摘要：為了分析珠江口區(qū)域海岸線近年來(lái)的發(fā)展變化情況，文章基于分形理論，分別對(duì)珠江口及深圳段大陸海岸線2005-2019年的變遷趨勢(shì)采用網(wǎng)格法進(jìn)行分形分析，得出14年間，珠江口及深圳段海岸線分維數(shù)的變化情況。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，近年間珠江口海岸線整體因開發(fā)強(qiáng)度大，人工岸線居多，分維數(shù)值變化較小;而深圳段海岸線分維數(shù)較整個(gè)珠江口有較大幅度增加。深圳段海岸線曲折度提高的原因主要為修復(fù)類工程的實(shí)施。海岸線分形維數(shù)與海岸線曲折程度的正相關(guān)系，與海岸帶開發(fā)利用規(guī)劃管理要求相符，提出分維數(shù)可作為規(guī)劃用海的重要評(píng)估參數(shù)。

　　關(guān)鍵詞：海岸線;珠江口;分形理論;分形維數(shù);網(wǎng)格法

　　0 引言

　　海岸線是平均大潮高潮時(shí)的海陸分界線，具有重要的生態(tài)服務(wù)功能及開發(fā)利用價(jià)值，在自然資源管理當(dāng)中具有重要的戰(zhàn)略地位[1]。1967年Mandelbrot的分形理論，提出了海岸線分形與分維概念[2]。葉曉敏等[3]通過對(duì)膠州灣海岸線的分形分析，得出較大規(guī)模的海岸工程使海岸線分形維數(shù)減小，而較小規(guī)模的海岸工程和自然過程使海岸線分形維數(shù)增大;馬小峰等[4]對(duì)不同類型的海岸線進(jìn)行了分形維數(shù)分析，進(jìn)而得知分形維數(shù)理論同樣適用于多種類型地物組合而成的復(fù)合型海岸帶。分形維數(shù)是描述不規(guī)則特征的良好參數(shù)，通過遙感技術(shù)與分形理論的結(jié)合可以研究不同海岸線的變化規(guī)律。

　　珠江口地處粵港澳大灣區(qū)中心區(qū)域，坐擁1個(gè)金融中心、2個(gè)特別行政區(qū)、2個(gè)經(jīng)濟(jì)特區(qū)、3個(gè)自貿(mào)區(qū)、3個(gè)交通樞紐、5個(gè)副省級(jí)城市。21世紀(jì)以來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，珠江口海岸帶開發(fā)利用活動(dòng)的熱度及強(qiáng)度日益增加。本研究以2005年及2019年廣東省海岸線數(shù)據(jù)為依據(jù)，提取出珠江口大陸海岸線數(shù)據(jù)，借助GIS地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)，計(jì)算出該區(qū)域海岸線的分形特征，并由此分析其分形維數(shù)變化幅值及其原因，進(jìn)而為科學(xué)用海提供理論依據(jù)。

　　1 數(shù)據(jù)來(lái)源及分形分析方法

　　1.1 分析數(shù)據(jù)來(lái)源

　　本研究所討論數(shù)據(jù)包括2005年珠江口大陸海岸線(數(shù)據(jù)來(lái)源于2004—2006年廣東省沿海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià))及2019年珠江口大陸海岸線(數(shù)據(jù)來(lái)源于新一輪的海岸線修測(cè))。上述兩組數(shù)據(jù)存在的偏差，主要來(lái)源于兩組數(shù)據(jù)的獲取精度不同，如測(cè)量時(shí)使用的衛(wèi)星遙感底圖分辨率和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)比例有較大差距，但所選區(qū)域幾乎沒有由圍海養(yǎng)殖造成的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，且海岸線提取及認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)一致。此外，海岸線矢量數(shù)據(jù)起始于深圳、香港交界，終止于澳門交界，從而避免了數(shù)據(jù)不連續(xù)可能導(dǎo)致的分析誤差。因此，所選數(shù)據(jù)可以作為有效反應(yīng)珠江口大陸海岸線的變遷分形分析的基礎(chǔ)依據(jù)。

　　1.2 分形分析方法

　　Mandelbrot研究得出海岸線在形貌上是自相似的，也就是局部形態(tài)和整體態(tài)的相似性，隨后創(chuàng)立了分形幾何學(xué)，初步形成了分形理論[2]。分形形體的整體幾何形態(tài)分布是處處不規(guī)則的，但在不同尺度下，其變化規(guī)律又是相同的，局部形態(tài)和整體形態(tài)呈現(xiàn)自相似性，也就是統(tǒng)計(jì)意義上的相似。這種具有自相似性的現(xiàn)象、圖形或物理量即為分形[5]。分形理論的提出，在海岸線測(cè)繪工作領(lǐng)域的統(tǒng)計(jì)意義在于，解釋了海岸線的無(wú)規(guī)則分布形態(tài)。其分形維數(shù)(海岸線為大于1 小于2的分?jǐn)?shù)值)則解釋了無(wú)法用整數(shù)維數(shù)表征的物理量的分布特征[6]。常用的海岸線分形維數(shù)計(jì)算方法有兩種[7]，本研究采取網(wǎng)格法計(jì)算珠江口海岸線的分形維數(shù)。

　　網(wǎng)格法是使用不同邊長(zhǎng)的正方形網(wǎng)格覆蓋海岸線，統(tǒng)計(jì)不重疊覆蓋的線狀網(wǎng)格信息，得到不同的網(wǎng)格數(shù)目，最終計(jì)算出其分形維數(shù)。通過GIS軟件采用網(wǎng)格法對(duì)珠江口海岸線(圖1)進(jìn)行覆蓋，其中正方形邊長(zhǎng)為ε，覆蓋海岸線且不重疊覆蓋的網(wǎng)格數(shù)目為N(ε)。根據(jù)分形理論，即lgN(ε)=-Dlgε+A式中：A為待定常數(shù);D為覆蓋線狀數(shù)據(jù)的分形維數(shù)。

　　2 分維數(shù)計(jì)算

　　使用GIS軟件，對(duì)目標(biāo)珠江口海岸線進(jìn)行網(wǎng)格覆蓋，網(wǎng)格正方形邊長(zhǎng)分別取值1 m、2 m、5 m、10 m、20 m、50 m、100 m、200 m、500 m、1 000 m、2 000 m、5 000 m，通過網(wǎng)格法分析計(jì)算，得出不同的網(wǎng)格數(shù)目。根據(jù)兩組數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)關(guān)系，將得到的數(shù)值進(jìn)行線性擬合得出(圖2)，2005年珠江口海岸線線形方程為y=-1.051 1x+5.808 2，D值為1.051 1;2019年珠江口海岸線線形方程為y=-1.054 9x+5.823 5，D值為1.054 9。

　　3 珠江口岸線變遷的分形維數(shù)規(guī)律

　　根據(jù)Mandelbrot研究結(jié)論，海岸線分維值的大小范圍為 1　　14年間，珠江口變化較大區(qū)域集中在深圳西海岸(表1及圖3)，使用GIS軟件采用網(wǎng)格法對(duì)抽樣區(qū)域，即深圳市寶安至南山區(qū)后海海岸線進(jìn)行覆蓋，使用測(cè)得數(shù)據(jù)得到ab段線形方程關(guān)系式(圖4)。

　　深圳市ab段海岸線分形維數(shù)增大了0.016 1，是珠江口分形維數(shù)變化值的4倍多。ab段海岸線分形維數(shù)增幅較大，表示2019年較2005年海岸線凹凸曲折部分占比增大。ab段海岸線分形維數(shù)增大是珠江口海岸線分形維數(shù)增大的主要原因。

　　深圳市ab段海岸線2005—2019年變化主要分3個(gè)階段，排除沖淤因素，填海工程是主要成因。第一階段為大規(guī)模填海造地期，第二階段為重點(diǎn)工程配套建設(shè)期，第三階段為生態(tài)修復(fù)期。2001年由于南山區(qū)后海、前海、大鏟灣填海工程開始施工，2005—2012年，南山區(qū)前海、后海、大鏟灣填海工程基本完成，期間前海、后海區(qū)域海岸線折彎取直，該區(qū)域海岸線長(zhǎng)度大幅減少。第二階段2013—2017年，除深圳機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建工程以外，均為小規(guī)模造地工程，地鐵11號(hào)線、LNG、碼頭港口等城市配套工程落地。第三階段，南山區(qū)通過城市交通濱海休閑景觀改造工程打造深圳灣公園海岸線，2008年至今逐步修復(fù)成蜿蜒曲折并具有紅樹林生態(tài)功能和自然海岸形態(tài)的修復(fù)岸線。

　　5 結(jié)論

　　(1)珠江口海岸線分形維數(shù)2005年為1.051 1，2019年為1.054 9，抽樣ab段海岸線2005年分形維數(shù)為1.061 6，2019年分形維數(shù)為1.077 7，與分形理論研究結(jié)論相符。獲取的海岸線分形維數(shù)回歸方程相關(guān)系數(shù)計(jì)算值R2均在0.99以上，因此網(wǎng)格法計(jì)算所得分形維數(shù)可作為目標(biāo)海岸線表征的良好參數(shù)。

　　(2)珠江口海岸線變化區(qū)域主要在廣州、東莞、深圳三地，其中深圳市海岸線變化較大，與其海岸線分維數(shù)變化規(guī)律相符。

　　(3)珠江口海岸線人工岸線類型達(dá)到90%，人工岸線防洪屬性決定了珠江口海岸線受水動(dòng)力沖淤環(huán)境影響較小。2005—2019年珠江口海岸線變遷的主要因素為填海造地工程，通過抽樣ab段海岸線分維數(shù)分析，深圳市填海工程是珠江口海岸線分維數(shù)增大的主要因素。

　　(4)2005—2019年深圳地區(qū)建設(shè)的海岸帶修復(fù)工程總體上增加了海岸線長(zhǎng)度，而其分維數(shù)的增加意味著海岸線曲折度也同時(shí)有所提高，即，分維數(shù)的增加與海岸帶整治修復(fù)工程密切相關(guān)。在合理規(guī)劃和修復(fù)海岸線的前提下，適度開發(fā)利用可提升海岸帶服務(wù)價(jià)值，同時(shí)也與海岸帶綜合利用管理中的占補(bǔ)平衡管理理念相符。因此，分析理論可服務(wù)于海岸帶綜合管理開發(fā)利用總量控制，分維數(shù)是衡量海岸線變遷的良好參數(shù)，可作為規(guī)劃用海的重要評(píng)估參數(shù)。

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　　基金項(xiàng)目：自然資源部南海局海洋科學(xué)技術(shù)局長(zhǎng)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(180107).

　　作者簡(jiǎn)介：岳文　　通信作者：顏彬

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