基于监测业务数据的海域使用强度空间表征方法

陈思露，刘百桥，胡蓓蓓

（天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387）

近年来，构建与资源环境承载力相适应的社会经济发展模式逐渐成为社会各界的共识，生态用海理念已深入人心[1-4].落实到海域管理领域，这一共识可以理解为必须根据海洋资源环境承载力，合理配置海域资源，统筹协调海洋保护和开发活动[5-7].为此，我们要深入认识海域的自然禀赋，及时、全面地掌握海域开发现状，在此基础上科学测评海洋资源环境承载力与开发负载之间的协调程度.海域使用是指持续使用特定海域3个月以上的排他性用海活动[8].目前，国内学者对于海域使用强度的概念并无统一的内涵界定，评估方法也多种多样，较多的研究工作基于海岸线位置和形态等的变化程度衡量海岸开发强度，一方面利用填海面积与占用岸线长度之比作为围填海开发强度的度量指标[9-12]，另一方面利用某一时间段内海岸线长度变化率、岸线曲折度和分形维数等反映海岸开发强度[13-15].还有一些研究工作根据不同岸线类型和景观类型所对应的人类干扰程度差异评估海岸区域内的人类活动影响强度[16-19]，针对海湾内的各岸线类型和景观类型，分别进行指数赋值，计算海岸人工化强度和海湾人力干扰强度.此外，张君珏等[20]根据海岸带景观的不均匀性和破碎程度反映人类活动影响强度，利用网格化的地表不透水面数据，采用泰尔指数表征沿海土地开发利用空间差异，并据此分析海岸带开发强度.

现有研究从不同角度反映了海岸带开发的强度特征，但与海域资源承载力监测预警和海域使用管控业务等的现实需求还存在一定差距，主要体现在以下几个方面：一是所考虑的用海活动主要为填海造地，而未考虑围海、构筑物和开放式等方式的用海活动，这些未被考虑的用海活动在现实中客观存在，占用较广的海域面积，对海域环境均造成一定程度的压力；二是未区分用海产业，不能反映不同产业用海对海域空间资源利用程度的差异性；三是不能很好地利用海域管理业务数据，需要以专门的研究数据为支撑，研究工作限于局部地区，难以适应全国或海区范围内常态化快速评估的需要.因此，本研究以海域使用动态监测业务数据为信息源，设计了一套根据海域使用范围、类型和方式评估海域使用负载的空间表征方法，该方法以海域使用负载的空间密度表征海域使用强度的思路和方法，为大尺度范围内海域使用强度的快速高效评估提供方法参考，为海域资源承载力监测预警、海域使用管控业务等工作提供支持.

1 基本思路

本研究旨在为海域资源承载力监测预警和海域使用管控等工作提供可供业务运行的海域使用强度评估方法，方法的便捷性和结果的有效性是主要目标.海域使用强度空间表征方法立足于3个基本要求：①评估指标在内涵上应体现人们对区域内海域使用强度高低的一般认识.由于用海活动对海洋资源环境具有一定的压力，可视为海域所承受的一种负担，本研究称之为海域使用负载.对某一海域而言，用海项目布局越紧凑，对空间资源的利用越充分，对海域自然属性的改变程度越大，意味着其承载的海域使用负载就越大，从承载对象的角度看，可理解为海域使用强度越高.②评估方法应直接利用海域动态监测业务数据，在较短时间内实现全海域的使用强度评估；③评估结果应有效反映海域使用强度的空间分异特征.

本研究以海域使用动态监测业务数据为数据源，根据海域使用范围、类型和方式评估海域使用负载，以海域使用负载的空间密度表征海域使用强度，并归纳其空间分布特征.主要思路为：

（1）根据某点的海域使用类型和用海方式表征该点的海域使用负载.海域使用管理包括海域使用类型的管理和用海方式的管理.不同海域使用类型在利用海域资源要素、发挥资源价值的综合程度和充分程度方面存在差异，即海域使用类型一定程度上对应着用海活动对海域资源的利用程度，反映其对海域资源的索取压力；用海方式对应着用海活动对海域自然属性的影响程度，反映其对海域资源的损耗压力.因此，可以按照一定的规则，将各海域使用类型和用海方式分别折合为海域资源利用程度系数和海域自然属性影响程度指标.针对具体点位，可根据该点实际的海域使用类型和用海方式，将对应系数与指标的乘积作为该点海域使用负载的指标值.

（2）用某点一定邻域内海域使用负载指标值的空间密度值表征该点的海域使用强度.如前所述，海域使用强度是对海域使用的区域聚集程度、资源利用程度和自然属性影响程度的综合反映，是衡量一定范围内海域使用空间分布态势的指标.事实上，海洋开发活动既在用海范围内对海域空间构成直接的压力，也对邻近一定范围的海域产生辐射影响，某一点的海域使用强度既来自该点海域使用的直接作用，也来自一定邻域内其他点位的海域使用影响，对其评估需要考虑邻域内海域使用的总体情况.本研究根据前述对海域使用强度的描述，选用地理信息核密度分析方法，用计算所得海域使用负载的核密度值表征海域使用强度.

（3）通过空间聚类分析揭示海域使用强度分布的区域分异特征.为了更好地服务管理业务，及时提供区域分类和指示信息，尚需进一步归纳海域使用强度空间分布特征.可按一定规则，对海域使用强度评估结果进行空间聚类，提取海域使用高强度区域.

2 方法介绍

2.1 海域栅格化处理

在中国，对海域使用现状信息实施“一张图”管理[21].在海域使用动态监测业务系统中，所有已知项目用海的空间分布和属性信息储存在一个多边形矢量数据图层中，其中每个项目的用海范围记录为一组多边形，每个多边形又有相应的海域使用类型和用海方式属性.海域使用强度评估需要利用地理信息系统的栅格图层运算工具.评估前需要按照一定的栅格大小，如50 m×50 m，对评估海域进行栅格化处理，并根据使用现状矢量数据图层，生成反映海域使用现状信息的栅格图层，其中主体属于海域使用范围内的栅格会有相应的海域使用类型和用海方式属性，其他栅格则无此类属性.

为满足海域使用强度评估工作需要，运算过程中还需建立若干个栅格数据图层，分别记载海域自然属性影响程度指标、海域资源利用程度系数、海域使用负载指标和海域使用强度指标.

2.2 海域使用负载评估

2.2.1 海域自然属性影响程度指标赋值

根据各栅格对应的用海方式，对记载海域自然属性影响程度指标的栅格图层数据进行赋值.设栅格（i，j）上的用海方式为αij，则海域自然属性影响程度指标 Eij赋值为 e（αij）；如栅格（i，j）上无用海活动，则Eij赋值为0.本研究按照《海域使用分类》（HY/T123-2009）取填海造地、构筑物、围海和开放式4种用海方式，其他用海方式根据对海域自然属性的影响程度归入上述4种方式.出于实验目的，经咨询专家，e（αij）取值为

2.2.2 海域资源利用程度系数赋值

根据各栅格对应的海域使用类型，对记载海域资源利用程度系数的栅格图层数据进行赋值.设栅格（i，j）上的海域使用类型为βij，则海域资源利用程度系数Wij赋值为 w（βij）；如栅格（i，j）上无用海活动，则 Wij赋值为0.鉴于《海域使用分类》（HY/T123-2009）中海域使用类型较多，本研究根据空间资源利用程度相近原则，将海域使用类型归为渔盐业用海、工业城镇用海、交通运输用海、旅游娱乐用海和其他用海共5大类.根据专家打分结果，w（βij）取值为

2.2.3 海域使用负载指标值计算

通过图层运算，对记载海域使用负载指标的栅格图层数据进行赋值，栅格（i，j）的海域使用负载指标取值为

2.3 海域使用强度评估

将栅格图层数据转换为以栅格中心为点坐标的点层数据，进行核密度分析，计算海域使用负载指标Pij的核密度值，以此反映海域使用强度的相对水平.

设栅格（i，j）的中心位置为xij，则栅格的核密度值为

式（4）中：k为核函数，本研究取Silverman[22]中的二次核函数；Pt为第t个观测位置上的海域使用负载指标值；dt为第t个观测位置距xij位置的距离；h为衰减距离阈值，距离xij越近的点的海域使用负载对xij处的核密度值贡献越大，当某点与xij的路径距离达到或超过h时，则该点对xij处的核密度值贡献衰减为0；T为与xij的距离小于或等于h且具有海域使用负载指标值的栅格数.

目前，衰减距离阈值h的取值暂无理想的参考标准，仍需参照人们感性上衡量海域开发利用强度时着眼的邻域空间大小，一般可按用海活动对海域空间资源的最大影响距离取值.现实中，海域使用的布局比土地利用宽松很多.海域使用中的“相邻”和“集聚”概念不能机械理解为海域使用一定要紧邻、密布.对于海域使用间的空间关系，通常人们心目中有一个大体的空间尺度标准L0，当海域使用间的距离大于L0时，认为它们分离，小于L0时，认为它们相邻，且随着海域使用间的距离不断缩小，人们会认为它们具有越来越明显的邻近、集聚特征.本研究定义的某点海域使用强度是人们对该点位周围L0尺度范围内海域使用剧烈程度的一种感受.因此，h的取值应与上述理解中的尺度L0相当.《海域使用论证技术导则》（国海发[2010]22号）要求论证范围应覆盖项目用海可能影响到的全部区域，并规定一般情况下一级论证的论证范围以项目用海外缘线为起点向外扩展15 km进行划定，该标准相当于给出了尺度L0=15 km，鉴于此，本研究也取h=15 km.

2.4 海域使用强度空间特征归纳

借鉴空间自相关原理[23]，利用自然断裂法，根据组内差异最小、组间差异最大的准则，对核密度栅格图层数据进行空间聚类分析，可以归纳出海域使用强度的相对高值区域，并将这些区域理解为海域使用负载的集聚区域.

3 试验与结果

3.1 试验区域与数据情况

本研究选择渤海海域为试验区，尝试开展海域使用强度计算并分析其空间分异特征.试验区涉及辽宁、河北、天津和山东4省（市）的13市.试验区海域向陆一侧的边界为各省（市）公布的管理岸线.

试验采用国家海域使用动态监视监测系统中的海域使用管理业务数据，包括2015年底的海域使用确权登记数据和海域使用本底库数据，数据覆盖试验区内所有已知的海域开发活动.

3.2 海域使用负载计算结果

试验区内总的海域使用负载如图1所示，其中渔盐业用海、工业城镇用海、交通运输用海和旅游娱乐用海4种海域使用类型的负载如图2所示.

图1 渤海区总海域使用负载的示意图Fig.1 Schematic diagram for load of total sea area use in Bohai Sea

图2 渤海区4种类型的海域使用负载示意图Fig.2 Schematic diagram for load of four types of sea area use in Bohai Sea

图1和图2中的海域使用负载数据在一定程度上反映了海域使用强度空间分布的宏观趋势.由图1可以看出，海域使用负载高值区主要出现在天津、曹妃甸和盘锦港等沿岸海域，此外，长兴岛、鲅鱼圈和黄骅港-埕口等沿岸海域也有相对较高的负载值.结合图2可知，图1中突出的负载值主要源自渔盐业用海、工业城镇用海以及交通运输用海的贡献，特别是集聚在临港工业综合配套区内的工业城镇用海以及交通运输用海.渔盐业用海在渤海沿岸的分布相对广泛，主要布局在河海交汇处和海岛附近海域，连片开发特征明显，但负载值不高，较高值集中在山东滨州-东营以及潍坊沿岸海域.工业城镇用海呈多点集中分布，主要布局在天津、唐山、盘锦和大连等经济发达的地区沿岸，海域使用负载值较高，其中尤以天津临港和南港工业区、曹妃甸、葫芦岛港和盘锦港等沿岸海域最为突出.交通运输用海主要集中在天津港、曹妃甸、鲅鱼圈和黄骅港等沿岸海域，以天津港和黄骅港沿岸海域使用负载最高.旅游娱乐用海总体负载较小，高值区主要集中在潍坊滨海生态旅游休闲娱乐区，该区域有较大规模的填海造地.

但海域使用负载数据仅反映所在点位直接的用海活动.由图1和图2可以看出，海域使用负载数据在空间上并非连续分布，其数值分布与海域使用范围直接对应，位于海域使用范围内的点位上，对应用海类型和用海方式的海域使用负载值，此外，海域使用负载值为0.因此，海域使用负载数据并不能综合反映一定范围内海域使用空间分布的态势，不具备区域代表性.

3.3 海域使用强度分析结果

为了反映一定范围内海域使用负载的综合作用，本研究进一步对海域使用负载数据层进行核密度分析，并对所得核密度数据层进行归一化处理，得到海域使用强度数据层.为了自动识别海域使用强度的相对高值区域，为海域使用管控业务提供区域分类和指示信息，本研究在此基础上利用自然断裂法，按5级分类方案对该层数据进行空间聚类分析，结果如图3所示.由图3可以看出，通过核密度分析所得海域使用强度数据在空间分布上保持与海域使用负载数据相同的趋势，但在具体点位上，海域使用强度数据已与海域使用范围无直接对应关系，每一点的数值都综合了一定范围内海域使用的负载作用，部分点位即使不在海域使用范围内，仍有海域使用强度值，因此整个数据层在空间上呈现连续分布的特征.

图3 渤海区海域使用强度示意图Fig.3 Schematic diagram for intensity of sea area use in Bohai Sea

按照本研究的设定可知，图3中多个海域使用强度较高的聚类区域内存在分布范围较高、量值较高的海域使用负载，因此，这些区域可以理解为海域使用负载的集聚区.结合上文中海域使用负载分析结论可知，渤海区海域使用负载集聚区主要呈现“高值核心式”聚集和“较高值平摊式”聚集2种布局方式，前者以集中分布的工业城镇和交通运输类填海造地用海为主要成因，后者以连片大规模渔盐业围海和分散的工业城镇、交通运输类填海造地为主要成因，具体分布如表1所示.

表1 渤海区主要的海域使用负载聚集区Tab.1 Main aggregated area of sea use in Bohai Sea

本研究所得海域使用强度分布特征与高志强等[24]和徐进勇等[25]有关渤海区海岸线变化相对集中区和强度剧烈区的判断相似，说明本研究海域使用强度评价方法的有效性.

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究针对海域使用管控业务需求，从海域使用的区域聚集程度、资源利用程度及对海域自然属性的影响程度等方面概括了海域使用强度概念的内涵，设计了一套用于表征海域使用强度空间分布特征的方法，并以2015年渤海区为例，利用海域使用动态监测数据开展了海域使用强度评估，研究结果表明：

（1）利用本研究方法所得结论与已有认知和研究成果基本一致，可以反映渤海区海域使用强度的空间分布特征，且评估方法简单、有效.

（2）渤海区海域使用强度空间分异明显，有多个集聚区域，呈现“高值核心式”聚集和“较高值平摊式”聚集2种分布态势.“高值核心式”聚集主要出现在盘锦港（辽滨经济区）和天津-曹妃甸沿岸海域；“较高值平摊式”聚集主要出现在长兴岛-普兰店、老母猪礁、鲅鱼圈、葫芦岛港-大凌河、兴城临海产业区-长山寺、滦河口、大清河口、黄骅港-埕口、东营港、黄河口、潍坊、小石岛和龙口港沿岸海域.

4.2 讨论

（1）本研究旨在为海域资源承载力监测预警、海域使用管控等工作提供可用于业务运行的海域使用强度评估方法，方法的便捷性和结果的有效性是主要目标.从研究结果来看，本研究的评估思路和方法为大尺度范围内海域使用强度的快速高效评估提供了可行途径.

（2）目前，本研究针对于海域资源利用程度系数和海域自然属性影响程度的取值主要来源于专家意见，评价结果有一定的主观性成分，相关研究有待深入.

（3）根据他人研究成果可知[26]，核函数的选择及衰减距离阈值的取值对海域使用负载核密度计算值存在一定影响，相关研究有待深入.从本文研究结果看，它们不会改变海域使用负载空间密度的空间分布趋势.由于本文最终采用归一化的海域使用负载空间密度表征海域使用强度，因此两者对海域使用强度评估结果的影响有限.

（4）海域栅格化时，栅格大小的选择会对海域使用强度评估的空间精细程度和计算效率产生影响，较小的栅格尺度导致较高的空间精细程度和较低的计算效率，但不会改变海域使用负载空间密度的空间分布趋势.本研究认为现实中较小用海工程的海域使用范围基本在数十米尺度，按数十米尺度进行海域栅格化，评估的空间精细程度和计算效率均较适宜.