随着沿海地区人口的快速增长、社会经济和科学技术的迅猛发展, 为扩大生存和发展空间, 海岸带地区开始通过围填海来缓解陆域土地资源匮乏的问题。围填海是围海和填海的总称, 是指人类在海岸线外通过修建堤坝, 填埋土石方等工程措施, 改变海域自然属性, 从而对其利用的方式^[1], 围海可以兴建养殖池塘、围海制盐等, 填海可以用于港口码头建设、城镇及工业用地发展等。大规模的围填海活动, 虽为沿海地区提供了更多可供利用的土地资源, 但同时也造成了海岸带空间形态及其景观格局的改变, 消耗了大量海岸带资源, 破坏了其附近生物资源的栖息环境, 因此, 对围填海进行监测和研究成为现实需要。近年来, 越来越多的国内外专家学者开始从多角度对围填海进行研究, 国外EI Banna M M等研究了近50年尼罗河三角洲东北部海岸带的围填海开发活动, 发现大量自然湿地转化为养殖池塘和农田等人工用地类型^[2]。Yagoub M M等利用多年遥感影像, 分析了阿联酋的阿布扎比海岸的围填海类型变化过程^[3]。Kumar A等通过利用多年的地形图和遥感影像, 分析了印度卡纳塔克海岸带1910年至2005年的利用变化情况^[4]。国内徐谅慧等借鉴景观生态学相关指标, 对1990—2010年浙江省的围填海空间格局进行定量研究^[5]。李加林等以江苏海岸湿地为例分析了景观格局变化的主要特点及景观格局的驱动因子和干扰因素, 并提出江苏淤泥质海岸湿地景观生态建设的原则及主要内容^[6]。彭建等应用景观生态学理论, 构建山东省无棣县海岸带景观生态评价指标体系, 并在时空尺度上进行综合评价^[7]。综合来看, 目前的研究多是侧重于对围填海时空格局进行研究, 或是侧重于基于景观格局指数分析景观格局的演变过程及评价生态问题, 还缺少对围填海高强度开发的典型区进行围填进程的景观格局变化的定量分析, 尤其是高强度开发后, 围填海存量资源情况如何, 目前还缺少这方面的研究。围填海所造成的景观格局变化是海岸带景观变化的显著特征和重要过程, 直接体现了人类干扰在整个海岸带区域中的重要影响, 借助景观生态学对围填海景观格局变化进行研究, 能够建立围填海类型空间格局变化与其生态过程的生态学联系, 进而对人类对海岸带生态系统变化的影响进行生态学度量, 对海岸资源开发评估与规划等工作具有重要意义^[8-11]。因此本文将以长兴岛附近海域作为研究对象, 将1995年、2000年、2005年、2010年及2016年的围填海遥感影像作为基础数据, 针对研究区围填海利用类型及其环境空间特征, 构建和选取景观格局指数分析20年间该地区围填海类型景观格局的变化特征, 同时使用面向对象的分类技术建立围填海存量资源的分类方法及流程, 对研究区围填海存量信息进行提取, 厘清该区域高强度开发后围填海存量资源的现状, 以期为国家严格控制围填海造地增量, 盘活围填海造地资源存量及相关的海域资源管理、海岸带挖潜政策的制定提供一定的技术方法及数据支撑。

1 研究区与数据源 1.1 研究区概况

大连市长兴岛海域位于121°13′19″—121°32′11″E, 39°23′26″—39°31′15″N, 地处辽东半岛中西侧, 辽宁省瓦房店市的西南部, 东濒渤海沿岸, 复州湾以北, 由长兴岛以及西中岛、凤鸣岛、骆驼岛、交流岛等五个岛屿连接组成。长兴岛四面环海, 水深湾阔, 腹地宽广, 是渤海湾地区自然条件最为优越的一个天然港湾, 也是环渤海经济圈的最佳出海口(图 1), 环岛岸线91.6 km, 所属海域共100 km^2[12]。长兴岛附近海域滩涂资源丰富, 成为近年来辽宁沿海经济发展最为迅速的区域, 特别是2000年以后该地区围填海进程加快, 高强度的开发所带来的资源消耗和区域内景观格局的变化非常剧烈, 是开展围填海景观格局变化监测与存量资源评估的理想实验区。

1.2 数据来源及处理

本文收集到研究区TM5(1995、2000年)、SPOT-5(2005、2010年)及2016年高分1号(GF-1)卫星遥感影像作为基础数据, 对获取的遥感影像在ENVI环境下进行预处理, 包括几何校正、辐射定标、裁剪拼接等过程, 高分辨率遥感影像几何精校正的校正方法参考相关文献[13-15]。在eCognition Developer、ENVI及ArcGIS软件的支持下, 进行面向对象的围填海类型信息提取, 具体围填海类型以国家海洋局制定的《海域使用分类》(HT/Y123-2009)为参考, 并综合长兴岛海域开发现状及各围填海类型的光谱特征, 确定围海养殖用海、盐业用海、港口用海、未利用类型及工业用海作为长兴岛围填海的主要类型, 并对其进行解译分析, 后经野外调查、车载GPS现场定位、实地勘测、资料对比等手段, 得到研究区1995、2000、2005、2010和2016年5个年份围填海利用类型的空间信息。本文将遥感影像解译的围填海类型斑块与实测数据围填海类型斑块相一致的斑块数量百分比定义为解译精度^[16], 得到2016年的解译精度为94%, 1995、2000、2005、2010年的解译精度范围在91%—96%之间, 满足本次研究的需要。

2 研究方法 2.1 围填海时空演变分析方法 2.1.1 围填海利用动态度

围填海利用动态度能够较为直观地反应特定围填海类型的动态变化程度, 其计算原理如下^[17]：

(1)

式中, K为围填海类型动态度; V_a为研究初期围填海类型面积(hm²); V_b为研究期末围填海类型的面积(hm²); T₂-T₁为研究时段。

2.1.2 空间重心转移模型

围填海在空间维上的动态演变过程可以用区域内围填海各类型重心分布的变化轨迹来反映, 重心的计算公式如下^[18-19]：

(2)

式中, X_i、Y_i是第i个围填海类型斑块的重心坐标, C_ti为第i个围填海类型斑块的面积, n是围填海类型斑块的总数目。各围填海类型重心的变化轨迹反应了区域内各围填海利用类型的发展方向, 通过分析各研究时段围填海类型重心的分布情况, 可明确围填海在空间上的变化趋势。

2.2 围填海景观格局演变分析方法

结合研究区不同时段围填海利用类型分布的特点, 本研究分别从类型水平和景观水平两个层次上选取景观格局指数探讨研究区内围填海利用类型景观格局演变特征。从类型水平上选取斑块面积(CA)度量景观形状特征; 选取斑块密度(PD)描述景观内异质性程度; 选取斑块形状指数(PSI)分析景观内斑块分离度及类型复杂程度; 选取最大斑块指数(LPI)确定景观内优势类型; 从景观水平上选取香农多样性指数(SHDI)、破碎度(F_i)及均匀度指数(SHEI)分析景观在结构、功能上的丰富程度、破碎程度及均匀程度, 并使用FRAGSTATS软件对景观格局指数进行计算, 相关计算公式见表 1。

2.3 围填海存量资源的界定与分类

剧烈的围填海开发活动造成一些区域存在围而不填、填而不建、低密度建设等存量问题, 形成与存量土地资源类似的围填海存量资源^[20]。围填海存量资源是指围填海后区域内现存的未来可用于开发城镇建设、临港工业、旅游娱乐、养殖等类型的潜在的围填海空间资源^[21-24]。根据围填海存量资源特征, 结合研究区实际情况, 本文在对研究区围填海类型特征进行梳理的基础上, 进一步将低效盐田、低效养殖池塘、低效工业城镇用海、围而未填区域及填而未建区域作为围填海存量资源类型进行研究。各类型围填海存量资源含义及影像特征描述见表 2。

2.4 面向对象的围填海存量资源分类提取方法

本文结合围填海存量资源特点, 采用面向对象的分类技术, 首先对高分辨率遥感影像进行尺度分割, 再根据影像特征划分围填海存量资源类型, 并应用模糊分类及最近邻分类规则等操作建立面向对象的围填海存量资源分类原则, 最后对分类结果进行精度验证。面向对象的围填海存量资源遥感影像分类技术流程如图 2所示。

2.5 围填海存量资源指数构建

为定量评估围填海存量资源状况, 结合长兴岛附近海域围填海存量资源的开发利用面积情况, 构建围填海存量资源指数, 具体围填海存量资源指数计算方法为：

(3)

式中, A_i为某一低效围填海利用类型面积(hm²); T_i表示合理海域开发强度值; V_i为某低效利用围填海类型的存量指数; A为围填海总面积。该指数表示了围填海开发利用程度的高低, 指数值越大, 说明现存的未来可用于开发的围填海存量资源越多^[25-27]。本文涉及到的5种围填海存量资源类型的合理开发强度值采用专家咨询法确定^[28], 数值范围在0至1之间, 具体见表 3。

3 结果与分析 3.1 围填海时空演变特征分析 3.1.1 围填海利用动态度分析

围填海利用动态度可定量描述区域一定范围内各围填海类型的变化速度^[29], 动态度是正值时, 表示该类型面积增加, 反之则减小, 具体衡量时使用绝对值, 绝对值越低, 表明该围填海类型转换数量少, 状态则相对稳定, 反之则变化相对剧烈^[30]。根据公式(1), 研究区在1995—2016年间, 各时间段围填海类型的动态度指数如表 4所示。

分析表 4可得：1995—2000年属于围填海的缓慢增长期, 区域内所有围填海类型变化速度不大, 围海养殖用海呈增长趋势, 但变化速度不大, 动态度为2.9%。2000—2005年属围海增长期, 围海养殖用海动态度为12.6%, 面积呈迅速增加趋势, 这一时期由于海水养殖、育苗等相关产业基础设施的投入, 导致围海养殖用海面积迅速增长, 开发强度最高; 未利用类型动态度在2000—2005年间出现较大负值, 大量海域圈垦用于渔业养殖。

2005—2016年属于围海、填海共同增长期, 该时间段内围海养殖、工业及港口用海面积增长较为明显, 港口用海类型动态度出现极大值, 达到5.42%, 表明该时期港口用海的面积呈明显快速扩张趋势, 长兴岛临港工业区建设过程中大量养殖用海空间、低效盐业区域被征收用于港口发展及工业厂房建设, 港池、航道及工业用海等类型面积在该时期急剧增长。另外, 值得注意的是, 这一时期未利用类型面积呈增长趋势, 因该时期受经济发展影响, 大量围填海区域填而未用、围而未用区域, 处于搁置状态。

3.1.2 围填海空间质心转移分析

利用公式(2)计算出各围填海类型空间质心坐标, 并绘制各类型围填海质心转移演变图。由图 3可知, 长兴岛附近海域各个围填海类型在过去的20年间空间分布呈规律性变化。质心转移幅度最大的是未利用类型, 质心在121.36°E—121.59°E, 39.36°N—39.47°N之间变动。1995—2005年间未利用类型的质心先向西北小幅度迁移, 后又向东南方向迁移, 整体向东偏南迁移了5.7 km; 2005—2016年间又向西北偏移了22.9 km, 整体从1995年121.53°E、39.38°N迁移到2016年121.36°E、39.47°N, 由东西方向看, 向西移动0.17°; 由南北方向看, 向北移动0.09°。这是因为自2009年开始, 长兴岛西侧八岔沟—五道沟嘴子作为主要可供开发岸线, 出现大面积的已围未利用海域, 可见围填海的主要开发方向将向西北转移。

围海养殖用海的质心迁移幅度仅次于未利用类型, 质心在121.48°E—121.56°E, 39.45°N—39.50°N之间变动。1995—2005年间先向东南后又向西北偏移, 整体朝西北偏移5.2 km; 2005—2016年整体向东南方向迁移4.6 km。整体从1995年121.55°E、39.47°N迁移到2016年121.50°E、39.45°N, 由东西方向看, 向东移动0.05°; 由南北方向看, 向南移动0.02°。主要是由于10年间围海养殖用海新增区域主要集中在了长兴岛东南方向, 且面积持续增加, 扩展强度要大于西部地区, 导致其质心持续向东南迁移。

盐业用海质心在121.50°E—121.54°E, 39.45°N—39.47°N之间变动。1995—2010年间始终向东南迁移, 迁移距离为3.03 km; 2010—2016年间向西北迁移距离为1.2 km。整体从1995年121.51°E、39.47°N迁移到2016年121.52°E、39.46°N, 由东西方向看, 向东移动0.01°; 由南北方向看, 向南移动0.01°。说明近年来长兴岛附近海域对盐业的开发的重心由东南部转移至西北, 但质心空间分布波动范围相对幅度较小, 说明盐田开发的不平衡性有所收敛, 东南方向和西北方向差异有所减小。

港口用海和工业用海质心在2005—2016年间波动范围较小, 始终在西山里附近移动, 分别在121.24°E—121.28°E, 39.52°N—39.57°N; 121.27°E—121.30°E, 39.51°N—39.54°N之间变动。两种类型质心在各年段的变化趋势也较一致, 2005—2010年间港口用海质心整体向西南方向迁移了4.4 km, 工业用海质心也同向小幅度迁移565.5 m。2010—2016年间港口用海质心又向东北方向迁移1.3 km, 工业用海质心也同向迁移了3 km。可以看出, 港口用海和工业用海的质心分布变化并不明显, 移动范围一直在西山里港区附近, 原因是2005年以后, 政府开始重视临港工业的发展, 西山里港区作为长兴岛较大港区, 发展势态强劲, 其港区建设和工业区的工业化改造导致港口用海和工业用海的质心分布在10年内位置变化不大。

总体上看, 长兴岛附近海域1995—2016年围填海质心先向东南迁移, 后向西北方向移动, 1995—2005年间围填海主要集中在东南部, 2005—2016年间则基本稳定在西北方向, 整体上质心在121.41°E—121.54°E, 39.43°N—39.48°N之间移动, 整体从1995年121.53°E、39.44°N迁移到2016年121.42°E、39.48°N, 由东西方向看, 向东移动0.11°; 由南北方向看, 向南移动0.04°。范围主要位于长兴岛东南方向左屯与泡崖乡之间, 说明该区域是长兴岛围填海开发的重要地区, 凭借其独特的地理位置以及国家大力发展长兴岛经济的政策优势条件, 该区域基础设施和产业结构快速发展, 对长兴岛地区经济的发展起着重要的支撑^[18]。

3.2 景观格局分析 3.2.1 类型水平

分别以每5年为间隔将1995—2016年分为5个时间段, 研究区不同时段各围海用地类型的景观格局指数如表 5所示, 可以明显看出, 5种类型斑块面积(CA)总体都呈上升趋势。其中围海养殖用海面积持续增长且涨幅最大, 1995—2016年共增长8853.14 hm², 盐业用海及未利用类型面积波动上升, 港口用海及工业用海从2005年后开始大规模开发建设, 面积持续增加。

围海养殖用海及港口用海均呈现斑块密度(PD)减小、斑块形状指数(PSI)增加的趋势, 说明这两种围填海类型破碎度在降低, 斑块形状越来越复杂, 而工业用海与之相反, 斑块密度(PD)呈增大趋势, 斑块形状指数(PSI)呈减小趋势。盐业用海及未利用类型的斑块密度(PD)及斑块形状指数(PSI)均呈增大趋势。长兴岛附近海域20年间优势围填海类型发生了改变, 由1995年的盐业主导越发变为由围海养殖、盐业用海、工业和港口用海等多类型为主导的景观区域, 这与政府对长兴岛区域的总体规划是相一致的。

3.2.2 景观水平

长兴岛附近海域20年间景观水平指数变化如表 6所示：1995—2016年间景观斑块数量总体变化不大, 1995—2010年间斑块总数基本保持不变, 随着景观区域内自然景观被围填海进程消耗殆尽, 破碎的小斑块被人工景观替代, 导致2010—2016年间, 景观斑块数减少相对明显。从景观的多样性来看, 景观内香农多样性指数和均匀度指数都呈现先降低后升高的趋势, 说明该区域景观多样性先减小后增大, 优势度先增高后降低, 并且都在2000年达到最低, 这主要由于在该时期大规模的围填海活动导致景观区域内自然景观受到人类干扰而大幅度减少, 而以围海养殖池塘、盐业工厂为代表的人为建造景观斑块面积迅速增加, 导致多样性指数下降。2005—2016年间, 景观内新增了港口用海和工业用海, 围填海类型趋于丰富多元化, 导致景观多样性上升, 景观结构组成的复杂性增加。

3.3 围填海存量资源评估

研究区域内各类围填海存量资源面积统计见表 7。可以看出, 该范围内围填海存量资源以填而未建区域面积最大, 达到10383.1 hm², 占区域内围填海存量资源总面积的47.2%, 大多分布在长兴岛西部的北港区、南部的STX造船产业区及西南部的葫芦山湾综合港区附近, 该区域原来规划为石化区、修造船区及港口区, 但随着2013年STX大连的停产, 引资项目真正落地的寥寥无几, 造成许多海域资源填而未建, 未能形成产能。其次是围而未填区域, 存量资源面积达到7567.7 hm², 占区域内围填海存量资源总面积的34.4%, 多数分布在葫芦岛山湾附近, 此处围填海工程存在停滞的现象, 已实施围堰工程但未填充成土地。低效工业城镇用海存量资源占比为10.7%, 集中分布在停产的STX船厂及其东北方向的造船产业区附近, 主要产业为船舶修造产业、船舶配套产业等, 原为STX、蒲项制铁等企业入驻, 但由于STX项目的终止, 导致该区域大范围建设用地变为低度利用区域。低效盐田及低效养殖用海存量资源数量较少, 分别为1419.1 hm²及284.7 hm², 分别占区域内围填海存量资源总面积的6.44%及1.26%, 分布在葫芦山湾以南、交流岛西北角、靠近STX工厂附近的船舶配套产业园区的区域, 由于该区域一直以盐业及养殖业作为传统产业, 开发强度始终较高, 但受长兴岛投资环境影响, 该区域部分被围填用海, 导致养殖海域、盐业用海区域受影响, 从而产生大量被废弃或低效盐田及低效养殖池塘。

截止到2016年研究区总体围填海存量资源为5502.125 hm², 该区域的总体围填海利用效率较低, 尚存有大量围海、填海未利用空间资源, 造成了海洋空间资源和投资浪费。2017年5月19日, 国家海洋局出台了渤海区域暂停围填海审批的相关管控政策, 未来该区域不能再新增围填海, 应该加大围填海存量资源利用及挖潜的力度, 促进海域资源的节约利用。

4 结论与展望

本文以长兴岛附近海域1995年、2000年、2005年、2010年和2016年五期遥感影像作为基础, 总结了20年来该区围填海演变的时空特点, 对其景观格局变化进行了分析, 并基于高分辨率遥感影像以及围填海存量资源的概念, 对大连市长兴岛附近海域围填海存量资源进行分类和提取, 并构建围填海存量资源指数, 对围填海存量资源状况进行评估。得到结论如下：

(1) 从时间上来看, 长兴岛附近海域围填海年动态变化率在2010—2016年间最大, 2000—2005年间最小。从空间上来看, 长兴岛附近海域围填海动态变化的区域差异较大, 总体上看, 长兴岛东南部为围填海动态发生的主要区域。

(2) 在围填海演变的过程中, 各个围填海类型的质心也发生了不同幅度且方向各异的转移。其中, 未利用类型的质心调整幅度最大, 达到5.7 km; 围海养殖用海面积的持续扩张导致质心由西北部向东南方向迁移; 盐业用海的质心向长兴岛西偏北方向移动, 但幅度不大; 港口用海和工业用海的质心由西南向东北方向移动。整个研究区围填海质心呈现先向东南迁移, 后又向西北迁移的趋势, 说明长兴岛附近海域围填海开发的重点区域逐渐向北部偏移。

(3) 从斑块类型水平上看, 1995—2016年间, 长兴岛附近海域围填海面积不断加大, 斑块密度整体减小, 斑块形状指数和最大斑块指数呈增加趋势, 多种围填海类型的小型斑块被整合, 并积极向外扩展。从景观水平上看, 研究区在1995—2016年间景观斑块数减小, 破碎度升高, 香农多样性指数和香农均匀度指数都呈现先降低后升高的趋势, 且变化较为明显。研究区景观在人类活动影响下景观格局趋于复杂化, 整体景观异质性升高。

(4) 面向对象的围填海存量资源遥感影像分类提取方法能够精细地提取围填海存量资源信息, 2016年长兴岛附近海域围填海存量资源类型由高到低分别是填而未建、围而未填区域、低效工业城镇用海、低效盐田和低效养殖池塘, 主要集中在长兴岛西北部及南部岸线。截止到2016年研究区围填海存量资源为5502.125 hm²。

长兴岛附近海域大规模围填海开发后导致围填海区域闲置浪费、低效利用、功能单一等问题严重, 目前国家海洋局已出台加强渤海区域生态环境保护、暂停围填海的相关管控政策, 因此, 该区域未来应加强对现有围填海存量资源的利用及提升围填海存量资源的利用效率, 同时围填海彻底改变了海洋的空间属性, 在一定程度上对近海的生态环境造成了极大的负面影响^[31-33], 未来该区域应加强对海域生态环境的监测与评价, 在国家海洋局围填海工程生态建设技术的指导下, 未来该区域应加强对生境受损严重的、敏感和脆弱的生态过渡带区域进行围填海的生态整治修复工作, 以期削弱围填海工程对海洋资源和海洋生态系统的负面影响。