基于GIS的海洋敏感區(qū)溢油敏感度分析研究

王會(huì)蒙，季民，孫勇

（山東科技大學(xué) 青島市 266590）

海上溢油是海洋污染的超級(jí)殺手，對(duì)海洋自然生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)生活影響重大，直接影響海洋自然保護(hù)區(qū)、養(yǎng)殖區(qū)、生態(tài)區(qū)、濱海旅游區(qū)、其它海洋經(jīng)濟(jì)區(qū)等海洋敏感資源，這些敏感資源區(qū)也稱為海洋敏感區(qū)。海上溢油具有物理和化學(xué)毒性，影響海洋植物的光合作用和魚(yú)類(lèi)的生長(zhǎng)，毒化動(dòng)植物，并消耗海水中的溶解氧，導(dǎo)致海洋生態(tài)系統(tǒng)失衡[1]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)溢油污染應(yīng)急體系的建設(shè)已有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是仍然存在諸多問(wèn)題，還不能完全適應(yīng)國(guó)家航運(yùn)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的要求[2]，主要表現(xiàn)在：溢油污染應(yīng)急管理體制不足；溢油污染應(yīng)急能力有限；海洋溢油污染應(yīng)急決策指揮系統(tǒng)比較落后。

因此，必須全面加強(qiáng)海洋溢油污染應(yīng)急反應(yīng)體系建設(shè)[3]，這就要求需要重點(diǎn)建設(shè)溢油污染事件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及應(yīng)急響應(yīng)決策信息系統(tǒng)。其中，該系統(tǒng)中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，溢油行為模擬和應(yīng)急響應(yīng)都是以溢油敏感區(qū)作為基礎(chǔ)，確定溢油敏感度并將其可視化是整個(gè)溢油污染事件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及應(yīng)急響應(yīng)決策系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以，建立敏感資源優(yōu)先保護(hù)程序，使溢油對(duì)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)生活產(chǎn)生的損失降到最低程度是至關(guān)重要的。

地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)發(fā)展迅速，在海洋領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。利用ArcGIS Engine[4]軟件研究開(kāi)發(fā)基于GIS 的海洋敏感區(qū)溢油敏感度分析可視化系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)分析敏感區(qū)圖層和生成的不同間隔的規(guī)則網(wǎng)格，特別針對(duì)包含多個(gè)敏感區(qū)的網(wǎng)格采用算數(shù)平均值法、最大值等方法，計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格的敏感值大小，根據(jù)計(jì)算結(jié)果渲染并生成海洋敏感區(qū)專(zhuān)題圖。針對(duì)敏感值較大的區(qū)域，采取優(yōu)先保護(hù)的措施，將溢油危害的程度降到最低。

1 海洋敏感區(qū)分類(lèi)體系

將所有可能受到溢油影響的資源按資源的重要性和可能受到的危害進(jìn)行敏感區(qū)分類(lèi)。環(huán)境敏感資源的具體內(nèi)容和范圍在不同的要求下有一定的標(biāo)準(zhǔn)，目前科學(xué)、系統(tǒng)、全面的溢油敏感等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)體系尚不健全。針對(duì)有可能受到溢油影響的環(huán)境敏感資源，以資源本身的重要性為基礎(chǔ)確定其敏感性，同時(shí)，適當(dāng)考慮溢油可能造成的危害程度。海洋溢油敏感資源按其敏感程度分為4 類(lèi)：A 類(lèi)：非常重要資源，對(duì)溢油極為敏感；B類(lèi)：重要資源，對(duì)溢油非常敏感；C 類(lèi)：次重要資源，對(duì)溢油比較敏感；D 類(lèi)：一般資源，對(duì)溢油敏感性一般。

敏感程度的確定取決于資源本身的價(jià)值，在考慮其價(jià)值作用的同時(shí)，分別將其經(jīng)濟(jì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值分為高、中、低三檔，將特殊價(jià)值分為有、無(wú)兩類(lèi)，獨(dú)立地進(jìn)行歸類(lèi)評(píng)估，最后綜合考慮環(huán)境敏感資源的因素。只有維護(hù)自然生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力，人類(lèi)才能可持續(xù)地生存下去，經(jīng)濟(jì)價(jià)值以生態(tài)價(jià)值為前提，故在價(jià)值取向上側(cè)重于生態(tài)價(jià)值的作用。

為此，將環(huán)境敏感性指數(shù)（ESI）[5]作為參考，該指數(shù)是NOAA 有毒物品反應(yīng)評(píng)估處研制的用于美國(guó)沿海和大湖地區(qū)溢油應(yīng)急反應(yīng)敏感圖制作的岸線敏感性指數(shù)[6]。ESI 原則上把岸線分為10 級(jí)，即ESI 由1-10 級(jí)，敏感性逐步增大，同時(shí)不同的ESI 級(jí)別分別代表不同的岸線類(lèi)型，主要包括河口、湖岸、海岸、沼澤4 種類(lèi)型，如表1 所示。此外，不同的ESI 數(shù)值還有相應(yīng)的處理對(duì)策建議。

表1 ESI 岸線環(huán)境敏感指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

已有數(shù)據(jù)包括自然保護(hù)區(qū)、海洋特別保護(hù)區(qū)、旅游區(qū)、港區(qū)、錨地、產(chǎn)卵場(chǎng)等，根據(jù)區(qū)域保護(hù)類(lèi)別和ESI 中對(duì)應(yīng)的級(jí)別，將其分為4 個(gè)等級(jí)，一級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)國(guó)家級(jí)即A 類(lèi)、二級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)省級(jí)即B 類(lèi)，三級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)市級(jí)即C 類(lèi)，四級(jí)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)縣級(jí)及其以下即D 類(lèi)。四類(lèi)級(jí)別的敏感值大小參考ESI 分別設(shè)置為100、75、50、25 等值，并將其通過(guò)程序賦予敏感區(qū)圖層的屬性值。以海洋自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)為例，其敏感度賦值表如表2 所示。

表2 海洋自然保護(hù)區(qū)敏感度賦值表

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于GIS 的海洋敏感區(qū)溢油敏感度分析可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是對(duì)敏感區(qū)圖層網(wǎng)格化并計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)的敏感度值，將其渲染可視化給用戶，為海洋溢油應(yīng)急救援提供具有一定參考價(jià)值的專(zhuān)題圖。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)庫(kù)管理、圖層動(dòng)態(tài)管理、各圖層中相應(yīng)的敏感區(qū)賦值、網(wǎng)格劃分。在數(shù)據(jù)庫(kù)管理中主要是針對(duì)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與存儲(chǔ)。圖層動(dòng)態(tài)管理包括各圖層的導(dǎo)入、創(chuàng)建及其屬性的顯示。

網(wǎng)格的敏感度計(jì)算輸出方法可以采用最大面積法、模糊數(shù)學(xué)的加權(quán)平均法、算數(shù)平均值法等。最大面積法即對(duì)每個(gè)網(wǎng)格無(wú)論有多少疊置的圖層，只取面積最大的敏感度值作為此網(wǎng)格的最后敏感度值。加權(quán)平均法即將在網(wǎng)格中出現(xiàn)的不同敏感區(qū)對(duì)應(yīng)的敏感度值乘以其面積，然后加總求和得到總體值，再除以總的面積。算術(shù)平均值法即對(duì)網(wǎng)格中的各敏感度取平均數(shù)。對(duì)于這三種方法的取舍，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定，若分析敏感區(qū)時(shí)側(cè)重面積可以使用最大面積法，把面積最大的敏感度值賦給該網(wǎng)格；若考慮敏感區(qū)圖層的重要性可采用加權(quán)平均法，根據(jù)敏感區(qū)的重要性賦予不同的權(quán)重來(lái)計(jì)算網(wǎng)格的值；而算數(shù)平均值法則適用于各敏感區(qū)圖層權(quán)重相等，通過(guò)算數(shù)平均來(lái)計(jì)算該網(wǎng)格的敏感度。海洋敏感區(qū)溢油敏感度分析可視化系統(tǒng)的整體框架如圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)核心功能實(shí)現(xiàn)

3.1 規(guī)則網(wǎng)格的繪制與裁剪

從GIS 的空間信息上講，網(wǎng)格的劃分有規(guī)則網(wǎng)格劃分和不規(guī)則網(wǎng)格劃分兩種。規(guī)則的網(wǎng)格劃分主要是以整個(gè)地球表面為研究背景的網(wǎng)格劃分，從而有效地描述地球表面的空間位置關(guān)系，以解決GIS 空間定位、空間檢索機(jī)制等方面的問(wèn)題[7]。不規(guī)則網(wǎng)格劃分主要是為滿足管理需求進(jìn)行的各級(jí)行政單元?jiǎng)澐帧?/p>

規(guī)則網(wǎng)格的劃分可以基于多面體劃分的地理網(wǎng)格，也可以基于地理坐標(biāo)劃分的地理網(wǎng)格，前者是利用球體的內(nèi)接正多面體作為劃分的基礎(chǔ)，而后者是按經(jīng)緯度劃分的。

規(guī)則網(wǎng)格在GIS 中的矢量表達(dá)是基于經(jīng)緯度劃分的地理網(wǎng)格。根據(jù)研究區(qū)范圍設(shè)置生成網(wǎng)格的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格大小自動(dòng)生成該區(qū)域的網(wǎng)格圖層，然后利用陸地邊界將網(wǎng)格圖層裁剪，得到只有覆蓋研究海區(qū)的圖層。結(jié)合導(dǎo)入到系統(tǒng)中的不同類(lèi)型的敏感區(qū)圖層，采用設(shè)置好的計(jì)算敏感度的方法為每個(gè)網(wǎng)格賦值；最后利用網(wǎng)格的敏感值和ESI 標(biāo)準(zhǔn)生成專(zhuān)題圖。系統(tǒng)也可以將矢量的網(wǎng)格圖層?xùn)鸥窕?，得到敏感區(qū)的柵格圖層，為以后的分析提供不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型。

3.2 網(wǎng)格敏感度計(jì)算功能

繪制網(wǎng)格面之后，需要對(duì)網(wǎng)格面進(jìn)行敏感度值計(jì)算，網(wǎng)格敏感度計(jì)算的主要原理是網(wǎng)格空間索引[8]，其基本思想是將研究區(qū)域用橫豎線條劃分大致相等或不等的網(wǎng)格，記錄每一個(gè)網(wǎng)格所包含的空間實(shí)體。當(dāng)用戶進(jìn)行空間查詢時(shí)，首先計(jì)算出用戶查詢對(duì)象所在的網(wǎng)格，然后再在該網(wǎng)格中快速查詢所選空間實(shí)體，這樣大大加速了空間對(duì)象的查詢速度。通過(guò)各個(gè)圖層的疊置分析，獲取落在每個(gè)網(wǎng)格里的敏感區(qū)圖層的屬性值即敏感值的大小，各類(lèi)圖層包括國(guó)家級(jí)、省級(jí)、市級(jí)、縣級(jí)4 個(gè)等級(jí)。在一個(gè)網(wǎng)格中可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)級(jí)別同時(shí)存在，如國(guó)家級(jí)圖層和省級(jí)圖層的數(shù)據(jù)相鄰，相鄰的部分恰好出現(xiàn)在同一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)，那么這個(gè)網(wǎng)格就有兩種等級(jí)的圖層數(shù)據(jù)；一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)也可能有同一級(jí)別但不同類(lèi)型的敏感區(qū)，針對(duì)這種情況，可以根據(jù)研究的側(cè)重點(diǎn)采用最大面積法、加權(quán)平均法、算術(shù)平均值法來(lái)計(jì)算網(wǎng)格的敏感度值。通過(guò)網(wǎng)格與不同的保護(hù)區(qū)圖層進(jìn)行疊加，得到網(wǎng)格內(nèi)的敏感度值，并根據(jù)網(wǎng)格敏感度的大小進(jìn)行可視化渲染，直觀的展示海上敏感區(qū)的分布和對(duì)溢油風(fēng)險(xiǎn)的敏感程度。網(wǎng)格敏感度計(jì)算的算法流程如圖2 所示。

根據(jù)上述流程圖和沿海岸線繪制的網(wǎng)格面，計(jì)算后的初測(cè)效果如圖3 所示。

利用渤海地區(qū)的敏感區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，參考ESI的顏色標(biāo)準(zhǔn)（表3），對(duì)網(wǎng)格計(jì)算的敏感區(qū)圖層敏感值的大小按照ESI 顏色標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行渲染。紅色區(qū)域代表重度敏感區(qū)，橙色代表高度敏感區(qū)，黃色代表中度敏感區(qū)，綠色代表輕度敏感區(qū)。這樣可以清楚表達(dá)出溢油敏感區(qū)敏感度值大的區(qū)域，尤其是針對(duì)多種敏感區(qū)疊加的部分。為溢油緊急救援決策的提出提供重要的參考依據(jù)。最終輸出效果如圖4 所示。

圖2 網(wǎng)格敏感度計(jì)算的算法流程圖

圖3 網(wǎng)格敏感度計(jì)算界面初測(cè)

表3 顏色標(biāo)準(zhǔn)（ES）I

圖4 網(wǎng)格敏感度計(jì)算專(zhuān)題圖輸出

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)開(kāi)發(fā)的基于GIS 的海洋敏感區(qū)溢油敏感度分析可視化系統(tǒng)，利用空間分析功能和各種溢油敏感區(qū)圖層，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格的敏感度值并賦予對(duì)應(yīng)的等級(jí)顏色，根據(jù)輸出的專(zhuān)題圖，針對(duì)敏感度大的區(qū)域及時(shí)采取優(yōu)先保護(hù)措施，可以極大減少海上溢油對(duì)保護(hù)區(qū)污染的程度，提高評(píng)估海洋敏感區(qū)溢油風(fēng)險(xiǎn)度的效率，滿足敏感區(qū)溢油風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)估的基本需求，具有較強(qiáng)的操作性和實(shí)用性。

由于研究所用敏感區(qū)圖層屬于渤海區(qū)域的小部分?jǐn)?shù)據(jù)，僅以此作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還需要通過(guò)更多的數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，設(shè)計(jì)高效、快速、實(shí)時(shí)、共享的海洋溢油敏感區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立敏感區(qū)敏感度分析計(jì)算功能全面、高效實(shí)用、綜合的可視化系統(tǒng)，從而進(jìn)一步提高海洋敏感區(qū)評(píng)估水平，在海洋溢油應(yīng)急響應(yīng)方面體現(xiàn)出巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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