廈門(mén)島海岸線(xiàn)分形特性演變規(guī)律的研究

林 松俞曉牮莊小冰李焱龍張 宇趙志慶

(1.廈門(mén)大學(xué) 海洋與地球?qū)W院,福建 廈門(mén)361005；2.閩南師范大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建 漳州363000；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱150001；4.廈門(mén)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,福建 廈門(mén)361005)

海岸帶是海洋與陸地系統(tǒng)交叉作用、相互影響的地理單元,是研究濱海城市發(fā)展的重要平臺(tái),海岸線(xiàn)是海岸帶與海洋邊界的重要標(biāo)識(shí),人們常以多年平均大潮高潮時(shí)的水陸分界痕跡線(xiàn)來(lái)指代海岸線(xiàn)。海岸帶的環(huán)境變化會(huì)影響海岸線(xiàn)的空間形態(tài),研究海岸線(xiàn)的變遷對(duì)海岸帶環(huán)境演變研究具有重要意義[1]。近年來(lái),港口建設(shè)、填海造陸等海岸帶經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)活動(dòng)日益頻繁,數(shù)據(jù)表明[2],僅在1979—2014年,中國(guó)的填海造地面積就高達(dá)2 156.77 km2,嚴(yán)重改變了海岸帶的生態(tài)環(huán)境,加劇了海岸線(xiàn)的變遷過(guò)程。因此,監(jiān)測(cè)海岸線(xiàn)變化反映海岸帶的動(dòng)態(tài)過(guò)程,對(duì)于制定填海造陸、港口開(kāi)發(fā)等海洋工程規(guī)劃具有重大意義。

海岸線(xiàn)具有多重的凹凸復(fù)雜結(jié)構(gòu)[3],它是典型的、具有自相似特性的系統(tǒng),不能簡(jiǎn)單地用點(diǎn)、線(xiàn)、面等整維數(shù)的幾何體來(lái)描述。1967年,Mandelbrot[4]研究英國(guó)海岸線(xiàn)中首次引入了海岸線(xiàn)分形的概念,并在后續(xù)研究中運(yùn)用量規(guī)法模擬計(jì)算出包括英國(guó)、法國(guó)以及非洲等一系列區(qū)域海岸線(xiàn)的分形維數(shù)為1.2～1.3[5]。之后幾十年,海岸線(xiàn)的分形理論逐漸發(fā)展成熟,不再局限于分形維數(shù)的模擬計(jì)算,而是利用遙感影像來(lái)計(jì)算海岸線(xiàn)的實(shí)際分形維數(shù),運(yùn)用的計(jì)算方法包括改進(jìn)的量規(guī)法[6-8]、譜分析法[6]和盒子計(jì)數(shù)法[8-10]等。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外已有較多應(yīng)用分形理論分析海岸線(xiàn)變遷的研究,例如:Jiang采用改進(jìn)的量規(guī)法,分割計(jì)算了美國(guó)各海岸弧的分形維數(shù),發(fā)現(xiàn)美國(guó)的大西洋海岸的分形維數(shù)要比太平洋海岸高得多,并將計(jì)算結(jié)果與海岸線(xiàn)復(fù)雜程度相聯(lián)系,解釋了沿海物種分布和多樣性模式[7]；葉曉敏基于遙感數(shù)據(jù),采用盒子計(jì)數(shù)法,計(jì)算了膠州灣[10]和渤海灣[11]歷史岸線(xiàn)的分形維數(shù),并分析了其演變特性,發(fā)現(xiàn)海灣岸線(xiàn)變遷的主要驅(qū)動(dòng)因素是養(yǎng)殖場(chǎng)建造、圍填海和港口建設(shè)等?？梢?jiàn),分形理論是描述海岸線(xiàn)幾何特征有效工具之一,可以為濱海城市海岸線(xiàn)的復(fù)雜性演變研究提供重要的定量分析手段。

廈門(mén)島是廈門(mén)經(jīng)濟(jì)特區(qū)的發(fā)祥地,是東南沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快速的區(qū)域之一?？焖俚某鞘谢M(jìn)程使得廈門(mén)島的自然海岸幾乎完全被人工海岸所取代,并且由于大規(guī)模的填海工程,島嶼面積從最初的110.80 km2,擴(kuò)展到157.76 km2[12],這使得廈門(mén)島海岸線(xiàn)的復(fù)雜程度大大降低。由此可見(jiàn),廈門(mén)島海岸線(xiàn)的變遷和島嶼的城市化進(jìn)程存在一定的內(nèi)在關(guān)系,通過(guò)對(duì)廈門(mén)島海岸線(xiàn)分形特性演變規(guī)律的研究,能夠反映廈門(mén)島海岸帶和海岸環(huán)境的變動(dòng),為島嶼的市政與海洋工程規(guī)劃提供一定的參考。

選取廈門(mén)島為案例區(qū),利用1976—2018年廈門(mén)島海岸帶的Landsat衛(wèi)星圖像資料,結(jié)合改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(Modified Normalized Difference Water Index,MNDWI)和基于Canny算子的邊緣檢測(cè)法,以數(shù)字圖像處理方式,提取研究期間廈門(mén)島的海岸線(xiàn)圖像。然后,根據(jù)提取出的海岸線(xiàn)圖像,計(jì)算出各年間廈門(mén)島海岸線(xiàn)的分形維數(shù)并分析其演變規(guī)律。最后結(jié)合研究期間廈門(mén)島的填海造陸規(guī)劃,探討廈門(mén)島海岸線(xiàn)變遷與其分形特性演變之間的內(nèi)在關(guān)系。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

廈門(mén)島(118°02'～118°13'E,24°25'～24°33'N),隸屬于福建省廈門(mén)市,位于福建南部的海灣、九龍江口外側(cè),島嶼土地總面積約157.76 km2,它是典型的人口高度集中和經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展的濱海區(qū)域,目前島上已經(jīng)高度城市化。由于海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)的建設(shè),廈門(mén)島經(jīng)歷過(guò)多次海洋工程,目前島嶼的淤泥質(zhì)海岸出現(xiàn)嚴(yán)重退化。所以,廈門(mén)島的海岸類(lèi)型以人工海岸和基巖海岸為主,還保留少部分砂質(zhì)海岸。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于Landsat 2和Landsat 3衛(wèi)星多波段掃描儀(Multi Spectral Scanner,MSS)影像、Landsat 5衛(wèi)星主題成像儀(Thematic Mapper,TM)影像、Landsat 8衛(wèi)星陸地成像儀(operational land imager,OLI)影像[13]。MSS影像數(shù)據(jù)包含4個(gè)波段(綠色、紅色、波長(zhǎng)不同的2個(gè)近紅外波段),所有波段的分辨率均為60 m。TM影像數(shù)據(jù)包含7個(gè)波段(藍(lán)色、綠色、紅色、近紅外、波長(zhǎng)不同的2個(gè)中紅外和熱紅外波段),其中,熱紅外波段的空間分辨率為120 m,其余波段空間分辨率為30 m。OLI影像數(shù)據(jù)在TM影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上增加了氣溶膠(分辨率為30 m)、全色(分辨率為15 m)和卷云(分辨率為30 m)波段,此外還縮小了近紅外波段的波長(zhǎng)范圍。

為保證海岸線(xiàn)提取的精確性,我們對(duì)原始數(shù)據(jù)做了初步的篩選,以確保所研究的衛(wèi)星影像中廈門(mén)島的海岸帶附近無(wú)云層覆蓋,并且成像時(shí)間接近于當(dāng)日的高潮時(shí),因?yàn)楦叱睍r(shí)島嶼的潮間帶大部分或全部被海水覆蓋,能較好地反映海岸線(xiàn)的信息。經(jīng)過(guò)篩選,我們選取1976年和1981年的MSS影像,1987年、1995年、2000年、2005年和2010年的TM影像以及2015年和2018年的OLI影像作為研究對(duì)象(圖1)。之后,對(duì)滿(mǎn)足條件的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)做系統(tǒng)輻射校正和大氣校正,并且通過(guò)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)進(jìn)行地形校正,目的是消除大氣、太陽(yáng)高度角、視角和地形等對(duì)地面光譜反射信號(hào)的影響,以確保所提取的海岸線(xiàn)的精確度[12]。

圖1 1976—2018年廈門(mén)島衛(wèi)星圖像以及海岸線(xiàn)提取結(jié)果Fig.1 Satellite image and coastline extraction results of Xiamen Island from 1976 to 2018

2.3 研究方法

2.3.1 海岸線(xiàn)的提取方法

20世紀(jì)初,航空遙感技術(shù)的高速發(fā)展降低了實(shí)時(shí)獲取高精度、大面積的海岸帶影像的難度,促進(jìn)了利用遙感影像提取海岸線(xiàn)技術(shù)的成熟。在這個(gè)時(shí)期,科研人員提出了三類(lèi)提取海岸線(xiàn)的方法:1)簡(jiǎn)單利用水體和陸地圖像灰度值差異或者根據(jù)水陸邊界灰度值梯度值提取海岸線(xiàn),例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器法[14]、邊界跟蹤法、基于小波變換和Snake算子邊緣檢測(cè)法等[15]；2)將衛(wèi)星不同波段圖像疊加成紅-綠-藍(lán)三原色(RGB)圖后,增強(qiáng)水陸邊界色彩差異性后提取海岸線(xiàn),例如邊界直方圖法與波段組合法[14]；3)對(duì)原始圖像做模糊增強(qiáng)變換,得到模糊特征數(shù)據(jù),再映射回原始圖像上,增強(qiáng)邊界差異性的基于模糊信息處理的邊緣檢測(cè)法[16]等。在這三類(lèi)方法中,邊緣檢測(cè)法因算法簡(jiǎn)單,能直接獲取邊界圖像,使用率最高,但是對(duì)于水陸邊界差異性不明顯的遙感影像,該方法提取的海岸線(xiàn)精度卻不高；波段組合法雖然能夠增強(qiáng)水陸邊界差異性,提高提取精度,但不能直接獲取海岸線(xiàn)圖像。因此,本研究先利用波段組合法中的常用的歸一化水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index,NDWI)或改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(MNDWI)對(duì)原始衛(wèi)星影像做預(yù)處理,以提高水陸邊界灰度級(jí)梯度,再進(jìn)行基于Canny算子的邊緣檢測(cè),以能夠高精度地提取廈門(mén)島在各年份廈門(mén)島高潮時(shí)的水邊線(xiàn)。高潮時(shí),島嶼的水邊線(xiàn)可以近似看作與岸線(xiàn)位置一致,因此在后續(xù)的計(jì)算分析中,我們用高潮時(shí)的水邊線(xiàn)代替海岸線(xiàn)計(jì)算分析分形維數(shù),這相較于傳統(tǒng)的、通過(guò)歷年的地圖和海圖來(lái)直接提取高潮時(shí)的水邊線(xiàn)具有實(shí)時(shí)性、精度高、針對(duì)性和可自動(dòng)化處理等優(yōu)勢(shì)(下文所提及的海岸線(xiàn),均為高潮時(shí)的水邊線(xiàn))。

歸一化水體指數(shù)(NDWI)是Mc Feeters提出的一種利用不同地類(lèi)在不同波段中的波譜特點(diǎn),利用比值計(jì)算快速提取水體信息的方法[17],NDWI定義公式為式中:RGREEN為影像中不同地類(lèi)在綠光波段的反射率,RNIR為在近紅外波段的反射率。

經(jīng)過(guò)NDWI計(jì)算可以降低影像中植被、土壤的灰度級(jí),將其與灰度級(jí)較高的水體區(qū)分開(kāi),但是在很多情況下,用NDWI提取的水體信息中仍然夾雜著較多非水體信息,特別是在提取人工地類(lèi)與周邊水體方面效果很差。因此,為了更好地提取人工地類(lèi)中的水體信息,徐涵秋將NDWI公式中不同地類(lèi)在近紅外波段的反射率替換為在中紅外波段的反射率,提出了改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(MNDWI)[18],MNDWI的定義公式為

式中:RMIR代表影像中不同地類(lèi)在中紅外波段的反射率。經(jīng)過(guò)MNDWI計(jì)算,不僅降低了影像中植被、土壤的灰度級(jí),還降低了影像中人工地類(lèi)、陰影的灰度值,因此能更好地將人工海岸和水體區(qū)分開(kāi)。

在研究中采用MNDWI對(duì)TM與OLI影像進(jìn)行預(yù)處理,采用NDWI對(duì)MSS影像進(jìn)行預(yù)處理,這是由于MSS影像中沒(méi)有中紅外波段。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的衛(wèi)星圖像導(dǎo)入編寫(xiě)的Canny邊緣檢測(cè)程序[19],邊緣檢測(cè)程序的思路是采用多路徑檢測(cè),計(jì)算圖像上每一點(diǎn)的梯度和邊緣方向,根據(jù)邊緣點(diǎn)在梯度方向上強(qiáng)度最大的特點(diǎn),將所有的邊緣點(diǎn)提取出來(lái),連接邊緣點(diǎn)后就可以得到高精度的廈門(mén)島的海岸線(xiàn)。采用MNDWI或NDWI和Canny算子相結(jié)合的方法提取的海岸線(xiàn)和島嶼的輪廓線(xiàn)貼合程度高,能較大程度地保留海岸線(xiàn)信息。

2.3.2 分形維數(shù)的計(jì)算方法

盒維數(shù)是一種被廣泛應(yīng)用的分形維數(shù),在分形理論的應(yīng)用研究中被提出的許多維數(shù)的概念都是盒維數(shù)的變形,并且由于盒維數(shù)是由相同形狀集的覆蓋確定的,可以進(jìn)行程序化的計(jì)算,因此研究中將廈門(mén)島海岸線(xiàn)的盒維數(shù)作為分析的對(duì)象。

盒維數(shù)的計(jì)算方法就是使用不同邊長(zhǎng)的正方形盒子去覆蓋待測(cè)海岸線(xiàn)圖像,當(dāng)正方形盒子的邊長(zhǎng)l發(fā)生變化時(shí),包含海岸線(xiàn)圖形的盒子數(shù)目N(l)也會(huì)發(fā)生變化,根據(jù)分形理論[3],N(l)∝l-D,對(duì)公式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù),可以得到:

式中:C為待定系數(shù),D為待測(cè)海岸線(xiàn)的盒維數(shù)。取不同邊長(zhǎng)的盒子去覆蓋海岸線(xiàn)圖像,得到對(duì)應(yīng)的N(l)值,再開(kāi)展擬合分析,即可得到盒維數(shù)D。為實(shí)現(xiàn)盒維數(shù)的計(jì)算,本研究編寫(xiě)了相關(guān)的Matlab軟件程序,程序計(jì)算的具體過(guò)程為:1)對(duì)海岸線(xiàn)圖像進(jìn)行背景擴(kuò)充,使圖像的長(zhǎng)寬相等；2)對(duì)擴(kuò)充完的圖像進(jìn)行二值化處理,使得海岸線(xiàn)在圖中顯示為黑色,在相應(yīng)的圖像矩陣中表示為0；3)用行數(shù)和列數(shù)均為l的矩陣對(duì)海岸線(xiàn)圖像進(jìn)行盒子覆蓋,得到一系列覆蓋盒子數(shù),即包含海岸線(xiàn)圖像點(diǎn)(像素點(diǎn)為0)的盒子數(shù)和盒子大小的數(shù)據(jù)對(duì)(N(l),1/l)；4)將所有數(shù)據(jù)繪制在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中,并進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析,如能得到一條擬合直線(xiàn),則輸出擬合直線(xiàn)的斜率以及擬合優(yōu)度R2,擬合直線(xiàn)的斜率即為海岸線(xiàn)的盒維數(shù)。

為在保證足夠的數(shù)據(jù)量的同時(shí)降低程序的運(yùn)算量,研究中設(shè)計(jì)了一個(gè)遞增的盒子大小的序列(l0=0):

為了驗(yàn)證分形維數(shù)計(jì)算程序的準(zhǔn)確性,對(duì)已知分形維數(shù)的幾何圖形(圓形、Koch曲線(xiàn)、Apollonian墊片等)與經(jīng)典海岸線(xiàn)(挪威海岸線(xiàn)、英國(guó)海岸線(xiàn))的盒維數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和比較(表1),結(jié)果表明:對(duì)于圓這一類(lèi)細(xì)節(jié)較少、分形維數(shù)為1的平滑曲線(xiàn),其相對(duì)誤差僅為0.21%,而對(duì)于Koch曲線(xiàn)、Vicsek分形和Sierpinski三角等具有較多細(xì)節(jié)的分形圖形,相對(duì)誤差略大一些,這是由于分形圖形具有無(wú)限的細(xì)節(jié),而所使用的圖片分辨率是有限的,無(wú)法展示分形圖形的所有細(xì)節(jié),為計(jì)算結(jié)果帶來(lái)了一定的誤差。但總體來(lái)看研究中所設(shè)計(jì)的程序,無(wú)論對(duì)經(jīng)典分形圖形還是對(duì)經(jīng)典海岸線(xiàn)分形維數(shù)的計(jì)算,相對(duì)誤差均低于5%,具有較高的精度。

表1 分形圖形盒維數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Fractal dimension of fractal images

3 結(jié)果與分析

3.1 廈門(mén)島海岸線(xiàn)提取結(jié)果

從通過(guò)Canny邊緣檢測(cè)程序提取的1976—2018年廈門(mén)島海岸線(xiàn)結(jié)果(圖1)可以明顯地看出:廈門(mén)島海岸線(xiàn)具有不規(guī)則性和復(fù)雜性,這類(lèi)似于經(jīng)典的分形海岸線(xiàn)(如英國(guó)、挪威等)[4,7]；廈門(mén)島海岸線(xiàn)表現(xiàn)了一定程度上整體與局部的空間相似性,這種自相似是分形的重要特性,因而可以用分形理論來(lái)描述廈門(mén)島復(fù)雜海岸線(xiàn)。

從提取效果來(lái)看,對(duì)于基巖和人工海岸,采用MNDWI(NDWI)和Canny算子相結(jié)合的方法提取的海岸線(xiàn)基本貼合島嶼輪廓,但是對(duì)于砂質(zhì)和淤泥質(zhì)海岸,提取的結(jié)果和島嶼輪廓會(huì)有所偏差。以2018年廈門(mén)島衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的海岸線(xiàn)提取結(jié)果(圖2)為例:對(duì)于島嶼北部人工海岸,所提取的海岸線(xiàn)基本貼合海岸輪廓；但是對(duì)與島嶼東南部的沙灘,仍有小部分海岸線(xiàn)沒(méi)能完全貼合海岸輪廓,這是因?yàn)樯百|(zhì)海岸邊緣灰度值梯度小,邊緣探測(cè)精度不夠高[20]。廈門(mén)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的高度城市化使得島嶼的砂質(zhì)、淤泥質(zhì)海岸退化嚴(yán)重,進(jìn)而致使整座島嶼以基巖、人工海岸為主,因此,從整體來(lái)看,所提取出的海岸線(xiàn)基本貼合整座島嶼,對(duì)廈門(mén)島盒維數(shù)的計(jì)算與分形特性演變規(guī)律分析影響不大。

圖2 2018年廈門(mén)島人工海岸線(xiàn) (島嶼北部)與砂質(zhì)海岸線(xiàn) (島嶼南部)提取效果對(duì)比Fig.2 Comparison of the extracted coastline along the artificial coast(northern island)and sandy coast(southeastern island)of the Xiamen Island in 2018

3.2 廈門(mén)島海岸線(xiàn)分形特性

分形維數(shù)計(jì)算程序計(jì)算了廈門(mén)島1976—2018年海岸線(xiàn)的盒維數(shù)值(表2),發(fā)現(xiàn)其歷史海岸線(xiàn)的盒維數(shù)為1.098 9～1.118 1?？梢钥闯?由于廈門(mén)島歷史海岸線(xiàn)復(fù)雜程度的不同,計(jì)算出的盒維數(shù)也不同。其中,廈門(mén)島在1976年的海岸線(xiàn)盒維數(shù)值最大,而在2010年的海岸線(xiàn)盒維數(shù)值最小,結(jié)合廈門(mén)島在這2個(gè)時(shí)期的海岸線(xiàn)圖像(圖1a和圖1g),相比于2010年,1976年的廈門(mén)島的存在大量的海灣,海岸線(xiàn)顯得更加復(fù)雜,由此可見(jiàn)盒維數(shù)的大小和海岸線(xiàn)的復(fù)雜程度有關(guān),海岸線(xiàn)復(fù)雜的島嶼的盒維數(shù)較大,海岸線(xiàn)簡(jiǎn)單的島嶼的盒維數(shù)較小。此外,由表2可知lnN(l)與的擬合優(yōu)度均在0.997 9以上,可見(jiàn)廈門(mén)島各個(gè)時(shí)期海岸線(xiàn)的分形特性是客觀存在的。綜上所述,分形維數(shù)可以作為表征廈門(mén)島海岸線(xiàn)隨時(shí)間變化的特征參數(shù)。

表2 1976—2018年廈門(mén)島海岸線(xiàn)盒維數(shù)和擬合度Table 2 Fractal dimension of coastline of the Xiamen Island from 1976 to 2018

根據(jù)表2的結(jié)果,繪制出廈門(mén)島海岸線(xiàn)1976—2018年間的盒維數(shù)演變曲線(xiàn)(圖3),結(jié)合表2和圖3的結(jié)果,可以看出,廈門(mén)島海岸線(xiàn)的盒維數(shù)總體呈下降趨勢(shì)。其中,1976—1981年,廈門(mén)島海岸線(xiàn)盒維數(shù)呈現(xiàn)出急劇降低的趨勢(shì),僅在5 a間,盒維數(shù)下降了12‰；1981—1995年盒維數(shù)呈現(xiàn)升高的趨勢(shì),在14 a間增加了8.95‰；在1995—2010年盒維數(shù)呈現(xiàn)快速降低趨勢(shì),在15 a間下降了13.23‰；而2010—2018年,盒維數(shù)不再有大幅度的變化,變化幅度都在1.4‰以?xún)?nèi)。

由于海岸線(xiàn)的盒維數(shù)與其復(fù)雜程度有關(guān),本研究根據(jù)海岸線(xiàn)提取結(jié)果繪制了1976—2010年廈門(mén)島海岸線(xiàn)變遷圖(圖4),分階段探討廈門(mén)島海岸線(xiàn)盒維數(shù)變遷的原因。

圖3 1976—2018年間廈門(mén)島海岸線(xiàn)盒維數(shù)的變化Fig.3 Box dimension variability of the Xiamen Island from 1976 to 2018

圖4 廈門(mén)島1976—2010年海岸線(xiàn)變遷階段圖Fig.4 Stage map of coastline changes in the Xiamen Island from 1976 to 2010

1)1976—1981年,廈門(mén)島海岸線(xiàn)盒維數(shù)急劇下降,從1.118 1降低至1.103 7,這主要是因?yàn)閸u嶼西北部象嶼保稅區(qū)的大規(guī)模填海工程使得西北部的天然海灣大量消失,彎曲的岸線(xiàn)變得平直,直接導(dǎo)致盒維數(shù)的降低。此外,島嶼東部的填海造田工程,也降低了廈門(mén)島東岸的海岸線(xiàn)的復(fù)雜程度,從而使總的海岸線(xiàn)盒維數(shù)減小。

2)1981—2000年,廈門(mén)島海岸線(xiàn)盒維數(shù)出現(xiàn)較大幅度的增加,從1.103 7增加至1.113 3。在此期間,廈門(mén)島的填海工程依舊集中在島嶼西北部的象嶼保稅區(qū),在原有的基礎(chǔ)上向外擴(kuò)建,此外還修建了碼頭與港口,造成了人工海岸線(xiàn)的增加,提高了海岸線(xiàn)的復(fù)雜彎曲程度,造成了海岸線(xiàn)盒維數(shù)的上升。

3)2000—2010年,廈門(mén)島海岸線(xiàn)盒維數(shù)再次急劇下降,從1.113 3降低至1.098 9。在此期間,島嶼北部的五緣灣地區(qū)進(jìn)行了大型的填海工程,使得北海岸的岸線(xiàn)復(fù)雜程度大大降低,導(dǎo)致了盒維數(shù)的下降。值得注意的是:2005—2010年廈門(mén)島的海岸線(xiàn)盒維數(shù)急劇降低,5年間下降了9.73‰,這主要是因?yàn)楦咂闄C(jī)場(chǎng)的建成,使得原本曲折不平的自然海岸線(xiàn)變成了平直的人工海岸線(xiàn),大大降低了海岸線(xiàn)的復(fù)雜程度,從而使總的海岸線(xiàn)的盒維數(shù)急劇降低。

4)2010—2018年,廈門(mén)島海岸線(xiàn)的盒維數(shù)變化開(kāi)始變得緩慢,在1.100 0左右波動(dòng)。盒維數(shù)的變化主要是自然過(guò)程造成的,例如五緣灣的泥沙淤積、海水侵蝕等。

由此可見(jiàn),填海造陸工程是影響海岸線(xiàn)盒維數(shù)的最主要原因。通過(guò)分析不同年份之間的盒維數(shù)的變化,我們就可以評(píng)估填海工程對(duì)海岸線(xiàn)復(fù)雜程度以及海岸帶的影響。一般情況下,只要在研究期間出現(xiàn)了盒維數(shù)的大幅下降,就意味著這一時(shí)期填海工程的主要區(qū)域?yàn)楹车貛?使得海岸線(xiàn)變得平直；而在研究期間出現(xiàn)盒維數(shù)的上升,則說(shuō)明這一時(shí)期的填海工程主要是為了建設(shè)新的碼頭或者港口,使得海岸線(xiàn)變得復(fù)雜。

對(duì)于整個(gè)廈門(mén)島來(lái)說(shuō),1976—2018年,其整體海岸線(xiàn)分形維數(shù)呈總體下降的趨勢(shì),這說(shuō)明期間對(duì)海岸線(xiàn)的填海工程使得廈門(mén)島的整體海岸線(xiàn)趨于平直。而若將廈門(mén)島海岸線(xiàn)二等分,可以發(fā)現(xiàn)其填海工程主要集中在島嶼的西北部,而南部在1976年以后幾乎沒(méi)有很大的開(kāi)發(fā)計(jì)劃,這種明顯的對(duì)海岸線(xiàn)的填海工程的空間分布特征非常值得對(duì)海岸線(xiàn)分段并做進(jìn)一步的分形分析。

4 結(jié) 論

本研究提出基于衛(wèi)星遙感影像的廈門(mén)島海岸線(xiàn)分形維數(shù)分析方法,獲得了廈門(mén)島1976—2018年的海岸線(xiàn)盒維數(shù),在此期間,廈門(mén)島海岸線(xiàn)的盒維數(shù)先后經(jīng)歷了急劇降低(1976—1981年),增加(1981—2000年),再迅速降低(2000—2010年),最后緩變(2010—2018年)四個(gè)階段。分析表明,填海造陸工程是導(dǎo)致廈門(mén)島海岸線(xiàn)分形特性變化的主要原因,盒維數(shù)的變化大小,直接反映了填海造陸工程對(duì)廈門(mén)島自然海岸線(xiàn)的人為改造程度。濱海城市發(fā)展過(guò)程中,海岸線(xiàn)空間形態(tài)的分形定量研究有重要的理論和實(shí)踐意義。對(duì)海岸線(xiàn)進(jìn)行分形量化分析,能估計(jì)海岸線(xiàn)的具體變動(dòng),預(yù)估人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海岸帶生態(tài)環(huán)境所帶來(lái)的影響,給海岸帶資源開(kāi)發(fā)、生態(tài)保護(hù)以及城市規(guī)劃提供參考依據(jù)。

致謝：南京大學(xué)物理學(xué)院碩士研究生林懿然和廈門(mén)大學(xué)海洋地球?qū)W院工程師徐曉輝分別在盒維數(shù)算法和遙感數(shù)據(jù)處理方面提供了幫助。