李序春，徐惠民，索安寧

(1.遼寧師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116029；2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023)

21世紀(jì)以來，隨著全球經(jīng)濟一體化進程的快速推進，我國外向型經(jīng)濟發(fā)展逐年壯大，大型石化企業(yè)、鋼鐵基地、工業(yè)園區(qū)在沿海地區(qū)迅速崛起，帶動了沿海港口的深水化、大型化發(fā)展[1].據(jù)統(tǒng)計截至2016年底，我國沿海已建成運營的沿海港口超過50個，萬噸級泊位將近1 500個，吞吐量超過億噸的港口超過19個，其中寧波-舟山港、上海港、天津港、廣州港、唐山港和青島港年吞吐量都超過5億t，穩(wěn)居全球十大港口之列[2-3].全國沿海大規(guī)模的港口碼頭建設(shè)占用了大量的自然海岸線、濱海濕地、近岸海域和臨岸土地等海岸空間資源，成為近年來我國海域資源集約化利用管理的重點區(qū)域之一[4].有關(guān)學(xué)者分別從港口用地集約利用評價[5-7]、港口岸線集約化利用[8-10]、港口與腹地經(jīng)濟關(guān)聯(lián)性[11-12]等方面開展了大量的研究，建立了基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的港口用地集約利用評價指標(biāo)體系.遙感技術(shù)作為一種全新的對地觀測手段，廣泛地應(yīng)用于氣象預(yù)報、災(zāi)害監(jiān)測、土地利用、生態(tài)觀測等領(lǐng)域，而空間分辨率優(yōu)于5.0 m的高空間分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，則為更為細致的地表結(jié)構(gòu)監(jiān)測分析提供了可行的技術(shù)途徑.利用高空間分辨率衛(wèi)星遙感影像開展港口內(nèi)部結(jié)構(gòu)監(jiān)測分析，探索建立港口區(qū)空間資源集約利用管控基準(zhǔn)，以此為基礎(chǔ)進行港口區(qū)集約化利用評價，可為港口資源的潛力挖掘和集約化管理提供技術(shù)依據(jù).這對于提升港口集約化利用管理，提高港口區(qū)域空間資源的利用效率具有重要的意義.本研究選用高空間分辨率的國產(chǎn)GF-2和GF-3衛(wèi)星遙感影像，建立了面向?qū)ο蟮母劭诳臻g格局遙感監(jiān)測技術(shù)流程，構(gòu)建了港口區(qū)集約化利用評價指標(biāo)，并以渤海區(qū)域5個典型港區(qū)為例開展了實證研究，以期探討港口空間格局的基本結(jié)構(gòu)，為優(yōu)化港口內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高港口空間資源集約利用水平提供技術(shù)參考.

1 材料與方法

1.1 渤海區(qū)域港口概況

渤海區(qū)域是環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)的核心區(qū)域，由沿渤海的遼寧省、河北省、天津市和山東省環(huán)抱而成.渤海海域面積約7.8萬km2，水深平均為18 m，區(qū)域內(nèi)四季通航，不凍不淤，有大小港口60余個，既有全國核心港口大連港、天津港、營口港，也有區(qū)域重要港口錦州港、葫蘆島港、煙臺港、京唐港、秦皇島港，年均貨物吞吐量超過億噸的港口有7個[13].本研究選取港口空間結(jié)構(gòu)完整的營口鲅魚圈港區(qū)、錦州港區(qū)、京唐港區(qū)、煙臺芝罘港區(qū)、煙臺龍口港區(qū)作為典型港區(qū)，5個港區(qū)的空間位置見圖1.

圖1 渤海地區(qū)5個典型港區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of five typical ports in the Bohai Sea region

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理 本研究收集到覆蓋渤海區(qū)域5個典型港口的國產(chǎn)GF-2和GF-3衛(wèi)星遙感影像5景，各景衛(wèi)星遙感影像的采集時間見表1.遙感影像前期所要進行的圖像預(yù)處理(大氣校正和輻射校正)在影像接收站已完成處理，本研究著重對遙感影像進行了幾何精校正處理，步驟如下：①在所選港口周邊均勻布設(shè)地面控制點25個；②使用移動式GPS與高精度的RTK到港口內(nèi)部對控制點進行現(xiàn)場定位；③在ENVI軟件中對衛(wèi)星遙感影像進行幾何精校正[14-15]；④結(jié)合地面實測點進行對比并查驗校正精度.

其他數(shù)據(jù)包括5個典型港區(qū)的2014、2015、2016年的吞吐量數(shù)據(jù)，來自于5個港區(qū)的報表數(shù)據(jù)及港口統(tǒng)計年鑒[16-18].

1.2.2 港口內(nèi)部組成單元的分類與界定 根據(jù)港口內(nèi)部單元的功能用途，將港口空間組成劃分為碼頭、港池、防波堤、堆場、道路、港口基礎(chǔ)管理設(shè)施以及未利用地等.碼頭通常是由透水構(gòu)筑物或非透水構(gòu)筑物組成，空間形態(tài)上表現(xiàn)為單突堤式或多突堤式碼頭、順岸式、T型、F型、L型碼頭等.空間分辨率優(yōu)于5.0 m的高分辨率遙感影像可以清楚的看到碼頭區(qū)域的起重機等裝卸設(shè)施.由于我國碼頭岸線多為直立式，所以碼頭的范圍主要是碼頭水邊線到后方堆場之間的區(qū)域，碼頭與后方堆場等區(qū)域的分界線在一些區(qū)域遙感影像上可以直觀判定，對于另外一些衛(wèi)星圖像難以分辨的區(qū)域，則需要人為現(xiàn)場查看界定.港池為鄰接碼頭的近岸水域，在遙感影像上與海洋的水體顏色一致.防波堤大多數(shù)呈“一”字型分布，位于港池最外圍水域，大部分港口會在港口最外圍設(shè)置多條防波堤來減弱海上波浪對港口內(nèi)停泊船只影響.堆場絕大部分位于碼頭后方延伸區(qū)的平地，用來堆放進出港口的船只裝卸的貨物和原料，多數(shù)是由填海造地形成的土地和直接利用港口后方原有土地建設(shè)形成.港口內(nèi)道路與其他區(qū)域道路色調(diào)一致，主要是為了連通港口內(nèi)碼頭、堆場與進出港口的道路，便于貨物的集散.港口內(nèi)基礎(chǔ)管理設(shè)施主要為樓房等建筑物密集分布的區(qū)域，同其他工業(yè)區(qū)、城鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)的建筑物相類似.未利用地是指港區(qū)內(nèi)尚未開發(fā)利用的閑置區(qū)域.港口區(qū)各類組成單元的具體地表特征描述如表2所示.

表1 渤海地區(qū)5個典型港口的衛(wèi)星遙感影像參數(shù)Tab.1 Parameters of five typical ports from satellite remote sensing image in the Bohai Sea region

表2 港口各組成單元地表特征描述Tab.2 Description of surface function characteristics of each component unit of port

1.2.3 港口空間格局遙感監(jiān)測方法 根據(jù)港口空間組成及其地表類型特征，以高空間分辨率遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和相關(guān)資料，構(gòu)建面向?qū)ο蟮母劭诳臻g格局遙感監(jiān)測分類方法.首先，對高空間分辨率衛(wèi)星遙感影像進行尺度分割.尺度分割主要是依據(jù)相同的光譜特征和空間鄰接關(guān)系將遙感影像劃分成像素群的過程，期間既可以生成分類對象，又可以將分類對象按等級結(jié)構(gòu)連接起來[19].其次，建立港口地表類型分類知識數(shù)據(jù)庫，也就是通過港口各個組成單元的地表影像光譜特征、形狀特征以及紋理特征等建立港口地表類型遙感影像特征庫[20].再次，根據(jù)建立的港口地表類型遙感影像特征庫定義樣本對象，同時插入分類器對尺度分割后的影像進行面向?qū)ο蠓诸?最后，采集地面驗證點，并對以上分類結(jié)果進行精度查驗，保證遙感影像分類準(zhǔn)確率達到90%以上.具體技術(shù)流程圖如圖2所示.表3為港口區(qū)域各組成單元地表遙感影像特征.

圖2 面向?qū)ο蟮母劭趦?nèi)部空間格局分類技術(shù)流程圖Fig.2 Object-oriented technology flow chart for the pattern classification of port inner space 表3 港口區(qū)各地表組成類型遙感影像特征Tab.3 Remote sensing image characteristics of each component unit of port ground surface

序號地表類型圖像特征形狀與紋理特征樣本1碼頭碼頭區(qū)域主要呈亮灰色,位于港池和堆場之間,由于水體顏色呈暗灰色、灰藍色,碼頭后方堆場由于擺放貨物,色彩各異,所以碼頭區(qū)域十分明顯.對于另外個別衛(wèi)星圖像難以分辨的區(qū)域,則需要人為現(xiàn)場查看界定碼頭呈突堤狀深入港池水域,或順岸鄰接水域,碼頭區(qū)域呈亮灰色條帶狀分布于堆場和港池之間,有許多碼頭裝卸設(shè)施2港池港池內(nèi)水域呈現(xiàn)暗灰色或灰藍色等鄰接碼頭的水域,環(huán)抱式港口內(nèi)港池由碼頭與防波堤環(huán)抱合圍而成;開放式港口港池主要為碼頭鄰接水域3防波堤防波堤呈亮灰色,與周邊水域暗灰色形成明顯對比處于碼頭與港池最外圍,呈細長的帶狀分布4堆場堆場地面呈現(xiàn)亮灰色,堆放貨物之后的堆場因貨物顏色外表不同,色彩各異處于碼頭后方的大片平整空曠區(qū)域,因堆放貨物不同,形狀與紋理各異5道路與周邊堆場地面色彩相近,但顏色比較均一連接港口內(nèi)部各功能單元之間的帶狀相互連通區(qū)域,表面相對平整6港口基礎(chǔ)管理設(shè)施因建筑物頂部材質(zhì)不同而色彩不一建筑物密集分布,形狀大小差別較大7未利用地因地表覆蓋類型不同,呈不同顏色,裸露區(qū)為灰色,植被區(qū)為綠色地表相對平整,沒有利用紋理特征

1.2.4 港口區(qū)集約利用評估指標(biāo) 港口區(qū)集約利用評估主要從兩方面著手，一是港口各組成類型單元的結(jié)構(gòu)比例，主要反映港口區(qū)組成結(jié)構(gòu)是否合理，是否存在某些面積超過一般比例的組成類型，根據(jù)港口空間集約利用管理目標(biāo)，本研究創(chuàng)建的主要評估指標(biāo)包括碼頭指數(shù)、堆場指數(shù)、港池指數(shù)、深水岸線指數(shù)；二是港口區(qū)的利用效率，主要反映港口區(qū)吞吐量是否飽和，按照一般情況還有多大潛力可以挖掘，主要評估指標(biāo)為港口效率指數(shù).

①碼頭指數(shù).碼頭指數(shù)為單位碼頭岸線鄰接的碼頭區(qū)域面積，即為碼頭區(qū)域總面積除以碼頭岸線長度，計算方法為：

(1)

式(1)中:MI為碼頭指數(shù)，si為第i段碼頭面積(hm2)，li為第i段碼頭岸線長度(km).

②堆場指數(shù).堆場指數(shù)為碼頭后方堆場面積與碼頭海岸線長度的比例，計算方法為：

(2)

式(2)中:DI為堆場指數(shù)，aj為第j個堆場的面積(hm2)，m為堆場個數(shù)，其他同上.

③港池指數(shù).港池指數(shù)為港池面積與碼頭海岸線長度的比例，計算方法為：

(3)

式(3)中：GCI為港池指數(shù)，Sc為港池總面積(hm2)，其他同上.

④深水岸線指數(shù).深水岸線指數(shù)為港口區(qū)域碼頭岸線長度與港口區(qū)域海岸線總長度的比例，計算方法為：

(4)

式(4)中：PL為深水岸線指數(shù)，li為第i段碼頭深水岸線長度(km)，n為港口內(nèi)深水岸線總段數(shù)，L0為港口海岸線總長度(km).

⑤港口效率指數(shù).港口效率指數(shù)主要反映港口利用的效率情況，采用單位碼頭岸線的年貨物吞吐量表示，計算方法為：

(5)

式(5)中，CLU為港口效率指數(shù)，T為港口的年平均吞吐量(萬t)，Ls為碼頭岸線長度(km).

2 結(jié)果與討論

2.1 渤海5個典型港區(qū)港口空間格局組成

渤海5個典型港區(qū)的空間格局如圖3所示，港口區(qū)基本組成包括碼頭、港池、堆場、防波堤、道路、港口基礎(chǔ)管理設(shè)施、未利用地共7種不同功能的利用類型.

渤海5個典型港口組成結(jié)構(gòu)見表4.在港口空間規(guī)模方面，營口鲅魚圈港區(qū)面積最大，為5 690.61 hm2；其次為京唐港區(qū)，面積2 703.09 hm2，不到營口鲅魚圈港區(qū)的一半；錦州港區(qū)、煙臺芝罘港區(qū)和煙臺龍口港區(qū)面積都在1 000 hm2左右，其中錦州港區(qū)面積最大，為1 352.47 hm2.從港口所擁有海岸線總長度來看，營口鲅魚圈港區(qū)擁有41.91 km的海岸線長度，京唐港區(qū)和煙臺龍口港區(qū)為17.68 km和17.48 km，煙臺芝罘港區(qū)有15.70 km的海岸線，錦州港區(qū)只有9.23 km的海岸線.其中在碼頭岸線長度方面，營口鲅魚圈港區(qū)擁有22.04 km的碼頭岸線，煙臺芝罘港區(qū)和京唐港區(qū)分別擁有13.26 km和12.71 km碼頭岸線，煙臺龍口港區(qū)有9.86 km碼頭岸線，錦州港區(qū)碼頭岸線與海岸線相同，為9.23 km.在碼頭面積上，營口鲅魚圈港區(qū)依然面積最大，達152.88 hm2，是面積最小的錦州港區(qū)碼頭面積的3倍，而在港池面積上營口鲅魚圈港區(qū)依然位居第一位達到3 119.04 hm2，占總面積的54%.港池最小的煙臺芝罘港區(qū)僅為295.76 hm2，占總面積的29%.堆場面積方面，營口鲅魚圈港區(qū)以1 393.26 hm2位居第一位，堆場面積占比達25%，堆場面積僅有434.88 hm2的煙臺港，堆場面積占比高達43%.

另外，5個港口都有一定比例的未利用地，營口鲅魚圈港區(qū)高達607.17 hm2，約占港口總面積的10%；京唐港區(qū)有471.46 hm2的未利用地，占港口總面積的高達17%，煙臺龍口港區(qū)與錦州港區(qū)未利用地面積分別占港區(qū)總面積的8%和5%，煙臺芝罘港區(qū)未利用地面積僅占總面積的1%.

2.2 渤海5個典型港區(qū)空間格局

對比分析渤海5個典型港區(qū)的空間格局，具體見表5.碼頭是港口區(qū)裝卸貨物的區(qū)域，面積一般隨碼頭岸線長度變化.5個港口區(qū)中京唐港區(qū)碼頭指數(shù)較大，為9.35，錦州港區(qū)最小，為5.36，其余3個港區(qū)都在6.50～7.00之間，說明碼頭區(qū)域集約利用程度都比較高.5個港區(qū)的堆場指數(shù)變化比較大，煙臺芝罘港區(qū)和煙臺龍口港區(qū)相對比較小，分別為32.79和31.80，而營口鲅魚圈港區(qū)、京唐港區(qū)和錦州港區(qū)堆場面積比較大，堆場接近前者的2倍，分別達到63.21、62.04和69.43.港池指數(shù)方面，營口鲅魚圈港區(qū)港池指數(shù)遠遠大于其他4個港區(qū)，達到141.51，處于第二位的京唐港區(qū)為85.90，其他3個港區(qū)港池指數(shù)等比較小，分別為錦州港區(qū)41.51、煙臺芝罘港區(qū)22.30、煙臺龍口港區(qū)39.02，說明營口鲅魚圈港區(qū)的港池面積比例偏大.深水岸線指數(shù)方面，錦州港區(qū)深水岸線指數(shù)最高，為1.00，說明錦州港區(qū)海岸線已全部開發(fā)成碼頭深水岸線；煙臺芝罘港區(qū)和京唐港區(qū)深水岸線指數(shù)分別為0.84和0.71，港區(qū)海岸線利用比例比較高；營口鲅魚圈港區(qū)和煙臺龍口港區(qū)深水岸線指數(shù)最小，分別只有0.52和0.56，海岸線利用比例有待提高.

圖3 渤海5個典型港口空間格局Fig.3 Spatial pattern of five typical ports in the Bohai Sea region

表4 渤海5個典型港口分類數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.4 Statistics of classification data of five typical ports in the Bohai Sea region

表5 渤海5個典型港區(qū)空間格局集約利用指數(shù)Tab.5 Spatial pattern intensive utilization indexes of five typical ports in the Bohai Sea region

2.3 渤海5個典型港區(qū)利用效率

結(jié)合近年來5個典型港區(qū)的貨物吞吐量，計算5個港區(qū)的港口效率指數(shù)(圖4).可以看出，京唐港區(qū)的港口效率指數(shù)最大，達到1 712萬t/km，說明京唐港區(qū)港口利用效率最高，單位岸線貨物吞吐量超過1 700萬t；其次是營口鲅魚圈港區(qū)，港口效率指數(shù)為1 486萬t/km，港口利用效率也比較高；煙臺芝罘港區(qū)和錦州港區(qū)港口效率指數(shù)接近，分別達到1 078萬t/km和956萬t/km，而煙臺龍口港區(qū)港口效率指數(shù)最小，僅為708萬t/km，可見港口利用效率稍低.

圖4 渤海地區(qū)5個典型港區(qū)利用效率對比Fig.4 Comparison of utilization efficiency of five typical ports in the Bohai Sea region

2.4 討論

以碼頭岸線為基準(zhǔn)，對比分析渤海5個典型港區(qū)組成單元的面積比例.營口鲅魚圈港區(qū)碼頭指數(shù)6.93 hm2/km，堆場指數(shù)63.21 hm2/km，港池指數(shù)141.51 hm2/km，綜合分析碼頭岸線與碼頭面積、堆場面積、港池面積的基本比例為1.00∶6.93∶63.21∶141.51.也就是說營口鲅魚圈港區(qū)1.00 km碼頭岸線對應(yīng)的碼頭裝卸區(qū)域6.93 hm2、堆場63.21 hm2、港池141.51 hm2.同理可以得出：煙臺芝罘港區(qū)碼頭岸線與碼頭面積、堆場面積、港池面積的基本比例為1.00∶6.52∶32.79∶22.30；煙臺龍口港區(qū)碼頭岸線與碼頭面積、堆場面積、港池面積的基本比例為1.00∶6.66∶31.80∶39.02；京唐港區(qū)碼頭岸線與碼頭面積、堆場面積、港池面積的基本比例為1.00∶9.35∶62.04∶85.90；錦州港區(qū)碼頭岸線與碼頭面積、堆場面積、港池面積的基本比例為1.00∶5.36∶69.43∶41.51.如果取5個港區(qū)碼頭指數(shù)、堆場指數(shù)和港池指數(shù)的平均值，則一般情況下港口組成平均基本比例為1.00∶6.96∶51.85∶66.05，也就是說渤海區(qū)域平均1 km碼頭岸線需要6.96 hm2碼頭、51.85 hm2堆場和66.05 hm2港池.考慮到不同港區(qū)的空間結(jié)構(gòu)差異，以渤海區(qū)域平均結(jié)構(gòu)比例為比照，營口鲅魚圈港區(qū)的堆場和港池的面積都偏大，尤其是港池面積遠遠超過區(qū)域港口結(jié)構(gòu)的平均比例；京唐港區(qū)的碼頭、堆場和港池面積都偏大；錦州港區(qū)的堆場面積比例超過區(qū)域平均值；煙臺芝罘港區(qū)和龍口港區(qū)港口結(jié)構(gòu)比例都小于區(qū)域平均比例，空間資源配置相對節(jié)約.

對于港口利用效率，渤海區(qū)域5個港區(qū)中，營口鲅魚圈港區(qū)和京唐港區(qū)都是億噸級港區(qū)，2017年最高吞吐量分別達到28 800、29 000萬t，港口利用效率最高，營口鲅魚圈港區(qū)每千米港口岸線的吞吐量也達到1 486萬t，京唐港每千米港口岸線年貨物吞吐量達到1 712萬t.如果以這兩個利用效率較高的港區(qū)港口效率指數(shù)的平均值1 600萬t/km為標(biāo)準(zhǔn)，則吞吐量較小錦州港區(qū)、煙臺芝罘港區(qū)和龍口港區(qū)分別可提升年貨物吞吐量5 940、6 909、8 795萬t.

另外，營口鲅魚圈港區(qū)有兩塊總面積達607.17 hm2的未利用土地，有可利用深水岸線5.87 km，如果依據(jù)現(xiàn)有的鲅魚圈港區(qū)碼頭岸線利用率來計算，鲅魚圈港區(qū)仍有每年8 722萬t貨物吞吐量的提升空間，可形成港口碼頭區(qū)域40.80 hm2，堆場區(qū)域371.75 hm2.京唐港區(qū)也有總面積達471.46 hm2的未利用地，有可利用深水岸線5.6 km，如果依據(jù)現(xiàn)有的碼頭岸線利用率來計算，京唐港仍有每年9 587萬t貨物吞吐量的提升空間，可形成港口碼頭區(qū)域52.41 hm2，堆場區(qū)域347.64 hm2.

3 結(jié)論

港口區(qū)域是海域資源集約利用監(jiān)管的重要區(qū)域.本研究利用高空間分辨率衛(wèi)星遙感影像，建立了面向?qū)ο蟮母劭诳臻g格局遙感監(jiān)測技術(shù)方法，從港口空間結(jié)構(gòu)組成和港口利用效率2個方面構(gòu)建了港口區(qū)集約利用評價的主要指標(biāo)，并以渤海區(qū)域的營口鲅魚圈港區(qū)、錦州港區(qū)、京唐港區(qū)、煙臺芝罘港區(qū)和煙臺龍口港區(qū)為典型區(qū)域，開展了港口區(qū)集約利用監(jiān)測與評估實證研究.通過對渤海5個典型港區(qū)空間格局遙感監(jiān)測與評估，建立了港口空間格局基本比例結(jié)構(gòu)和碼頭岸線利用效率標(biāo)準(zhǔn)，可作為港口區(qū)集約利用評估和潛力挖掘的參照依據(jù).希望本研究的研究思路與結(jié)果能對我國港口區(qū)集約利用監(jiān)管有所啟發(fā).