象山港岸區海岸線時空變化分析

焦小梅 李苯帥

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

0 引言

海岸線是描述海陸分界的重要標志線,也是沿海城市地區變化發展的標志要素之一。

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、岸線類型轉變以及分形維數的等方面[2]。劉旭攏等人利用遙感和地理信息系統(geography information system,GIS)分析珠江河口區海岸線時空變化特征[3]。李鵬等人結合多元孔徑雷達和衛星遙感影像對膠州灣海岸線進行變化監測[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 研究區概況

象山港位于浙江省北部沿海地區,而本研究所對應的象山港岸區是北起甬江出口(121.75°E,29.97°N),南至王家蘭村(121.93°E,29.33°N)這一海岸線區域。整個海岸線北面緊鄰杭州灣,南鄰三門灣,東側為舟山群島。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

象山港岸區是浙江省寧波市象山縣的一個重要經濟區域,其海岸線的歷史變遷及時空變化分析對于理解該地區的經濟、社會和文化發展具有重要的意義[5]。根據海岸線獨特的地理形態和動態特征,可以獲取相關的地理環境信息。

可以說,海岸線既是描述海陸分界的重要邊界線,也是海洋強國、海洋強省的起始線[6]。隨著人類活動和沿海地區社會經濟的飛速發展,海岸資源利用范圍和規模也在迅速地擴大,這會對海岸帶生態環境和沿海地區的生存條件產生影響。深入研究象山港海岸線的時空變化特征有助于我們進行更為精準的生態綜合評價,對于地區的綜合開發利用規劃具有指導意義。

2 數據處理與研究方法

2.1 數據處理

本研究用到的數據為浙江省各地級區劃圖,1996、2001、2006、2011、2016和2021年衛星影像數據,數據處理流程見圖1。

圖1 遙感數據處理流程

2.2 研究方法

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

對象山港海岸線進行時空變化分析,引入岸線變遷強度、岸線分形維數和陸域面積變化程度三個指標,并根據岸線人工化指數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據信息(海岸線僅指大陸岸線而不包含島嶼),來分析其時空變化規律。

2.2.1海岸線變遷強度

海岸線的變遷,通常是計算某一段時間內對應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度,計算見式(1)。

(1)

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

2.2.2海岸線分形維數

海岸線分形維數反映海岸線彎曲和復雜程度,分形維數越大,表示海岸線越復雜。通常的計算方法有量規法、網格法、隨機噪聲法等,本文采用網格法計算海岸線的分形維數[10]。

基本思路是將正方形網格完全覆蓋在海岸線上,然后改變正方形網格的邊長,通過記錄網格邊長覆蓋的海岸線的網格數量進行計算。當網格邊長取r時,對應的網格數量取N(r),r發生改變,對應的N(r)也會發生變化。海岸線的分形維數通過式(2)計算。

N(r)∝r-D

(2)

對式(2)兩邊分別取對數,可以得到式(3)。

lnN(r)=-Dlnr+C

(3)

其中,C為待定常數;D為海岸線的分形維數,是線性函數(3)的斜率。通過不同的r值和N(r)值擬合分析,可以得到對應的分形維數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,取其整數倍對海岸線矢量數據柵格化。像元大小為格網長度r,在柵格要素屬性表中計算對應網格長度r的網格數量。利用不同時期對應的格網長度和格網數量繪制擬合函數并求出對應的斜率即分形維數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還是內縮[11]。為了計算這種變化程度,將相鄰時期的海岸線線要素轉面要素,然后進行目視解譯,計算面積的增減。

2.2.4岸線人工化指數

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變的過程,岸線人工化指數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行劃分[12],使用(4)進行計算。

(4)

其中,R值表示岸線人工化指數;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 結果分析

3.1 海岸線變遷強度分析

通過提取衛星影像數據中的海岸線,得到對應的海岸線矢量數據。如圖2所示,將1996年和2021年兩個時期的海岸線重疊放大[13]后可以發現,象山港岸線基本上表現為向海洋推進,不同區域推進的程度不盡相同,且不同時期海岸線長度也會發生改變,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年內增加0.670 km,岸線平均增長速度為0.134 km/a。

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

圖3 1996—2021年象山港岸海岸線變遷強度折線圖

3.2 海岸線分形維數分析

海岸線的分形維數是岸線空間形態的數學表達,可以用來描述海岸線彎曲與復雜程度[14]。使用網格法,表2列出不同標度下6個時期網格長度r與網格覆蓋數N(r)的關系,對該表中的網格長度r和網格覆蓋數N(r)構建散點圖及線性擬合函數,求得最佳分形維數。

表2 1996—2021年象山港岸r與N(r)關系表

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

(a)1996年

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

表3 1996—2021年象山港岸海岸線分形維數和相關系數

圖5 1996—2021年象山港海岸分形維數折線圖

3.3 陸域面積變化分析

海岸線的變化不僅體現在長度和彎曲程度上,也體現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大了44.564 km2,擴張的速度為1.783 km2/a。圖6可以看出2001—2006年為面積擴充最多的時間段,共擴充了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計表,可以發現面積變化與長度變化存在一定的聯系,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。

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 岸線人工化指數分析

人類活動對海岸線的影響主要表現在人工岸線與自然岸線之間的關系上[16],在進行遙感影像的岸線信息提取時,區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,對其進行整理并按照式(4)進行岸線人工化指數的計算得到海岸線人工化指數變化,如表5所示。

表5 1996—2021年人工化指數數據

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

4 結論

研究結果發現,象山港岸海岸線時空變化特征明顯。岸線總長度總體呈現縮短趨勢,且不斷趨于平滑;25年內,象山港陸域面積總共擴大44.564 km2;岸線人工化指數在25年內持續上升,由最初的0.206提升至0.802,并且隨著經濟發展,這一指數還會繼續上升。以上是當前象山港岸發展過程中存在的主要問題,這與象山港岸的開發政策密切相關。2006—2010年,象山港經濟發展水平提升,產業結構優化,初步成為生態經濟型港灣;且自2015年公示《寧波市象山港區域空間保護和利用規劃》以來,象山港岸出現了大量工業建筑、養殖場和港口等,導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:生態保護方面,加強海岸線保護區建設,同時進行生態修復。對已人工化海岸線,可恢復植被、修復海岸防護帶等,增強自然保護功能。推動綠色海岸防護,建立人工淺灘和珊瑚礁。經濟發展方面,推動沿海城市退潮區開發,減少對海岸線的人工化需求。規劃管理方面,制訂詳細開發方案,限制開發范圍并加強管理和監督。限制不必要的土地開發,避免過度占用陸域。建立健全的監測和評估機制,定期監測和評估人工化指數和陸域面積等,及時調整和優化管理。

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受主觀條件影響、數據采樣存在誤差、海岸線變化分析維度較為單一等問題,在以后的研究中,可以結合實地調查數據,進一步對采樣方法進行優化,使用不同的采樣尺度和密度進行敏感性分析,并引用更多指標,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動因素。