海域動態(tài)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)體系設(shè)計(jì)研究*

劉百橋,趙建華

(1.天津師范大學(xué) 天津 3003871;2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心 大連 116023)

海域動態(tài)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)體系設(shè)計(jì)研究*

劉百橋1,趙建華2

(1.天津師范大學(xué) 天津 3003871;2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心 大連 116023)

文章在分析海域動態(tài)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)需求和關(guān)鍵技術(shù)問題的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)前海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)的建設(shè)基礎(chǔ)與運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),對海域動態(tài)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)技術(shù)體系做了初步研究和設(shè)計(jì)。文中將海域動態(tài)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)分為全域常規(guī)監(jiān)測、局域強(qiáng)化監(jiān)測和定域應(yīng)急監(jiān)測3個業(yè)務(wù)層次,提出了涵蓋業(yè)務(wù)組織、開展方式、流程、監(jiān)測內(nèi)容和技術(shù)保障等內(nèi)容的業(yè)務(wù)體系規(guī)劃方案,并給出了關(guān)于數(shù)據(jù)源和監(jiān)測頻率等的建議指標(biāo)。

海域;遙感;動態(tài)監(jiān)測;業(yè)務(wù)體系

2009年投入運(yùn)行的國家海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)已經(jīng)成為我國海域管理領(lǐng)域的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)融入了遙感、地面定點(diǎn)監(jiān)視和現(xiàn)場調(diào)查等多種監(jiān)視監(jiān)測手段,其中遙感技術(shù)具有大范圍同步監(jiān)測的技術(shù)優(yōu)勢,在及時捕獲和跟蹤海域資源變化、海域使用動態(tài)上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。國家和地方海域動態(tài)監(jiān)管中心通過不定期購置多種遙感資料,實(shí)施海域動態(tài)監(jiān)測,在服務(wù)海域行政管理和相關(guān)技術(shù)工作方面發(fā)揮了積極的作用[1-2]。但從實(shí)際運(yùn)行情況看,目前各級海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)的遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)還具有較大的隨機(jī)性,業(yè)務(wù)體系尚不能適應(yīng)常態(tài)化運(yùn)行的需要。為此,本研究從海域管理業(yè)務(wù)需求出發(fā),根據(jù)當(dāng)前遙感技術(shù)條件,結(jié)合海域自然和開發(fā)利用現(xiàn)狀,探討海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)中遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)體系的設(shè)計(jì)問題,旨在為推進(jìn)遙感技術(shù)在海域管理中的應(yīng)用,促進(jìn)海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供技術(shù)參考。

1 需求分析

1.1 疑點(diǎn)疑區(qū)查找

對海域使用實(shí)施監(jiān)督檢查是海洋管理部門的職責(zé)。但要快速、全面地實(shí)施全海域監(jiān)測,完全依靠地面和海面巡視是不現(xiàn)實(shí)的。有效的做法是通過遙感監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)未經(jīng)核準(zhǔn)的用海活動及其范圍,即 “疑點(diǎn)疑區(qū)”,在此基礎(chǔ)上再實(shí)施地面調(diào)查。利用遙感手段查找 “疑點(diǎn)疑區(qū)”時,要求能反映出用海地物變化信息,如人造陸地、構(gòu)筑物、漂浮物和圍割海域等的新增、擴(kuò)建、縮減和位移等動態(tài)信息。

1.2 項(xiàng)目用海監(jiān)測

用海項(xiàng)目應(yīng)按核準(zhǔn)文件中規(guī)定的位置、用途、方式和面積等使用海域。另外,按照 《填海項(xiàng)目竣工海域使用驗(yàn)收管理辦法》,對涉及圍填海的項(xiàng)目用海,需要竣工驗(yàn)收。因此,利用遙感手段監(jiān)測項(xiàng)目用海時,要求能反映:項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展;項(xiàng)目用海區(qū)內(nèi)填海造地及圍海、構(gòu)筑物用海等的位置和面積等。

1.3 圍填海監(jiān)測

我國對圍填海實(shí)施規(guī)劃計(jì)劃管理。同時,針對同一區(qū)域內(nèi)、集中布置多個建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行連片開發(fā)并需要整體圍填的用海方式,實(shí)施區(qū)域用海規(guī)劃管理,利用遙感手段監(jiān)測區(qū)域用海規(guī)劃。圍填海規(guī)劃計(jì)劃實(shí)施情況時,要求能反映:規(guī)劃海域內(nèi)填海造地及保留水面的平面布置、岸線占用長度、區(qū)域開發(fā)和建設(shè)進(jìn)展;管轄海域內(nèi)總的填海面積。

1.4 海洋功能區(qū)劃實(shí)施情況監(jiān)測

新一輪海洋功能區(qū)劃(2011—2020)規(guī)定了各個功能區(qū)的用途管制、用海方式控制等管理要求,確定了管轄海域內(nèi)建設(shè)圍填海規(guī)模、海水養(yǎng)殖用海的功能區(qū)面積、海洋保護(hù)區(qū)面積、保留區(qū)面積、大陸自然岸線保有長度、整治和修復(fù)海岸線長度等目標(biāo)指標(biāo)。利用遙感手段監(jiān)測海洋功能區(qū)劃實(shí)施情況時,要求能反映:各功能區(qū)內(nèi)新增的填海、圍海和構(gòu)筑物面積;養(yǎng)殖區(qū)、海洋保護(hù)區(qū)和保留區(qū)內(nèi)的用海活動變化情況;自然岸線增減情況;人工岸線變化情況。

1.5 重要空間資源監(jiān)測

科學(xué)管海的基礎(chǔ)是對重要海域資源及其利用情況的準(zhǔn)確把握。針對現(xiàn)階段我國海洋開發(fā)保護(hù)的現(xiàn)狀和特點(diǎn),從合理安排海域供給,實(shí)現(xiàn)海域資源精細(xì)化配置角度考慮,希望遙感監(jiān)測能夠反映:自然岸線存量;港口岸線的開發(fā)利用狀況和資源存量;濱海沙灘的開發(fā)利用與保護(hù)狀況;海域?yàn)┩抠Y源利用狀況和資源存量;“批而未圍”、“圍而未填”和 “填而未建”的圍填海資源存量等。

2 關(guān)鍵問題分析

2.1 監(jiān)測頻率

遙感監(jiān)測頻率應(yīng)與監(jiān)測對象的動態(tài)速率相適應(yīng)。海域使用動態(tài)往往比海域資源的自然變化要快得多,變化速率與開發(fā)方式有關(guān)。一般,開放式用海,如浮筏養(yǎng)殖的布置速度較快,數(shù)天之內(nèi)即可形成連片養(yǎng)殖區(qū),而涉及海洋工程建設(shè)的用海活動,面積擴(kuò)展則相對較慢,少則數(shù)月,多則數(shù)年。不過現(xiàn)在圍堰速度也十分迅速,數(shù)十天之內(nèi)可能形成大片圍海?？紤]海域管理實(shí)際需求,全海域普查形式的監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)以 “求快、求全”為原則,監(jiān)測頻率應(yīng)適應(yīng)較快的用海動態(tài),盡量做到不少于每月1次。局部海域的精細(xì)化監(jiān)測主要針對涉及工程建設(shè)的項(xiàng)目用海和區(qū)域用海,應(yīng)在其建設(shè)周期內(nèi)開展數(shù)次監(jiān)測,監(jiān)測頻率應(yīng)盡量不少于半年1次。

2.2 影像空間分辨率

目前,大面積的遙感監(jiān)測主要還是以衛(wèi)星遙感為主,可供利用的遙感資料來源也較為豐富,部分如表1所列?？傮w而言,影像空間分辨率越高,幅寬就越小,覆蓋全部監(jiān)測區(qū)域需要的影像幅數(shù)就越多,周期也越長,對資料獲得、處理的壓力也越大,同時資料成本也越高。

表1 部分遙感衛(wèi)星及影像參數(shù)

事實(shí)上,每年發(fā)生用海動態(tài)變化的海域面積是十分有限的。如,2012年全國新增確權(quán)海域面積約28萬hm2[3],不到管轄海域面積的0.1%,且其中92.72%是漁業(yè)用海,可見,在全海域、高頻率的遙感監(jiān)測中,全部采用高分辨率影像是一種很大的浪費(fèi)。

遙感技術(shù)在海域動態(tài)監(jiān)測中的作用首先在于 “發(fā)現(xiàn)”,其次才是有針對性的精細(xì)化鑒別與測量。大多數(shù)用海設(shè)施、沿海地形地貌單元的尺度都比較大,研究顯示[4-5],像素大小在30 m以內(nèi)的中分辨率遙感影像基本能反映他們的空間特征,能夠滿足全海域、高頻率的遙感監(jiān)測需要。而對被 “發(fā)現(xiàn)”的目標(biāo)區(qū)域,因?yàn)槊娣e較小,可以采用盡量高分辨率的遙感影像進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。

2.3 地理配準(zhǔn)精度

提高遙感影像地理配準(zhǔn)精度的方法有兩種:① 建立更加精準(zhǔn)的遙感衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)推算模型[6];② 利用足夠多且合理分布的地面控制點(diǎn)。相比陸域,要在海域中建立足夠多且合理分布的地面控制點(diǎn)是比較困難的,在離開海岸和海島稍遠(yuǎn)的海域,更是不現(xiàn)實(shí)的。因此,應(yīng)根據(jù)沿岸海域控制點(diǎn)較多、近岸和海島附近海域控制點(diǎn)較少,以及其他海域基本無控制點(diǎn)可尋的特點(diǎn),研究建立有效的遙感影像地理配準(zhǔn)方法。

2.4 遙感分類準(zhǔn)確性

在足夠的經(jīng)驗(yàn)支撐下,人工目視解譯方法比較可靠,但在工作效率上受到限制。計(jì)算機(jī)分類方法有基于像素的和面向?qū)ο蟮膬煞N。基于像素的分類方法主要依靠像素的光譜信息進(jìn)行地物類型判別,它實(shí)際是對地物 “質(zhì)地”的識別,適用于近岸海域的資源監(jiān)測。對于海域使用而言,它們的用途不完全對應(yīng)于所用的材質(zhì),主要對應(yīng)用海的方式,因此不適合采用基于像素的分類方法,而應(yīng)采用面向?qū)ο蟮倪b感圖像分類方法。該類方法利用影像對象的光譜信息、幾何特征及對象之間空間關(guān)系等,判斷對象的類型。有學(xué)者研究表明[1,7],采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒梢詫Ｑ箝_發(fā)活動實(shí)施有效監(jiān)測,關(guān)鍵是要建立最優(yōu)的圖像對象分割方法,并應(yīng)用科學(xué)的分類規(guī)則。同時,為了統(tǒng)一監(jiān)測對象的界定方法,還需建立科學(xué)的分類標(biāo)準(zhǔn),對監(jiān)測對象的類型名稱、內(nèi)涵、特征和判別指標(biāo)等做出約定。

2.5 業(yè)務(wù)效率

效率也是影響業(yè)務(wù)化運(yùn)行成敗的關(guān)鍵之一。從對遙感監(jiān)測的技術(shù)原理和流程看,資料獲取、預(yù)處理及信息提取等環(huán)節(jié)的工作量較大,安排不當(dāng)有可能影響整體業(yè)務(wù)效率。此外,監(jiān)測成果信息的流轉(zhuǎn)和匯總等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)對業(yè)務(wù)效率會有很大影響。

3 海域動態(tài)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)體系設(shè)計(jì)

3.1 總體框架

根據(jù)以上分析,海域動態(tài)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)可分為全域常規(guī)監(jiān)測、局域強(qiáng)化監(jiān)測和定域應(yīng)急監(jiān)測3個層次,每個層次需要搭建從資料輸入、處理到監(jiān)測分析和成果形成的業(yè)務(wù)流程,并需有可靠的技術(shù)支撐。海域動態(tài)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)體系的總體框架見圖1。

圖1 海域動態(tài)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)體系的總體框架

3.2 業(yè)務(wù)層次

海域動態(tài)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)以全域常規(guī)監(jiān)測為主,采用我國正在運(yùn)行的資源或環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù),定期實(shí)現(xiàn)全海域監(jiān)測。正常情況下,監(jiān)測頻率可為每月1次,業(yè)務(wù)體系建立初期可暫為每3個月1次。

對常規(guī)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的海域使用疑點(diǎn)疑區(qū),以及發(fā)生動態(tài)變化的自然岸線保留岸段、養(yǎng)殖功能區(qū)、保護(hù)區(qū)、保留區(qū)、項(xiàng)目用海、區(qū)域建設(shè)用海等重點(diǎn)目標(biāo),采用高分辨率衛(wèi)星遙感資料、無人機(jī)和其他航空遙感資料,結(jié)合地面調(diào)查,開展強(qiáng)化監(jiān)測,摸清具體動態(tài)。監(jiān)測頻率應(yīng)根據(jù)重點(diǎn)海域大小和業(yè)務(wù)管理需要確定,正常情況下,可為每半年1次,特殊情況可提高監(jiān)測頻率。針對海域開發(fā)利用和管理中的突發(fā)事件,采用無人機(jī)和其他航空遙感手段,開展定域應(yīng)急監(jiān)測,時間隨機(jī)。

3.3 業(yè)務(wù)內(nèi)容

(1)監(jiān)測要素。監(jiān)測要素是指利用遙感影像直接監(jiān)測到的各類地物。根據(jù)前述業(yè)務(wù)需求分析可知,應(yīng)至少監(jiān)測:①海岸線;②沙灘和灘涂;③ 填海造地、圍海、構(gòu)筑物等工程用海;④ 開放式用海;⑤ 實(shí)際建設(shè)區(qū)。

(2)監(jiān)測分析內(nèi)容。利用不同時段對上述要素的監(jiān)測結(jié)果,結(jié)合海洋功能區(qū)劃、海域確權(quán)、用海規(guī)劃、圍填海計(jì)劃指標(biāo)及其他專題調(diào)查資料,監(jiān)測分析:①疑點(diǎn)疑區(qū);②項(xiàng)目用海和規(guī)劃用海進(jìn)展;③ 海洋功能區(qū)劃實(shí)施情況;④ 圍填海年度計(jì)劃執(zhí)行情況;⑤ 沙灘、灘涂、港口岸線、旅游岸線等海域空間資源儲備與消耗情況;⑥ “批而未圍”“圍而未填”和 “填而未建”的圍填海資源存量。

3.4 業(yè)務(wù)組織與流程

全域常規(guī)監(jiān)測業(yè)務(wù)和局域強(qiáng)化監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)常態(tài)化。常規(guī)監(jiān)測業(yè)務(wù)可由國家海域動態(tài)監(jiān)管中心定期發(fā)起,由省級海域動態(tài)監(jiān)管中心組織實(shí)施;強(qiáng)化監(jiān)測業(yè)務(wù)主要可由省級海域動態(tài)監(jiān)管中心定期發(fā)起,國家海域動態(tài)監(jiān)管中心可通過省級海域動態(tài)監(jiān)管中心補(bǔ)充發(fā)起,由市、縣級動態(tài)監(jiān)管中心實(shí)施;定域應(yīng)急監(jiān)測業(yè)務(wù)可由事發(fā)地省級海域動態(tài)監(jiān)管中心隨機(jī)發(fā)起并組織實(shí)施。監(jiān)測成果應(yīng)逐級向上匯總,國家海域動態(tài)監(jiān)管中心應(yīng)對匯總的監(jiān)測成果進(jìn)行整理、入庫管理。

在業(yè)務(wù)組織上,應(yīng)針對現(xiàn)有動態(tài)監(jiān)測機(jī)構(gòu)建設(shè)情況,設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)分工和協(xié)同方案,從機(jī)制上保證監(jiān)測業(yè)務(wù)的順利、有序開展。在資料獲取上,應(yīng)合理規(guī)劃資料種類、時段和覆蓋區(qū)域,穩(wěn)定投入,確保資料來源暢通。應(yīng)建立集中采購、有序分發(fā)的工作機(jī)制,保證各級監(jiān)測業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)的資料獲取效率。在資料預(yù)處理環(huán)節(jié),應(yīng)將預(yù)處理工作按區(qū)域分解,縮短從資料獲取到應(yīng)用之間的時間差。在信息提取環(huán)節(jié),應(yīng)充分利用前一次監(jiān)測成果,在比對前一次監(jiān)測影像基礎(chǔ)上,再提取變化海域的動態(tài)信息,減少信息提取工作量。在信息提取方法上,還應(yīng)充分利用人工目視解譯和計(jì)算機(jī)分類的優(yōu)點(diǎn),綜合應(yīng)用,提高效率。此外,還應(yīng)從技術(shù)和機(jī)制上保證監(jiān)測成果信息的流轉(zhuǎn)與匯總效率。

3.5 技術(shù)支撐體系

業(yè)務(wù)化運(yùn)行需要完善的技術(shù)支撐體系,包括:①根據(jù)監(jiān)測業(yè)務(wù)的組織與流程需要,合理建設(shè)各級監(jiān)測業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)的人員隊(duì)伍,保持人員的結(jié)構(gòu)合理和穩(wěn)定。②建立穩(wěn)定、可靠的中、高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源,合理布局并保持一定數(shù)量的無人機(jī)遙感系統(tǒng);建立完備的地面控制點(diǎn)系統(tǒng);在現(xiàn)有海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上,根據(jù)監(jiān)測業(yè)務(wù)的方式和內(nèi)容,完善系統(tǒng)功能,滿足業(yè)務(wù)化運(yùn)行與管理的需要。③研制更加高效的影像融合方法,以及適合在稀少控制點(diǎn)條件下的遙感影像配準(zhǔn)方法,優(yōu)選適合海域空間資源和用?；顒颖O(jiān)測的遙感分類方法。④ 針對管理業(yè)務(wù)需要,研制海域動態(tài)遙感監(jiān)測成果系列模板。⑤ 針對影像預(yù)處理、遙感分類、信息提取、成果編制與匯總等環(huán)節(jié),制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。

4 結(jié)語與討論

目前,我國的海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)具備一定的遙感監(jiān)測能力,但海域動態(tài)遙感監(jiān)測模塊基本處于隨機(jī)應(yīng)用狀態(tài),尚未形成常態(tài)化、規(guī)范化的監(jiān)測業(yè)務(wù)。本研究借此對其業(yè)務(wù)化運(yùn)行的框架體系做了初步規(guī)劃。

本研究立足海域管理需求考慮遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)的發(fā)展問題,對科研、教學(xué)等社會服務(wù)的需求考慮較少,其應(yīng)用主要限于海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)中。本設(shè)計(jì)綜合考慮了當(dāng)前海域管理的現(xiàn)實(shí)需求、經(jīng)濟(jì)與技術(shù)水平等,在監(jiān)測業(yè)務(wù)的形式、內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)選取上以實(shí)用、有效為原則,而未求 “新”、求 “高”。

[1] 徐京萍,趙建華,張豐收,等.面向?qū)ο蟮某靥琉B(yǎng)殖用海信息提取[J].國土資源遙感,2013,25(1): 82-85.

[2] 索安寧,趙冬至,張豐收,等.海域使用格局衛(wèi)星遙感監(jiān)測與評價:以葫蘆島試驗(yàn)區(qū)為例[J].海洋通報,2010,29(1):6-11.

[3] 國家海洋局.2012年海域使用管理公報[R].2013.

[4] 李靜,張鷹.基于遙感測量的海岸線變化與分析[J].河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,4(2):224-228.

[5] 李志剛,李小玉,高賓,等.基于遙感分析的錦州灣海域填海造地變化[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011,22 (4):943-949.

[6] 袁修孝,張過,吳春華.缺少控制點(diǎn)的衛(wèi)星遙感影像外推定位[J].武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版,2005, 30(7):577-579.

[7] 初佳蘭,趙冬至,張豐收.基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的裙帶菜筏式養(yǎng)殖遙感識別方法[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2012,27(6):941-946.

國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201005011-1);國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心委托項(xiàng)目“海域管理技術(shù)體系研究項(xiàng)目”(53H13012).