象山港岸區(qū)海岸線時空變化分析

焦小梅 李苯帥

(1.山東科技大學(xué) 測繪與空間信息學(xué)院,山東青島,郵編 266000;2.青島閱海信息服務(wù)有限公司,山東青島,郵編 266000)

0 引言

海岸線是描述海陸分界的重要標(biāo)志線,也是沿海城市地區(qū)變化發(fā)展的標(biāo)志要素之一。

目前,對于海岸線的研究主要在海岸線提取[1]、海陸面積的變化、海岸線長度的變遷、岸線類型轉(zhuǎn)變以及分形維數(shù)的等方面[2]。劉旭攏等人利用遙感和地理信息系統(tǒng)(geography information system,GIS)分析珠江河口區(qū)海岸線時空變化特征[3]。李鵬等人結(jié)合多元孔徑雷達(dá)和衛(wèi)星遙感影像對膠州灣海岸線進(jìn)行變化監(jiān)測[4],這些工作為本文研究提供了可參考的方法。

1 研究背景與意義

1.1 研究區(qū)概況

象山港位于浙江省北部沿海地區(qū),而本研究所對應(yīng)的象山港岸區(qū)是北起甬江出口(121.75°E,29.97°N),南至王家蘭村(121.93°E,29.33°N)這一海岸線區(qū)域。整個海岸線北面緊鄰杭州灣,南鄰三門灣,東側(cè)為舟山群島。通過青龍門、雙嶼門和牛鼻山水道與外海相連,海岸地貌主要由海蝕岸、海積岸和人工海岸組成。

1.2 研究背景與意義

象山港岸區(qū)是浙江省寧波市象山縣的一個重要經(jīng)濟(jì)區(qū)域,其海岸線的歷史變遷及時空變化分析對于理解該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、社會和文化發(fā)展具有重要的意義[5]。根據(jù)海岸線獨特的地理形態(tài)和動態(tài)特征,可以獲取相關(guān)的地理環(huán)境信息。

可以說,海岸線既是描述海陸分界的重要邊界線,也是海洋強(qiáng)國、海洋強(qiáng)省的起始線[6]。隨著人類活動和沿海地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,海岸資源利用范圍和規(guī)模也在迅速地擴(kuò)大,這會對海岸帶生態(tài)環(huán)境和沿海地區(qū)的生存條件產(chǎn)生影響。深入研究象山港海岸線的時空變化特征有助于我們進(jìn)行更為精準(zhǔn)的生態(tài)綜合評價,對于地區(qū)的綜合開發(fā)利用規(guī)劃具有指導(dǎo)意義。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

本研究用到的數(shù)據(jù)為浙江省各地級區(qū)劃圖,1996、2001、2006、2011、2016和2021年衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

圖1 遙感數(shù)據(jù)處理流程

2.2 研究方法

隨著遙感技術(shù)(remote sensing,RS)、GIS、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)的發(fā)展,運用多時相遙感影像和高精度現(xiàn)場定位測量相結(jié)合的方法,能夠更加快捷、精確地對海岸線進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和過程分析[7]。

對象山港海岸線進(jìn)行時空變化分析,引入岸線變遷強(qiáng)度、岸線分形維數(shù)和陸域面積變化程度三個指標(biāo),并根據(jù)岸線人工化指數(shù)來評價人類活動的影響[8]。利用象山港海岸線甬江到王家蘭村段海岸線數(shù)據(jù)信息(海岸線僅指大陸岸線而不包含島嶼),來分析其時空變化規(guī)律。

2.2.1海岸線變遷強(qiáng)度

海岸線的變遷,通常是計算某一段時間內(nèi)對應(yīng)海岸線長度年均變化百分比來表示[9],這里把它稱作海岸線變遷強(qiáng)度,計算見式(1)。

(1)

其中,Lij表示的是某一地區(qū)海岸線第i年至第j年長度變遷強(qiáng)度;i和j表示各自的年份;Li和Lj是對應(yīng)i年和j年的海岸線長度。海岸線變遷強(qiáng)度大于0,岸線增長,小于0,岸線縮短,其絕對值的數(shù)值越大,海岸線變遷強(qiáng)度越大,反之則越小。

2.2.2海岸線分形維數(shù)

海岸線分形維數(shù)反映海岸線彎曲和復(fù)雜程度,分形維數(shù)越大,表示海岸線越復(fù)雜。通常的計算方法有量規(guī)法、網(wǎng)格法、隨機(jī)噪聲法等,本文采用網(wǎng)格法計算海岸線的分形維數(shù)[10]。

基本思路是將正方形網(wǎng)格完全覆蓋在海岸線上,然后改變正方形網(wǎng)格的邊長,通過記錄網(wǎng)格邊長覆蓋的海岸線的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行計算。當(dāng)網(wǎng)格邊長取r時,對應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量取N(r),r發(fā)生改變,對應(yīng)的N(r)也會發(fā)生變化。海岸線的分形維數(shù)通過式(2)計算。

N(r)∝r-D

(2)

對式(2)兩邊分別取對數(shù),可以得到式(3)。

lnN(r)=-Dlnr+C

(3)

其中,C為待定常數(shù);D為海岸線的分形維數(shù),是線性函數(shù)(3)的斜率。通過不同的r值和N(r)值擬合分析,可以得到對應(yīng)的分形維數(shù)D。其值域為1

遙感影像空間分辨率為40 m,即最小測尺長度為40 m,取其整數(shù)倍對海岸線矢量數(shù)據(jù)柵格化。像元大小為格網(wǎng)長度r,在柵格要素屬性表中計算對應(yīng)網(wǎng)格長度r的網(wǎng)格數(shù)量。利用不同時期對應(yīng)的格網(wǎng)長度和格網(wǎng)數(shù)量繪制擬合函數(shù)并求出對應(yīng)的斜率即分形維數(shù)D。

2.2.3陸域面積變化程度

陸域面積變化程度是指不同時期的海岸線面積的變化程度,這種變化可以清晰地反映海岸線是整體外擴(kuò)還是內(nèi)縮[11]。為了計算這種變化程度,將相鄰時期的海岸線線要素轉(zhuǎn)面要素,然后進(jìn)行目視解譯,計算面積的增減。

2.2.4岸線人工化指數(shù)

岸線人工化是自然海岸在人類活動的影響下向人工海岸轉(zhuǎn)變的過程,岸線人工化指數(shù)代表人類活動對海岸線的影響程度。通過目視解譯對海岸線進(jìn)行劃分[12],使用(4)進(jìn)行計算。

(4)

其中,R值表示岸線人工化指數(shù);M表示人工岸線長度;L則表示海岸線總長度。R值越大,岸線人工化程度越高,反之,人工化程度越低。

3 結(jié)果分析

3.1 海岸線變遷強(qiáng)度分析

通過提取衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)中的海岸線,得到對應(yīng)的海岸線矢量數(shù)據(jù)。如圖2所示,將1996年和2021年兩個時期的海岸線重疊放大[13]后可以發(fā)現(xiàn),象山港岸線基本上表現(xiàn)為向海洋推進(jìn),不同區(qū)域推進(jìn)的程度不盡相同,且不同時期海岸線長度也會發(fā)生改變,如表1所示。

表1 1996—2021年象山港岸海岸線長度及長度變化統(tǒng)計

圖2 1996年和2021年兩個時期象山港海岸線重疊圖

象山港岸海岸線隨著時間的增加整體上呈現(xiàn)縮短的趨勢,25年間共縮短了約31.954 km,年均減少1.278 km,2021年象山港岸海岸線總長度為315.206 km。2016—2021年海岸線縮短程度最大,平均縮短速度為2.720 km/a,是人類岸線開發(fā)最為活躍的時期。1996—2001年是海岸線變化最小的時間段,岸線長度不減反增,5年內(nèi)增加0.670 km,岸線平均增長速度為0.134 km/a。

根據(jù)式(1)求解象山港海岸線變遷強(qiáng)度,可得1996—2021年,象山港岸整體海岸線變遷強(qiáng)度為-1.841%,其中1996—2001年海岸線變遷強(qiáng)度最小,僅為0.039%。2001—2006年海岸線變遷強(qiáng)度最大,為-0.567%。從圖3可以看出岸線變遷強(qiáng)度值基本均為負(fù)值。

圖3 1996—2021年象山港岸海岸線變遷強(qiáng)度折線圖

3.2 海岸線分形維數(shù)分析

海岸線的分形維數(shù)是岸線空間形態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá),可以用來描述海岸線彎曲與復(fù)雜程度[14]。使用網(wǎng)格法,表2列出不同標(biāo)度下6個時期網(wǎng)格長度r與網(wǎng)格覆蓋數(shù)N(r)的關(guān)系,對該表中的網(wǎng)格長度r和網(wǎng)格覆蓋數(shù)N(r)構(gòu)建散點圖及線性擬合函數(shù),求得最佳分形維數(shù)。

表2 1996—2021年象山港岸r與N(r)關(guān)系表

根據(jù)圖4的r與lnN(r)的散點圖及線性擬合結(jié)果可以看出擬合函數(shù)都趨近一條直線,即都可以看作線性表達(dá)。

(a)1996年

將6個年份的分形維數(shù)和相關(guān)系數(shù)整理成表3,發(fā)現(xiàn)海岸線分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)均在0.98以上,說明本研究中的分形性質(zhì)其實是客觀存在的,分形維數(shù)可以作為表征其特征的參數(shù)。從圖5可以看出,1996—2001年象山港岸的整體分形維數(shù)是增大的,這說明在這段時間岸線整體趨于復(fù)雜。在2001—2021年,岸線分形維數(shù)逐年減小,說明岸線趨于平滑。這與當(dāng)時象山港的開發(fā)情況息息相關(guān),1996—2001年為開發(fā)的起步階段,開發(fā)力度不高,海岸線受人類活動影響小,而受海洋、風(fēng)力等的侵蝕等使得海岸線的復(fù)雜度不降反升。

表3 1996—2021年象山港岸海岸線分形維數(shù)和相關(guān)系數(shù)

圖5 1996—2021年象山港海岸分形維數(shù)折線圖

3.3 陸域面積變化分析

海岸線的變化不僅體現(xiàn)在長度和彎曲程度上,也體現(xiàn)在岸線變遷過程中造成的海岸線陸域面積的變化中[15]。表4為1996—2021年每5年之間陸域面積變化表,總的來說,象山港岸陸域面積總共擴(kuò)大了44.564 km2,擴(kuò)張的速度為1.783 km2/a。圖6可以看出2001—2006年為面積擴(kuò)充最多的時間段,共擴(kuò)充了22.125 km2,平均速度為4.425 km2/a,而變化最小的時間段在1996—2001年,共擴(kuò)充了1.161 km2,平均速度僅為0.232 km2/a。事實上對比之前海岸線長度統(tǒng)計表,可以發(fā)現(xiàn)面積變化與長度變化存在一定的聯(lián)系,長度變化最小的時間段在1996—2001年,這與面積的變化情況相對應(yīng)。

表4 1996—2021年每5年陸域面積變化表

圖6 1996—2021年象山港陸域面積變化折線圖

3.4 岸線人工化指數(shù)分析

人類活動對海岸線的影響主要表現(xiàn)在人工岸線與自然岸線之間的關(guān)系上[16],在進(jìn)行遙感影像的岸線信息提取時,區(qū)分人工岸線和自然岸線,得到圖7的海岸線矢量信息(深色表示人工岸線,淺色表示自然岸線)。從圖7可以看出人工岸線隨著時間的推移在不斷地增加,對其進(jìn)行整理并按照式(4)進(jìn)行岸線人工化指數(shù)的計算得到海岸線人工化指數(shù)變化,如表5所示。

表5 1996—2021年人工化指數(shù)數(shù)據(jù)

由表5可以看出,1996—2021年整個象山港岸的岸線人工化指數(shù)不斷提升,并且這些時間段中2001—2006年為岸線人工化指數(shù)增加最快的時期。到2021年時,岸線人工化指數(shù)已經(jīng)達(dá)到0.802,占總岸線的80%以上。

4 結(jié)論

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),象山港岸海岸線時空變化特征明顯。岸線總長度總體呈現(xiàn)縮短趨勢,且不斷趨于平滑;25年內(nèi),象山港陸域面積總共擴(kuò)大44.564 km2;岸線人工化指數(shù)在25年內(nèi)持續(xù)上升,由最初的0.206提升至0.802,并且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,這一指數(shù)還會繼續(xù)上升。以上是當(dāng)前象山港岸發(fā)展過程中存在的主要問題,這與象山港岸的開發(fā)政策密切相關(guān)。2006—2010年,象山港經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提升,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,初步成為生態(tài)經(jīng)濟(jì)型港灣;且自2015年公示《寧波市象山港區(qū)域空間保護(hù)和利用規(guī)劃》以來,象山港岸出現(xiàn)了大量工業(yè)建筑、養(yǎng)殖場和港口等,導(dǎo)致岸線變得平整光滑,人工海岸比例提升。

針對象山港岸存在的問題可從以下幾方面改善:生態(tài)保護(hù)方面,加強(qiáng)海岸線保護(hù)區(qū)建設(shè),同時進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。對已人工化海岸線,可恢復(fù)植被、修復(fù)海岸防護(hù)帶等,增強(qiáng)自然保護(hù)功能。推動綠色海岸防護(hù),建立人工淺灘和珊瑚礁。經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面,推動沿海城市退潮區(qū)開發(fā),減少對海岸線的人工化需求。規(guī)劃管理方面,制訂詳細(xì)開發(fā)方案,限制開發(fā)范圍并加強(qiáng)管理和監(jiān)督。限制不必要的土地開發(fā),避免過度占用陸域。建立健全的監(jiān)測和評估機(jī)制,定期監(jiān)測和評估人工化指數(shù)和陸域面積等,及時調(diào)整和優(yōu)化管理。

目前文中所用的海岸線時空分析方法,還存在岸線人工化指數(shù)受主觀條件影響、數(shù)據(jù)采樣存在誤差、海岸線變化分析維度較為單一等問題,在以后的研究中,可以結(jié)合實地調(diào)查數(shù)據(jù),進(jìn)一步對采樣方法進(jìn)行優(yōu)化,使用不同的采樣尺度和密度進(jìn)行敏感性分析,并引用更多指標(biāo),如海岸線侵蝕速率、海平面上升速率等評估海岸線變化趨勢和驅(qū)動因素。