廣東省大陸海岸線分形特征及空間分異

鐘 蕊，劉春杉，陳鑫祥

（1.廣東省國土資源技術中心，廣東 廣州 510075；2.廣東省土地調查規劃院，廣東 廣州 510075）

海岸線是陸地與海洋的分界線，是國際地理數據委員會（International Geographic Data Committee）認定的27 個地表要素之一[1]，蘊含豐富的海岸帶資源環境信息，是海岸帶地區經濟發展活動的重要標識[2-3]。建立科學、合理、規范的岸線認知，堅持因地制宜推動構建科學合理的岸線格局、促進集中集約用海和在生態優先的前提下科學用海[4-5]，是陸海統籌背景下海洋管理工作和海洋生態文明建設的需要[6]。廣東省是我國海岸線最長的省區，海岸線的類型及成因、海洋氣候、潮汐、波浪和風等環境因素，均具有顯著的區域特色[7]。海岸線作為海洋生態文明建設和社會經濟發展重要的約束性指標，是重要的空間管理對象。廣東省是海洋經濟國際競爭的核心區域，將海洋作為高質量發展的重要戰略要地，扎實推進海洋強省建設[8-9]。因此，廣東省的海岸線研究是我國海岸線研究中不可或缺的一環，對于推進廣東省域內的海陸統籌有一定的科學意義。

分形理論[10-11]創立以來，分形理論成為描述自然界不光滑和不規則幾何形體的有效工具[12]，被稱為大自然的幾何。分形維數為定量描述地理對象的特征屬性與空間尺度之間的關系提供了理論依據[13]。海岸線具有典型的地理分形特征[14]，也是分形領域較為傳統的研究熱點。海岸線分形維可以反映海岸線的復雜程度和發育程度，以及不同地物類型等要素，為觀察海岸系統提供一個量化維度。國內外學者利用遙感影像、多尺度地圖等不同數據源[12,15-17]、通過網格法、折線法等不同方法[17-19]，對美國、澳大利亞、中國沿海不同地區[20-25]的海岸線分維值進行研究，從地質學、生態學、地貌學等不同學科視角闡釋了海岸線分形維的意義[26-28]。也有學者進一步研究了海岸線分形維與岸線長度、曲折度、分類方式、開發利用等屬性的關系，以及不同岸線類型的形成機制[29-31]。

廣東省海岸線的相關研究，主要集中在珠三角、深圳等區域的海岸線分形及其時空演化特征，以及在分形維基礎上的海岸帶開發利用、景觀變化等[32-34]，較少有學者對廣東省海岸線整體分形特征和空間分異進行研究，尤其缺少對粵東、粵西這些自然岸線資源豐富區域的分形研究。本研究旨在通過對廣東省海岸線分形維的計算，揭示廣東省海岸線的分形和空間分異特征及其影響機制，以期為海岸帶開發、整治及規劃用海提供科學依據。

1 研究對象與數據來源

1.1 研究對象

廣東省全境位于20°09′—25°31′N 和109°45′—117°20′E 之間，屬熱帶和亞熱帶季風氣候，毗鄰南海，是我國海域開發利用程度相對較高的沿海省份，湛江、深圳先后成為全國15 個海洋經濟創新發展示范城市之一。廣東省近海海岸線岸線曲折，從形態成因和物質成因來看，形成了山地溺谷海岸、岬灣海岸、三角洲平原海岸和紅樹林海岸等多種類型。本研究對象為廣東省大陸海岸線，其范圍北起潮州市，南至湛江市，沿途經過14 個沿海地市。

1.2 數據來源

海岸線是平均大潮高潮時的海陸分界線。自然資源系統機構改革后，海岸線代替零米等深線成為區分陸海分界的管理界線[35-37]。本研究數據來自2006—2008 年海岸線修測成果[37]，根據海岸線修測技術規程，主要根據海岸物質組成，分為人工岸線和自然岸線。人工岸線由永久性人工構筑物組成的岸線；自然岸線是指由海陸相互作用形成的岸線，包含砂質岸線、基巖岸線、生物岸線、河口岸線、粉砂淤泥質岸線等5 種類型。

原始數據的修測比例尺為1∶50 000，坐標系為WGS84。將數據統一投影為CGCS2000 坐標系，3°分帶，中央經線為114°E。根據廣東省經濟發展區域的劃分，將廣東省海岸線分為珠三角、粵東、粵西等3 個區域。

2 研究方法

2.1 分形理論

海岸線是傳統歐式幾何整數維空間中在尺度上呈現更精細維度的地理事物，它的結構具有統計意義上的自相似性，可以通過分形維數來定量表征其復雜幾何形態。分形理論解釋了海岸線的無規則分布形態。海岸線分形維的計算，常用的方法有尺規法和盒維數法[19,38]，本研究采用盒維數法進行海岸線分形維數的計算。盒維數的思想起源于對不規則集合的覆蓋，通過研究覆蓋集合的盒子的最小數量和盒子的大小得到。經過龐特里亞金—施尼勒爾曼維數、柯爾莫戈洛夫—契霍米洛夫維數和法爾科內盒維數的發展，產生了現代意義下的盒維數，相較傳統的豪斯道夫維數更容易計算，有著較強的實際應用價值[39]。

根據分形理論，在一定標度區內，用不同邊長的正方形覆蓋被測海岸線，當邊長r發生變化時，覆蓋海岸線的正方形數量N也發生相應變化[19,38]，有以下方程式成立：

式（1）兩邊取以e為底的對數，可得

式（1）、（2）中，A 為待定常數，D 為覆蓋線狀數據的分形維數。采用不同的r 值和對應的N(r)值，通過最小二乘法可得到分形維數D。

2.2 海岸線分形維的計算

按盒維數法的計算思路，分別提取覆蓋海岸線所需要的各個測量尺度（正方形邊長r）和網格數目N。根據前人研究和數據精度的情況，選擇不同邊長的正方形覆蓋研究對象，求得對應的正方形數量（表1），建立各尺度網格長度及網格數目的雙對數散點圖擬合可以得到廣東省海岸線的分形維。

表1 廣東省及各區域網格覆蓋海岸線數量Table 1 Number of coastline grid coverage

用盒維數法測算岸線分形維值，應保證岸線的相對完整性和考慮岸線的破碎程度對分形維值的影響。按照上述原則選取人工岸線、砂質岸線、生物岸線、基巖岸線分布的典型區域。海岸線分形維值受標度區間[19]和尺度數量影響，橫向比較不同類型岸線分形維值應保持一致的標度，且可在標度區間內增加尺度數量以提高統計意義。因此，在選取覆蓋案例區域海岸線的網格大小時，根據岸線長度而對應調整，結合案例區域的最短岸線的長度，選擇標度區間5～ 2 500 m 計算選取岸線的分形維值。根據計算結果，比較廣東省不同類型岸線分形維值的差異和曲折程度。廣東省人工岸線分布較為集中，因此，通過變化標度區間、選取不同的尺度測算全省、珠三角、粵東、粵西的人工岸線的分形維值。

3 結果與分析

3.1 廣東省海岸線分形特征和空間分異

圖1 為廣東省海岸線雙對數散點圖。廣東省海岸線擬合線性方程為?＝－1.106 8 x ＋15.811，分形維值D 為1.106 8（圖1_A）。正方形邊長和數量的雙對數散點之間的相關系數大于0.99，可知測量尺度r 和正方形數目N 之間有高度的線性正相關關系，分形性質客觀存在。因此，可以將分形維數作為表征海岸線隨尺度變化而變化的特征參數。珠三角、粵東、粵西等3 個區域的分形維值分別是1.102 5、1.113 2、1.128 4。從數值上看，粵西的海岸線分形維值最高，其次是粵東，珠三角低于全省海岸線。這表明，廣東省不同區域的海岸線曲折程度存在差異，粵西相較于其他區域曲折程度更高，珠三角曲折程度低于粵東、粵西和全省整體的曲折程度。

圖1 雙對數散點圖Fig.1 Double logarithmic scatter plot

3.2 不同類型岸線的分形特征

廣東省岸線類型復雜多樣，分布上的空間差異性較大。從長度看，人工岸線占比過半，自然岸線中砂質岸線占比最高，生物岸線和基巖岸線次之且長度大致相等，還有少量的河口岸線和粉砂淤泥岸線（表2）。

表2 廣東省各類型海岸線分布情況Table 2 Distribution of different types of coastlines in Guangdong province

人類對近海資源的利用方式會直接影響到海岸線的形態。廣東省的人工岸線向海一側主要有漁業岸線、造地工程岸線、工業岸線等，沿線主要有圍海養殖、漁業基礎設施、水域及水利設施、各類城鎮建設用地填海造陸等多種利用方式。結合2005—2008 年遙感影像數據對沿線地物的判讀，在江門黃茅海岸段選取較為平直的圍海養殖用海方式的岸線RG1，在湛江流沙灣選取較為曲折的圍海養殖岸線RG2，在湛江遂溪河口岸段和廣州南沙岸段分別選取城鎮建設用地為主要利用方式，工業區、居民區集中的岸線RG3 和RG4，以及在汕頭榕江河口岸段選取主要為人工海堤的岸線RG5（圖2）。

圖2 人工岸線案例區遙感影像Fig.2 Remote sensing images of artificial coastline case area

自然岸線方面，選取江門鎮海灣岸段和湛江雷州灣岸段生物岸線分布集中的岸線SW1 和SW2，深圳大鵬半島、江門臺山的基巖岸線JY1 和JY2，湛江遂溪、徐聞潮汐作用明顯的砂質岸線SZ1 和SZ2，以及茂名—陽江、汕尾—揭陽間波浪作用占優勢的砂質岸線SZ3 和SZ4（圖3）。

圖3 岸線類型研究區域分布示意圖Fig.3 Spatial distribution of different coastline types

在選取的自然岸線中，生物岸線的分形維值普遍高于其他類型的岸線，砂質岸線明顯低于其他岸線類型（表3）。對比兩種不同成因的砂質岸線分形維值發現，不同外力作用下的砂質海岸的形態差異不明顯。選取的基巖岸線案例區域，巖石成分主要是花崗巖，巖性致密，難以被侵蝕風化，多成為岬角和高陡的海岸，岸線曲折、復雜，具有較高的分形水平。

表3 案例區海岸線分形維Table 3 Distribution of different types of coastlines in Guangdong province

人工岸線的形態特征受人為因素與自然因素共同影響。為避免海灣區域海洋向陸地延伸形成的曲折岸線影響分形水平，本研究中選取的案例保持了海岸線的單一方向。一般來說，人工岸線分形維值低于生物岸線，高于砂質岸線。從不同土地利用方式看，沿線不同地物的人工岸線之間分形維值差異較小，圍海養殖的圍海方式不同對岸線的分形維值影響差異較大。RG1 岸段圍海養殖岸線較為平直，分形維值低，RG2 岸段圍海養殖岸線較為曲折，分形維值高。不同的城鎮建設用地RG3、RG4、RG5的分形維值差異顯示出人類岸線改造差異對岸線形態的影響。其中，人工海堤岸段的岸線分形維值較低，該類地物構成的岸線除沿線的水閘外，岸線光滑平直。

3.3 岸線分形的空間分異

珠三角、粵東、粵西等三個區域海岸線結構（表4）顯示，人工岸線是三個區域海岸線的主要組成部分。表5 中四種標度的計算結果表明，三個區域的人工岸線分形維變化規律一致，粵西最高，全省次之，珠三角和粵東則低于全省。珠三角地區人工岸線占比略高，分布集中，多由連續淤泥質海岸人為作用向海推進變化而來，曲折度較低。珠三角區域圍填海形成的岸線較多且平直，也降低了分形維值。

表5 研究區域人工海岸線分形維Table 5 Fractal dimension of artificial coastline

廣東省沿海灘涂資源豐富，適宜發展養殖業，養殖用海是全省主要用海類型之一，養殖用海形成的人工岸線主要分布在粵東和粵西。粵東利用海灣資源發展集中連片分布的圍海養殖，岸線整體較平直，如汕尾、汕頭澄海、潮州饒平等地。粵西海灣多深入內陸，岸線復雜多變，尤其是湛江海域岸線曲折、不規則，且海域潮差較大，存在較大面積的灘涂，發展圍海養殖的區域眾多。且養殖區域向海輻射的半徑長短不一，曲折度較大。

和人工岸線相比，三個區域在自然岸線結構上存在較大差異（表4），影響了整體海岸線分形維值。廣東沿海地帶有北東向、北西向、東西向三種不同方向的斷裂帶[40]，互相交錯，形成了一系列隆起帶和沉降帶相間排列的區域，地貌上表現為沿海岸線曲折，平原和海灣相間。基巖岸線主要分布在處于粵桂隆起帶[41]的臺山，粵東隆起帶的深圳大鵬半島、博羅、惠東、海豐等地，第四紀更新世地殼發生下沉，使得燕山運動時期形成的花崗巖山體直逼海岸，抵抗風化、剝蝕作用、沖蝕作用較強，形成港灣、岬角相間的海岸形態，提升了岸線的整體曲折度。砂質岸線多在粵東和粵西集中連片分布，較為平直，且由于多在凹形的基巖海岸中發育，常與基巖岸線伴隨分布。生物岸線主要是紅樹林岸線，因氣候原因，主要分布在粵西和珠三角，且在粵西占比較高，提高了整個區域的分形維值。粉砂淤泥質岸線占比低，岸線平緩，主要是由潮汐作用塑造的低平海岸，改造成本較低，易被建設為人工岸線。

表4 三大區域海岸線結構Table 4 Three regional coastline structure %

5 結論

海岸線分形維值可以反映岸線的復雜程度和發育程度，為觀察和理解海岸系統提供一個量化維度。本研究測算了廣東省及珠三角、粵東、粵西等區域的海岸線分形維值，通過不同類型的海岸線分形性質和各區域海岸線結構，分析了不同類型岸線分形維差異及原因。結果表明：

1）廣東省海岸線整體的分形維值為1.106 8，珠三角、粵東和粵西三個區域的分形維值分別為1.102 5、1.113 2 和1.128 4，顯示出空間異質性，表明不同區域的海岸線曲折程度存在差異。

2）廣東省海岸線分形維空間異質性源于各區域岸線的類型及結構的不同。

本研究從分形視角出發，為落實海岸線分類分段精細化管控，更好地發揮岸線的生態、經濟、社會功能，推動構建科學合理的岸線格局、促進集中集約用海和在生態優先的前提下科學用海，助力海洋生態文明建設提供科學參考。