浙江象山灣海岸線分形與人類干擾強度分析*

盤玉玲， 梁勤歐

(浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

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浙江象山灣海岸線分形與人類干擾強度分析*

盤玉玲， 梁勤歐

(浙江師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

為研究象山灣海岸線形態(tài)的時空變化,總結(jié)不同人類干擾強度下海岸線的分維值范圍，采用遙感影像圖結(jié)合ArcGIS分別對1995年、2002年、2014年的海岸線進行了數(shù)字化，并根據(jù)一定原則對不同干擾強度下的岸線進行了分段，運用網(wǎng)格法進行分形維數(shù)的計算.最后，對海岸線分形與人類干擾強度關(guān)系進行了探討.結(jié)果表明：1)1995—2014年，象山灣海岸線的分維值穩(wěn)定在1.04左右，但呈現(xiàn)下降趨勢;2)全人工岸線分維值為0.97～1.04,半人工岸線分維值為0.99～1.02,全自然岸線分維值為1.03～1.09.說明受人類干擾強度越小，海岸線分維值一般越大.

象山灣；海岸線；分形；人類干擾強度

0 前 言

海岸線位于水陸交界處，受到來自陸地、海洋、大氣、人類活動等多種因素的共同影響.海岸線的形態(tài)特征反映著自然尤其是人類活動對海岸帶的作用[1].1967年，Mandelbrot[2]指出英國海岸線長度為不確定值，并計算出英國等海岸線的分維值,這標(biāo)志著分形與分維概念的誕生.分形維數(shù)(fractal dimension)是分形理論中最核心的概念與內(nèi)容，是Mandelbrot為表面曲線的復(fù)雜性和處處不可微性而提出的，是刻劃分形體復(fù)雜結(jié)構(gòu)的主要工具[3].

海岸線具有分形特征.Paar等[4]、馮金良等[5]、Jiang等[6]、Tanner等[7]、Horne等[8]國內(nèi)外學(xué)者對不同地區(qū)海岸線的分維值進行了計算，并從不同角度分析了分形維數(shù)在海岸線研究中的意義.近年來，我國學(xué)者葉曉敏等[9]、李猷等[10]、孫欽幫等[11]、張云等[12]，分別從不同尺度對膠州灣、深圳市、長興島及全國海岸線的時空變化進行了研究，總結(jié)其時空演變規(guī)律.另外，朱曉華等[13-18]在海岸線的分維方向上做了大量的系統(tǒng)的研究，對以往研究少有涉及的海岸線空間分形性質(zhì)進行了初步探討，理論上將量規(guī)法和網(wǎng)格法進行了對比，并指出量規(guī)法所得分維數(shù)大于網(wǎng)格法.還系統(tǒng)地探討了不同比例尺下海岸線長度的分形標(biāo)定、不同潮灘分界線是否具有分形性質(zhì)等.歸納了海岸線分維值的影響因素：地質(zhì)構(gòu)造、巖性、海岸動力等.宏觀尺度上，對中國海岸線分維特征進行了分析，同時也對中美澳3國海岸線進行了對比，還分析了江蘇省海岸線分維時序的動態(tài)變化，探討了基巖質(zhì)海岸及淤泥質(zhì)海岸的分形機制.近期,馬小峰等[19]運用分形維數(shù)理論抽樣分析了我國主要的3類海岸線，總結(jié)其中的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了可量化的海岸線分類方式.

以往的研究多側(cè)重通過對分維值的計算來分析岸線的曲折程度、輔助計算海岸線長度及岸線的時空變化等.對已有文獻進行歸納發(fā)現(xiàn)，各地的海岸線分維值各不相同，除了自然原因的差異外，人類活動的強度、規(guī)模、持續(xù)時間長短等對其也有明顯的影響.因此，本文擬從人工岸線和自然岸線的分維值差異出發(fā)，比較歸納出海岸線分維值與人類活動干擾強度的相關(guān)關(guān)系.

圖1 研究區(qū)概況圖

1 研究區(qū)概況

象山灣位于浙江省北部沿海，三面環(huán)低山丘陵，是由穿山半島與象山半島的海岸構(gòu)成的東北至西南走向的狹長半封閉式港灣.灣口南岸的礁山角(毛草山)至北岸的黃牛礁，為象山港的出入口，南北長約7.8 km；自灣口至下陳村(屬奉化)西海岸，東西寬約48.15 km[20].象山灣海岸線曲折，分為大陸岸線及島嶼岸線，以基巖海岸和淤泥質(zhì)海岸為主.近年來,隨著港內(nèi)火力發(fā)電廠、物流園區(qū)、工業(yè)區(qū)塊、長三角高端休閑度假港灣及水產(chǎn)養(yǎng)殖基地等的建設(shè)，象山灣的海岸線發(fā)生了劇烈的變化.圖1為象山灣地理位置示意.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

為提取象山灣的海岸線，本次研究采用的遙感數(shù)據(jù)為1995年、2002年及2014年3期共6景Landsat影像(見表1).其重復(fù)周期均為16 d.影像具有空間分辨率高、波譜分辨率較高、定位精度高的特點，包含極為豐富的信息量.Landsat 影像為資源、水體、森林、環(huán)境監(jiān)測和城市規(guī)劃提供可靠數(shù)據(jù)，第2波段(藍光：450～515 nm)、第3波段(綠光:525～600 nm)、第4波段(紅光：630～680 nm)、第5波段(近紅外光: 845～885 nm)對海岸具有較高的辨識度[21].

運用ENVI 5.0軟件對遙感影像進行融合.為增強圖像信息，1995年的數(shù)據(jù)選取5，4，3波段進行假彩色合成；2002年的影像選取4,3,2波段進行合成；2014年的影像選擇5，4，3波段進行假彩色合成，并對影像進行5%的拉伸.對3期的6景影像分別進行拼接.最后對遙感影像進行幾何精校正.

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

2.2 海岸線的提取

海岸線是海岸帶重要的地貌類型之一，目前學(xué)界對于“海岸線”尚未形成統(tǒng)一的定義.本文選取文獻[22]中對“海岸線”的定義：“海岸線是指平均大潮高潮時水陸分界的痕跡線”.象山灣的海岸類型以人工海岸、基巖海岸為主，包含少部分淤泥質(zhì)海岸、砂礫質(zhì)海岸.圖2為象山灣典型海岸影像圖.海岸線有大陸海岸線和島嶼海岸線之分，本文僅研究大陸海岸線的分維值及人類干擾程度.由于海岸線的解譯涉及陸域及海域兩部分，提取過程較為復(fù)雜，在研究過程中首先根據(jù)海水與陸地顏色差異提取水邊線，進行海陸分離，而后對不同性質(zhì)的海岸線進行目視解譯.在人工解譯和提取海岸線時嚴格遵循如下原則：

(a)人工海岸 (b)基巖質(zhì)海岸

(c)淤泥質(zhì)海岸 (d)河流入海河口

圖2 象山灣典型海岸影像圖

1)人工海岸包括填海造地工程、海產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施、大量海底防波堤及碼頭等，本文為減小對分維值的干擾而對碼頭及橋不進行提取.人工岸線一般由石塊或水泥等材質(zhì)筑成，具有較高的光譜反射率，與海水及灘涂等的區(qū)分度較大.岸線提取時通過光譜差異辨別人工建筑部分.

2)基巖質(zhì)海岸通常陡峭入海，與海水交接的邊界十分明顯.因此,提取基巖海岸的岸線時，選取直立陡崖及入海呷角和海水的相交處為解譯標(biāo)志.

3)研究區(qū)域內(nèi)淤泥質(zhì)海岸多數(shù)已進行人類活動開發(fā)，修建了蝦池魚塘等海產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施，均在向海一側(cè)修建了防浪堤壩防止海水入侵.因此,在岸線提取時選取這些堤壩與潮灘相交線為海岸線.對于未開發(fā)的淤泥質(zhì)海岸，在已經(jīng)解譯的水邊線圖像基礎(chǔ)之上，計算大潮高潮與遙感衛(wèi)星過境時的潮位的潮差值，根據(jù)潮灘的坡度，最后推算出平均大潮高潮位時海陸分界線的位置，即海岸線位置[23].

4)河口岸線是大陸海岸線的重要組成部分，河口受地表徑流及海域潮流的雙重影響，在提取河口岸線時河口分界線一般定在河流縮窄或兩岬曲率最大處[24].

根據(jù)以上原則，依據(jù)海岸線在遙感影像上的色調(diào)、紋理及空間形態(tài)與分布等特征，并參照研究區(qū)的地形圖、真彩色航片等輔助資料來綜合分析與人工目視判讀海岸線.運用ArcGIS10.1軟件對不同時相的象山灣海岸線進行了提取,見圖3.

圖3 象山灣1995年、2002年及2014年海岸線

2.3 分維值計算方法

在海岸分形研究中，常用的分維值計算方法有：量規(guī)法及網(wǎng)格法.此次研究主要采用網(wǎng)格法,即使用不同寬度的正方形網(wǎng)格去覆蓋被測海岸線.當(dāng)正方形網(wǎng)格長度εκ出現(xiàn)變化時，則海岸線覆蓋的網(wǎng)格數(shù)目Nκ(εκ)也發(fā)生變化，根據(jù)分形理論,有以下方程式成立[24]：

(1)

對式(1)兩邊求對數(shù)，可得

(2)

式(2)中：A為待定常數(shù)；D即被測海岸線的分形維數(shù).采用不同的εκ值和對應(yīng)的Nκ(εκ)值，通過擬合分析即可得到分形維數(shù)D.D較好地描述了海岸線長度測量尺度變化的快慢情況，即海岸線的復(fù)雜彎曲程度.直線的分形維數(shù)理論值為1，矩形的分形維數(shù)理論值為2，分形維數(shù)值越大，表示海岸線的形狀越復(fù)雜.本文根據(jù)岸線人類干擾強度的差異，將象山灣海岸線分為人工岸線、半人工岸線及自然岸線3類進行分維值計算.

2.4 本底值計算

本底值是應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)中的一項基本指標(biāo)，又稱背景值，是指環(huán)境要素在未受污染影響的情況下，其化學(xué)元素的正常含量及環(huán)境中能量分布的正常值[25].本文將本底值這一概念引用到海岸線形態(tài)特征的研究中，即純自然岸線或是純?nèi)斯ぐ毒€的分維值.掌握不同海岸線的本底值，能夠有效判斷其是否受人類活動的影響，并估算其干擾程度.

此實驗將分段選取象山灣不同年份的人工岸線、半人工岸線及自然岸線，運用ArcGIS 10.1結(jié)合Excel計算其分維值，對應(yīng)分析歸納出全干擾、半干擾及無干擾下的岸線的本底值.

全干擾岸線指受人類活動影響程度大的海岸線，象山灣的人工岸線多以海產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施、海堤防波堤及填海造地工程為主，大多比較平直、有規(guī)則.半干擾狀態(tài)下的海岸線多為基巖海岸內(nèi)側(cè)存在凹凸的部分，為了更好地利用海洋資源，人類活動多將彎曲的海灣填平填直向外拓展.無干擾狀態(tài)的海岸即為自然岸線，在象山灣內(nèi)以基巖海岸為主，多伴隨山地、丘陵而存在.

2.5 海岸線選取及分維值與干擾度的關(guān)系探討

由于海岸線曲折,形態(tài)多變，不同部分海岸線曲折程度存在較大差異，尤其是人工岸線與破碎的自然岸線間的分維值相差較大.在對不同干擾程度下的海岸線的分維值進行計算時，樣本的選取顯得尤為關(guān)鍵.通過反復(fù)實驗，最終運用以下原則選取不同干擾程度下的海岸線.

全干擾岸線選?。?)選取純?nèi)斯ず０毒€；2)在選取長度上依據(jù)海岸線局部特征而定.由于需要確定分維值范圍，因而，在選取時除了選取十分平直的海岸線外，還需選取曲折的人工岸線，以及曲率適中的海岸線，以最大程度地覆蓋全干擾程度下海岸線的分維值；3)選取樣本的數(shù)量要適中，本文選取了不同形態(tài)、不同長度全干擾岸線共5段.

半干擾岸線選?。褐饕x取基巖海岸與人工岸線混合部分，長度適宜，數(shù)量適中,具有代表性.

無干擾岸線選?。河捎谙笊綖逞匕度祟惢顒宇l繁，現(xiàn)存的較長的自然岸線越來越少，在選取時采用1995年數(shù)據(jù).選取時數(shù)量和長度遵循人工岸線的原則.

經(jīng)過初步實驗可以猜想，分維值在1附近波動，分形值越大,曲折程度也越大,一般來說，這種情況為自然岸線的可能性較大;而分維值越小，受人工干擾程度越大，海岸線越趨于平直.

3 結(jié)果分析

為研究海岸線的形態(tài)時空變化，本文首先嚴格按照標(biāo)準(zhǔn)分別對1995年、2002年及2014年象山灣海岸線進行提取.在此基礎(chǔ)之上運用網(wǎng)格法對3個不同時期的海岸線的分形維數(shù)進行計算，并探討其變化規(guī)律.按一定的標(biāo)準(zhǔn)抽樣選取了不同人類干擾強度下的海岸線，計算其分維值，最后試圖得出不同干擾程度下海岸線的本底值.結(jié)果分析如下.

3.1 象山灣岸線分維變化

依據(jù)網(wǎng)格法的要求，采用12個網(wǎng)格長度εκ，對1995年、2002年及2014年象山灣海岸線覆蓋的網(wǎng)格數(shù)Nκ(εκ)進行計算，得出的結(jié)果如表2所示.

表2 象山灣不同歷史時期海岸線分形維數(shù)變化的計算結(jié)果

利用表2中的數(shù)據(jù)建立各年份網(wǎng)格長度及網(wǎng)格數(shù)目的函數(shù)圖，根據(jù)εκ和Nκ(εκ)的散點圖，使用最小二乘線性回歸分析對公式進行擬合，得出1995—2014年間象山灣的分維值及網(wǎng)格長度和網(wǎng)格數(shù)之間的相關(guān)系數(shù),具體見表3.

表3 不同歷史時期象山灣海岸線分形維數(shù)

由表3可知,εκ和Nκ(εκ)的相關(guān)系數(shù)都在0.999 8以上，接近1.可知象山灣不同時期海岸線的分形性質(zhì)客觀存在，因此,可以將分形維數(shù)作為表征海岸線隨時間變化而變化的特征參數(shù)[9].

由計算結(jié)果可知,象山灣內(nèi)3個不同時期的海岸線分形維數(shù)分別為1.049 8,1.047 7,1.043 2，對比可知,研究區(qū)內(nèi)的海岸線分形維數(shù)隨著時間的變化而逐漸減小，海岸線的曲折程度在不斷下降.其原因多半是由于圍海造田、修建海港、養(yǎng)殖區(qū)開發(fā)等人類活動對海岸線形態(tài)的改造，使得海岸線趨于平直，分維值達到最小.在對遙感影像目視解譯時可以明顯看出，象山灣內(nèi)許多淤泥質(zhì)海岸、基巖質(zhì)海岸被開發(fā)為人工海岸，在此過程中海岸線不斷向海洋一側(cè)擴張，其曲折程度逐漸下降，且形狀趨于規(guī)則平直.因而運用網(wǎng)格法計算所得結(jié)論與這一現(xiàn)象基本一致.引入分形維數(shù)有效地將海岸線的變化規(guī)律量化，在此基礎(chǔ)上可對海岸線的發(fā)展趨勢進行定量分析.

3.2 象山灣岸線分維值與干擾強度

運用上文所述的不同干擾強度的海岸線的選取原則，分別對選取的全干擾岸線、半干擾岸線及無干擾岸線進行分維值計算，在選取網(wǎng)格大小時根據(jù)岸線長度而對應(yīng)調(diào)整，大多采用以25 m為級差，采用25～300 m的漁網(wǎng)對其分維值進行計算，得出如下結(jié)果,具體見表4～表6.

表4 象山灣全人類干擾程度下海岸線分形維數(shù)

表5 象山灣半干擾程度下海岸線分形維數(shù)

表6 象山灣無人類干擾程度下海岸線分形維數(shù)

由實驗可知，象山灣范圍內(nèi)不同人類干擾程度下的海岸線，它們各自的雙對數(shù)散點的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，并接近于1，說明岸線間具有極高的線性相關(guān)性.即對各類海岸線來說，它們都具有分形的性質(zhì)，在一定的標(biāo)度之內(nèi)具有各自的分維唯一值.在此前提下進而對不同人類干擾程度下的海岸線進行深入的探討.

根據(jù)人工岸線的選取原則，選取5段全干擾岸線進行分維計算，分維值的波動區(qū)間大體為0.97～1.04，出現(xiàn)異常值1.067 1，均值為1.011 0.半干擾程度下海岸線的分維值為0.99～1.02.而無人類干擾程度下海岸線的分維值為1.03～1.09，出現(xiàn)異常值0.987 3，去除異常值后的均值為1.052.

對比表4～表6中各類型岸線的分維值，可以發(fā)現(xiàn)人工岸線和半人工岸線的分維值最小，且二者的差異較小.而自然岸線的分維值較大，與人工及半人工岸線相差較大.象山灣內(nèi)自然岸線以基巖質(zhì)海岸為主，主要由花崗巖、石英巖、玄武巖等堅固的巖石構(gòu)成，長期受海水的侵蝕及溶蝕，因而自然岸線形態(tài)較為曲折，分維值比受人類活動影響的岸線更大.而人工岸線多為人工修建，雖受海岸地形的限制，但總體形狀較為規(guī)則，海岸線更加平直，分維值相對較小.

圖4 象山灣不同人類干擾程度下海岸線分形維數(shù)折線圖

4 結(jié) 論

海岸線曲折各異，形態(tài)看似雜亂無章，毫無規(guī)律可循,但用分形理論來分析，可以發(fā)現(xiàn)它們?nèi)匀痪哂幸欢ǖ臄?shù)學(xué)規(guī)律,并能夠通過分形維數(shù)來表示.本文通過對象山灣海岸線總體及根據(jù)人類干擾程度差異的研究得出如下結(jié)論：

1)象山灣大陸海岸線具有分形性質(zhì)，且其海岸線在時空上呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，1995年、2002年及2014年的分維值分別為1.049 8,1.047 7,1.043 2，分維值呈現(xiàn)下降趨勢.近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類活動頻繁，對海岸線的改造導(dǎo)致岸線形狀發(fā)生著劇烈的變化，這是導(dǎo)致分維值下降的主要原因.

2)在不同人類活動干擾程度下的海岸線性質(zhì)具有差異性.全干擾程度下岸線分維值為0.97～1.04;半干擾程度下岸線分維值為0.99～1.02;無干擾程度下岸線分維值為1.03～1.09.象山灣內(nèi)自然岸線以基巖海岸為主，其形態(tài)變化緩慢且具有曲折破碎的特征，其分維值遠大于受人類活動改造之后的岸線，人工岸線多為人類圍海造田、修建堤壩、碼頭，因為岸線趨于平直，分維值普遍較小.

3)本文在前人對各地海岸線分形性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，考慮人類活動，并根據(jù)干擾強度的不同對岸線的分維值進行了進一步的研究，但仍存在許多需要進一步探討及改進的問題.例如，人工、半人工及自然岸線選取時的數(shù)量及長度能否量化、更為規(guī)范化？如何將對全國人類干擾強度不同的海岸線進行分形標(biāo)定(如何將象山灣岸線分維值計算推廣至更大范圍)？運用其他分形方法對于分維值的大小研究是否有差異？等等.

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(責(zé)任編輯 杜利民)

The analysis of Zhejiang Xiangshan Bay coastline fractal and human disturbance intensity

PAN Yuling， LIANG Qin′ou

(CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

It was investigated the morphology change of Xiangshan Bay′s coastline in temporal and spatial, and summarized the range of fractal dimensions under different intensity of human activities, remote sensing images combined with ArcGIS were used to the digitalization of the coastlines in 1995, 2002 and 2014. Coastlines were divided into sections according to different intensity of human activity. The fractal dimensions were calculated by grid method, and the relationship between fractal dimensions and the intensity of human activity was discussed. It was concluded that: 1)The fractal dimensions of Xiangshan Bay during 1995 and 2014 stabilized around 1.04, but followed a downward trend； 2)The fractal dimensions of artificial coastlines were 0.97～1.04, semi-artificial coastlines were 0.99～1.02; the natural coastline were 1.03～1.09. It indicated that generally weaken the intensity of human disturbance would result in larger fractal dimension.

Xiangshan Bay; coastline; fractal; human disturbance intensity

10.16218/j.issn.1001-5051.2017.01.016

2016-04-15；

2016-05-18

國家自然科學(xué)基金資助項目(70773089)

盤玉玲(1994-)，女，四川南充人，碩士研究生.研究方向:地理信息系統(tǒng).

梁勤歐．E-mail： qoliang@sina.com

P731.1

A

1001-5051(2017)01-0106-08