es)可以忽略不計(jì)；研究區(qū)大部分為人工岸線和基巖岸線,因此,受潮汐影響(etd)也可忽略不計(jì)；本文的岸線提取方法能達(dá)到亞像元精度,所以像元誤差(ep)也不考慮；為減小數(shù)字化誤差(ed),本文的岸線解譯工作均由一人完成。因此,根據(jù)式(1),僅考慮數(shù)字化誤差(ed)和校正誤差(er),計(jì)算的岸線提取總誤差見表2。

高山[37]、侯西勇等[38]研究表明,60,30和2 m分辨率遙感影像線要素提取的最大允許誤差分別為56.57,28.28和1.89 m。本文的岸線提取誤差均小于一個像元,明顯小于理論最大允許誤差,表明岸線提取的方案是可行的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文誤差分析方法的有效性,利用2005年的“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)專項(xiàng)”(簡稱“908專項(xiàng)”)修測岸線對提取的2006年岸線進(jìn)行精度驗(yàn)證,結(jié)果表明,提取的2006年岸線到“908專項(xiàng)”修測岸線的標(biāo)準(zhǔn)偏差為13.81 m,與本文所采用的誤差分析方法得到的岸線總誤差(11.37 m)較為接近。因此,本文的岸線提取方法是可行的,能夠滿足岸線遙感解譯的精度要求。

1.3.3 海灣形狀指數(shù)

海灣形狀指數(shù)是指海灣周長與等面積圓周長之比,反映海灣形狀與圓形的相似度；值越小,海灣形狀越規(guī)則、簡單；反之,則越復(fù)雜。海灣形狀指數(shù)(SIB)計(jì)算式[15]為

式中,P為海灣周長(m)；A為海灣面積(m2)。

1.3.4 海灣重心

在二維平面空間中,計(jì)算得到海灣幾何重心,其空間位移的方向、路徑和距離可以反映出海灣形態(tài)變化的基本特征[15]。海灣重心坐標(biāo)(x,y)、重心位移距離L計(jì)算式[39]為

式中,x i,y i(i=1,2,…,n)為海灣平面離散點(diǎn)的坐標(biāo)；x j,y j為j時(shí)相重心坐標(biāo)；x k,y k為k時(shí)相重心坐標(biāo)。

1.3.5 岸線分形維數(shù)

Mandelbrot于20世紀(jì)60年代創(chuàng)立了分形理論[40],之后,該理論得到了廣泛應(yīng)用。由于分形維數(shù)不隨尺度的變化而變化,因此它能較精確地反映岸線形態(tài)的彎曲與復(fù)雜程度。分形維數(shù)越高,岸線的彎曲度與復(fù)雜度就越高。岸線分形維數(shù)的計(jì)算通常采用2種方法:網(wǎng)格法和量規(guī)法。

1)網(wǎng)格法

網(wǎng)格法的計(jì)算式[26]為

式中,r為網(wǎng)格長度,N(r)為網(wǎng)格數(shù)目,A為常數(shù),D為岸線分形維數(shù)。

參照航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范中的規(guī)定[41],本文采用的比例尺分母(Q)為10 000,15 000,25 000,30 000,35 000,50 000,60 000,75 000,90 000和100 000,依據(jù)網(wǎng)格的邊長轉(zhuǎn)換模型(r=0.3×Q/1 000)[42],計(jì)算獲得比例尺對應(yīng)的網(wǎng)格邊長分別為3.0,4.5,7.5,9.0,10.5,15.0,18.0,22.5,27.0和30.0 m。

2)量規(guī)法

前人[17,43]應(yīng)用量規(guī)法測量海岸線分維沒有實(shí)現(xiàn)自動化,均采用傳統(tǒng)的手工作業(yè)進(jìn)行量算。盡管精度較高,但工作量大,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文利用Matlab中的編程模塊實(shí)現(xiàn)了輸入不同的尺子r值,能輸出相應(yīng)的線段數(shù)N以及岸線長度L的功能,極大地提高了工作效率?；诖?采用與網(wǎng)格法相同的尺子長度和計(jì)算式來計(jì)算岸線的量規(guī)維。

2 結(jié)果與討論

2.1 海岸線變遷分析

2.1.1 海岸線總體變遷情況

1976—2016年9個時(shí)期的芝罘灣海岸線長度和海灣面積變化情況見圖2和表3,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:1)近40 a來芝罘灣海岸線長度總體呈不斷增長的趨勢,其中岸線長度自1976—2011年持續(xù)增加,僅在2011—2016年略有縮短。1976—2016年海岸線長度整體增加了15.78 km,較1976年,2016年岸線長度增加了66.17%,年均增加0.39 km,說明芝罘灣海岸線受到人為開發(fā)活動的強(qiáng)烈影響。1976—1981年、1981—1986年、1991—1996年和2006—2011年四個時(shí)段岸線長度增長較快,變化百分比介于7.24%～16.24%,其中以1976—1981年長度增加最快,變化百分比為16.24%；1986—1991 年、1996—2001 年、2001—2006 年、2011—2016年四個時(shí)段岸線變化較慢,其中1996—2001年僅增加了0.48 km,變化百分比僅為1.35%,2011—2016年間海岸線長度減少了0.49 km,變化百分比為-1.21%,海岸線長度變化速率呈現(xiàn)不均衡性的特點(diǎn)。2)近40 a來,芝罘灣海灣面積由1976年的34.16 km2減少至2016年的26.23 km2,面積減少了23.21%,年均面積減少了0.20 km2,總體上呈不斷減小趨勢。芝罘灣海岸整體保持向海前進(jìn)的趨勢,向陸后退的區(qū)域較少,只有南岸煙臺山至東炮臺岸段的砂質(zhì)岸線因侵蝕作用有相對明顯的向陸后退現(xiàn)象。1981—1986年和1996—2001年海灣面積變化較大,其面積分別減少了1.72和1.70 km2,變化率均為-0.34 km2/a；而2001—2006年和2011—2016年海灣面積變化較小,分別減少了0.21和0.26 km2,變化率分別為-0.04和-0.05 km2/a,所以,海灣面積變化呈現(xiàn)時(shí)間和空間變化不均衡性。

圖2 芝罘灣1976—2016年海岸線長度及海灣面積Fig.2 Changes of the coastline length and bay area of the Zhifu Bay from 1976 to 2016

表3 芝罘灣1976—2016年海岸線長度、面積變化情況Table3 The changes of coastline length and bay area of the Zhifu Bay from 1976 to 2016

整體上,芝罘灣自然岸線長度和比例顯著減少,而人工岸線迅速增加(圖3a)。1976—2016年,自然岸線長度由13.58 km減少至5.10 km,比例由56.93%減少至12.88%,人工岸線長度由10.27 km增長至34.52 km,比例由43.07%增加至87.12%。40 a間自然岸線長度減少了8.48 km,年均減少接近200 m；人工岸線長度增加了25.25 km,年均增加約600 m。其中,以1976—1981年岸線長度變化最為顯著,自然岸線長度減少3.68 km的同時(shí),人工岸線長度增加了7.55 km；其次為1981—1986年和1991—1996年兩個時(shí)段岸線(自然岸線長度分別減少了1.94和1.68 km,其人工岸線長度分別增加了5.84和4.09 km)。

2.1.2 海岸線變遷分段研究

芝罘灣北岸主要岸線類型變化見圖3b,岸線長度整體呈現(xiàn)增加趨勢,由1976年的6.51 km增加到2016年的11.21 km,年均增長0.12 km。其中1991—1996年岸線縮短,1996—2006年岸線基本穩(wěn)定,其他時(shí)段岸線呈現(xiàn)增加趨勢,但增速緩慢。

圖3 1976—2016年芝罘灣岸線分類變化Fig.3 Changes of the coastline types in the Zhifu Bay from 1976 to 2016

自然岸線的長度和比例逐漸降低,由1976年的2.24 km(34.42%)下降至2016年的0.92 km(8.21%),岸線長度減少了近60%,而人工岸線的長度和比例卻增長較快,由1976年的4.27 km(65.58%)上升至2016年的10.29 km(91.79%),岸線長度增加了近1.4倍。近40 a來,自然岸線長度減少了1.32 km,年均減少約35 m；人工岸線長度增加了6.02 km,年均增加約150 m。

芝罘灣西岸主要岸類型變化見圖3c,岸線長度整體增加,由1976年的10.43 km增加到2016年的19.64 km,年均增長0.23 km。其中1976—2011年岸線長度整體增加,僅有2011—2016年波動減少,岸線變化顯著,與芝罘灣整體岸線長度的變化趨勢基本一致；1991—1996年岸線長度增速最快,年均增長0.56 km,1996—2001年岸線長度增速最慢,年均增長0.10 km,2011—2016年岸線縮短,年均減少0.19 km,減小趨勢不均衡。自然岸線的長度和比例迅速降低,由1976年的6.98 km(66.91%)下降至2016年的1.78 km(9.05%),岸線長度減少了近75%,而人工岸線的長度和比例卻增長較快,由1976年的3.45 km(33.09%)上升至2016年的17.86 km(90.95%),岸線長度增加了近4.2倍。近40 a來,自然岸線長度減少了5.20 km,年均減少130 m；人工岸線長度增加了14.41 km,年均增加360 m。

芝罘灣南岸主要岸線類型變化見圖3d,岸線長度變化相對較小(圖3d),由1976年的6.91 km增加到2016年的8.78 km,年均增長0.05 km。其中岸線長度自1976—1996年整體持續(xù)增加,且1981—1986年岸線長度增速最快,年均增長0.15 km,至1996年以后岸線基本保持穩(wěn)定。自然岸線的長度和比例逐漸降低,由1976年的4.36 km(63.06%)下降至2016年的2.41 km(27.42%),岸線長度減少了近45%,而人工岸線的長度和比例卻增長較快,由1976年的2.55 km(36.94%)上升至2016年的6.37 km(72.58%),岸線長度增加了近1.5倍。近40 a來,自然岸線長度減少了1.95 km,年均減少約50 m；人工岸線長度增加了3.82 km,年均增加約100 m。

2.2 海灣形狀指數(shù)時(shí)空動態(tài)分析

由各個時(shí)相的海灣形狀指數(shù)(圖4)可知,2016年芝罘灣海灣形狀指數(shù)較1976年增加了1.08,整體表現(xiàn)為逐年增加的態(tài)勢,僅2011—2016年略微減小,這表明海灣的形狀總體上趨于復(fù)雜化。分時(shí)段統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,1976—1986年和2006—2011年海灣形狀指數(shù)增長較快,年均增長了0.05；而2011—2016年海灣形狀指數(shù)略微減小,減少了0.01。海灣形狀指數(shù)的增大主要是由于以圍填海為主要特征的岸線變化提高了海灣形狀的復(fù)雜性。

圖4 芝罘灣1976—2016年海灣形狀指數(shù)變化情況Fig.4 Changes of gulf shape index in the Zhifu Bay from 1976 to 2016

2.3 海灣重心位移特征

芝罘灣不同時(shí)段重心的位移距離計(jì)算結(jié)果表明(表4和圖5),近40 a來,芝罘灣海灣重心整體向海移動了606.25 m,偏移速率為15.16 m/a,海灣重心處于較為活躍的狀態(tài)。不同時(shí)段海灣重心的位移特征呈顯著差異,1996—2001年海灣重心向海移動距離最大為167.57 m,偏移速率為33.51 m/a；其次是1981—1986年,偏移速率為27.30 m/a；1991—1996年偏移速率為20.33 m/a；2011—2016年海灣重心位移最小,向海移動了15.99 m,偏移速率為3.20 m/a。但是海灣重心的位移總體上表現(xiàn)為不斷背離陸地而趨向海洋的特點(diǎn),與圍填海所導(dǎo)致的海灣面積的萎縮方向和岸線空間位置的整體移動方向一致。

表4 芝罘灣1976—2016年海灣重心偏移情況Table 4 Gulf-centroid shifting in the Zhifu Bay from 1976 to 2016

圖5 芝罘灣1976—2016年海灣重心偏移情況Fig.5 Gulf-centroid shifting in the Zhifu Bay from 1976 to 2016

2.4 岸線分維數(shù)時(shí)空變化特征

2.4.1 網(wǎng)格法

根據(jù)各尺度(r)所對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)目(N),基于ArcGIS中的Arc Toolbox轉(zhuǎn)柵格功能模塊,計(jì)算獲得芝罘灣各時(shí)期岸線的分形維數(shù),結(jié)果如表5所示。

本文獲取的擬合系數(shù)(R2)均大于0.999 8,表明擬合獲取的分形維數(shù)值均精確可用。分維數(shù)變化整體呈現(xiàn)增加的趨勢,由1976年的1.007 8增加到2016年的1.033 2,增加了2.52%。其中1976—2006年分維數(shù)持續(xù)增加,2006—2011年略有減小,至2011—2016年保持穩(wěn)定。這與海岸線長度的變化趨勢基本一致,表明隨著我國海域使用方式的不斷優(yōu)化和海域使用管理的加強(qiáng),海岸線的分形維數(shù)不斷增大,海岸線變得越來越復(fù)雜。1981—1986年分維數(shù)增幅最大,增長了0.013 7,而2006—2011年分維數(shù)則減少了0.002 6。海岸線分維數(shù)不同時(shí)段出現(xiàn)波動,表明受人為因素影響較大。

表5 網(wǎng)格法網(wǎng)格數(shù)和分形維數(shù)Table 5 The fractal dimension of the box-counting method

2.4.2 量規(guī)法

量規(guī)法的思路是使用不同長度的尺子去度量同一段海岸線,海岸線的長度L(r)由尺子長度r和尺子測量的次數(shù)N(r)來決定。尺子的長度越小,測得的海岸線長度越接近被測量海岸線長度的實(shí)際值[44]?；谧跃幍腗atlab程序,采用10個量測尺度(r)計(jì)算獲得芝罘灣各時(shí)期岸線的量規(guī)維(表6)。

量規(guī)法獲取的擬合系數(shù)(R2)均不低于0.999 9,表明擬合獲取的分形維數(shù)值均精確可用。分維數(shù)變化整體呈現(xiàn)增加的趨勢,由1976年的1.016 1增加到2016年的1.034 2,增加了1.78%,僅有2006—2011年分維數(shù)變化出現(xiàn)短暫的小幅逆轉(zhuǎn),由2006年的1.033 9減少到2011年的1.033 0；分維數(shù)增幅最大的時(shí)段出現(xiàn)在1981—1986年,增長了0.007 6,分維數(shù)變化規(guī)律與網(wǎng)格法所得結(jié)果基本一致,表明海岸線在人為影響下變得越來越復(fù)雜。

表6 量規(guī)法分形維數(shù)Table 6 The fractal dimension of the divider method

2.4.3 網(wǎng)格法和量規(guī)法分維數(shù)對比分析

無論是網(wǎng)格法還是量規(guī)法,分形維數(shù)的變化規(guī)律基本一致,即整體上呈現(xiàn)增大的趨勢,其中1981—1986年分維數(shù)增幅最大,2006—2011年分維數(shù)略有減小,這表明海岸線在這2個時(shí)段受人類活動影響比較劇烈。另外,本文只是計(jì)算了海岸線整體的分維,沒有再分岸段分別計(jì)算岸線分維數(shù),實(shí)際上每一段岸線內(nèi)部的不規(guī)則程度還存在差異,特別是芝罘灣西部的岸線差異更為明顯。如果再細(xì)分不同岸段進(jìn)行分維和長度計(jì)算,將更加符合客觀實(shí)際。

根據(jù)前人的研究成果,不同比例尺下,網(wǎng)格法測量的岸線分維數(shù)值普遍小于量規(guī)法,而量規(guī)法比網(wǎng)格法更能準(zhǔn)確地表征海岸線的不規(guī)則程度[46]。本文中就分形維數(shù)而言,2001—2011年網(wǎng)格法的計(jì)算結(jié)果大于量規(guī)法,其他時(shí)段均小于量規(guī)法(表7,圖6),這與前人的研究結(jié)果存在一些差異,可能是由于不同比例尺下岸線的曲折程度存在差異以及量規(guī)法自動計(jì)算程序的誤差共同導(dǎo)致的。

表7 量規(guī)法與基于GIS的岸線實(shí)際長度對比Table 7 Coastline lengths derived from the divider method and GIS

當(dāng)尺度r取值為3.0 m時(shí),量規(guī)法計(jì)算的岸線長度整體小于用ArcGIS統(tǒng)計(jì)得出的實(shí)際岸線長度(表7),可能受岸線矢量數(shù)據(jù)離散點(diǎn)的數(shù)目影響,也可能是由于Matlab中量規(guī)法的實(shí)現(xiàn)程序存在一定的誤差,程序中只計(jì)算了不同標(biāo)尺r所對應(yīng)的線段的整數(shù)部分,剩余的不足一個標(biāo)尺r的岸線沒有計(jì)入最終岸線長度的計(jì)算結(jié)果,但是作為一種量度方法,Matlab編程算法實(shí)現(xiàn)量規(guī)法的自動計(jì)算,基本滿足研究需求,且極大地提高了工作效率。

圖6 量規(guī)法和網(wǎng)格法分維數(shù)Fig.6 The fractal dimension by the divider and box-counting method

2.5 岸線變遷原因分析

近40 a來,芝罘灣岸線的時(shí)空變化是自然因素和人類活動共同作用的結(jié)果,但是從岸線主要類型變化以及海灣面積的變化特征可以看出,以圍填海為主的人類活動是導(dǎo)致岸線變遷的主要因素。

整體來講,1976—1986年、1991—2001年、2006—2011年芝罘灣岸線變化較為顯著。這主要是經(jīng)濟(jì)和社會因素共同作用的結(jié)果。自1978年改革開放以來,隨著近海水生生物養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展,海水養(yǎng)殖區(qū)的面積不斷擴(kuò)大,從而使得海灣面積大幅減少,人工岸線比例也隨之增大。1990年以后,海灣岸線開發(fā)進(jìn)程逐漸加快,芝罘連島沙壩東側(cè)港口及城鎮(zhèn)建設(shè)等,導(dǎo)致圍填海面積日益增加。至2004年,國家修訂了《中華人民共和國土地管理法》,開始實(shí)行國有土地有償使用制度,圍填海造地因成本低廉、經(jīng)濟(jì)收益大而成為沿海地區(qū)解決土地瓶頸的便捷方式?！笆晃濉庇?jì)劃以來,煙臺市貫徹海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的要求,著力發(fā)展港口及濱海旅游業(yè)等海洋產(chǎn)業(yè),使得圍填海規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大,至2009年出現(xiàn)圍填海面積的激增。因此,2010年國家海洋局開始對圍填海實(shí)行指標(biāo)化,此后圍填海的熱潮開始消退。

分岸段研究結(jié)果表明,芝罘灣西岸岸線變化最顯著,北岸變化次之,南岸變化最小。西岸岸線的變化主要是煙臺港等港口碼頭堤壩的建設(shè)活動造成的；北岸岸線的變化主要源于填海造陸以及圍海修建養(yǎng)殖堤壩；而南岸,由于煙臺山至東炮臺岸段存在較為穩(wěn)定的自然岸線,變化相對較小,引起變化的原因主要是建設(shè)海水浴場和其他旅游設(shè)施。

3 結(jié) 論

利用遙感和GIS技術(shù)提取了芝罘灣1976—2016年9個時(shí)相的海岸線信息,并從5個方面分析了芝罘灣岸線的時(shí)空動態(tài)特征,得到主要結(jié)論:

1)海岸線長度整體增加,而海灣面積卻整體減少。1976—2016年的40 a間芝罘灣海岸線在人為和自然因素的綜合作用下整體向海推進(jìn),海岸線長度整體增加了15.78 km。各時(shí)段、各岸段海岸線年均變化不均衡,波動較大,其中西岸變化最大,南岸變化最小。岸線結(jié)構(gòu)變化顯著,自然岸線比例持續(xù)減少,人工岸線逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。分形維數(shù)整體增大,表明岸線趨于復(fù)雜化。而海灣面積逐漸向海萎縮,自1976年到2016年海灣面積減少了7.93 km2,海灣面積的減少主要受近岸養(yǎng)殖以及港口建設(shè)等因素的影響。

2)1976—2016年芝罘灣海灣形狀指數(shù)增加了1.08,海灣形狀整體趨于復(fù)雜化,海灣重心總體上表現(xiàn)為不斷背離陸地而趨向海洋的特點(diǎn),與圍填海所導(dǎo)致的海灣面積的萎縮方向和岸線空間位置的整體移動方向一致。近40 a來海灣重心整體向海偏移了606.25 m,各時(shí)段海灣重心偏移速率波動較大。