广东省大陆海岸线分形特征及空间分异

2021-07-25刘春杉陈鑫祥

广东海洋大学学报 2021年4期

钟蕊，刘春杉，陈鑫祥

（1.广东省国土资源技术中心，广东广州 510075；2.广东省土地调查规划院，广东广州 510075）

海岸线是陆地与海洋的分界线，是国际地理数据委员会（International Geographic Data Committee）认定的27 个地表要素之一[1]，蕴含丰富的海岸带资源环境信息，是海岸带地区经济发展活动的重要标识[2-3]。建立科学、合理、规范的岸线认知，坚持因地制宜推动构建科学合理的岸线格局、促进集中集约用海和在生态优先的前提下科学用海[4-5]，是陆海统筹背景下海洋管理工作和海洋生态文明建设的需要[6]。广东省是我国海岸线最长的省区，海岸线的类型及成因、海洋气候、潮汐、波浪和风等环境因素，均具有显著的区域特色[7]。海岸线作为海洋生态文明建设和社会经济发展重要的约束性指标，是重要的空间管理对象。广东省是海洋经济国际竞争的核心区域，将海洋作为高质量发展的重要战略要地，扎实推进海洋强省建设[8-9]。因此，广东省的海岸线研究是我国海岸线研究中不可或缺的一环，对于推进广东省域内的海陆统筹有一定的科学意义。

分形理论[10-11]创立以来，分形理论成为描述自然界不光滑和不规则几何形体的有效工具[12]，被称为大自然的几何。分形维数为定量描述地理对象的特征属性与空间尺度之间的关系提供了理论依据[13]。海岸线具有典型的地理分形特征[14]，也是分形领域较为传统的研究热点。海岸线分形维可以反映海岸线的复杂程度和发育程度，以及不同地物类型等要素，为观察海岸系统提供一个量化维度。国内外学者利用遥感影像、多尺度地图等不同数据源[12,15-17]、通过网格法、折线法等不同方法[17-19]，对美国、澳大利亚、中国沿海不同地区[20-25]的海岸线分维值进行研究，从地质学、生态学、地貌学等不同学科视角阐释了海岸线分形维的意义[26-28]。也有学者进一步研究了海岸线分形维与岸线长度、曲折度、分类方式、开发利用等属性的关系，以及不同岸线类型的形成机制[29-31]。

广东省海岸线的相关研究，主要集中在珠三角、深圳等区域的海岸线分形及其时空演化特征，以及在分形维基础上的海岸带开发利用、景观变化等[32-34]，较少有学者对广东省海岸线整体分形特征和空间分异进行研究，尤其缺少对粤东、粤西这些自然岸线资源丰富区域的分形研究。本研究旨在通过对广东省海岸线分形维的计算，揭示广东省海岸线的分形和空间分异特征及其影响机制，以期为海岸带开发、整治及规划用海提供科学依据。

1 研究对象与数据来源

1.1 研究对象

广东省全境位于20°09′—25°31′N 和109°45′—117°20′E 之间，属热带和亚热带季风气候，毗邻南海，是我国海域开发利用程度相对较高的沿海省份，湛江、深圳先后成为全国15 个海洋经济创新发展示范城市之一。广东省近海海岸线岸线曲折，从形态成因和物质成因来看，形成了山地溺谷海岸、岬湾海岸、三角洲平原海岸和红树林海岸等多种类型。本研究对象为广东省大陆海岸线，其范围北起潮州市，南至湛江市，沿途经过14 个沿海地市。

1.2 数据来源

海岸线是平均大潮高潮时的海陆分界线。自然资源系统机构改革后，海岸线代替零米等深线成为区分陆海分界的管理界线[35-37]。本研究数据来自2006—2008 年海岸线修测成果[37]，根据海岸线修测技术规程，主要根据海岸物质组成，分为人工岸线和自然岸线。人工岸线由永久性人工构筑物组成的岸线；自然岸线是指由海陆相互作用形成的岸线，包含砂质岸线、基岩岸线、生物岸线、河口岸线、粉砂淤泥质岸线等5 种类型。

原始数据的修测比例尺为1∶50 000，坐标系为WGS84。将数据统一投影为CGCS2000 坐标系，3°分带，中央经线为114°E。根据广东省经济发展区域的划分，将广东省海岸线分为珠三角、粤东、粤西等3 个区域。

2 研究方法

2.1 分形理论

海岸线是传统欧式几何整数维空间中在尺度上呈现更精细维度的地理事物，它的结构具有统计意义上的自相似性，可以通过分形维数来定量表征其复杂几何形态。分形理论解释了海岸线的无规则分布形态。海岸线分形维的计算，常用的方法有尺规法和盒维数法[19,38]，本研究采用盒维数法进行海岸线分形维数的计算。盒维数的思想起源于对不规则集合的覆盖，通过研究覆盖集合的盒子的最小数量和盒子的大小得到。经过庞特里亚金—施尼勒尔曼维数、柯尔莫戈洛夫—契霍米洛夫维数和法尔科内盒维数的发展，产生了现代意义下的盒维数，相较传统的豪斯道夫维数更容易计算，有着较强的实际应用价值[39]。

根据分形理论，在一定标度区内，用不同边长的正方形覆盖被测海岸线，当边长r发生变化时，覆盖海岸线的正方形数量N也发生相应变化[19,38]，有以下方程式成立：

式（1）两边取以e为底的对数，可得

式（1）、（2）中，A 为待定常数，D 为覆盖线状数据的分形维数。采用不同的r 值和对应的N(r)值，通过最小二乘法可得到分形维数D。

2.2 海岸线分形维的计算

按盒维数法的计算思路，分别提取覆盖海岸线所需要的各个测量尺度（正方形边长r）和网格数目N。根据前人研究和数据精度的情况，选择不同边长的正方形覆盖研究对象，求得对应的正方形数量（表1），建立各尺度网格长度及网格数目的双对数散点图拟合可以得到广东省海岸线的分形维。

表1 广东省及各区域网格覆盖海岸线数量Table 1 Number of coastline grid coverage

用盒维数法测算岸线分形维值，应保证岸线的相对完整性和考虑岸线的破碎程度对分形维值的影响。按照上述原则选取人工岸线、砂质岸线、生物岸线、基岩岸线分布的典型区域。海岸线分形维值受标度区间[19]和尺度数量影响，横向比较不同类型岸线分形维值应保持一致的标度，且可在标度区间内增加尺度数量以提高统计意义。因此，在选取覆盖案例区域海岸线的网格大小时，根据岸线长度而对应调整，结合案例区域的最短岸线的长度，选择标度区间5～ 2 500 m 计算选取岸线的分形维值。根据计算结果，比较广东省不同类型岸线分形维值的差异和曲折程度。广东省人工岸线分布较为集中，因此，通过变化标度区间、选取不同的尺度测算全省、珠三角、粤东、粤西的人工岸线的分形维值。

3 结果与分析

3.1 广东省海岸线分形特征和空间分异

图1 为广东省海岸线双对数散点图。广东省海岸线拟合线性方程为ŷ＝－1.106 8 x ＋15.811，分形维值D 为1.106 8（图1_A）。正方形边长和数量的双对数散点之间的相关系数大于0.99，可知测量尺度r 和正方形数目N 之间有高度的线性正相关关系，分形性质客观存在。因此，可以将分形维数作为表征海岸线随尺度变化而变化的特征参数。珠三角、粤东、粤西等3 个区域的分形维值分别是1.102 5、1.113 2、1.128 4。从数值上看，粤西的海岸线分形维值最高，其次是粤东，珠三角低于全省海岸线。这表明，广东省不同区域的海岸线曲折程度存在差异，粤西相较于其他区域曲折程度更高，珠三角曲折程度低于粤东、粤西和全省整体的曲折程度。

图1 双对数散点图Fig.1 Double logarithmic scatter plot

3.2 不同类型岸线的分形特征

广东省岸线类型复杂多样，分布上的空间差异性较大。从长度看，人工岸线占比过半，自然岸线中砂质岸线占比最高，生物岸线和基岩岸线次之且长度大致相等，还有少量的河口岸线和粉砂淤泥岸线（表2）。

表2 广东省各类型海岸线分布情况Table 2 Distribution of different types of coastlines in Guangdong province

人类对近海资源的利用方式会直接影响到海岸线的形态。广东省的人工岸线向海一侧主要有渔业岸线、造地工程岸线、工业岸线等，沿线主要有围海养殖、渔业基础设施、水域及水利设施、各类城镇建设用地填海造陆等多种利用方式。结合2005—2008 年遥感影像数据对沿线地物的判读，在江门黄茅海岸段选取较为平直的围海养殖用海方式的岸线RG1，在湛江流沙湾选取较为曲折的围海养殖岸线RG2，在湛江遂溪河口岸段和广州南沙岸段分别选取城镇建设用地为主要利用方式，工业区、居民区集中的岸线RG3 和RG4，以及在汕头榕江河口岸段选取主要为人工海堤的岸线RG5（图2）。

图2 人工岸线案例区遥感影像Fig.2 Remote sensing images of artificial coastline case area

自然岸线方面，选取江门镇海湾岸段和湛江雷州湾岸段生物岸线分布集中的岸线SW1 和SW2，深圳大鹏半岛、江门台山的基岩岸线JY1 和JY2，湛江遂溪、徐闻潮汐作用明显的砂质岸线SZ1 和SZ2，以及茂名—阳江、汕尾—揭阳间波浪作用占优势的砂质岸线SZ3 和SZ4（图3）。

图3 岸线类型研究区域分布示意图Fig.3 Spatial distribution of different coastline types

在选取的自然岸线中，生物岸线的分形维值普遍高于其他类型的岸线，砂质岸线明显低于其他岸线类型（表3）。对比两种不同成因的砂质岸线分形维值发现，不同外力作用下的砂质海岸的形态差异不明显。选取的基岩岸线案例区域，岩石成分主要是花岗岩，岩性致密，难以被侵蚀风化，多成为岬角和高陡的海岸，岸线曲折、复杂，具有较高的分形水平。

表3 案例区海岸线分形维Table 3 Distribution of different types of coastlines in Guangdong province

人工岸线的形态特征受人为因素与自然因素共同影响。为避免海湾区域海洋向陆地延伸形成的曲折岸线影响分形水平，本研究中选取的案例保持了海岸线的单一方向。一般来说，人工岸线分形维值低于生物岸线，高于砂质岸线。从不同土地利用方式看，沿线不同地物的人工岸线之间分形维值差异较小，围海养殖的围海方式不同对岸线的分形维值影响差异较大。RG1 岸段围海养殖岸线较为平直，分形维值低，RG2 岸段围海养殖岸线较为曲折，分形维值高。不同的城镇建设用地RG3、RG4、RG5的分形维值差异显示出人类岸线改造差异对岸线形态的影响。其中，人工海堤岸段的岸线分形维值较低，该类地物构成的岸线除沿线的水闸外，岸线光滑平直。

3.3 岸线分形的空间分异

珠三角、粤东、粤西等三个区域海岸线结构（表4）显示，人工岸线是三个区域海岸线的主要组成部分。表5 中四种标度的计算结果表明，三个区域的人工岸线分形维变化规律一致，粤西最高，全省次之，珠三角和粤东则低于全省。珠三角地区人工岸线占比略高，分布集中，多由连续淤泥质海岸人为作用向海推进变化而来，曲折度较低。珠三角区域围填海形成的岸线较多且平直，也降低了分形维值。

表5 研究区域人工海岸线分形维Table 5 Fractal dimension of artificial coastline

广东省沿海滩涂资源丰富，适宜发展养殖业，养殖用海是全省主要用海类型之一，养殖用海形成的人工岸线主要分布在粤东和粤西。粤东利用海湾资源发展集中连片分布的围海养殖，岸线整体较平直，如汕尾、汕头澄海、潮州饶平等地。粤西海湾多深入内陆，岸线复杂多变，尤其是湛江海域岸线曲折、不规则，且海域潮差较大，存在较大面积的滩涂，发展围海养殖的区域众多。且养殖区域向海辐射的半径长短不一，曲折度较大。

和人工岸线相比，三个区域在自然岸线结构上存在较大差异（表4），影响了整体海岸线分形维值。广东沿海地带有北东向、北西向、东西向三种不同方向的断裂带[40]，互相交错，形成了一系列隆起带和沉降带相间排列的区域，地貌上表现为沿海岸线曲折，平原和海湾相间。基岩岸线主要分布在处于粤桂隆起带[41]的台山，粤东隆起带的深圳大鹏半岛、博罗、惠东、海丰等地，第四纪更新世地壳发生下沉，使得燕山运动时期形成的花岗岩山体直逼海岸，抵抗风化、剥蚀作用、冲蚀作用较强，形成港湾、岬角相间的海岸形态，提升了岸线的整体曲折度。砂质岸线多在粤东和粤西集中连片分布，较为平直，且由于多在凹形的基岩海岸中发育，常与基岩岸线伴随分布。生物岸线主要是红树林岸线，因气候原因，主要分布在粤西和珠三角，且在粤西占比较高，提高了整个区域的分形维值。粉砂淤泥质岸线占比低，岸线平缓，主要是由潮汐作用塑造的低平海岸，改造成本较低，易被建设为人工岸线。