象山港岸区海岸线时空变化分析

焦小梅 李苯帅

(1.山东科技大学 测绘与空间信息学院,山东青岛,邮编 266000;2.青岛阅海信息服务有限公司,山东青岛,邮编 266000)

0 引言

海岸线是描述海陆分界的重要标志线,也是沿海城市地区变化发展的标志要素之一。

目前,对于海岸线的研究主要在海岸线提取[1]、海陆面积的变化、海岸线长度的变迁、岸线类型转变以及分形维数的等方面[2]。刘旭拢等人利用遥感和地理信息系统(geography information system,GIS)分析珠江河口区海岸线时空变化特征[3]。李鹏等人结合多元孔径雷达和卫星遥感影像对胶州湾海岸线进行变化监测[4],这些工作为本文研究提供了可参考的方法。

1 研究背景与意义

1.1 研究区概况

象山港位于浙江省北部沿海地区,而本研究所对应的象山港岸区是北起甬江出口(121.75°E,29.97°N),南至王家兰村(121.93°E,29.33°N)这一海岸线区域。整个海岸线北面紧邻杭州湾,南邻三门湾,东侧为舟山群岛。通过青龙门、双屿门和牛鼻山水道与外海相连,海岸地貌主要由海蚀岸、海积岸和人工海岸组成。

1.2 研究背景与意义

象山港岸区是浙江省宁波市象山县的一个重要经济区域,其海岸线的历史变迁及时空变化分析对于理解该地区的经济、社会和文化发展具有重要的意义[5]。根据海岸线独特的地理形态和动态特征,可以获取相关的地理环境信息。

可以说,海岸线既是描述海陆分界的重要边界线,也是海洋强国、海洋强省的起始线[6]。随着人类活动和沿海地区社会经济的飞速发展,海岸资源利用范围和规模也在迅速地扩大,这会对海岸带生态环境和沿海地区的生存条件产生影响。深入研究象山港海岸线的时空变化特征有助于我们进行更为精准的生态综合评价,对于地区的综合开发利用规划具有指导意义。

2 数据处理与研究方法

2.1 数据处理

本研究用到的数据为浙江省各地级区划图,1996、2001、2006、2011、2016和2021年卫星影像数据,数据处理流程见图1。

图1 遥感数据处理流程

2.2 研究方法

随着遥感技术(remote sensing,RS)、GIS、全球定位系统(global positioning system,GPS)的发展,运用多时相遥感影像和高精度现场定位测量相结合的方法,能够更加快捷、精确地对海岸线进行动态监测和过程分析[7]。

对象山港海岸线进行时空变化分析,引入岸线变迁强度、岸线分形维数和陆域面积变化程度三个指标,并根据岸线人工化指数来评价人类活动的影响[8]。利用象山港海岸线甬江到王家兰村段海岸线数据信息(海岸线仅指大陆岸线而不包含岛屿),来分析其时空变化规律。

2.2.1海岸线变迁强度

海岸线的变迁,通常是计算某一段时间内对应海岸线长度年均变化百分比来表示[9],这里把它称作海岸线变迁强度,计算见式(1)。

(1)

其中,Lij表示的是某一地区海岸线第i年至第j年长度变迁强度;i和j表示各自的年份;Li和Lj是对应i年和j年的海岸线长度。海岸线变迁强度大于0,岸线增长,小于0,岸线缩短,其绝对值的数值越大,海岸线变迁强度越大,反之则越小。

2.2.2海岸线分形维数

海岸线分形维数反映海岸线弯曲和复杂程度,分形维数越大,表示海岸线越复杂。通常的计算方法有量规法、网格法、随机噪声法等,本文采用网格法计算海岸线的分形维数[10]。

基本思路是将正方形网格完全覆盖在海岸线上,然后改变正方形网格的边长,通过记录网格边长覆盖的海岸线的网格数量进行计算。当网格边长取r时,对应的网格数量取N(r),r发生改变,对应的N(r)也会发生变化。海岸线的分形维数通过式(2)计算。

N(r)∝r-D

(2)

对式(2)两边分别取对数,可以得到式(3)。

lnN(r)=-Dlnr+C

(3)

其中,C为待定常数;D为海岸线的分形维数,是线性函数(3)的斜率。通过不同的r值和N(r)值拟合分析,可以得到对应的分形维数D。其值域为1

遥感影像空间分辨率为40 m,即最小测尺长度为40 m,取其整数倍对海岸线矢量数据栅格化。像元大小为格网长度r,在栅格要素属性表中计算对应网格长度r的网格数量。利用不同时期对应的格网长度和格网数量绘制拟合函数并求出对应的斜率即分形维数D。

2.2.3陆域面积变化程度

陆域面积变化程度是指不同时期的海岸线面积的变化程度,这种变化可以清晰地反映海岸线是整体外扩还是内缩[11]。为了计算这种变化程度,将相邻时期的海岸线线要素转面要素,然后进行目视解译,计算面积的增减。

2.2.4岸线人工化指数

岸线人工化是自然海岸在人类活动的影响下向人工海岸转变的过程,岸线人工化指数代表人类活动对海岸线的影响程度。通过目视解译对海岸线进行划分[12],使用(4)进行计算。

(4)

其中,R值表示岸线人工化指数;M表示人工岸线长度;L则表示海岸线总长度。R值越大,岸线人工化程度越高,反之,人工化程度越低。

3 结果分析

3.1 海岸线变迁强度分析

通过提取卫星影像数据中的海岸线,得到对应的海岸线矢量数据。如图2所示,将1996年和2021年两个时期的海岸线重叠放大[13]后可以发现,象山港岸线基本上表现为向海洋推进,不同区域推进的程度不尽相同,且不同时期海岸线长度也会发生改变,如表1所示。

表1 1996—2021年象山港岸海岸线长度及长度变化统计

图2 1996年和2021年两个时期象山港海岸线重叠图

象山港岸海岸线随着时间的增加整体上呈现缩短的趋势,25年间共缩短了约31.954 km,年均减少1.278 km,2021年象山港岸海岸线总长度为315.206 km。2016—2021年海岸线缩短程度最大,平均缩短速度为2.720 km/a,是人类岸线开发最为活跃的时期。1996—2001年是海岸线变化最小的时间段,岸线长度不减反增,5年内增加0.670 km,岸线平均增长速度为0.134 km/a。

根据式(1)求解象山港海岸线变迁强度,可得1996—2021年,象山港岸整体海岸线变迁强度为-1.841%,其中1996—2001年海岸线变迁强度最小,仅为0.039%。2001—2006年海岸线变迁强度最大,为-0.567%。从图3可以看出岸线变迁强度值基本均为负值。

图3 1996—2021年象山港岸海岸线变迁强度折线图

3.2 海岸线分形维数分析

海岸线的分形维数是岸线空间形态的数学表达,可以用来描述海岸线弯曲与复杂程度[14]。使用网格法,表2列出不同标度下6个时期网格长度r与网格覆盖数N(r)的关系,对该表中的网格长度r和网格覆盖数N(r)构建散点图及线性拟合函数,求得最佳分形维数。

表2 1996—2021年象山港岸r与N(r)关系表

根据图4的r与lnN(r)的散点图及线性拟合结果可以看出拟合函数都趋近一条直线,即都可以看作线性表达。

(a)1996年

将6个年份的分形维数和相关系数整理成表3,发现海岸线分形维数的相关系数均在0.98以上,说明本研究中的分形性质其实是客观存在的,分形维数可以作为表征其特征的参数。从图5可以看出,1996—2001年象山港岸的整体分形维数是增大的,这说明在这段时间岸线整体趋于复杂。在2001—2021年,岸线分形维数逐年减小,说明岸线趋于平滑。这与当时象山港的开发情况息息相关,1996—2001年为开发的起步阶段,开发力度不高,海岸线受人类活动影响小,而受海洋、风力等的侵蚀等使得海岸线的复杂度不降反升。

表3 1996—2021年象山港岸海岸线分形维数和相关系数

图5 1996—2021年象山港海岸分形维数折线图

3.3 陆域面积变化分析

海岸线的变化不仅体现在长度和弯曲程度上,也体现在岸线变迁过程中造成的海岸线陆域面积的变化中[15]。表4为1996—2021年每5年之间陆域面积变化表,总的来说,象山港岸陆域面积总共扩大了44.564 km2,扩张的速度为1.783 km2/a。图6可以看出2001—2006年为面积扩充最多的时间段,共扩充了22.125 km2,平均速度为4.425 km2/a,而变化最小的时间段在1996—2001年,共扩充了1.161 km2,平均速度仅为0.232 km2/a。事实上对比之前海岸线长度统计表,可以发现面积变化与长度变化存在一定的联系,长度变化最小的时间段在1996—2001年,这与面积的变化情况相对应。

表4 1996—2021年每5年陆域面积变化表

图6 1996—2021年象山港陆域面积变化折线图

3.4 岸线人工化指数分析

人类活动对海岸线的影响主要表现在人工岸线与自然岸线之间的关系上[16],在进行遥感影像的岸线信息提取时,区分人工岸线和自然岸线,得到图7的海岸线矢量信息(深色表示人工岸线,浅色表示自然岸线)。从图7可以看出人工岸线随着时间的推移在不断地增加,对其进行整理并按照式(4)进行岸线人工化指数的计算得到海岸线人工化指数变化,如表5所示。

表5 1996—2021年人工化指数数据

由表5可以看出,1996—2021年整个象山港岸的岸线人工化指数不断提升,并且这些时间段中2001—2006年为岸线人工化指数增加最快的时期。到2021年时,岸线人工化指数已经达到0.802,占总岸线的80%以上。

4 结论

研究结果发现,象山港岸海岸线时空变化特征明显。岸线总长度总体呈现缩短趋势,且不断趋于平滑;25年内,象山港陆域面积总共扩大44.564 km2;岸线人工化指数在25年内持续上升,由最初的0.206提升至0.802,并且随着经济发展,这一指数还会继续上升。以上是当前象山港岸发展过程中存在的主要问题,这与象山港岸的开发政策密切相关。2006—2010年,象山港经济发展水平提升,产业结构优化,初步成为生态经济型港湾;且自2015年公示《宁波市象山港区域空间保护和利用规划》以来,象山港岸出现了大量工业建筑、养殖场和港口等,导致岸线变得平整光滑,人工海岸比例提升。

针对象山港岸存在的问题可从以下几方面改善:生态保护方面,加强海岸线保护区建设,同时进行生态修复。对已人工化海岸线,可恢复植被、修复海岸防护带等,增强自然保护功能。推动绿色海岸防护,建立人工浅滩和珊瑚礁。经济发展方面,推动沿海城市退潮区开发,减少对海岸线的人工化需求。规划管理方面,制订详细开发方案,限制开发范围并加强管理和监督。限制不必要的土地开发,避免过度占用陆域。建立健全的监测和评估机制,定期监测和评估人工化指数和陆域面积等,及时调整和优化管理。

目前文中所用的海岸线时空分析方法,还存在岸线人工化指数受主观条件影响、数据采样存在误差、海岸线变化分析维度较为单一等问题,在以后的研究中,可以结合实地调查数据,进一步对采样方法进行优化,使用不同的采样尺度和密度进行敏感性分析,并引用更多指标,如海岸线侵蚀速率、海平面上升速率等评估海岸线变化趋势和驱动因素。