几内亚湾南部海岸带土地利用变化与海岸线变迁的时空响应特征

章晓炜, 吴 涛,2, 解雪峰,2, 张建珍, 迟永刚, 查培培

(1.浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华 321004;2.浙江师范大学 省部共建非洲研究与中非合作协同创新中心,浙江 金华 321004)

0 引 言

海岸线作为海陆分界线,是国际地理数据委员会认定的 27 个地表要素之一[1].随着世界经济的发展,全球有50%以上的人口居住在距海岸线100 km的范围内,海岸带成为人类经济活动最活跃、最集中的地区[2].这也使得海岸带承载了巨大的环境压力,监测海岸线的变化对海岸带环境评估和发展方向具有重要意义.目前,对于海岸线的研究已有不少,如马小峰等[3]提出针对不同海岸类型地貌特点对卫星图像中海岸线的解译方法;Paravolidakis等[4]利用边缘检测和优化算法实现海岸线的自动提取.另外,国内外研究者已在辽河口[5]、山东半岛[6]、三门湾[7]、福建省[8]、印度尼西亚的井里汶[9]、印度的肯尼亚古马里至杜蒂戈林[1]等地进行了海岸线时空变化的动态监测,而有关海岸带土地利用的研究则一直是热点内容.高志强等[10]对30年间中国沿海地区海岸线和围填海面积进行了分析;肖睿铭等[11]利用Apriori关联规则算法进行相关分析,揭示了岸线变化与土地利用变化之间的内在联系,为港口规划提供参考;Misra等[12]分析了印度3个区域的海岸线和土地利用类型的变化关系,有助于当地制定可持续的土地利用政策和海岸线保护措施.

海岸带生态脆弱,人类活动和自然因素都会导致海岸带产生变化.几内亚湾地处热带,生态系统恢复力强,但由于近几十年人类开始对其海岸带进行开发利用,有关海岸带开发到达何种程度?其发展是否可持续等问题均需要被重视.因此,本文以几内亚湾的赤道几内亚里奥坎波至加蓬洛佩斯角的沿海地区为研究区域,将海岸线动态变化与海岸带土地利用变化情况结合起来,探讨几内亚湾南端沿海地带发展情况,研究其海岸线动态变化与海岸带土地利用变化之间的关联,为其沿海城市规划建设和环境保护提供依据.

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区包括几内亚湾南端的赤道几内亚里奥坎波至加蓬洛佩斯角的沿海地区,气候为热带雨林气候.研究区内赤道几内亚沿海为狭长平原,岸线平直、少港湾,主要港口位于巴塔.加蓬沿海为冲积平原,主要港口位于利伯维尔和让蒂尔港,具体见图1.研究区内自然资源丰富,但研究区内的国家经济实力普遍较弱,一直深陷“自然资源特别是化石资源的诅咒问题”[13]的困境中.赤道几内亚长期以来一直列于世界最不发达国家的名单上,该国在其领海发现了大量石油资源后经济快速增长;加蓬石油资源丰富,以石油为主的采矿业发展迅速,制造业和农业基础薄弱.研究区内约有40%的人居住在沿海地带[14],生产活动主要为渔业,因此,海岸带人口压力较大.

注:基于自然资源部标准地图服务网审图号为GS(2016)2954号

1.2 数据来源与预处理

本文采用了5期遥感数据,遥感数据的来源卫星及数据年份如表1所示.

表1 数据来源与年份

结合本文研究内容,将土地利用方式划分为耕地、林地、草地、滩地、河流湖泊、未利用地及城市建设用地7类.

1.3 研究方法

1.3.1 海岸线变化

分形维数可以用来表征海岸线不规则的情况,分形维数越大,表明该岸线越曲折破碎;分形维数越小,意味着岸线越平直.人类活动对岸线的影响会导致分形维数的变化.本研究从海岸线长度和分形维数变化2个角度对海岸线特征进行表征.在本研究中,海岸线分形维数的计算方法采用网格法[16],并利用以下公式进行计算:

lgN(ε)=-Dlgε+A.

(1)

式(1)中:N(ε)为海岸线覆盖的正方形网格数目;ε为网格边长;A为待定常数;D为被测海岸线的分形维数.

1.3.2 单一土地利用动态度

单一土地利用动态度反映某一土地利用类型变化的绝对量动态度,其公式为

(2)

式(2)中:Κ1为某一时间某一种土地利用类型的动态度值;Ua和Ub为研究初期和末期某一土地利用类型区域的面积大小;T为研究的时间长度.

1.3.3 土地利用综合程度指数模型

土地利用综合指数[17]用以表述某一时间研究区内人类活动对土地利用类型影响的强弱.计算公式为

(3)

式(3)中:L为土地利用程度指数;Ai为第i级土地利用程度分级指数;Ci为第i级土地利用程度分级面积百分比;n为土地利用类型数量.土地利用程度分级指数的赋值方法如表2所示.

表2 土地利用程度分级指数的赋值方法

1.3.4 灰色关联度

灰色关联度分析是灰色系统分析方法的一种,其基本思想是根据序列曲线几何形状来判断不同序列之间的联系是否紧密[18].关联度越高,说明2个要素同步变化程度越强.本研究使用1 km×1 km,1 km×4 km和1 km×10 km这3种网格尺度,并将同一尺度下海岸线的不同利用类型长度与沿岸的土地利用综合程度指数进行灰色关联度分析,数据去量纲化方法使用均值法,其计算公式为

(4)

2 海岸线时空变迁

2.1 海岸线时间变迁

由图2可看出,研究区海岸线总长度从2000—2020年呈波动上升趋势,岸线长度共增加19.3 km,2010—2015年间增长速度最快,变化率达1.62%.其中:人工岸线长度从2000年的147.75 km增长至2015年的219.32 km,于2020年缩短至193.20 km;自然岸线长度从2000年的706.45 km缩短至2015年的655.87 km,于2020年增长至 680.28 km.

图2 不同时期海岸线总长度及对

利用网格法计算分形维数,结果见图3.2000—2020年,海岸线分形维数的总体趋势为先上升,在2015年达到最大值1.047后,于2020年下降至最小值1.041.2000—2015年,海岸线形状的复杂程度有所增加,但到2020年,海岸线的复杂程度明显降低.

图3 海岸线分形维数

研究推测,2000—2010年,区域处于发展中的状态,海岸线较破碎曲折,人工岸线的长度增加,分形维数也增加;而发展至2020年时,海岸边的人工建筑逐渐成形,同时,海岸变得平整有序,因此,人工海岸线的长度有所缩短,分形维数也随之有所下降.

2.2 海岸线空间变迁

解译海岸线数据后,将海岸线进行空间叠合分析,具体如图4所示.从整个区域上来看,海岸线空间变迁并不明显,但局部地区有明显的海岸线空间变化.海岸线有明显空间变化区域主要集中于赤道几内亚的巴塔地区和卡拉特拉瓦的西部地区、加蓬的利伯维尔地区和洛佩斯角.赤道几内亚巴塔地区和卡拉特拉瓦西部地区海岸线随着年份的增长,逐渐向海洋推进,且形状趋于规整,受人类活动影响明显.洛佩斯角的海岸线空间变化频繁但差别不大,推测人类活动有一定影响,但也受到了沙坝沉积情况的改变和21世纪以来海平面上升等自然因素的影响.

遥感影像图为2020年Landsat8卫星753波段合成假彩色图

3 土地利用类型变化

3.1 土地利用类型的时间变化特征

如表3所示,一直占据土地利用类型面积最大比例的是林地,其次是耕地,土地利用类型面积最小的是未利用地.不同时期研究区内土地利用类型的具体情况如图5所示,土地利用类型随时间变化整体来看较稳定,人类活动扩展具有区域性.

表3 研究区不同时期土地利用类型面积 单位:km2

图5 不同时期研究区域土地利用类型

单一土地利用动态度如表4所示.城市建设用地和未利用地在2000—2020年间变化显著.2000—2005年间,城市建设用地的动态度最大,此时有大量土地转化为城市建设用地.未利用地面积在2000—2010年间变化较大.研究区内在20年间均有所发展,其中,2000—2010年间发展较快,而后,发展速度有所放缓.

表4 不同时期单一土地利用动态度 单位:%

研究区土地综合程度指数计算结果如表5所示.研究区内土地利用综合程度指数呈现逐年增长趋势,数值变化较小是由于研究区内有较大的占比且面积稳定的利用类型,即林地面积占比极大.人类活动剧烈时期主要在2005年前,2000—2005年有较多土地转成了城市建设用地,综合土地利用动态度指数上升1.80,变化率为0.87%.而在2005—2020年间,指数仅上升1.52,变化率为0.72%.

表5 不同时期研究区内土地利用综合程度指数

综上所述,研究区内人类活动较剧烈时期主要集中在2005年前,虽然近年来也一直进行开发,但扩张的速度有所放缓.

3.2 土地利用类型的空间变化特征

将研究区分割为1 km×1 km的网格进行分析,并依此计算每个网格的土地利用综合程度指数,结果如图6所示.可以看出,大部分区域都处于低土地利用程度指数状态,土地利用程度中度及以上的地区主要集中于赤道几内亚境内的巴塔地区、加蓬境内的利伯维尔和恩科一带及让蒂尔港地区.

图6 不同时期1 km×1 km土地利用综合程度指数

至2020年时,研究区内已形成了以赤道几内亚境内的巴塔地区、加蓬境内的利伯维尔及让蒂尔港地区为核心的发展区域,在这些地区,人类活动主要沿海岸线进行,新开发的区域扩张主要向内陆地区,并沿公路向邻近城市扩展.

4 海岸线利用与土地利用综合程度相关分析

为探究海岸线变化与沿岸土地利用程度的相互关系,将研究区分为赤道几内亚部分和加蓬境内至洛佩斯角的区域2个部分,对海岸线以1 km的网格尺度覆盖统计自然岸线长度和人工岸线长度,以1 km × 1 km,1 km × 4 km和1 km × 10 km为尺度的网格覆盖沿岸土地,计算各网格内土地利用综合程度指数,对不同利用类型岸线长度与土地利用综合程度指数进行灰色关联度分析.各地区灰色关联度如图7和图8所示,数字代表灰色关联度值,数值越大则显示的颜色越深.

“11”代表1 km×1 km的网格土地利用综合程度指数;“14”代表1 km×4 km尺度;“110”代表1 km×10 km尺度;N代表自然岸线长度;H表示人工岸线长度.下同

图8 加蓬境内南至洛佩斯角不同海岸线类型与沿岸不同尺度土地利用综合程度指数灰色关联度

赤道几内亚部分人工岸线与土地利用类型1 km×1 km尺度的灰色关联度数值随着时间的变化呈现增加趋势,沿岸土地利用综合程度指数受人工岸线的影响在增大,但在岸线类型中,自然岸线依旧占据主导地位,所以沿岸土地利用随岸线利用类型变化而变化并不十分显著.岸线利用类型的改变对土地利用类型影响程度明显集中于1 km×1 km范围内,即赤道几内亚部分对海岸带土地利用的开发集中于岸线周围.

加蓬境内南至洛佩斯角地区的自然、人工岸线与土地利用类型关联度随时间变化均呈波动下降趋势,人工岸线较自然岸线而言,对沿岸土地利用的影响力在加强.研究区的加蓬境内海岸线与沿岸土地利用的灰色关联度基本在1 km×4 km尺度时值较高.由此可见,在研究区域内,加蓬的海岸线开发强度对沿岸土地利用的影响程度的普遍范围在4 km,加蓬的海岸带利用程度大于赤道几内亚部分.

赤道几内亚里奥坎波以南部分和加蓬境内南至洛佩斯角地区表现了2种不一样的海岸带开发强度,赤道几内亚部分处于海岸带人类开发的初期,而研究区内加蓬境内的海岸带人类开发更多.赤道几内亚部分的土地利用时空变迁近年来首先发生于海岸线附近,然后从海岸线向内陆扩张,但并非为摊大饼式的城市扩张,研究区的内陆并不十分发达.这种区域扩张方式具有十分特别的地域性和限制性,推测原因有:第一,当地气候炎热,水热充足,沿海多平地,开发建造成本低,内陆多原始森林,开发成本和难度大,这样的自然条件是限制城市摊大饼式扩张的重要因素;第二,当地传统产业为渔业,原本近海地区居住大量居民,城市发展一般都从人群聚集区域开始;第三,靠近海洋,海运便利,该区域出口主要为可可、橡胶等货物,外国投资主要为海底石油等产业[19-20],以上产品均适宜海运,而外国资金大量注入滨海地区,滨海地区就业需求增加,都在刺激着滨海地区蓬勃发展.研究区向内陆方向的区域,原始森林无人无路,若无交通路线支持,货物无法运输,因此,人类活动区域大都沿着交通线扩张,研究区内的交通线并不十分复杂,城市与城市之间并不密集,大多为1条交通线直接连通2座城市.

结合第3部分的分析可知,研究区内主要有3个发展中心,这3个发展中心区最开始都沿海扩张发展,而当沿海地区发展至一定程度时,就需要寻求新的扩张区域.因此,人类将目光转至内陆地区,但也因为之前提到的受自然环境制约,人类想将自然生态环境转变为城市环境所需付出的成本极大,在研究区范围内向内陆地区扩张并非易事,这是目前发展速度受制的原因.发展受制主要体现在目前的扩张方向沿着公路,主要朝向凭借公路连接起来的临近城市处扩展,而这也是目前最容易发展起来的路径.

5 结 论

本文以几内亚湾南部的赤道几内亚里奥坎波至加蓬的洛佩斯角海岸线向海向岸10 km为研究区域,利用2000年、2005年、2010年、2015年和2020年的遥感数据,运用GIS空间分析,定量描述了海岸线时空变迁的变化情况和沿岸土地利用类型的变化情况,分析二者之间的相互关系,结果表明:

1)海岸线总长度和人工岸线长度在2000—2015年间一直增加,自然岸线长度在2000—2015年间一直缩短,分形维数在2000—2020年间波动下降,海岸线有明显空间变化的区域主要集中于赤道几内亚的巴塔地区和卡拉特拉瓦西部地区、加蓬的利伯维尔地区和洛佩斯角地区,海岸线空间扩张轨迹在巴塔地区表现出很强的人类活动痕迹,洛佩斯角南侧则受自然和人类共同作用.

2)土地利用类型面积变化波动较大的为城市建设用地和未利用地,研究区内主要建设时间在2000—2010年间,土地利用综合程度指数逐年上升,在2000—2005年间,该指数变化最明显.在1 km×1 km的网格尺度下,研究区大部分地区都处于低土地利用程度指数,土地利用程度指数中高值区域主要集中于赤道几内亚境内的巴塔地区、加蓬境内的利伯维尔及让蒂尔港地区的沿海地带.这些区域在发展中,以2000—2005年间的变化最为显著,土地利用综合程度指数均有明显提高.

3)从不同岸线类型与沿岸土地利用综合程度指数的灰色关联度可以看出,赤道几内亚部分与加蓬境内南至洛佩斯角的海岸带开发利用程度不同,赤道几内亚部分主要集中在距海岸线1 km内,而研究区加蓬部分的海岸线变化对沿岸土地利用的影响辐射范围普遍可达4 km.整体来看,研究区内发展速度较慢,城市扩张较缓,人地矛盾并不突出.研究区内的加蓬海岸带开发强度大于赤道几内亚部分,但在研究区内,2个国家的区域发展依赖于海岸地段某几个城市的发展带动,区域内发展不平衡,在全球变暖、海平面上升的大环境下,政府应注重海岸带的生态可持续发展和整个区域的经济可持续发展.