基于自动化量规法的中国大陆海岸线分形特征研究——与网格法的比较分析.pdf
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1、第 卷第期 年月地 理 与 地 理 信 息 科 学 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目();中国科学院战略性先导科技专项()作者简介:徐鹤(),男,博士研究生,主要从事气候变化和海岸带综合风险评估研究。通信作者 :基于自动化量规法的中国大陆海岸线分形特征研究 与网格法的比较分析徐鹤,张 玉 新,侯 西 勇,樊超,郭玉,(中国科学院烟台海岸带研究所,山东 烟台 ;中国科学院大学,北京 ;中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室,山东 烟台 ;山东省海岸带环境过程重点实验室,山东 烟台 )摘要:分形维数是描述海岸线复杂程度的重要指标,以手工绘制量规圆计算分形维数的方法在准确性
2、和便捷性上已不适用于当前信息时代大空间尺度的海岸线研究。该文基于开源 开发自动化量规法计算软件,实现了中国大陆及不同海区、不同沿海省域海岸线量规维的高效计算,并与网格法计算的盒计维进行对比分析。研究结果表明:与传统手工量规法相比,自动化量规法能在延长计算标度的同时保证运算速度和准确性,得到的量规维总体上高于网格法得到的盒计维;经自动化量规法计算得到的 年中国大陆海岸线的分形维数为 ,杭州湾以北和以南海岸线的分形维数分别为 和 ,说明杭州湾以南海岸线更复杂;中国大陆海岸线的分形维数呈现“南北高、中间低”的空间分布特征,在海区层面上,南海海区分形维数最大(),南黄海海区最小(),省域层面上,天津的
3、分形维数最大(),上海最小()。自动化量规法计算软件可为海岸线分形研究提供便捷有力的计算工具,同时可为海岸线资源调查和综合管理提供技术支持。关键词:海岸线;分形维数;量规法;网格法;自动化中图分类号:;文献标识码:文章编号:()引言海岸线作为陆海分界线和海岸带经济社会发展的重要标志,蕴含着丰富的地理空间和资源环境信息,但在全球变暖、海平面上升以及海岸带人类活动加剧,的背景下,海岸线面临着形状复杂化、生态功能退化以及测量难度增加等问题。准确把握海岸线长度和复杂度的变化情况对监测海岸线开发利用程度、保护自然海岸线以及促进海岸带经济、社会、生态协调发展具有重要意义。在海岸线实际测量中,同一海岸线的长
4、度在不同尺度下的测量结果不同,具有明显的尺度效应和不确定性。针对该情况,于 年提出“分形”和“分维”的概念,其中,“分形”是对几何形状自相似性的刻画,而“分维”是分形的定量表征和基本参数。具体而言,虽然海岸线长度随着测量尺度的变化而变化,但其分形维数不变,且海岸线越曲折复杂,其分形维数越大。此外,海岸线分形维数可以用于表征海岸线的空间分异和时间变化特征,众多学者利用分形维数对海岸线演变进行研究,并逐渐形成两种分形维数计算模型:网格法和量规法 。其中,网格法(又称“盒计法”)因简单易用而得到广泛应用,例如:朱晓华等使用网格法测算得到中国大陆、美国东西部、澳大利亚海岸线分形维数分别为 、和 ;徐进
5、勇等使用网格法分析发现 年中国北方大陆海岸线分形维数不断增大;侯西勇等使用网格法计算了 世纪 年代初至 年个时期的中国大陆海岸线分形维数,发现北方大陆海岸线的分形维数不断上升,南北差异逐渐缩小;李加林等使用网格法分析发现 年中国东海区大陆岸线的平均分形维数呈现波动下降趋势。但是,网格法并不能十分精确反映海岸线的不规则程度,往往低估海岸线的复杂性,更适合面状要素的分形维数测算。而量规法通过使用不同步长的线段覆盖线状要素,理论上可以更科学地表征海岸线的不规则程度,但其缺点是依靠手工量测、自动化困难、工作量大,尤其是小尺寸标度的量测工作量庞大、误差大,导致计算结果并不准确,。目前仅有少量成果使用量规
6、法计算中国或局部区域海岸线的分形维数,例如:朱晓华使用量规法计算了 年个时期江苏省海岸线的分形维数;等使 用量 规 法 计 算 出 中 国 大 陆 海 岸 线 分 形 维 数 为 ;石端文等使用量规法计算出海南岛海岸线的分形维数约为 ;马建华等将多幅 万海岸线地图拼接,使用量规法计算出中国大陆海岸线分形维数为 ,并指出手工量测步长过小的量规圆难以保证准确性且工作量巨大。综上,网格法为海岸线分形维数的简化运算创造了条件,在一定程度上推动了人们对海岸线长度和复杂度的理解;量规法虽在原理上更适合海岸线分形维数计算,但受限于传统人工手绘,准确性难以保证,迫切需要发展一种简单易用且精准的计算机自动化量规
7、法软件。鉴于此,本研究基于开源的 开发自动化量规法软件,选取中国大陆及不同海区、不同沿海省域海岸线进行量规维计算,并与网格法计算的盒计维结果进行对比分析,以期提高量规维计算的效率和准确性,为海岸线资源调查和综合管理提供技术支持。研究方法与数据来源 分形维数计算原理分形维数是尺度变化下的不变值,可用于揭示海岸线的自然属性特征与空间尺度间的关系以及描述海岸线的复杂程度,量规法和网格法是目前计算海岸线分形维数的常用方法,二者得到的指标分别称为量规维和盒计维。量规法的计算原理见式(),对该式两边同时取对数可得式(),由于覆盖所测海岸线半径为犌犆的量规圆数量犖犆与量规圆(半径为犌犆)所测海岸线长度犔犌存
8、在犔犌犌犆犖犆的关系,式()可进一步变形为式(),根据(犖犆,犌犆)数组进行一元线性回归拟合可计算得到量规维犇犆。网格法的计算原理见式(),对式()两边同时取对数可得式()。使用 的“创建渔网”工具生成边长为犌犛的方形网格,使用“空间连接”工具统计覆盖所测海岸线的方形网格数量犖犛,将犌犛及其对应的犖犛代入式(),进行一元线性回归拟合可计算得到盒计维犇犛。犔犌犕犌 犇犆犆()犔犌(犇犆)犌犆犆()犖犆犇犆 犌犆犆()犖犛犌犇犛犛()犖犛犇犛 犌犛犃()式中:犕、犆、犃为待定常量。自动化量规法软件开发 是一款开源 软件,支持查看、编辑和分析地理空间数据,而 是内嵌于 的 支持模块,方便用户以编程方
9、式进行数据处理与二次开发。本研究基于 开发自动化量规法软件,可完成不同标度下从海岸线一端至另一端的量规圆绘制,实现量规维计算过程的自动化。数据准备与检查在自动化量规法软件计算前需对输入数据进行预处理:海岸线数据拓扑检查与修正,该数据必须为单一海岸线,不能混合有点状或者面状要素,除海岸线两端外不能有悬挂点(丁坝、突堤等海岸线要素),不能自相交、自重叠、自相切。选择海岸线一端,在端点位置创建一个起始点犘。流程实现自动化量规法软件的核心功能是建立量规圆与海岸线的相交点集,计算点集中的点与起始点间沿海岸线方向的最短距离,筛选绘制下一个量规圆的圆心,反复迭代直至完成运算,并记录量规圆的数量。具体实现流程
10、为:运行自动化量规法软件,识别海岸线起始点犘的坐标犛狓 狔,并以该点为圆心作半径为狉的量规圆犚(点要素缓冲区);量规圆犚与海岸线相交得到相交点(岸线较平直的情况下为单点)或相交点集犙犻(岸线很曲折的情况下为多点);分别测量相交点或点集犙犻中各点与起始点犘之间的路径长度犔犻(沿海岸线方向),筛选得到其中最短的路径长度犔对应的相交点作为绘制下一个量规圆的圆心,标记为犘;以犘为圆心作半径为狉的量规圆犚,并与海岸线相交得到相交点集犙犻,分别测量相交点集犙犻中各点距离起始点犘的路径长度犔犻(沿海岸线),剔除长度小于犔的路径后,筛选得到最短路径长度犔对应的相交点作为绘制下一个量规圆的圆心,标记为犘;以犘为
11、圆心重复步骤,直至生成的量规圆完全覆盖整个海岸线(最后一次绘制的量规圆覆盖海岸线的终点);设置其他标度(半径狉),完成上述运算,统计和汇总不同标度(半径狉)对应的量规圆数量,将标度和量规圆计数值组成的集合输入式(),经回归拟合计算得到海岸线的量规维。自动化量规法和网格法的计算原理如图所示。案例区及其海岸线信息制备中国大陆海岸线北起鸭绿江口,南至北仑河口,南北纵跨暖温带、亚热带和热带三大气候带,大体以杭州湾为界:杭州湾以北,山地海岸和平原海岸交错分布;杭州湾以南,低山丘陵密集分布,以基岩港湾为主。经过近几十年的发展,中国大陆海岸线受到了以人类活动为主的强烈干扰,人工海岸线占页第地 理 与 地 理
12、 信 息 科 学第 卷图 自动化量规法和网格法原理对比犉 犻 犵 犆 狅 犿 狆 犪 狉 犻 狊 狅 狀狅 犳 狋 犺 犲狆 狉 犻 狀 犮 犻 狆 犾 犲 狅 犳 犪 狌 狋 狅 犿 犪 狋 犲 犱犱 犻 狏 犻 犱 犲 狉犿 犲 狋 犺 狅 犱犪 狀 犱犫 狅 狓 犮 狅 狌 狀 狋 犻 狀 犵犿 犲 狋 犺 狅 犱比不断上升,自然海岸线占比不断下降,海岸线形态的稳定性降低,复杂度明显上升 。为反映中国大陆海岸线分形维数的区域差异,本研究分别量算鸭绿江口杭州湾段、杭州湾北仑河口段、中国大陆海岸线整体、不同海区海岸线、不同沿海省域海岸线(香港、澳门的量规圆和方形网格数量纳入广东省统计)的分形
13、维数。参考侯西勇等,提出的中国大陆海岸线提取和精度验证技术规范,选用 分辨率的 遥感影像(年月),经目视解译(平均上图单元为个像元)提取得到 年中国大陆海岸线分布数据(图),并计算数据控制点与实地 测量值之间的距离,用所有点对间距离的均方根误差评价海岸线精度,结果为 ,小于 分辨率卫星影像线要素信息提取的理论最大允许误差 ,精度较理想。图 年中国大陆海岸线空间分布犉 犻 犵 犛 狆 犪 狋 犻 犪 犾 犱 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀狅 犳犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犿 犪 犻 狀 犾 犪 狀 犱犮 狅 犪 狊 狋 犾 犻 狀 犲 犻 狀 自动化量规法和网格法计算结果的差异性考虑量
14、规法、网格法的计算原理以及海岸线数据的空间精度特征,选择 、和 共 个标度(犌),分别采用自动化量规法和网格法计算 年中国大陆海岸线以及不同海区、不同沿海省域海岸线的分形维数。上述标度的选择主要考虑三方面因素:标度间隔方面,根据分形理论和相关研究,采用等距、指数、随机等方法设定标度间隔,对分形维数计算没有影响,本研究选择 、的间隔进行标度设定,且较小尺度的标度设定相对紧凑。标度数量方面,过少数量的标度拟合得到的 犖 犌曲线误差较大,不能准确反映海岸线的分形维数,而过多数量的标度会造成信息冗余,增加计算时间。通过实验,本研究选择的标度数量为 个,可以较好平衡计算精度和效率。标度极值方面,自动化量
15、规法计算软件可以实现较小标度量规圆的自动化精确绘制,为标度选择提供了充分的自由度;最小的标度理论上需要从海岸线数据的精度出发进行确定,本文所用的海岸线数据是基于 分辨率影像提取得到,最小上图单元为个像元,对应的海岸线上图精度为 ,因此,最小标度选择 较为合理;此外,过大标度下绘制的网格和量规圆将覆盖大量的海岸线,对海岸线复杂度刻画的意义不大,通过实验发现,标度覆盖中国大陆海岸线的网格和量规圆数量及分布密度处于适中水平,因此以 作为最大标度。页第第期 徐鹤,张玉新,侯西勇,等:基于自动化量规法的中国大陆海岸线分形特征研究 空间分布特征对比按照相同的标度序列,分别使用自动化量规法和网格法计算得到多
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