基于GIS和洛伦兹曲线的辽宁省海岛空间分布特征探析

赵东洋,雷利元,尤广然,刘 明,席小慧,毕远溥

(辽宁省海洋水产科学研究院, 辽宁 大连 116023)

基于GIS和洛伦兹曲线的辽宁省海岛空间分布特征探析

赵东洋,雷利元,尤广然,刘 明,席小慧,毕远溥*

(辽宁省海洋水产科学研究院, 辽宁 大连 116023)

为合理开发利用和保护辽宁海岛资源,优化海岛产业结构和布局,以辽宁纳入中国海域海岛标准名录的633个海岛为研究对象,在对其地理坐标、陆域面积等基础数据进行数理统计的基础上,通过GIS的空间分析和绘制洛伦兹曲线、计算基尼系数,对辽宁海岛的空间分布特征进行了分析与研究。结果表明：辽宁海岛属集聚型分布类型,在空间上呈组团与带状分布,按聚集程度来看,形成了黄海北部长山群岛集聚区、辽东半岛南部浅海集聚带与辽东湾西部浅海集聚带三个区域；约60%的海岛处在离大陆岸线直线距离在10 km以内的范围内,近陆程度高；海岛陆域面积分布不均衡,基尼系数达0.9。

辽宁海岛；空间分布；核密度估计法；平均邻近距离法；基尼系数

0 引言

辽宁是我国的海洋大省,濒临黄海和渤海,地处我国万里海疆最北端,以鸭绿江为界与朝鲜半岛相望。大陆岸线东起鸭绿江口,西止辽冀海岸分界线,长约2 110 km,海域(大陆架)面积约15×104km2,近海水域面积近4×104km2*苗丰民,付元宾.辽宁省海洋资源环境基本状况[R].国家海洋环境监测中心,2011:1.。在广袤的海域中,星罗棋布、大小不一地分布着633个海岛,岛屿总面积约505 km2、岛屿岸线总长约920 km[1]。海岛作为四面环海水并在高潮时高于水面的自然形成的陆地区域,凭借着优越的地理位置和独特的空间资源,已成为壮大海洋经济、保护海洋环境、捍卫国家权益的重要载体。

辽宁作为我国海岛数量较多的省区之一,也是我国北方海岛分布的主要区域,海岛在辽宁沿海经济带和振兴东北老工业基地建设中,担负着内联外引、发展外向经济的重任,已成为关注的焦点。自20世纪90年代初期以来,许多学者在辽宁海岛资源[2-3]、旅游[4]、保护开发与管理[5-11]等领域进行了研究,取得了重要成果和进展,相比之下对其空间格局及规律进行探讨的不多[12-14],研究形式以数理统计、定性描述和案例分析为主,很少进行定量化测度。

本文基于全省633个海岛的地理位置、陆域面积、距大陆岸线距离等空间和属性数据,利用GIS空间分析技术,鉴于经济学中洛伦兹曲线和基尼系数的构建思路,对全省633个海岛的空间分布特征和空间格局进行了解读,以期为全省合理开发利用与保护海岛资源,优化海岛产业结构与布局,促进海岛经济及海洋经济的健康与可持续发展提供一定参考。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

以2010—2013年开展的辽宁省海岛地名普查中确定的并纳入中国海域海岛标准名录的633个海岛为研究对象,选取海岛的地理坐标、陆域面积等地理信息数据为基础数据。海岛的地理位置信息以GPS测量方式获取,标称精度优于1 m,坐标系统采用CGCS2000国家大地坐标系。通过高斯投影正算,将大地坐标转换为平面直角坐标,在ArcGIS 10.2软件中对海岛陆域面积和离岸距离等地理信息进行量算。

1.2 研究方法

利用ArcGIS 10.2中的最邻近距离(Nearest Neighbor Distance)、最邻近点指数(Nearest Point Index)、核密度(Kernel Density)、邻近(Near)等工具,判别海岛的空间分布类型、分析海岛的空间分布格局,并计算海岛与大陆岸线间的最近距离；同时通过绘制海岛数量-面积的洛伦兹曲线,计算基尼系数,对全省海岛陆域面积分布的均衡性进行定量化测度。

1.2.1 最邻近距离法

(1)

1.2.2 核密度估计法

核密度估计法(Kernel Density Estimation, KDE)假设地理事件可以发生在空间的任一地点,但是在不同的位置上所发生的概率不同。点密集的区域事件发生的概率高,点稀疏的地方事件发生的概率低。根据概率理论,核密度估计的定义为：设点集置X1,X2,……,Xn,为从分布密度函数为f的总体中抽取的样本,核密度估计f在某点x处的值为f(x),表达式为：

1.2.3 洛伦兹曲线

洛伦兹曲线(Lorenz Curve)是统计学家M.Lorenz在20世纪初提出的用来描述收入或财富分配不均匀度的一种方法。它先将一国或一地区人口按收入由低到高排序,把每一等分的人口所拥有的财富百分比累计起来,并将相应的点描绘在图上,得到的曲线就是洛伦兹曲线。作为其特例,即当财富分配绝对平等时为绝对平均线,当财富分配绝对不平等时为绝对不平均线。但它只是一种定性的描述,为了能够定量精确地反映社会收入分配不平等程度,在洛伦兹曲线的基础上,提出了基尼系数(Gini Coefficient)的概念,其含义是实际洛伦兹曲线与绝对平均线所包围的面积A占绝对平均线与绝对不平均线之间的面积A+B的比重,用公式表示为：

(3)

基尼系数的取值范围在0和1之间,基尼系数越小表示越均衡,越大表示越不均衡[18]。在实际计算过程中,由于面积A和B无法精确求得,许多学者提出很多近似的解算方法,如张建华[19]在绘制洛伦兹曲线基础上,推导出一种简便易用的计算方法,其计算公式如下：

(4)

在本文应用中,式中w为海岛陆域面积实际数据累计百分比,n为海岛数量分组组数。

2 结果分析

2.1 空间分布类型

辽宁633个海岛在黄海北部和渤海海域均有分布,地理坐标范围为119°52.6°～123°49.6°E,38°34.3°～40°55.7°N,东西横跨约340 km,南北纵跨约260 km[20]。海岛作为特殊的地理实体,可抽象为点状要素,离散分布于海洋之中,在地域上表现为随机、均匀和集聚三种空间分布类型。为深入探究海岛空间分异规律,总体把握全省海岛的空间分布类型,在ArcGIS 10.2中利用Average Nearest Neighbor工具,使用欧几里得距离(Euclidean Distance),得出辽宁海岛实际最邻近距离与理论最邻近距离的比值，即最邻近点指数R为0.18,Z得分(ZScore)为-39.56,显著性水平P<0.01。表明辽宁海岛在空间上属于集聚分布。

2.2 总体空间分布格局

为总体反映辽宁海岛的空间分布态势,利用ArcGIS 10.2空间分析中集成的核密度(Kernel Density)工具进行海岛密度估计,经多次试验,最终以10 km为最佳带宽(Search Radius),生成辽宁海岛的核密度分布图,如图1所示。

图1 辽宁海岛核密度分布图Fig.1 The distribution pattern of islands in Liaoning based on Kernel Density Estimation

从图1可以直观看出,辽宁海岛在空间上呈带状与组团分布,大体上形成了3个明显的空间分布集聚区或带,分别是黄海北部海域集聚区、辽东半岛南部浅海集聚带和辽东湾西部浅海集聚带。特别是黄海北部海域集聚区为辽宁海岛密度最高的集聚地,此区域也是我国近岸陆架最大群岛之一的长山群岛,包括外长山列岛、里长山列岛和石城列岛。

2.3 与大陆岸线的空间关系

海岛后方是否有便利的交通网络和广阔的经济腹地,对其来说是重要的依托和支撑,海岛与大陆岸线之间的距离,直接影响着海岛的保护、开发与利用。为方便统计与研究,以辽宁省2008年公布的大陆岸线为基准[21],在ArcGIS 10.2中,利用Near距离分析工具,得出各海岛到大陆岸线的近陆距离。全省633个海岛中,距岸最近的仅10 m、最远的不到70 km,平均距离约13 km,经综合统计分析,海岛与大陆岸线之间的空间关系如图2所示。

从图2可以看出,大多数海岛(近60%)距离岸线的直线距离在10 km以内,说明海岛近陆程度较高,且随着离岸距离的增加,海岛数量呈递减趋势。按照海岛通常分类体系中根据离岸距离对海岛进行分类[22],辽宁海岛有陆连岛、沿岸岛、近岸岛,但无远岸岛,其中以沿岸岛居多,约占全省海岛总数量的58%。

图2 海岛距大陆岸线最近距离统计分布图Fig.2 Statistics of straight line distances between islands and coastline in Liaoning

2.4 海岛陆域面积分布均衡性

海岛陆域区域是承载海岛特殊海洋资源和生态环境的复合区域,兼备丰富的海陆资源,是海岛保护与开发利用的重要载体,为海岛最基本、最重要的属性。在全省的633个海岛中,陆域面积大小不一,从5 m2到219 km2不等。为直观、简洁地显示全省海岛陆域面积在海岛间的均衡分配程度,根据全省海岛数量和面积的分布状况,借鉴经济学中的洛伦兹曲线,依据其基本原理,把全省海岛按陆域面积从小到大排列,并分成均等10组数据,以海岛数量累计百分比为横轴、海岛陆域面积累计百分比为纵轴(具体数据见表1),绘制反映全省海岛面积分配差距的洛伦兹曲线,如图3所示。

表1 辽宁海岛数量和面积累计百分比值Tab.1 Accumulative total percentage distribution of island number and the corresponding land area in Liaoning

图3 辽宁海岛数量和面积的洛伦兹曲线图Fig.3 Lorenz Curve based on island number and the corresponding land area in Liaoning

从图3可以看出,海岛陆域面积的洛伦兹曲线明显下凸、弯曲程度大,远离平均分布曲线,非常接近绝对不平均线,表明全省海岛陆域面积在空间分布上不均衡,集中化程度高。

为进一步描述和定量分析辽宁海岛陆域面积分布的均衡程度,对其进行定量化测度,在绘制洛伦兹曲线基础上,计算其基尼系数(G),根据计算公式(4),将表1中的相应数据代入其中,得到基尼系数G=0.9,参考联合国有关组织对国民收入分配基尼系数的分级规定[23],可以看出G值不但大于0.5,且接近于1,表明海岛陆域面积分布相当不均衡,即全省海岛陆域面积主要集中在部分岛屿上,也说明了海岛间的陆域面积大小差距悬殊,这一结论也正好印证了上述洛伦兹曲线的初步判断。

3 讨论与结论

3.1 讨论

辽宁海岛的空间分异特征是自然、社会、经济等众多因素共同作用的产物。从成因上来看,辽宁海岛绝大多数属于地质时期与大陆相连的基岩大陆岛,是地壳运动及海陆变迁的产物,区域地质构造演化为辽宁海岛今天的分布格局奠定了基础。从构造地质来看,辽宁海岸大地构造处于东西向阴山-天山复杂构造带东段与新华夏系一级构造第二巨型隆起带(辽东山地)、第二巨型沉降带(下辽河平原)、第三巨型隆起带(辽西山地)的构造复合部位,决定了辽宁海岛在辽东和辽西山地海岸外侧一线分布,而对应下辽河沉隆带的辽东湾顶部海域则无岛屿发育[12]。

但海岛作为分布于海洋中的地理实体,其他因素对海岛的空间分布特征也有一定的影响。其一,特殊的自然环境,如海浪的冲淤作用、河口泥沙的堆积作用等,可能会孕育新的海岛或导致海岛的自然消亡；其二,在人类开发活动的作用下,如沿海大规模的围填海建设会造成海岛灭失,而海岛的整治修复与保护,会维持海岛的稳定；其三,人们在对海岛资源的认识和获取过程中,往往受当时的获取方式、调查技术与手段的限制,对海岛数量的统计标准和界定范围不同,导致认定的辽宁海岛统计数据存在差异,如从20世纪70年代起至今,辽宁海岛数量共有5种统计数据,按照时间先后顺序分别为506、247、265、402和633个[20,24-25]。

根据辽宁海岛陆域面积统计数据,全省633个海岛陆域总面积约505 km2,陆域面积在10 km2以上的海岛仅9个,但其总面积约430 km2,占全省海岛陆域面积的85%,其中长兴岛作为辽宁省第一大岛,海岛陆域面积约219 km2,占全省海岛陆域面积的43%,几乎占了全省海岛陆域面积的一半。而陆域面积在0.000 5～0.5 km2的海岛达337个,陆域总面积才11 km2,仅占全省海岛陆域面积的2%[20]。经上述数据的统计分析,充分印证了辽宁海岛陆域面积分布的不均衡性。

3.2 结论

本文利用ArcGIS 10.2的空间分析工具并通过构建海岛陆域面积分布的洛伦兹曲线和基尼系数,从定性和定量两个方面综合分析了辽宁633个海岛的空间分布特征,得到如下主要结论：

(1)辽宁海岛属于集聚型分布类型,最邻近点指数R=0.18<1,Z得分(ZScore)为-39.56,显著性水平P<0.01。

(2)辽宁海岛在空间上呈组团与带状分布,按集聚程度形成了黄海北部长山群岛集聚区、辽东半岛南部浅海集聚带和辽东湾西部浅海集聚带。表明辽宁海岛有群体优势和良好的地域组合,适宜以组团和区域联动的模式进行开发。

(3)近60%的海岛距离大陆岸线的直线距离在10 km以内,近陆程度高,且多为沿岸岛。沿岸海岛又是发展海洋经济的“第二经济带”[26],显然辽宁在海洋开发利用中具备了天然优势,为辽宁发展海洋经济提供了切实可行的重要基地和支点。

(4)海岛陆域面积分布不均衡、集中化程度高,基尼系数达0.9。反映了辽宁海岛陆域面积主要集中在少数岛屿上,而海岛陆域空间又是影响海岛经济开发活动的重要因素,这就决定了在辽宁的海岛开发利用中,需要珍惜岛陆空间,合理布局,使其健康持续发展。

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Application of GIS and Lorenz Curve to study the spatial distribution characteristics of islands in Liaoning Province

ZHAO Dong-yang，LEI Li-yuan，YOU Guang-ran，LIU Ming，XI Xiao-hui，BI Yuan-pu*

(LiaoningOceanandFisheriesScienceResearchInstitute，Dalian116023,China)

In order to reasonably develop, utilize and protect islands’ resources in Liaoning Province and optimize the industry structures and arrangements on islands, the spatial distribution characteristics of islands in Liaoning Province were investigated by application of GIS spatial analysis, Lorenz Curve and Gini Coefficient calculation based on the statistical data of 633 islands’coordinates and land areas, which have been listed in the Standard Directory of Islands in China Sea .The results show that the distribution type of islands in Liaoning Province belongs to aggregated distribution and presents group and zonal distribution in space. The islands of Liaoning Province have shaped Changshan Island aggregation district in the northern of the Yellow Sea and shallow sea aggregation zones in the southern of Liaoning Peninsula and in the western of Liaodong Gulf in terms of the levels of aggregation. Approximately 60% islands locate within the range of 10 km off the mainland coastline in straight line, leading to near the land at high degree. The land areas are imbalance among islands with the Gini Coefficient of 0.9.

islands in Liaoning; spatial distribution；Kernel Density Estimation; average nearest neighbor; Gini Coefficient

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.009.

2016-03-28

2016-10-11

全国海域海岛地名普查辽宁专项项目资助；辽宁省海洋与渔业厅科研计划项目资助(201017)

赵东洋(1982-),男,辽宁大连市人,助理研究员,主要从事海域、海岛的开发与保护。E-mail:dongyang7@126.com

*通讯作者：毕远溥(1958-),男,研究员,主要从事海岛海岸带保护开发与可持续利用研究与管理。E-mail:byp98@163.com

P737.1；P208.2

A

1001-909X(2017)01-0073-07

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.009

赵东洋，雷利元，尤广然，等.基于GIS和洛伦兹曲线的辽宁省海岛空间分布特征探析[J].海洋学研究,2017,35(1):73-79,

ZHAO Dong-yang，LEI Li-yuan，YOU Guang-ran, et al. Application of GIS and Lorenz Curve to study the spatial distribution characteristics of islands in Liaoning Province[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(1):73-79, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.009.