基于景觀分維度的海岸帶景觀時空演變量化評價研究——以泉州灣為例

Quantitative Evaluation of Spatial and Temporal Evolution of Coastal Zone Landscape Based on Landscape Sub-Dimensions： Quanzhou Bay as an Example

TAO Nan ，ZHUANG Xiaoping，CHEN Lihua

摘要

海岸帶是海陸統籌戰略實施及國土空間規劃的重點區域，利用遙感影像處理和GIS相結合的技術方式，基于生態學理論中的景觀分維度因子，以泉州灣為實證研究典型，對多時相遙感影像的土地利用現狀的數據進行統計對比，利用1973年以來7個時相的MSS/TM/ETM遙感資料，監測調查泉州灣入海口圍墾后的景觀變化，引入景觀分維度指標，量化評估圍墾后入海口50年的景觀時空變化特征，探討影響海岸線變化的主要原因，為理解海岸帶潛在問題提供決策支持，并總結量化評價方式與路徑，提出一種國土空間自然資源的監測與量化評價的參考方法。

Abstract

The coastal zone is a key area for implementing the strategy of land-sea integration and land space planning. This study utilizes the technical approach of combining remote sensing image processing and GIS， based on the landscape sub-dimension factor in the theory of ecology， and takes Quanzhou Bay as a typical empirical study to statistically compare the data of land use status of multi-temporal remote sensing images， and utilizes the MSS/TM/ETM remote sensing data of seven temporal phases since 1973 to monitor and investigate the landscape changes after the reclamation of Quanzhou Bay. Using the MSS/TM/ETM remote sensing data of seven-time phases since 1973， the study monitors and investigates the landscape changes after the reclamation of Quanzhou Bay estuary， introduces landscape sub-dimension indicators， quantitatively evaluates the landscape spatial and temporal change characteristics of the estuary after reclamation for 50 years， explore the main reasons affecting the changes of the coastline， and provide decision-making support for the understanding of the potential problems of the coastal zone， as well as summarize the quantitative evaluation methods and paths， and put forward a reference method of monitoring and quantitative evaluation of the natural resources of the national land space.

文章亮點

1）結合遙感數據特點，嘗試將量化的數據的時間維度擴展至50年；2）運用生態學理論中的景觀分維度的量化計算，構建了時間跨度更長、評價數據更全的海岸帶景觀時空演變的監測與量化評價方法。

關鍵詞

海岸帶景觀；景觀分維度；國土空間規劃“一張圖”；泉州灣

Keywords

Coastal zone landscape; Landscape sub-dimension; One map for national spatial planning; Quanzhou Bay

海岸帶為海洋與陸地之間的過渡帶狀區域，陸地、海洋、大氣系統交互活躍、強烈，形成了鮮明且豐富的地理單元，構成了獨特的海岸帶景觀風貌[1]。我國在2016年便頒布了《海岸線保護與利用管理辦法》，明確了國土空間規劃包括陸域和海域。海岸帶是國土空間重要組成部分以及國土空間規劃的陸海統籌思想的集中體現區域。如何有效對海岸帶自然資源和其動態變化進行監測與分析，成為現今亟需解決的問題。

1海岸線景觀變化監測研究綜述

因海岸帶的特殊位置和存在動態演變等特征，利用遙感影像結合GIS技術來監測海岸帶信息具有宏觀、快速、可重復觀測和成本低等優點[2～3]。國內利用遙感對海岸帶監測的方式已有一定的基礎，主要是對海岸線的監測，如趙玉靈[4]對近30年中國大陸海岸線與潮灘進行遙感調查與演變分析；李秀梅等[5]總結2000—2010年渤海灣海岸線的變化情況；楊超等[6]對1995—2017年福建省海岸線進行了時空變化分析。針對海岸帶土地利用的動態變化研究，目前多是通過參照陸地區域土地分類系統標準并結合海岸帶地物特征，以人工目視解譯來完成[7]。如高會軍等[8]對青海湖地區生態環境動態變化進行遙感監測；張華國等[9]對1986年以來杭州灣圍墾淤漲狀況進行衛星遙感調查，對杭州灣區域的圍墾進行研究。這一方向的監測雖采用可靠的數據來源，但鑒于數據間隔多為10年，對海岸帶逐步演進細節的捕獲仍有欠缺[10]。并且，在得到數據之后的分析缺少結合更多的生態理論方式進行總結闡述，往往只是對現象的表面緣由進行分析。

因此，本文以生態學理論為基礎，結合遙感技術，選取景觀評價中的重要景觀指數——景觀分維度指標，對海岸帶的時空演變進行監測與量化評價，以期為理解潛在海岸帶問題，探索新時代國土空間規劃體系變革中海岸帶的開發與修復、塑造景觀地方性等工作提供決策支持。

2基于景觀分維度的海岸帶監測方法構建

2.1 海岸帶景觀演變的監測對象

“海岸帶”范圍劃定尚無統一的界定標準，本研究參照《全國海岸帶和海涂資源綜合調查簡明規程》[11]，自海岸線向海、陸區域各側擴展10 km，并以不割裂道路干線、鄉鎮行政界限等為原則，確保景觀獨立完整。

2.2 景觀演變量化評價原理

自從美國科學家曼德博（Benoit B. Mandelbrot） 于20世紀60—70年代創立分形理論以來，目前分形理論已經在包括海岸線研究在內的眾多領域得到了十分廣泛的應用，如地理學、土壤科學和生理學的復雜性問題的實證研究領域，同時也被運用到景觀指數評價 [12]。景觀指數在景觀生態學中被用來表達高度濃縮的景觀格局信息，是反映景觀結構組成和空間配置某些方面特征的定量指標，也是定量表達景觀格局和生態過程之間關聯的空間分析方法[13～14]。本文選取景觀指數中的景觀分維度（PAFRAC）作為分析海岸線景觀動態變化的主要指標，PAFRAC是描述斑塊或景觀鑲嵌體幾何形狀復雜程度的非整型維數值，是衡量景觀多樣性變化與景觀受人為活動影響程度的重要指標。

本文利用美國俄勒岡州立大學森林系開發的Fragstas軟件對景觀分維度進行分析，景觀分維度指數的公式如下：

D=2ln（P/4）/lnA" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中，D表示分維數；P為斑塊周長；A為斑塊面積。D 值越大，表明斑塊形狀越復雜，D 值的理論范圍為 1.0～2.0，1.0 代表形狀最簡單的正方形斑塊，2.0 表示等面積下周邊最復雜的斑塊。

2.3 技術路線

在判斷近年來海岸帶景觀演變的主要動因是沿海地區人為建設的前提下，結合海岸線變化分析、沿海區域土地利用變化的綜合分析，得到研究區域的景觀變化表征。該遙感圖斑數據形成了海岸線景觀時空變化監測的底圖數據。再利用Fragstas軟件對景觀分維度進行計算和分析，得到海岸線景觀變化的量化評價方案。由此形成了對海岸帶景觀時空變化較為綜合的監測與評價。在量化評價基礎上，分時段探討區域海岸帶景觀時空演變的具體原因，為海岸帶的修復與開發提供決策支持（圖1）。

2.4 數據源

筆者采用Landsat MSS/TM影像為主要數據源，經過大氣校正、幾何校正、配準、色彩合成、圖像處理和土地分類提取等圖像處理，結合實地踏勘驗證，提取了入海口區域的海岸線。應用Landsat MSS圖像結合鎖眼衛星圖像，研究灣入海口海域的用地變化 。由于圍墾是海岸景觀的灘地、海域和海岸線的主要影響因素，海岸景觀變化評價主要考慮海域、海岸線和灘地等景觀斑塊的分維度變化。

3 實證研究：泉州灣景觀時空演變

3.1 研究區概況

本文選取了泉州灣入海口作為研究案例。泉州作為宋元時期中國的世界海洋商貿中心和海上絲綢之路的起點，2021年被成功列入聯合國教科文組織《世界遺產名錄》，海洋經濟自古發達，是我國重要的海防城池和港口經濟發展區域。當代泉州更是我國對外開放前沿陣地的海峽西岸經濟區，以及國家生態文明先行示范區[15]。此次研究的入海口包括了后渚港、石湖港、蚶江港和洛陽港區域（古泉州港的四大支港為法石港、后渚港、洛陽港和蚶江港，其中最著名的后渚港習稱泉州港，又稱刺桐港）（圖2）。泉州灣具有特色鮮明的海濱地貌，以潮灘為主，伴有磨蝕巖灘、沙隴、海灘和濱海紅樹林濕地等眾多典型海岸帶景觀類型[16]，復雜多樣的自然條件使得海岸帶景觀呈現多樣化的特征。

3.2 泉州灣總體變遷分析

改革開放以來，泉州灣的景觀演變受到很大的人為建設活動的影響。經過歷史梳理[17～18]大致可知，20世紀60—70年代，泉州灣洛陽江、晉江下游均修水閘。20世紀70年代洛陽江分支區域開展了兩大圍墾活動[19]——泉州城東圍墾、惠安五一圍墾建設攔水壩，使海水無法進入分支水系，原來的灘地干化而轉化成了水稻農田[20]。2008年泉州灣半島東海、晉江東側和洛陽江西側區域進行了沿海岸線建設堤壩，再進行回填土，形成新的建設用地。

泉州灣海岸帶逐年的土地利用空間分布情況是分析其過去50多年動態演進和討論其演變內在原因的基礎，其不僅體現海岸帶景觀地方性的基礎，還是海岸帶景觀資源的本底，更是海岸帶景觀美學、生態、經濟和社會價值的基礎。因此，本文選取了泉州灣的海域、灘地（即沿海灘涂和紅樹林地）、河湖水域、農田耕地、已建設用地（已經完成建設的建設用地）5類用地進行監測。

1）海域：海水淹沒的區域，從海域上看，海水淹沒區域直觀地表現了泉州灣海域的面積大小。

2）灘地：在入海口區域出現了很多淤泥灘地，這些灘地在漲潮的時候可能會被淹掉，在退潮的時候會顯露出來，而有一部分灘地，由于淤積的土層厚，常年不受浪潮的沖刷，逐漸變成濕地，在泉州灣主要體現為紅樹林。在圍墾造田的過程中，很多灘地也逐漸轉化為了農田。

3）河湖水域：在海灣入海口處的河湖面積增加主要是由于入海口的圍墾形成了內河。

4）農田耕地：人們在早期圍墾后形成的大片土地上從事主要農業活動，反映了早期圍墾的直接目的帶來的成效。但是隨著城市發展的需要，這些農田的土地性質也在時刻準備著迎接新的改變。

5）建設用地：建設用地的增加是城市發展擴張的最直接表現，也是城市生長痕跡的重要表現載體。

3.3 泉州灣景觀時空變化的遙感監測

3.3.1 數據選取

泉州灣的圍墾造地活動時間段主要在20世紀60年代末以及新城市擴展的21世紀初。對于泉州灣的研究數據需要選用周期較長類型的衛星遙感圖像，因此本次研究選用usgs系列衛星圖片進行分析，包括早期的美國鎖眼衛星圖像、Landsat MSS圖像、landsat TM圖像和landsat ETM圖像。每個時相選用的軌道號是119/043，共選7類遙感數據進行時相的分段分析（表1）。

3.3.2 數據處理方法

對選取的TM/ETM圖像采用ENVI5.1圖像處理軟件，對各個時期的遙感圖像進行圖像監督分類，將整個泉州灣入海口濱海地區及海域進行特征判別，完成樣本采樣，計算出樣本的分離性大于1.8，屬于合格樣本。選擇了支持向量機（Support Vector Machine）進行分類，分類后進行Majority、Minority分析和過濾處理，提高圖像分類效果，最后再對分類數據進行輸出。1969年的鎖眼衛星圖是單波段影像，采用ENVI5.1面向對象圖像分類，對規則的海域進行提取。泉州灣城市發展主要在1978年改革開放之后，集中期在20世紀90年代至21世紀初，因此從1969—1987年的數據主要分析圍墾活動對海域、灘地的影響；從1987——2022年的數據整體分析建設用地、海域、灘地、農田耕地、河湖水域的變化，這一段時間內TM衛星的分辨率為30 m，提高了分類的精度，保證了研究的準確性。

3.4 處理結果與成果分析

3.4.1 圍墾后的土地利用總體變化狀況

采用前述的土地提取方法，得到泉州灣監測區域7個時相的年際變化土地利用時序分類圖（圖３）。結果顯示，各土地利用類型的位置均有不同程度的遷移。根據遷移程度，可將泉州灣圍墾后海岸帶土地利用變化的狀況總體分為2個階段：

1） 1969—1995年，海域面積減少，農田面積增加，表明該時段陸地向海推進速度逐年增加。增加的農田基本是由圍墾形成的，圍墾堤岸處出現了淤泥的沉積，海域入海口分支河流明顯減少。

2） 1995—2022年，海域面積繼續減少，城市已建設用地急劇增加，農田面積急劇減少，海域入海口的分支河流幾乎消失。

3.4.2 圍墾后泉州灣土地利用變化特征

由7個時相的遙感數據，獲得了50年間7個時間節點的泉州灣各類土地利用的變化信息（表2，圖4～5）。由此，對1970年圍墾以后泉州灣的土地利用變化特征和海域變化特征進行分析。

1）1973—2022年，泉州灣因圍墾減少了海域面積92.98 km2，減少的海域面積轉化成兩部分：一是灘涂濕地，面積增加了60.99 km2，這一部分很多以泉州灣入海口紅樹林、沿海養殖場形式存在；另一部分則轉化成城市用地，增加了31.99 km2，這一部分以農田和建設用地形式存在。

2）建設用地的比例不斷迅速增長，特別是在1995年之后，已建設用地面積增長最快，到2022年達到泉州灣區的32.87%。如果海域面積忽略不計，已建設用地面積占區域用地面積的42.60%。這是泉州地區“晉江模式”經濟發展下快速城市化的體現。

3）1973年以后，泉州灣海域的面積大體呈下降趨勢。對海域面積進行單項檢測發現，針對一個時相的衛星遙感圖，在監測入海口海水面變化時，容易受到海水漲退潮的影響。鑒于海水在漲潮期內的活動范圍也在海邊灘涂的范圍內，在早期對海岸線的開發力度不大的時期，灘涂一般都是海水漲潮時會淹沒的地方。因此，早期的遙感圖像中海水面的面積包括了灘涂的面積，而圍墾后，被堤壩攔住的支流形成了內河或內湖，海水進不去，支流淤泥沉積變淺成為河流，而被圍墾的灘涂也逐漸干涸，被開墾為農田。

4）在1970年較大規模的圍墾活動后，晉江區域（泉州灣西側）海水面的面積明顯減小，洛陽江流域（泉州灣東側）從一個海灣變成了一個支流水系，并且灘涂順著圍墾的堤壩向海里延展堆積，使海水面面積更小。2009年東海區域（泉州灣中部半島）進行填海造地時，對泉州灣進行清淤，使得海水面的面積有所擴大，但到了2022年，泉州灣內淤泥重新堆積，造成泉州灣海水面的面積減少較多。

3.4.3 海岸帶景觀分維度變化與海岸帶景觀變化分析

本文選取了與海岸帶景觀變化有密切關系的海域與灘地的分維度指數進行比較（表3），得到：

1）1969年五一圍墾后，泉州灣海域的灘地、海域的分維度呈下降趨勢，但后來逐步趨于平穩。泉州灣變遷的主要原因是灘涂圍墾養殖魚蝦、扇貝，及填海造田種植糧食、蔬菜等，泥砂質海岸逐漸向人工海岸轉變，景觀風貌也從天然的沙灘轉變為了以海域養殖為主的海邊大型水塘和淺灘的海岸線景觀形態，主要分布于后渚港、陳埭鎮等地。

2）1995—2009年，隨著泉州城市化進程不斷深化，對土地需求不斷上升，圍海造陸、新建碼頭等工程使岸線向灣內擴展，泥砂質岸線、基巖岸線向人工岸線轉變，海岸線水塘、淺灘景觀風貌轉變為海堤、城市建筑等景觀風貌，主要分布于豐澤區東海和石湖港區等地的新城建設和碼頭建設區域。

3）2009年的東海灣海域圍墾建設施工作業區堆砌各種施工材料和設施，因而當年海域的灘地、海域的分維度呈最高值。

4）2009年之后，隨著施工現場的清理，灘地和海域的景觀分維度均急速下降。到了2022年，兩者景觀分維度值分別下降至最低水平1.264和1.341，其中東海區域景觀分維度降低明顯。

景觀分維度分析結果顯示，泉州灣海域和灘地急速往形狀單一化、規劃模式化發展，反映了此段時間有大量人工岸線增長突出；海岸帶的自然景觀風貌受人為活動影響的程度較大，填海造地、修筑防浪堤、擴改港口碼頭和圍墾養殖是海岸帶景觀劇烈改變、破碎化較嚴重的主要原因。可見，泉州海域的景觀多樣性下降較為明顯，原生海岸景觀破壞較大。50多年間，泉州入海區域的海岸線景觀風貌特征也由以自然沙灘、灘涂為主的自然風光，轉變為以人工堤壩、城市為主的海灣型城市風貌。

4 展望

本文以泉州灣為典型，探討了基于景觀分維度的海岸帶景觀演變的監測、量化評價與分析的研究方法，有以下兩個方面的意義：第一，基于景觀分維度的海岸帶景觀演變監測評價為海岸帶景觀多樣性的量化評價提供了技術方式，并且在數字化時代和全國用地用海國土空間規劃“一張圖”的新局面下，對海岸帶進行現狀評估與保護發展的研究已迫在眉睫，本研究為海岸線景觀變化監測融合國土空間基礎信息平臺提供了數據與技術支撐（圖6）。第二，通過遙感技術方法，對自然資源的海域變化和土地利用變化進行動態監測，能將研究時間的維度拓展到50年，為區域海域變化與土地利用變化的研究提供更準確、深入的數據支撐，本研究也為闡釋海岸景觀演變的內在邏輯提供了新的“時間深度”視角[21]。

綜上可知，本文探討的監測方法是結合遙感技術對海岸帶景觀評價進行量化的一種嘗試，但由于景觀評價體系指標的多樣化與復雜性，可使用更多的指標來對海岸線的景觀演變進行綜合評價，這也是未來海岸帶景觀演變監測與評價研究的重要可拓展領域。

注：圖2來自參考文獻[19]，其余圖片為作者自繪。

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