許　寧，高志強，寧吉才

(1.中國科學院 煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003； 2.中國科學院大學，北京 100049；

3.中國科學院 海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，山東 煙臺 264003)

?

基于分形維數(shù)的環(huán)渤海地區(qū)海岸線變遷及成因分析

許寧1,2,3，高志強*1,3，寧吉才1,3

(1.中國科學院 煙臺海岸帶研究所，山東 煙臺 264003； 2.中國科學院大學，北京 100049；

3.中國科學院 海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點實驗室，山東 煙臺 264003)

摘要:利用遙感和GIS技術(shù)提取了環(huán)渤海地區(qū)1980年、1990年、2000年和2010年4期海岸線信息，采用網(wǎng)格法計算每期海岸線的分形維數(shù)；分析了海岸線及其分形維數(shù)的時空變化特征、并探討了其與海岸開發(fā)活動之間的關(guān)系。研究表明：在1980—2010年間，研究區(qū)海岸線長度持續(xù)增加，變化強度逐漸增大，海岸線共增加了1 074.35 km；從時間過程看，2000年以后海岸線長度進入快速增長時期；從區(qū)域范圍看，以天津市和河北省所在的渤海灣地區(qū)海岸線的變遷最顯著。研究期間，環(huán)渤海地區(qū)海岸線整體向海推進，海岸線分形維數(shù)逐漸增大，岸線形狀趨于復(fù)雜。人為的海岸開發(fā)活動是海岸線變遷的主導(dǎo)因素，2000年之前海岸開發(fā)以圍墾養(yǎng)殖、鹽田為主；之后，港口碼頭建設(shè)和城鎮(zhèn)建設(shè)型的海岸工程逐漸增多。海岸線的分形維數(shù)與海岸帶的物質(zhì)組成與演變過程有直接關(guān)系，大量規(guī)模不等的海岸工程的建設(shè)是海岸線分形維數(shù)變化的主導(dǎo)因素。

關(guān)鍵詞:海岸線；分形維數(shù)；時空變化；GIS；遙感

0引言

海岸線處于海陸界面的交匯處，不僅為平均大潮高潮時的海陸分界線，還載負著豐富的環(huán)境信息，對海平面升降、新構(gòu)造運動、沿海灘涂、濕地生態(tài)系統(tǒng)及近岸海洋環(huán)境等有著重要的指示意義[1]。海岸帶是全球變化的敏感地區(qū)，研究海岸線變化及其成因?qū)τ诹私夂０稁鷳B(tài)環(huán)境變化具有重要意義[2]。

遙感具有宏觀、高時效、可重復(fù)觀測地表地物的優(yōu)點。利用遙感和GIS技術(shù)，能夠快速準確地提取海岸線信息，進行動態(tài)監(jiān)測，從而及時掌握海岸開發(fā)對海岸線的影響[3-5]。目前基于遙感圖像處理方法提取的海岸線大部分是衛(wèi)星過頂時的海陸分界線，即瞬時“水邊線”[6-9]，而非真正地理學意義上的海岸線[10]。圍繞環(huán)渤海地區(qū)海岸線變遷及相關(guān)科學問題，國內(nèi)許多學者作了大量研究[11-14]，這些研究多是針對較短時期或典型小區(qū)域進行，缺少大尺度、長時間過程的海岸線時空變遷規(guī)律分析[5]。

分形是指事物的形狀、形態(tài)與組織的分解、分割、分裂與分析，它在一定程度上代表了一個由局部到整體的對事物的認識過程，而分形維數(shù)則是用來描述分形不規(guī)則特征的參數(shù)[15]。海岸線是分形領(lǐng)域最傳統(tǒng)的研究課題，MANDELBROT[16]1967年在《Science》雜志上發(fā)表題為“How long is the coast of Britain”一文，獨特分析了海岸線本質(zhì)，闡述了海岸線長度不確定性的問題。具體到海岸線來說，就是海岸線的分形維數(shù)與海岸線的曲折程度呈互為正相關(guān)關(guān)系。許多科學家對海岸線分形科學進行了更加深入的研究，并構(gòu)建了兩種分形維數(shù)計算模型：量規(guī)法[17]和網(wǎng)格法[18]。

環(huán)渤海地區(qū)是繼珠江三角洲和長江三角洲后中國經(jīng)濟發(fā)展新的引擎，是改革開放以來經(jīng)濟發(fā)展的熱點地區(qū)之一。另外，許多較大河流如黃河、海河、遼河和灤河等均匯入渤海，河口的淤積與海浪侵蝕等自然條件的變化以及人類填海造陸、灘涂圍墾、修筑港口碼頭等不同規(guī)模的海岸工程的實施，必然導(dǎo)致海岸線變化較為頻繁，進而影響到海岸帶生態(tài)環(huán)境。本文將海岸線的分形維數(shù)作為海岸帶變化狀況的依據(jù)，探究環(huán)渤海地區(qū)海岸開發(fā)活動對海岸線及其分形維數(shù)的影響，對海岸資源科學規(guī)劃、合理利用，解決海岸生態(tài)環(huán)境問題具有重要的指導(dǎo)意義。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

本文研究的環(huán)渤海地區(qū)包括遼寧省、河北省、天津市和山東省，其海域廣闊，海岸線曲折而漫長，沿岸擁有大連港、營口港、秦皇島港、天津港、黃驊港、煙臺港和青島港等著名港口，是國民經(jīng)濟增長的重要支撐。本研究區(qū)海岸線范圍起自遼寧省鴨綠江河口，終至山東省與江蘇省交界處的繡針河口，經(jīng)度在117°30′E～124°20′E之間，緯度在35°05′N～41°00′N之間(圖1)。

1.2數(shù)據(jù)來源

本文選取的遙感數(shù)據(jù)有1980年Landsat MSS數(shù)據(jù)、1990年Landsat TM數(shù)據(jù)、2000年和2010年Landsat ETM+數(shù)據(jù)。所有衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)均從美國地質(zhì)調(diào)查局官網(wǎng)下載(http://glovis.usgs.gov/)。所有時期的遙感影像都進行了幾何精糾正，誤差不超過1 個像元。用到的輔助資料主要包括海圖、地形圖、行政區(qū)劃圖和統(tǒng)計年鑒等，并且進行了關(guān)于環(huán)渤海地區(qū)海岸線類型的外業(yè)調(diào)查，為海岸線遙感解譯提供了重要支持。

圖1　1980—2010年環(huán)渤海地區(qū)海岸線分布Fig.1　The coastline distribution in Bohai Rimfrom 1980 to 2010

2研究方法

2.1海岸線遙感信息提取方法

海岸線分為大陸海岸線與島嶼海岸線，本文所提取的是大陸海岸線。根據(jù)“908專項”的定義將海岸線限定為平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線。按照如下原則提取海岸線[19]：(1)沿海河口海陸分界線的劃分原則：保留大型河口的港灣特征；反映河口處沙嘴、沙洲和潟湖地貌；表現(xiàn)河口的喇叭狀形態(tài)，不對稱河渠視河口形態(tài)擇定，河口分界線一般定在河流縮窄或兩岬曲率最大處。(2)淤泥質(zhì)海岸潮灘上的陸地(高潮時不被淹沒)作為島嶼處理，該島嶼岸線不計算在內(nèi)。

依據(jù)各種類型海岸線在遙感影像上的色調(diào)、紋理以及空間形態(tài)與分布等特征，并參照研究區(qū)地形圖、海圖、野外調(diào)查數(shù)據(jù)等輔助資料，通過人工目視判讀確定海岸線的位置。不同類型海岸的海岸線遙感判讀標準參照前人的研究[5,10]。

考慮到1980年MSS遙感影像分辨率較低，為了提高精度、保證前后兩期海岸線位置沒有變化的部分保持嚴格一致，在ArcInfo軟件平臺上先對1990年的海岸線分布進行人機交互解譯，并以1990年海岸線作為本底數(shù)據(jù)，只對其它時期海岸線變化部分進行動態(tài)更新，從而有效地避免了MSS影像與TM、ETM+影像分辨率不一致而造成的岸線尺度效應(yīng)的影響，以及不同時相遙感影像進行海岸線提取時產(chǎn)生的“雙眼皮”現(xiàn)象。

2.2海岸線分形維數(shù)

本文采用網(wǎng)格法[18]計算海岸線的分形維數(shù)。網(wǎng)格法的基本思路是使用不同長度的正方形網(wǎng)格連續(xù)且不重疊地去覆蓋被測海岸線，當網(wǎng)格長度r取不同值時，覆蓋整條海岸線所需網(wǎng)格數(shù)目N(r)會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，根據(jù)分形理論：

N(r)∝r-D

(1)

對(1)式兩邊同時取對數(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N(r)值，通過擬合分析即可得到分形維數(shù)D。其值域是1

3結(jié)果分析

3.1海岸線長度時空變化特征

根據(jù)遙感監(jiān)測結(jié)果，2010年環(huán)渤海地區(qū)海岸線總長度為6 191.96 km。1980—2010年間，全區(qū)海岸線長度持續(xù)增加，總共增加了1 074.35 km，年均增加35.81 km。其中，遼寧省海岸線長度變化最大，增加了425.25 km，年均增加14.18 km；其次是山東省，增加了293.15 km，年均增加9.77 km；再次是河北省，增加了217.12 km，年均增加7.24 km；最后是天津市，增加了138.82 km，年均增加4.63 km。研究期間，各省(市)海岸線長度始終保持山東省>遼寧省>河北省>天津市的格局(表1)。

為了客觀地比較各時段海岸線長度變化速度的時空差異，采用某一時間段內(nèi)海岸線長度的年均變化百分比來表示海岸線的變化強度(表1)：

(3)

式中：LCIij為第i年至第j年海岸線長度變化強度，Li和Lj分別為第i年和第j年海岸線長度。

表1　1980—2010年環(huán)渤海地區(qū)海岸線變化統(tǒng)計

由表1可知，1980—2010年研究區(qū)整體海岸線的變化強度為0.70%。1980—1990年全區(qū)海岸線變化強度最小，為0.10%；隨著時間的推移，全區(qū)整體海岸線的變化強度逐漸增大，呈現(xiàn)加速增長的趨勢。除了山東省在1980—1990年間，海岸線長度略微減少外，研究期間，各省(市)海岸線長度都呈現(xiàn)增長趨勢。特別是2000年以后，研究區(qū)各省(市)海岸線的變化強度都高于之前，進入快速增長期。河北省海岸線變化強度的趨勢與全區(qū)一致，呈現(xiàn)加速增長的趨勢；遼寧省和天津市在1990—2000年變化強度有所放緩。從區(qū)域范圍上看，1980—2010年間，天津市海岸線變化最劇烈，變化強度為3.54%；其次是河北省，變化強度為1.89%；再次為遼寧省，變化強度為0.74%；山東省變化強度最小，為0.36%。

研究期間，在人為海岸開發(fā)作用下，一些“凸”字型圍墾養(yǎng)殖、鹽田以及港口碼頭的建設(shè)是導(dǎo)致全區(qū)海岸線長度增長的主要原因。有些近岸的島嶼被開發(fā)，徹底與大陸連接成片，形成新的海岸線，也增加了海岸線的長度。另外，入海河流泥沙沉積、沙壩增長等因素也使海岸線總長度增加。

天津市在1980—1990年和2000—2010年間海岸線變化強度在全區(qū)最高，2000—2010年高達7.03%。其中1980—1990年，海岸開發(fā)緊貼岸線，層層向海推進，以灘涂圍墾養(yǎng)殖和鹽田為主，開發(fā)規(guī)模相對較小。2000—2010年，濱海新區(qū)的建設(shè)，特別是天津港與臨港工業(yè)區(qū)的建設(shè)，是天津市海岸線長度急劇增加的主導(dǎo)因素。1990—2000年，天津市海岸線變化強度有所回落，但在全區(qū)也僅次于河北省。

河北省海岸線的變化強度呈加速增長的趨勢，1980—2000年期間，海岸開發(fā)以圍墾養(yǎng)殖、鹽田為主，主要的海岸工程有灤河口灘涂圍墾養(yǎng)殖、渤海灣北岸圍墾鹽田和養(yǎng)殖。2000年以后，曹妃甸工業(yè)園區(qū)的新建以及黃驊港的擴建，是海岸線長度大幅增長的主導(dǎo)因素。

遼寧省在2000年之前，海岸線長度的變化強度較小。這一時期，大連西部沿海圍墾鹽田、遼河口附近灘涂圍墾養(yǎng)殖，是導(dǎo)致該省海岸線長度增加的主要原因。2000年之后，遼寧省沿海地區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)園區(qū)和港口的建設(shè)，極大促進了海岸線長度的增加。由于遼寧省多天然港灣，海岸開發(fā)存在截彎取直的開發(fā)狀況，減弱了遼寧省海岸線長度的增加。

1980—1990年，山東省海岸線長度略微減少，主要是由在黃河口西側(cè)岸段，曲折的淤泥質(zhì)海岸被圍墾鹽田、養(yǎng)殖，以及為了石油開采修筑防潮堤所致。1990年以后，海岸線長度呈現(xiàn)加速增長的趨勢，但與其它三省(市)相比，海岸開發(fā)利用程度最低。渤海灣南部的濱州市、東營市沿岸、黃河三角洲、萊州灣南岸、膠州灣沿岸是山東省海岸線變化相對集中的區(qū)域。

天津市和河北省所在的渤海灣地區(qū)是研究區(qū)海岸線變化最劇烈的區(qū)域。如果將天津市與河北省(合稱津冀地區(qū)) 海岸線合并在一起統(tǒng)計，那么1980—2010年，研究區(qū)海岸線變化強度始終保持津冀地區(qū)>遼寧省>山東省的態(tài)勢。

3.2海岸線分形維數(shù)時空變化特征

為保證海岸線的連續(xù)完整性，在計算環(huán)渤海地區(qū)海岸線分形維數(shù)時，將天津市和河北省海岸線合并在一起計算，見圖2。通過網(wǎng)格法計算的研究區(qū)的分形維數(shù)值與之前的研究數(shù)值相近[20-21]。全區(qū)各期海岸線分形維數(shù)并不等于各分段區(qū)域海岸線分形維數(shù)的算術(shù)平均值，而是與局部海岸線分形維數(shù)的最大值接近，這與海岸線分形維數(shù)以往的研究結(jié)論相符合[5,20]。

1980—2010年期間，在環(huán)渤海地區(qū)各省(市)中，山東省海岸線的分形維數(shù)最大；遼寧省海岸線的分形維數(shù)除了在2000年略低于津冀地區(qū)，其它時期都高于津冀地區(qū)。至2010年，環(huán)渤海地區(qū)海岸線形狀曲折程度排序依次為山東省>遼寧省>津冀地區(qū)。

1980—2010年，全區(qū)整體海岸線的分形維數(shù)持續(xù)增大，說明海岸線的形狀趨于復(fù)雜。遼寧省和山東省海岸線分形維數(shù)的變化趨勢與全區(qū)一致；津冀地區(qū)海岸線分形維數(shù)在2000年之前增大，之后略微減小?？傮w而言，津冀地區(qū)海岸線的分形維數(shù)變化最劇烈。

圖2　1980—2010年環(huán)渤海地區(qū)海岸線分形維數(shù)變化Fig.2　The fractal dimensions changes of coastlinein Bohai Rim from 1980 to 2010

海岸物質(zhì)的組成是決定海岸線曲折程度的本質(zhì)因素。環(huán)渤海地區(qū)基巖海岸主要分布在遼東半島的南部和山東半島，基巖在海洋的強烈作用下，形成的岸線大多較為曲折。河北省和天津市所在的渤海灣地區(qū)為平原，以淤泥質(zhì)海岸為主，其次是砂質(zhì)海岸，岸坡較為平緩，其在海洋作用下，總體變化相對較為均一，岸線比較平直，分形維數(shù)相對較小。

海岸開發(fā)活動是海岸線形態(tài)變化的主要因素。改革開放以來，環(huán)渤海地區(qū)社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人地矛盾日益突出。沿海地區(qū)進行了大范圍的圍填?；顒?，圍墾養(yǎng)殖、鹽田，建設(shè)港口碼頭和臨港工業(yè)園區(qū)等等。隨著時間推移，圍填海開發(fā)活動呈現(xiàn)面積逐漸增大，范圍逐漸擴廣的發(fā)展態(tài)勢。而這些海岸開發(fā)活動主要是在易于開發(fā)的平原淤泥質(zhì)海岸進行。環(huán)渤海地區(qū)淤泥質(zhì)海岸在遼東灣北部、渤海灣至萊州灣南部、遼寧省東部沿海岸段廣泛分布。除在大型河口附近海岸線形態(tài)較為曲折外，其它地方海岸線都比較平滑。平直的海岸線處進行灘涂圍墾養(yǎng)殖，雖開發(fā)面積相對較小，但改變了原有岸線的自然形態(tài)，一定程度上增加了海岸線曲折程度。另外，陸連島形成新的海岸線的同時，也會增加海岸線的曲折程度。

為探究2000—2010年，津冀地區(qū)海岸線分形維數(shù)減小的原因，本文設(shè)計實驗，計算在保持其他岸段的海岸線狀態(tài)不變的前提下，僅由某一岸段海岸線動態(tài)變化引起的整體海岸線長度變化與分形維數(shù)變化。根據(jù)前文的分析，選擇2000—2010年津冀地區(qū)海岸線動態(tài)變化規(guī)模較大的天津港及臨港工業(yè)區(qū)、曹妃甸工業(yè)區(qū)和黃驊港開展研究(圖3)。

2000—2010年，天津港與臨港工業(yè)區(qū)的建設(shè)，圍填海148.50 km2，導(dǎo)致海岸線長度增加了86.41 km，反而使津冀地區(qū)海岸線分形維數(shù)降低了0.002 8；曹妃甸工業(yè)園區(qū)的新建，圍填海228.16 km2，使海岸線長度增加了112.11 km，使津冀地區(qū)分形維數(shù)降低了0.002 8；黃驊港的建設(shè)圍填海32.93 km2，使海岸線長度增加了4.39 km，使津冀地區(qū)2010年的分形維數(shù)降低了0.002 1。

港口需要建設(shè)泊位，臨港產(chǎn)業(yè)集群需要規(guī)則的近似方形的土地，往往一部分向海洋延伸較大的距離，從而增加海岸線長度。另外，大型的海岸工程，形狀較為規(guī)則，總體上有一定的曲折程度，但在小范圍長度上仍是規(guī)則的直線形狀。綜上所述，大量不等規(guī)模的人為海岸開發(fā)活動是海岸線分形維數(shù)變化的主導(dǎo)因素。其中，特大型的曹妃甸臨港工業(yè)區(qū)、天津港與臨港工業(yè)區(qū)和黃驊港等海岸工程的建設(shè)，是導(dǎo)致津冀地區(qū)2000—2010年海岸線分形維數(shù)降低的主要原因。而除此之外，其它海岸開發(fā)類型，總體上提高了分形維數(shù)。

圖3　環(huán)渤海地區(qū)海岸工程引起海岸線變化舉例Fig.3　Examples of coastal engineering leading to coastline changes in Bohai Rim

3.3海岸線變遷原因分析

將研究區(qū)前后兩期海岸線進行疊加，獲得各時段的海岸線變遷范圍，結(jié)合遙感影像對各時段引起海岸線動態(tài)變化的各種人類開發(fā)活動和自然變化進行了目視判別。根據(jù)遙感解譯結(jié)果，1980—2010年引起海岸線變遷的主要人類活動有圍墾養(yǎng)殖、圍墾鹽田、圍墾農(nóng)田、港口建設(shè)、城鎮(zhèn)建設(shè)和交通等；引起海岸線變遷的自然活動主要為淤積和侵蝕。

由圖4可見，1980—2010年間，環(huán)渤海地區(qū)大陸面積增加原因以人為開發(fā)為主、河口淤積為輔，其凈增加面積為2 583.2 km2，其中3個時期分別凈增加759.1、501.7和1 322.4 km2；因海岸侵蝕后退，損失土地554.9 km2，侵蝕岸段主要分布于黃河口兩側(cè)。人為開發(fā)海岸用于養(yǎng)殖的面積最多，達1 100.7 km2；其次是港口碼頭，為630.5 km2，再次為鹽田，達630.2 km2。

圖4　1980—2010年導(dǎo)致環(huán)渤海地區(qū)海岸線變化的主要原因Fig.4　Various activities leading to coastline changesin Bohai Rim from 1980 to 2010

從時間過程來看，影響海岸線變遷的人為因素有顯著差異，1980—1990年，人類開發(fā)活動以圍墾養(yǎng)殖為主，其次是圍墾鹽田；1990—2000年海岸開發(fā)活動相對較平緩，以圍墾鹽田為主，圍墾養(yǎng)殖為輔。2000—2010年導(dǎo)致海岸線變化的因素呈現(xiàn)多元化，港口碼頭和建設(shè)用地所占比例顯著升高。各類海岸工程的新建與擴建主要使海岸線向海擴展；而使海岸線向陸退縮的開發(fā)活動極少。與人類活動相比，自然變化如河口淤積與侵蝕對研究區(qū)海岸線影響相對較小。

4結(jié)論

本文利用遙感和GIS技術(shù)研究了環(huán)渤海地區(qū)1980—2010年海岸線及其分形維數(shù)時空變化特征，并分析了其與海岸開發(fā)活動的關(guān)系。主要結(jié)論如下：

(1)1980—2010年間，受人為開發(fā)和自然因素的綜合影響，環(huán)渤海地區(qū)的海岸線總長度呈加速增長的趨勢，總共增加了1 074.35 km。1980—2010年研究區(qū)海岸線的變化強度為0.70%。從時間過程看，2000年之后海岸線長度進入快速增長時期；從區(qū)域范圍看，以天津市和河北省所在的渤海灣地區(qū)海岸線變化最劇烈。

(2)1980—2010年全區(qū)海岸線的分形維數(shù)持續(xù)增大，海岸線的形狀趨于復(fù)雜。海岸線的分形維數(shù)與海岸帶的物質(zhì)組成與演變過程有直接關(guān)系，海岸線分形維數(shù)的變化，是由大量不等規(guī)模的人為開發(fā)與自然環(huán)境變化決定的。

(3)環(huán)渤海地區(qū)海岸線整體向海推進，2000年之前海岸開發(fā)以圍墾養(yǎng)殖、鹽田為主，之后港口碼頭建設(shè)和城鎮(zhèn)建設(shè)型的海岸工程逐漸增多，且開發(fā)規(guī)模較大。與人類活動影響相比，自然變化如河口淤積與海岸侵蝕對海岸線影響較小。

隨著環(huán)渤海地區(qū)海岸開發(fā)力度的不斷加大，海岸線的形態(tài)處于不斷變化中。海岸線分形維數(shù)的變化，是由大量不等規(guī)模的人為開發(fā)與自然環(huán)境變化決定的。下一步應(yīng)結(jié)合海岸物質(zhì)組成及岸線類型，定量分析人為海岸開發(fā)活動對海岸線分形維數(shù)變化的影響。另外，海岸線形狀變化所造成的影響也還有待進一步的探討與研究。

參考文獻(References)：

[1] GAO Yi, WANG Hui, SU Fen-zhen, et al. Spatial and temporal of continental coastline of China in recent three decades[J]. Acta Oceanologica Sinica,2013,35(6):31-42.

高義,王輝,蘇奮振,等.我國大陸海岸線近30 a的時空變化分析[J].海洋學報,2013,35(6):31-42.

[2] YU Yong-hai, MIAO Feng-min, WANG Yu-guang, et al. Study on application of 3S techniques in coastline surveying and managing [J]. Geography and Geo-Information Science,2003,19(6):24-27.

于永海,苗豐民,王玉廣,等.基于3S技術(shù)的海岸線測量與管理應(yīng)用研究[J].地理與地理信息科學,2003,19(6):24-27.

[3] CHU Zhong-xin, YANG Xu-hui, FENG Xiu-li, et al. Temporal and spatial changes in coastline movement of the Yangtze delta during 1974-2010[J]. Journal of Asian Earth Sciences,2013,66(8):166-174.

[4] SUN Wei-fu, MA Yi, ZHANG Jie, et al. Study of remote sensing interpretation keys and extraction technique of different types of shoreline[J]. Bulletin of Surveying and Mapping,2011(3):41-44.

孫偉富,馬毅,張杰，等.不同類型海岸線遙感解譯標志建立和提取方法研究[J].測繪通報,2011(3):41-44.

[5] XU Jin-yong, ZHANG Zeng-xiang, ZHAO Xiao-li, et al. Spatial and temporal variations of coastlines in northern China (2000-2012)[J]. Journal of Geographical Sciences,2014,24(1):18-32.

[6] RYU J H, WON J S, KYUNG K D, et al. Waterline extraction from Landsat TM data in a tidal flat a case study in Gomso bay, Korea[J]. Remote Sensing of Environment,2002,83(3):442-456.

[7] LIU H, JWZEK K C. Automated extraction of coastline from satellite imagery by integrating Canny edge detection and locally adaptive thresholding methods [J]. International Journal of Remote Sensing,2004,25(5):937-958.

[8] ZHU Chang-ming, ZHANG Xin, LUO Jian-cheng, et al. Automatic extraction of coastline by remote sensing technology based on SVM and auto-selection of training samples [J]. Remote Sensing for Land and Resources,2013,25(2):69-74.

朱長明,張新,駱劍承,等.基于樣本自動選擇與SVM結(jié)合的海岸線遙感自動提取[J].國土資源遙感,2013,25(2):69-74.

[9] GAO Zhi-qiang, LIU Xiang-yang, NING Ji-cai, et al. Analysis on changes in coastline and reclamation area and its causes based on 30-year satellite data in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2014,30(12):140-147.

高志強,劉向陽,寧吉才,等.基于遙感的近30a中國海岸線和圍填海面積變化及成因分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(12):140-147.

[10] MA Xiao-feng, ZHAO Dong-zhi, XING Xiao-gang, et al. Means of withdrawing coastline by remote sensing[J]. Marine Environmental Science,2007,26(2):185-189.

馬小峰,趙冬至,邢小罡，等.海岸線衛(wèi)星遙感提取方法研究[J].海洋環(huán)境科學,2007,26(2):185-189.

[11] ZHU Gao-ru, XU Xue-gong. Annual processes of land reclamation from the sea along the northwest coast of Bohai Bay during 1974 to 2010[J]. Scientia Geographica Sinica,2010,32(8):1 006-1 012.

朱高儒,許學工.渤海灣西北岸1974～2010年逐年填海造陸進程分析[J].地理科學,2010,32(8):1 006-1 012.

[12] SUN Xiao-yu, Lü Ting-ting, GAO Yi, et al. Driving force analysis of Bohai Bay coastline change from 2000 to 2010[J]. Resources Science,2014,36(2):413-419.

孫曉宇,呂婷婷,高義,等.2000-2010年渤海灣岸線變遷及驅(qū)動力分析[J].資源科學,2014,36(2):413-419.

[13] LI Xiu-mei, YUAN Cheng-zhi, LI Yue-yang. Remote sensing monitoring and spatial-temporal variation of Bohai Bay coastal zone[J]. Remote Sensing for Land and Resources,2013,25(2):156-163.

李秀梅,袁承志,李月洋.渤海灣海岸帶遙感監(jiān)測及時空變化[J].國土資源遙感,2013,25(2):156-163.

[14] ZHANG Xia, ZHUANG Zhi, ZHANG Xu-kai, et al. Coastline extraction and change monitoring by remote sensing technology in Qinhuangdao City[J]. Remote Sensing Technology and Application,2014,29(4)：625-630.

張霞,莊智,張旭凱,等.秦皇島市海岸線遙感提取及變化監(jiān)測[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2014,29(4):625-630.

[15] ZHU Xiao-hua. Fractal and fractal dimensions of spatial Geo-Information[M]. Beijing: Surveying and Mapping Press,2007.

朱曉華.地理空間信息的分形與分維[M].北京:測繪出版社,2007.

[16] MANDELBROT B B. How long is the coast of Britain? Statistical self-similarity and fractional dimension[J]. Science,1967,156(3775):636.

[17] MANDELBROT B B. The fractal geometry of nature[M]. San Francisco:W. H. Freeman and Company,1982:269.

[18] LIEBOVITCH L, TOTH T. A fast algorithm to determine fractal dimensions by box counting [J]. Physics Letters A, 1989,141(8/9):386-390.

[19] ZHU Xiao-hua, WANG Jiao, CHEN Xia. Study on the spatial fractal characteristic of coastline: A case study of Jiangsu Province, China[J]. Scientia Geographica Sinica,2001,21(1):70-75.

朱曉華,王建,陳霞.海岸線空間分形性質(zhì)探討:以江蘇省為例[J].地理科學,2001,21(1):70-75.

[20] ZHU Xiao-hua, CAI Yun-long. Study on fractal dimension of Chinese coastline and its character[J]. Advances in Marine Science,2004,22(2):156-162.

朱曉華,蔡運龍.中國海岸線分維及其性質(zhì)研究[J].海洋科學進展,2004,22(2):156-162.

[21] LIU Xiao-xian, ZHAO Qing. Analysis on the complication-degree for coast line of the Chinese provinces along the sea based on the fractal theory[J]. Journal of Image and Graphics,2004,9(10):1 249-1 257.

劉孝賢,趙青.基于分形的中國沿海省區(qū)海岸線復(fù)雜程度分析[J].中國圖象圖形學報,2004,9(10):1 249-1 257.

Spatial-temporal variations of coastlines in Bohai Rim based on fractal dimension and their causes analysis

XU Ning1, 2,3, GAO Zhi-qiang*1, 3, NING Ji-cai1, 3

(1.YantaiInstituteofCoastalZoneResearch,ChineseAcademyofSciences,Yantai264003,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.KeyLaboratoryofCoastalEnvironmentalProcessesandEcologicalRemediation，ChineseAcademyofSciences,Yantai264003,China)

Abstract:The coastline information of Bohai Rim in the year of 1980, 1990, 2000 and 2010 was extracted using remote sensing images of Landsat MSS, TM and ETM+ and GIS techniques, and the fractal dimension of the coastline was calculated by box-counting method. The characteristics of spatial-temporal variations of the coastline’s length and the driving forces of coastline changes were assessed, and the relationship between the coastal development activities on various scales and fractal dimension changes were also discussed. The results showed that during the research period, the coastline length of the study area increased by 1 074.35 km and the rising intensity increased progressively. The coastline length entered a period of rapid growth after 2000. The most significant change of coastline length was found in Bohai Bay. During the study period, the coastline mainly expanded to the sea. Human development activities were the leading factor for coast change. Before 2000, coastal development was predominantly constituted by reclamation of aquaculture and salt fields; while after 2000, factors causing coastal change tended to become diversified and rates of harbor construction and construction lands increased. The fractal dimension of the overall coastline was increased steadily, indicating that the geometry of the coastline of the study area became more complex. The magnitude and variations of fractal dimension were directly related to material composition and evolution process in the coastal zone. A large numbers of coastal engineering construction of various scales were the leading factor in fractal dimension variation.

Key words:coastline; fractal dimension; spatial-temporal variations; GIS; remote sensing

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.01.006

中圖分類號:P737.1

文獻標識碼:A

文章編號:1001-909X(2016)01-0045-07

作者簡介:許寧(1987-)，男，博士，山東單縣人，主要研究海岸帶遙感與GIS應(yīng)用。E-mail：nxu@yic.ac.cn*通訊作者:高志強(1966-)，男，研究員，主要從事遙感和模型模擬研究。E-mail：zqgao@yic.ac.cn

基金項目:科技部基礎(chǔ)支撐項目資助(2014FY210600)；中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A類)項目資助(XDA11020000)；中國科學院重點部署項目資助(KZZD-EW-14)；中國科學院海岸帶研究所人才引進項目和煙臺市科技發(fā)展計劃項目資助(2014ZH085)

收稿日期:2015-04-23修回日期:2015-11-16

許寧，高志強，寧吉才. 基于分形維數(shù)的環(huán)渤海地區(qū)海岸線變遷及成因分析[J]. 海洋學研究,2016,34(1):45-51, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.01.006.

XU Ning, GAO Zhi-qiang, NING Ji-cai. Spatial-temporal variations of coastlines in Bohai Rim based on fractal dimension and their causes analysis[J]. Journal of Marine Sciences, 2016,34(1):45-51, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.01.006.