基于高分辨率遙感影像的圍填海圖斑遙感監(jiān)測分類體系和解譯標(biāo)志的建立

溫禮， 吳海平， 姜方方， 蘇偉， 朱德海， 張超

(1.中國土地勘測規(guī)劃院，北京　100035； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京　100083)

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基于高分辨率遙感影像的圍填海圖斑遙感監(jiān)測分類體系和解譯標(biāo)志的建立

溫禮1， 吳海平1， 姜方方2， 蘇偉2， 朱德海2， 張超2

(1.中國土地勘測規(guī)劃院，北京100035； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京100083)

摘要：圍填海是一把雙刃劍，一方面可以緩解土地資源緊缺的問題，另一方面也會(huì)給沿海生態(tài)環(huán)境帶來負(fù)面影響。如何合理地監(jiān)測和管理圍填海，以便政府掌控和決策分析，首先迫切需要制定圍填海的分類體系。圍填海是一個(gè)海域向陸地轉(zhuǎn)變的中間態(tài)過程，將海域使用分類體系和土地利用現(xiàn)狀分類體系相銜接，基于年度提取的多源高分辨率遙感影像圍填海圖斑的可解譯程度、圍填海的定義、用途屬性和形成機(jī)理等因素，制定了應(yīng)用于圍填海年度遙感監(jiān)測的分類體系。此外，根據(jù)該分類體系，建立了基于多源高分辨率遙感影像的圍填海遙感監(jiān)測解譯標(biāo)志。

關(guān)鍵詞：圍填海； 遙感監(jiān)測； 分類體系； 解譯標(biāo)志； 高分辨率遙感影像

0引言

圍填海是人類向海洋索要生存和經(jīng)濟(jì)開發(fā)空間的重要方式，世界上許多土地資源缺乏的沿海國家或地區(qū)都有圍填海歷史，如日本、韓國、荷蘭和美國等[1]。自新中國成立以來，我國先后出現(xiàn)過4次較大的圍填海高潮[2]。然而，圍填海是一把雙刃劍，一方面拓展了生存空間，緩解了土地資源緊缺的問題； 另一方面也給沿海的生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)組成等帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響[1,3-4]。

遙感影像具有可以快速獲取大范圍內(nèi)信息的優(yōu)勢，是動(dòng)態(tài)監(jiān)測圍填海，及時(shí)掌握其變化過程的有效數(shù)據(jù)源[3]。目前，圍填海的分析主要基于多時(shí)相遙感影像的監(jiān)測分析[5-6]，如王偉偉等[6]利用5期遙感影像提取了遼寧省的圍填海信息。圍填海監(jiān)測和分析的內(nèi)容除了位置分布和面積數(shù)量外，其分類用途也是研究的核心內(nèi)容之一。目前研究者基于圍填海的分類分析多是基于小范圍研究區(qū)制定圍填海分類類型，且因研究區(qū)的不同而不同[3,7-9]，如劉琴琴[7]在研究廣東圍填海時(shí)將用海類型分為養(yǎng)殖池塘、鹽田、已圍待利用水面、城鎮(zhèn)建設(shè)填海、農(nóng)業(yè)填海、港口碼頭填海和其他。

目前國內(nèi)的圍填海遙感監(jiān)測工作大多局限于某個(gè)工業(yè)區(qū)或某個(gè)省區(qū)范圍，缺乏從全國范圍的角度上通盤考慮圍填海用海類型、遙感監(jiān)測分類體系和遙感監(jiān)測方法等問題。本文基于全國范圍的高分辨率遙感影像，研究制定了一套年度遙感監(jiān)測分析的全國圍填海分類體系，并建立了相應(yīng)的解譯標(biāo)志，以期為開展全國圍填海的遙感監(jiān)測工作奠定基礎(chǔ)。

1圍填海的定義

現(xiàn)有的圍填海調(diào)查成果和研究資料通常引用“填?！薄ⅰ皣！薄ⅰ盀┩繃鷫ā?、“圍海造地”、“填海造地”等術(shù)語。金彭年等[2]提到，目前在理論界對于“圍填?！钡恼J(rèn)識是模糊的。國家海洋局編制的《海域使用分類體系》[10]將“填海造地”和“圍海”等術(shù)語定義為： “填海造地，指筑堤圍割海域填成土地，并形成有效岸線的用海方式； 圍海，指通過筑堤或其他手段，以全部或部分閉合形式圍割海域進(jìn)行海洋開發(fā)的用海方式”。劉琴琴[7]指出，圍填海是指人為的在海岸線外進(jìn)行圍海和填?；顒?dòng)，改變海域?qū)傩?，并對其進(jìn)行利用的方式。目前，這些對圍填海術(shù)語的論述都沒有充分考慮圍填海發(fā)生過程中的形成方式和圖斑形態(tài)特點(diǎn)。劉琴琴[7]對圍填海的定義也沒有考慮到一些海域的使用方式并非是完全閉合的，從遙感影像的監(jiān)測統(tǒng)計(jì)中可以將其歸為圍海。

只有在明確了圍填海的定義后，才能實(shí)現(xiàn)圍填海圖斑的監(jiān)測提取，不明確的定義將會(huì)影響分類體系和解譯標(biāo)志(如圍填海圖斑的形狀)的建立和判讀以及后續(xù)圍填海發(fā)生和發(fā)展的位置、面積等的分析。為此，本文對圍填海的定義做了新的歸納。圍填海包含圍海和填海2種用海方式，是指人為的在海岸線外進(jìn)行圍海和填?；顒?dòng)，改變海域?qū)傩?，對其進(jìn)行利用的方式。圍海是指以全部或部分閉合形式圍割海域進(jìn)行海洋利用的方式，包含沿海岸進(jìn)行海域圍割的用海方式和全部在海中進(jìn)行筑堤圍割的用海方式； 填海指將海域填成土地，形成岸線的用海方式，包括直接填充和先進(jìn)行圍割后再進(jìn)行填充2種方式。

2研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

2.1研究區(qū)概況

我國沿海地區(qū)跨越渤海、黃海、東海、南海4個(gè)海域，中國大陸海岸線全長1.8萬多km，北起遼寧鴨綠江口，南達(dá)廣西的北侖河口，經(jīng)遼寧省、河北省、天津市、山東省、江蘇省、上海市、浙江省、福建省、廣東省、廣西壯族自治區(qū)和海南省[11]。以上述省市為研究區(qū)。受國家政策、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人地矛盾等因素的影響，目前沿海的圍填海仍舊處于高潮建設(shè)期，且圍填海的具體用途多樣。圖1為2012年度新增圍填海圖斑的分布情況，可見圍填海的建設(shè)分布范圍廣泛。

圖1　研究區(qū)域分布圖

2.2數(shù)據(jù)源

從2009年開始，國土資源部開展了每年一度的全國土地利用遙感監(jiān)測，并在此基礎(chǔ)上開展了年度土地變更調(diào)查工作。這些高分辨率遙感數(shù)據(jù)及變更數(shù)據(jù)，是進(jìn)行圍填海遙感監(jiān)測的寶貴數(shù)據(jù)源。本研究采用的遙感影像是QuickBird，WorldView-1，WorldView-2等高分辨率遙感影像。圖2是其中代表區(qū)域的典型影像(真彩色合成或全色波段顯示)。此區(qū)域采用的影像主要有WorldView-1全色波段(圖上灰色部分)，WorldView-2、QuickBird、“資源一號”02C、“資源三號”和SPOT5的多光譜波段，采用紅、綠、藍(lán)波段進(jìn)行真彩色顯示。根據(jù)影像的成像質(zhì)量進(jìn)行時(shí)相的對比篩選，選取的數(shù)據(jù)源的采集時(shí)間均在2012年的10月份左右。

(a) 浙江省普陀區(qū) (b) 浙江省岱山縣 (c) 山東省榮成市

圖2典型圍填海區(qū)影像(真彩色合成或全色波段顯示)

Fig.2Remote sensing images of typical reclamation areas

3圍填海的分類體系

圍填海是海域向陸地轉(zhuǎn)變的一個(gè)中間態(tài)，一般為單向陸地，是一個(gè)不可逆的過程。本文擬定的圍填海分類體系主要考慮在這個(gè)中間態(tài)的過程中，力求將海域使用分類體系和土地利用現(xiàn)狀分類體系[12]相銜接。在總結(jié)全國沿海地區(qū)土地利用基本類型、沿海海域主要使用用途以及年度遙感監(jiān)測圍填海圖斑特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將全國圍填海分類體系歸納劃分為3個(gè)一級類，13個(gè)二級類和部分三級類，各類型含義如表1所示，表中耕地、園地、林地和草地不等同于土地利用現(xiàn)狀分類中的含義，而是指通過使用開發(fā)的圍填海已明確用于或是已經(jīng)用于土地利用現(xiàn)狀分類中的耕地、園地、林地和草地。

表1　全國圍填海分類體系

全國圍填海分類體系的構(gòu)建思想和過程如下： 以從遙感影像上或是野外實(shí)地考察可見的且改變海岸線的事實(shí)土地或是建設(shè)用途的相關(guān)附屬設(shè)施為對象，基于土地利用和海域分類體系以圍填海圖斑的具體用途和形成機(jī)理為原則進(jìn)行分類劃分。首先是完全排除海域中的“開放式”用海方式和部分其他方式，如浴場、專用航道和海底隧道等，這些是基于影像難以監(jiān)測且沒有形成事實(shí)土地的類型； 然后銜接2種分類體系中有通用用途或是圍填海屬性的類型，如工業(yè)、交通、旅游娛樂和造地工程等。為了更好的體現(xiàn)海域、中間態(tài)圍填海和土地利用類型3者間的關(guān)系，圍填海分類體系便是體現(xiàn)三者關(guān)系的一個(gè)落腳點(diǎn)。本文的圍填海分類體系根據(jù)圍填海的用途和建設(shè)程度進(jìn)行分類，其中，二級類的設(shè)置著重考慮了將土地利用現(xiàn)狀分類體系和海域使用分類體系銜接的問題，具體情況如下：

1)漁業(yè)。漁業(yè)用海可細(xì)分為漁業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施用海、圍海養(yǎng)殖用海和開放式養(yǎng)殖用海3個(gè)子類。此處的漁業(yè)圍填海是可監(jiān)測且具有圍填海屬性的部分漁業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和圍海養(yǎng)殖用海。

2)耕地、園地、林地、草地、設(shè)施農(nóng)用地。耕地、園地、林地和草地是土地利用現(xiàn)狀分類中的具有農(nóng)業(yè)性質(zhì)的4個(gè)一級類； 設(shè)施農(nóng)用地是其他土地中具有農(nóng)業(yè)性質(zhì)的二級類。而海域使用分類體系一級類造地工程用海下的二級類農(nóng)業(yè)填海造地用海被定義為通過筑堤圍割海域，填成土地后用于農(nóng)、林、牧業(yè)生產(chǎn)的海域，用海方式為農(nóng)業(yè)填海造地。本研究中這5類用海類型為農(nóng)業(yè)用途，包括為種植糧食作物、木本和草本作物、林木、草本植物和經(jīng)營性養(yǎng)殖而進(jìn)行的圍填海，包括新開發(fā)、開發(fā)中和已用于農(nóng)業(yè)的圍填海。

3)工礦。土地利用現(xiàn)狀分類中的第6大類工礦倉儲(chǔ)用地及其3個(gè)子類即工礦用地、采礦用地和倉儲(chǔ)用地，都和沿海地區(qū)的許多圍填海的用途相一致。海域使用分類體系將工業(yè)用海定義為開展工業(yè)生產(chǎn)所使用的海域，其下又有鹽業(yè)、固體礦產(chǎn)開采海、油氣開采、船舶工業(yè)、電力工業(yè)、海水綜合利用和其他工業(yè)用海7大類。這2個(gè)體系在此圍填海類型的用途上是相通的。通過對比總結(jié)我國沿海圍填海開發(fā)的主要用途和數(shù)量，又將該基本類型進(jìn)行了3級劃分，具體設(shè)置情況見表1。

4)交通運(yùn)輸。土地利用現(xiàn)狀分類將第10大類交通運(yùn)輸用地分為鐵路用地、公路用地、街巷用地、農(nóng)村道路、機(jī)場用地、港口碼頭用地和管道運(yùn)輸用地7個(gè)子類。海域使用分類體系將交通運(yùn)輸用海分為港口用海、航道用海、錨地用海和路橋用海4個(gè)子類。通過對比分析，認(rèn)為海域使用分類體系中的航道用海和錨地用海在遙感影像上難以監(jiān)測且與土地利用現(xiàn)狀分類很難銜接，故將這2類舍掉； 而土地利用現(xiàn)狀分類中的街巷用地和農(nóng)村道路也很難在沿海地區(qū)圍填海中體現(xiàn)，故也對其進(jìn)行了刪減。為此，綜合考慮2種分類體系和遙感可解譯程度保留了港口和路橋2個(gè)3級圍填海類。

5)旅游娛樂。土地利用現(xiàn)狀分類的第8大分類公共管理與公共服務(wù)用地的第8個(gè)子類風(fēng)景名勝實(shí)施用地被描述為風(fēng)景名勝(包括名勝古跡、旅游景點(diǎn)、革命遺址等)景點(diǎn)及管理機(jī)構(gòu)的建筑用地。海域使用分類體系將旅游娛樂用海定義為開發(fā)利用濱海和海上旅游資源，開展海上娛樂活動(dòng)所使用的海域，且包含旅游基礎(chǔ)設(shè)施用海、浴場用海和游樂場用海3個(gè)子類。本研究中的旅游娛樂用海類是在這2種分類體系的基礎(chǔ)上，綜合考慮在遙感影像上的可解譯程度，定義為： 為開展濱海旅游資源和娛樂活動(dòng)而進(jìn)行的圍填海，涵蓋旅游碼頭、景觀建筑、賓館及旅游用人工島等旅游基礎(chǔ)設(shè)施，包括新開發(fā)、開發(fā)中和已用于旅游娛樂的圍填海。

6)城建。土地利用現(xiàn)狀分類的第7類住宅用地以及特殊類開展農(nóng)村土地調(diào)查時(shí)所使用的城鎮(zhèn)村及工礦用地劃分中的城市、建制鎮(zhèn)和村莊都是與城鎮(zhèn)建設(shè)用海相關(guān)的。海域使用分類體系中的一級子類造地工程用海下的一個(gè)二級類城鎮(zhèn)建設(shè)填海造地用海也是與城鎮(zhèn)建設(shè)有關(guān)的。在圍填海的監(jiān)測過程中就有很大的圍填海工程是用來建設(shè)城鎮(zhèn)的，而這種大圖斑通常不適宜再分割為工礦用?；蚪煌ㄓ煤＃瑸榇藢⑵渚C合命名為城建圍填海。

7) 其他建設(shè)。借鑒土地利用現(xiàn)狀分類中的其他土地和海域使用分類體系中的其他用海，本研究中將上述圍填海類型以外的建設(shè)用圍填海歸為其他建設(shè)用海。

8) 填海、圍海。填海和圍海都是圍填海在建過程中的一個(gè)階段或是狀態(tài)，土地利用現(xiàn)狀分類中不含有該用地類型； 海域使用分類體系因?yàn)槭轻槍Τ墒煊煤ｎ愋偷?，因而也不包括該類型?本研究根據(jù)圍填海的形成和形狀特點(diǎn)，將具體用途暫時(shí)難以通過遙感監(jiān)測或是野外調(diào)查獲取的圍填海圖斑歸類為在建圍填海用途，包括圍海和填海。

4圍填海的解譯標(biāo)志

制定圍填海分類體系是用來服務(wù)于全國范圍的圍填海年度監(jiān)測變化分析，基于分析首先要做的是提取和判讀圍填海圖斑。本研究基于目視解譯方法[13]建立起來的圍填海解譯標(biāo)志是以QuickBird，WorldView-1，資源三號(ZY-3)等高分辨率遙感衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源。因研究區(qū)所需時(shí)相的遙感影像質(zhì)量和空間分辨率等問題，本研究綜合利用了多源、多時(shí)相、多分辨率、全波段和多波段影像來建立圍填海解譯標(biāo)志。選擇應(yīng)用高空間分辨率遙感影像的原因是其具有空間分辨率高、紋理清晰、細(xì)節(jié)表現(xiàn)力強(qiáng)和可利用先驗(yàn)知識多等特點(diǎn)。本研究中所建立的圍填海解譯標(biāo)志和圍填海的分類體系是統(tǒng)一的，所有的圍填海解譯標(biāo)志都是在野外調(diào)查中對實(shí)際地物及其遙感影像特征進(jìn)行對照驗(yàn)證后形成的。野外代表性研究區(qū)分別選在山東省威海市榮成市、浙江省舟山市普陀區(qū)和岱山縣。圍填海分類體系相應(yīng)的解譯標(biāo)志匯總?cè)绫?。由于數(shù)據(jù)源是1 a度的遙感影像，因此所建立的圍填海解譯標(biāo)志并不能全部概括圍填海分類體系的所有可能，還需根據(jù)后期的影像進(jìn)行增補(bǔ)。

表2　圍填海解譯標(biāo)志及其描述

5結(jié)論與討論

制定圍填海分類體系是圍填海有效監(jiān)測的一個(gè)關(guān)鍵問題，它將貫穿于整個(gè)圍填海的監(jiān)測，包括提取、解譯、統(tǒng)計(jì)和分析等環(huán)節(jié)，合理的分類體系會(huì)提高管理的有效性和監(jiān)管的高效性。通過此體系的應(yīng)用和研究得出以下結(jié)論：

1)把圍填海分類體系拓展至全國范圍，而不僅僅是局部地區(qū)，更有利于為政府部門的相關(guān)決策提供技術(shù)支持。本研究提取的圍填海分類體系是適用于全國范圍內(nèi)的圍填海監(jiān)測，擬在每年年度土地變更調(diào)查的基礎(chǔ)上，拓展土地利用年度變更遙感監(jiān)測應(yīng)用至圍填海領(lǐng)域，監(jiān)測全國圍填海的類型及分布。

2)圍填海提取的前提是明確其內(nèi)涵，本研究在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上對圍填海的定義做了新的歸納，并將其作為圍填海提取的標(biāo)準(zhǔn)，參與提取分析。

3)研究中制定的圍填海分類體系主要有3個(gè)特點(diǎn)。一是具有動(dòng)態(tài)性，這主要體現(xiàn)在第3類在建圍填海上，隨著時(shí)間的推移，階段的填海或圍海會(huì)逐漸演變?yōu)檗r(nóng)業(yè)或建設(shè)用途，進(jìn)而再演變?yōu)槌墒焱恋仡愋?，因此，此類可以體現(xiàn)圍填海的動(dòng)態(tài)演變特點(diǎn)。二是具有土地利用現(xiàn)狀分類和海域使用分類體系的銜接性，通過二級基本類的分析可以看到土地利用現(xiàn)狀分類和海域使用分類體系的銜接關(guān)系。三是便于統(tǒng)計(jì)分析。新建圍填海分類體系與《全國海洋功能區(qū)劃》(2011—2020年)的分區(qū)吻合度高，通過將每一類圍填海圖斑與海洋功能區(qū)劃的各個(gè)區(qū)進(jìn)行疊加，就可以看出圍填海建設(shè)與海洋功能區(qū)劃的符合程度，進(jìn)而便于統(tǒng)計(jì)分析。

4)本文給出了較清晰的基于高分辨率影像分類體系的解譯標(biāo)志，可以為圍填海遙感信息的快速提取提供參考。但是因土地部門業(yè)務(wù)化的遙感監(jiān)測是一年一次，而圍填海大工程多是跨年度的，所以在以一年為周期的監(jiān)測中，進(jìn)行圖斑解譯具有局限性，通過將監(jiān)測圖斑與地方部門調(diào)查相結(jié)合可以較好地解決疑難圖斑的解譯，使圍填海圖斑分類精度更高。

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(責(zé)任編輯： 李瑜)

Establishment of remote sensing monitoring classification system and interpretation criteria for the reclamation area based on the high-resolution remote sensing image

WEN Li1, WU Haiping1, JIANG Fangfang2, SU Wei2, ZHU Dehai2, ZHANG Chao2

(1.ChinaLandSurveyingandPlanningInstitute,MinistryofLandResources,Beijing100035，China;2.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Abstract:Reclamation is a double-edged sword: on the one hand, it can ease the shortage land resources, but on the other hand, it also brings serious negative effect to the coastal ecological environment. The first step is to make the classification system of reclamation in order that the government can monitor and manage reclamation reasonably for controlling and making decision. Reclamation is an intermediate process from sea to land, and this paper tries to connect sea use classification system and status of land use classification so as to make the classification system used in reclamation annual monitoring by remote sensing based on the level of multi-source high-resolution remote sensing image which can be interpreted, the definition of reclamation, the use properties and formation mechanism of reclamation and other factors. In addition, corresponding to the reclamation classification system of remote sensing monitoring, this paper has established remote sensing monitoring interpretation criteria of reclamation based on multi-source high-resolution remote sensing image.

Keywords:reclamation; remote sensing monitoring; classification system; interpretation criteria; high-resolution remote sensing image

通信作者：姜方方(1989-)，女，研究生，主要從事遙感應(yīng)用方面的研究。Email: jff0703@163.com。

作者簡介：第一 溫禮(1977-)，男，高級工程師，主要從事遙感技術(shù)在土地方面的應(yīng)用研究。Email: wli1978@163.com。

中圖法分類號：TP 79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)01-0172-06

基金項(xiàng)目：北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃項(xiàng)目“基于地基激光雷達(dá)的大田玉米長勢監(jiān)測方法研究”(編號： YETP0316)和中國土地勘測規(guī)劃院業(yè)務(wù)項(xiàng)目“2014年遙感監(jiān)測專題(監(jiān)測)分析”(編號： 201405510810608)共同資助。

收稿日期：2014-05-09；

修訂日期：2014-12-10

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.25

引用格式： 溫禮,吳海平,姜方方,等.基于高分辨率遙感影像的圍填海圖斑遙感監(jiān)測分類體系和解譯標(biāo)志的建立[J].國土資源遙感,2016,28(1):172-177.(Wen L,Wu H P,Jiang F F,et al.Establishment of remote sensing monitoring classification system and interpretation criteria for the reclamation area based on the high-resolution remote sensing image[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1):172-177.)