基于監測業務數據的海域使用強度空間表征方法

陳思露，劉百橋，胡蓓蓓

（天津師范大學地理與環境科學學院，天津300387）

近年來，構建與資源環境承載力相適應的社會經濟發展模式逐漸成為社會各界的共識，生態用海理念已深入人心[1-4].落實到海域管理領域，這一共識可以理解為必須根據海洋資源環境承載力，合理配置海域資源，統籌協調海洋保護和開發活動[5-7].為此，我們要深入認識海域的自然稟賦，及時、全面地掌握海域開發現狀，在此基礎上科學測評海洋資源環境承載力與開發負載之間的協調程度.海域使用是指持續使用特定海域3個月以上的排他性用海活動[8].目前，國內學者對于海域使用強度的概念并無統一的內涵界定，評估方法也多種多樣，較多的研究工作基于海岸線位置和形態等的變化程度衡量海岸開發強度，一方面利用填海面積與占用岸線長度之比作為圍填海開發強度的度量指標[9-12]，另一方面利用某一時間段內海岸線長度變化率、岸線曲折度和分形維數等反映海岸開發強度[13-15].還有一些研究工作根據不同岸線類型和景觀類型所對應的人類干擾程度差異評估海岸區域內的人類活動影響強度[16-19]，針對海灣內的各岸線類型和景觀類型，分別進行指數賦值，計算海岸人工化強度和海灣人力干擾強度.此外，張君玨等[20]根據海岸帶景觀的不均勻性和破碎程度反映人類活動影響強度，利用網格化的地表不透水面數據，采用泰爾指數表征沿海土地開發利用空間差異，并據此分析海岸帶開發強度.

現有研究從不同角度反映了海岸帶開發的強度特征，但與海域資源承載力監測預警和海域使用管控業務等的現實需求還存在一定差距，主要體現在以下幾個方面：一是所考慮的用海活動主要為填海造地，而未考慮圍海、構筑物和開放式等方式的用海活動，這些未被考慮的用海活動在現實中客觀存在，占用較廣的海域面積，對海域環境均造成一定程度的壓力；二是未區分用海產業，不能反映不同產業用海對海域空間資源利用程度的差異性；三是不能很好地利用海域管理業務數據，需要以專門的研究數據為支撐，研究工作限于局部地區，難以適應全國或海區范圍內常態化快速評估的需要.因此，本研究以海域使用動態監測業務數據為信息源，設計了一套根據海域使用范圍、類型和方式評估海域使用負載的空間表征方法，該方法以海域使用負載的空間密度表征海域使用強度的思路和方法，為大尺度范圍內海域使用強度的快速高效評估提供方法參考，為海域資源承載力監測預警、海域使用管控業務等工作提供支持.

1 基本思路

本研究旨在為海域資源承載力監測預警和海域使用管控等工作提供可供業務運行的海域使用強度評估方法，方法的便捷性和結果的有效性是主要目標.海域使用強度空間表征方法立足于3個基本要求：①評估指標在內涵上應體現人們對區域內海域使用強度高低的一般認識.由于用海活動對海洋資源環境具有一定的壓力，可視為海域所承受的一種負擔，本研究稱之為海域使用負載.對某一海域而言，用海項目布局越緊湊，對空間資源的利用越充分，對海域自然屬性的改變程度越大，意味著其承載的海域使用負載就越大，從承載對象的角度看，可理解為海域使用強度越高.②評估方法應直接利用海域動態監測業務數據，在較短時間內實現全海域的使用強度評估；③評估結果應有效反映海域使用強度的空間分異特征.

本研究以海域使用動態監測業務數據為數據源，根據海域使用范圍、類型和方式評估海域使用負載，以海域使用負載的空間密度表征海域使用強度，并歸納其空間分布特征.主要思路為：

（1）根據某點的海域使用類型和用海方式表征該點的海域使用負載.海域使用管理包括海域使用類型的管理和用海方式的管理.不同海域使用類型在利用海域資源要素、發揮資源價值的綜合程度和充分程度方面存在差異，即海域使用類型一定程度上對應著用海活動對海域資源的利用程度，反映其對海域資源的索取壓力；用海方式對應著用海活動對海域自然屬性的影響程度，反映其對海域資源的損耗壓力.因此，可以按照一定的規則，將各海域使用類型和用海方式分別折合為海域資源利用程度系數和海域自然屬性影響程度指標.針對具體點位，可根據該點實際的海域使用類型和用海方式，將對應系數與指標的乘積作為該點海域使用負載的指標值.

（2）用某點一定鄰域內海域使用負載指標值的空間密度值表征該點的海域使用強度.如前所述，海域使用強度是對海域使用的區域聚集程度、資源利用程度和自然屬性影響程度的綜合反映，是衡量一定范圍內海域使用空間分布態勢的指標.事實上，海洋開發活動既在用海范圍內對海域空間構成直接的壓力，也對鄰近一定范圍的海域產生輻射影響，某一點的海域使用強度既來自該點海域使用的直接作用，也來自一定鄰域內其他點位的海域使用影響，對其評估需要考慮鄰域內海域使用的總體情況.本研究根據前述對海域使用強度的描述，選用地理信息核密度分析方法，用計算所得海域使用負載的核密度值表征海域使用強度.

（3）通過空間聚類分析揭示海域使用強度分布的區域分異特征.為了更好地服務管理業務，及時提供區域分類和指示信息，尚需進一步歸納海域使用強度空間分布特征.可按一定規則，對海域使用強度評估結果進行空間聚類，提取海域使用高強度區域.

2 方法介紹

2.1 海域柵格化處理

在中國，對海域使用現狀信息實施“一張圖”管理[21].在海域使用動態監測業務系統中，所有已知項目用海的空間分布和屬性信息儲存在一個多邊形矢量數據圖層中，其中每個項目的用海范圍記錄為一組多邊形，每個多邊形又有相應的海域使用類型和用海方式屬性.海域使用強度評估需要利用地理信息系統的柵格圖層運算工具.評估前需要按照一定的柵格大小，如50 m×50 m，對評估海域進行柵格化處理，并根據使用現狀矢量數據圖層，生成反映海域使用現狀信息的柵格圖層，其中主體屬于海域使用范圍內的柵格會有相應的海域使用類型和用海方式屬性，其他柵格則無此類屬性.

為滿足海域使用強度評估工作需要，運算過程中還需建立若干個柵格數據圖層，分別記載海域自然屬性影響程度指標、海域資源利用程度系數、海域使用負載指標和海域使用強度指標.

2.2 海域使用負載評估

2.2.1 海域自然屬性影響程度指標賦值

根據各柵格對應的用海方式，對記載海域自然屬性影響程度指標的柵格圖層數據進行賦值.設柵格（i，j）上的用海方式為αij，則海域自然屬性影響程度指標 Eij賦值為 e（αij）；如柵格（i，j）上無用海活動，則Eij賦值為0.本研究按照《海域使用分類》（HY/T123-2009）取填海造地、構筑物、圍海和開放式4種用海方式，其他用海方式根據對海域自然屬性的影響程度歸入上述4種方式.出于實驗目的，經咨詢專家，e（αij）取值為

2.2.2 海域資源利用程度系數賦值

根據各柵格對應的海域使用類型，對記載海域資源利用程度系數的柵格圖層數據進行賦值.設柵格（i，j）上的海域使用類型為βij，則海域資源利用程度系數Wij賦值為 w（βij）；如柵格（i，j）上無用海活動，則 Wij賦值為0.鑒于《海域使用分類》（HY/T123-2009）中海域使用類型較多，本研究根據空間資源利用程度相近原則，將海域使用類型歸為漁鹽業用海、工業城鎮用海、交通運輸用海、旅游娛樂用海和其他用海共5大類.根據專家打分結果，w（βij）取值為

2.2.3 海域使用負載指標值計算

通過圖層運算，對記載海域使用負載指標的柵格圖層數據進行賦值，柵格（i，j）的海域使用負載指標取值為

2.3 海域使用強度評估

將柵格圖層數據轉換為以柵格中心為點坐標的點層數據，進行核密度分析，計算海域使用負載指標Pij的核密度值，以此反映海域使用強度的相對水平.

設柵格（i，j）的中心位置為xij，則柵格的核密度值為

式（4）中：k為核函數，本研究取Silverman[22]中的二次核函數；Pt為第t個觀測位置上的海域使用負載指標值；dt為第t個觀測位置距xij位置的距離；h為衰減距離閾值，距離xij越近的點的海域使用負載對xij處的核密度值貢獻越大，當某點與xij的路徑距離達到或超過h時，則該點對xij處的核密度值貢獻衰減為0；T為與xij的距離小于或等于h且具有海域使用負載指標值的柵格數.

目前，衰減距離閾值h的取值暫無理想的參考標準，仍需參照人們感性上衡量海域開發利用強度時著眼的鄰域空間大小，一般可按用海活動對海域空間資源的最大影響距離取值.現實中，海域使用的布局比土地利用寬松很多.海域使用中的“相鄰”和“集聚”概念不能機械理解為海域使用一定要緊鄰、密布.對于海域使用間的空間關系，通常人們心目中有一個大體的空間尺度標準L0，當海域使用間的距離大于L0時，認為它們分離，小于L0時，認為它們相鄰，且隨著海域使用間的距離不斷縮小，人們會認為它們具有越來越明顯的鄰近、集聚特征.本研究定義的某點海域使用強度是人們對該點位周圍L0尺度范圍內海域使用劇烈程度的一種感受.因此，h的取值應與上述理解中的尺度L0相當.《海域使用論證技術導則》（國海發[2010]22號）要求論證范圍應覆蓋項目用海可能影響到的全部區域，并規定一般情況下一級論證的論證范圍以項目用海外緣線為起點向外擴展15 km進行劃定，該標準相當于給出了尺度L0=15 km，鑒于此，本研究也取h=15 km.

2.4 海域使用強度空間特征歸納

借鑒空間自相關原理[23]，利用自然斷裂法，根據組內差異最小、組間差異最大的準則，對核密度柵格圖層數據進行空間聚類分析，可以歸納出海域使用強度的相對高值區域，并將這些區域理解為海域使用負載的集聚區域.

3 試驗與結果

3.1 試驗區域與數據情況

本研究選擇渤海海域為試驗區，嘗試開展海域使用強度計算并分析其空間分異特征.試驗區涉及遼寧、河北、天津和山東4省（市）的13市.試驗區海域向陸一側的邊界為各省（市）公布的管理岸線.

試驗采用國家海域使用動態監視監測系統中的海域使用管理業務數據，包括2015年底的海域使用確權登記數據和海域使用本底庫數據，數據覆蓋試驗區內所有已知的海域開發活動.

3.2 海域使用負載計算結果

試驗區內總的海域使用負載如圖1所示，其中漁鹽業用海、工業城鎮用海、交通運輸用海和旅游娛樂用海4種海域使用類型的負載如圖2所示.

圖1 渤海區總海域使用負載的示意圖Fig.1 Schematic diagram for load of total sea area use in Bohai Sea

圖2 渤海區4種類型的海域使用負載示意圖Fig.2 Schematic diagram for load of four types of sea area use in Bohai Sea

圖1和圖2中的海域使用負載數據在一定程度上反映了海域使用強度空間分布的宏觀趨勢.由圖1可以看出，海域使用負載高值區主要出現在天津、曹妃甸和盤錦港等沿岸海域，此外，長興島、鲅魚圈和黃驊港-埕口等沿岸海域也有相對較高的負載值.結合圖2可知，圖1中突出的負載值主要源自漁鹽業用海、工業城鎮用海以及交通運輸用海的貢獻，特別是集聚在臨港工業綜合配套區內的工業城鎮用海以及交通運輸用海.漁鹽業用海在渤海沿岸的分布相對廣泛，主要布局在河海交匯處和海島附近海域，連片開發特征明顯，但負載值不高，較高值集中在山東濱州-東營以及濰坊沿岸海域.工業城鎮用海呈多點集中分布，主要布局在天津、唐山、盤錦和大連等經濟發達的地區沿岸，海域使用負載值較高，其中尤以天津臨港和南港工業區、曹妃甸、葫蘆島港和盤錦港等沿岸海域最為突出.交通運輸用海主要集中在天津港、曹妃甸、鲅魚圈和黃驊港等沿岸海域，以天津港和黃驊港沿岸海域使用負載最高.旅游娛樂用海總體負載較小，高值區主要集中在濰坊濱海生態旅游休閑娛樂區，該區域有較大規模的填海造地.

但海域使用負載數據僅反映所在點位直接的用海活動.由圖1和圖2可以看出，海域使用負載數據在空間上并非連續分布，其數值分布與海域使用范圍直接對應，位于海域使用范圍內的點位上，對應用海類型和用海方式的海域使用負載值，此外，海域使用負載值為0.因此，海域使用負載數據并不能綜合反映一定范圍內海域使用空間分布的態勢，不具備區域代表性.

3.3 海域使用強度分析結果

為了反映一定范圍內海域使用負載的綜合作用，本研究進一步對海域使用負載數據層進行核密度分析，并對所得核密度數據層進行歸一化處理，得到海域使用強度數據層.為了自動識別海域使用強度的相對高值區域，為海域使用管控業務提供區域分類和指示信息，本研究在此基礎上利用自然斷裂法，按5級分類方案對該層數據進行空間聚類分析，結果如圖3所示.由圖3可以看出，通過核密度分析所得海域使用強度數據在空間分布上保持與海域使用負載數據相同的趨勢，但在具體點位上，海域使用強度數據已與海域使用范圍無直接對應關系，每一點的數值都綜合了一定范圍內海域使用的負載作用，部分點位即使不在海域使用范圍內，仍有海域使用強度值，因此整個數據層在空間上呈現連續分布的特征.

圖3 渤海區海域使用強度示意圖Fig.3 Schematic diagram for intensity of sea area use in Bohai Sea

按照本研究的設定可知，圖3中多個海域使用強度較高的聚類區域內存在分布范圍較高、量值較高的海域使用負載，因此，這些區域可以理解為海域使用負載的集聚區.結合上文中海域使用負載分析結論可知，渤海區海域使用負載集聚區主要呈現“高值核心式”聚集和“較高值平攤式”聚集2種布局方式，前者以集中分布的工業城鎮和交通運輸類填海造地用海為主要成因，后者以連片大規模漁鹽業圍海和分散的工業城鎮、交通運輸類填海造地為主要成因，具體分布如表1所示.

表1 渤海區主要的海域使用負載聚集區Tab.1 Main aggregated area of sea use in Bohai Sea

本研究所得海域使用強度分布特征與高志強等[24]和徐進勇等[25]有關渤海區海岸線變化相對集中區和強度劇烈區的判斷相似，說明本研究海域使用強度評價方法的有效性.

4 結論與討論

4.1 結論

本研究針對海域使用管控業務需求，從海域使用的區域聚集程度、資源利用程度及對海域自然屬性的影響程度等方面概括了海域使用強度概念的內涵，設計了一套用于表征海域使用強度空間分布特征的方法，并以2015年渤海區為例，利用海域使用動態監測數據開展了海域使用強度評估，研究結果表明：

（1）利用本研究方法所得結論與已有認知和研究成果基本一致，可以反映渤海區海域使用強度的空間分布特征，且評估方法簡單、有效.

（2）渤海區海域使用強度空間分異明顯，有多個集聚區域，呈現“高值核心式”聚集和“較高值平攤式”聚集2種分布態勢.“高值核心式”聚集主要出現在盤錦港（遼濱經濟區）和天津-曹妃甸沿岸海域；“較高值平攤式”聚集主要出現在長興島-普蘭店、老母豬礁、鲅魚圈、葫蘆島港-大凌河、興城臨海產業區-長山寺、灤河口、大清河口、黃驊港-埕口、東營港、黃河口、濰坊、小石島和龍口港沿岸海域.

4.2 討論

（1）本研究旨在為海域資源承載力監測預警、海域使用管控等工作提供可用于業務運行的海域使用強度評估方法，方法的便捷性和結果的有效性是主要目標.從研究結果來看，本研究的評估思路和方法為大尺度范圍內海域使用強度的快速高效評估提供了可行途徑.

（2）目前，本研究針對于海域資源利用程度系數和海域自然屬性影響程度的取值主要來源于專家意見，評價結果有一定的主觀性成分，相關研究有待深入.

（3）根據他人研究成果可知[26]，核函數的選擇及衰減距離閾值的取值對海域使用負載核密度計算值存在一定影響，相關研究有待深入.從本文研究結果看，它們不會改變海域使用負載空間密度的空間分布趨勢.由于本文最終采用歸一化的海域使用負載空間密度表征海域使用強度，因此兩者對海域使用強度評估結果的影響有限.

（4）海域柵格化時，柵格大小的選擇會對海域使用強度評估的空間精細程度和計算效率產生影響，較小的柵格尺度導致較高的空間精細程度和較低的計算效率，但不會改變海域使用負載空間密度的空間分布趨勢.本研究認為現實中較小用海工程的海域使用范圍基本在數十米尺度，按數十米尺度進行海域柵格化，評估的空間精細程度和計算效率均較適宜.