遙感技術(shù)在海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

●　文　| 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心　　 徐京萍　趙建華

遙感技術(shù)在海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

●文| 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心 徐京萍趙建華

近年來，我國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，海域使用需求持續(xù)增長。2014年，我國海洋生產(chǎn)總值達(dá)59936億元［1］，新增確權(quán)海域面積37.41萬公頃，征收海域使用金85.02億元［2］。海域資源使用的迅猛擴(kuò)展對海域的有效管理提出了更高的要求。然而，在過去的很長一段時(shí)間里，由于監(jiān)視監(jiān)測技術(shù)的落后，國家還難以對海域空間資源、海洋功能區(qū)、填海造地用海項(xiàng)目實(shí)施情況以及近年來南海爭議島礁的維權(quán)情況進(jìn)行有效監(jiān)控，海域使用的現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)不明，用于海域管理的基礎(chǔ)信息匱乏。2006年國家海洋局啟動(dòng)了“國家海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)”的建設(shè)和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對海域使用動(dòng)態(tài)及海域空間資源變化狀況等的全面監(jiān)視和監(jiān)測。該系統(tǒng)采用遙感監(jiān)測和實(shí)時(shí)移動(dòng)監(jiān)測等方式對海域使用狀況以及海域空間資源等動(dòng)態(tài)要素實(shí)施全覆蓋、高精度的監(jiān)視監(jiān)測，其中遙感技術(shù)因覆蓋范圍廣、速度快、同步性好等特點(diǎn)，在海域使用現(xiàn)狀及變化信息的獲取方面發(fā)揮了重要的作用。

一、海域使用遙感監(jiān)測技術(shù)的適用性分析

1. 海域使用監(jiān)測的特點(diǎn)

海域與土地同屬國土資源，與海洋環(huán)境有著密不可分的聯(lián)系。海域使用（用海）監(jiān)測與土地

利用監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測有著很多相似之處，但又具有其自身的顯著特點(diǎn)，這主要體現(xiàn)在：海域使用是一個(gè)立體的空間概念，海域使用的立體性是與水體及底質(zhì)的三維空間相對應(yīng)的，用?；顒?dòng)可能位于水表、水體甚至水底；在空間格局上，有些海域使用類型斑塊存在明顯的空間邊界線，而有些海域使用斑塊則是人為劃分的，不存在空間上的明顯斑塊界線。不同海域使用類型在空間上表現(xiàn)出來的這些復(fù)雜性和獨(dú)特性給海域使用遙感監(jiān)測工作造成了一定技術(shù)難度。

2. 海域使用遙感監(jiān)測原理

人類用海活動(dòng)所形成的海上人造地物以及占用、改造的海上自然地物，因與周圍環(huán)境存在光譜特性差異，會在遙感影像中表現(xiàn)為具有不同像元特征的圖斑。因此，可以根據(jù)圖斑的光譜特征、大小、形狀、結(jié)構(gòu)、布局以及與周圍地物的空間位置關(guān)系等，運(yùn)用對海域使用平面布置方式的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)知識，識別和區(qū)分不同的用海地物。在此過程中，由于不同海域使用區(qū)塊間的水面光譜特性差異不是很明顯，海域使用面狀特征體的識別往往需要先通過對邊界線的識別來完成，即面狀特征體的識別通常要以線狀要素提取為基礎(chǔ)［3］。

3. 海域遙感監(jiān)測能力分析

海域使用遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測目前采用的主要是傳統(tǒng)被動(dòng)光學(xué)遙感數(shù)據(jù)。由于海域使用自身的顯著特點(diǎn)，使得在利用遙感技術(shù)進(jìn)行海域使用監(jiān)測時(shí)，只能根據(jù)遙感影像反映用海地物的分布，而不能直接判別海域用途，且該用海地物能被光學(xué)遙感手段探測到，在遙感影像中與周圍自然海域有明顯區(qū)別，能直接或間接反映用海活動(dòng)的存在［4］。海域使用遙感監(jiān)測所使用到的數(shù)據(jù)來源較為豐富，主要來自衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和航拍數(shù)據(jù)。比較適用海域動(dòng)態(tài)監(jiān)測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，有國產(chǎn)的環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)、資源衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)、天繪數(shù)據(jù)和高分?jǐn)?shù)據(jù)等，以及國外的陸地觀測（Landsat）、斯波特（SPOT）、快眼（RapidEye）、快鳥（Quickbird）、地球觀測（WorldView）、地球之眼（GeoEye）等，這些數(shù)據(jù)的空間分辨率從0.4m到30m不等，再加上能機(jī)動(dòng)靈活獲取的更高空間分辨率的航拍數(shù)據(jù)，基本能反映不同空間尺度下的主要用海活動(dòng)的分布及變化。

二、海域使用遙感監(jiān)測技術(shù)手段分類

目前，海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測使用到的主要遙感技術(shù)手段包括衛(wèi)星遙感技術(shù)和航空遙感技術(shù)，其中航空遙感技術(shù)又分為有人機(jī)航空遙感監(jiān)測和無人機(jī)航空遙感監(jiān)測。衛(wèi)星遙感監(jiān)測主要是針對全國范圍內(nèi)的海域使用狀況進(jìn)行大范圍、高頻次的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，而航空遙感技術(shù)由于機(jī)動(dòng)性好、空間分辨率高、受天氣狀況限制小等優(yōu)勢，主要被用于重點(diǎn)區(qū)域的高精度監(jiān)測或應(yīng)急監(jiān)測等。

1. 衛(wèi)星遙感監(jiān)測

海域使用衛(wèi)星遙感監(jiān)測工作的主要任務(wù)是以衛(wèi)星遙感作為主要技術(shù)手段，采用計(jì)算機(jī)與人工解譯相結(jié)合的方式，輔以現(xiàn)場驗(yàn)證，對海域使用狀況進(jìn)行監(jiān)測，全面系統(tǒng)的調(diào)查我國海域使用的動(dòng)態(tài)情況。目前，每年完成4次全海域低分辨率衛(wèi)星遙感監(jiān)測和1次全海域高分辨率衛(wèi)星遙感監(jiān)測。低分辨率衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測范圍為我國內(nèi)水和領(lǐng)海海域，主要采用10～30m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括LandsatTM/ETM、中巴地球資源衛(wèi)星（CBERS）、SPOT、環(huán)境減災(zāi)A/B（HJ-A/B）等。高分辨率衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測范圍為我國海岸帶、海島及其鄰近海域，主要采用0.6m～5m分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，主要有SPOT-5、Quickbird、伊科諾斯（IKONOS）、福衛(wèi)二號（FORMOSAT-2）、資源三號、高分?jǐn)?shù)據(jù)等。提取的遙感信息主要包括：大陸岸線、河口海灣、海島、海域使用信息等海域空間資源狀況。在提取的過程中，需參考海域使用確權(quán)資料，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取或人工解譯相結(jié)合的方式，按照海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測遙感分類體系提取各用海類型空間分布及其屬性信息，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查確定海域使用屬性特征。

2. 航空遙感監(jiān)測

海域航空遙感每年完成一次重點(diǎn)海域的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，重點(diǎn)海域根據(jù)國家及地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際需要而確定，重點(diǎn)覆蓋用海熱點(diǎn)及開發(fā)利用頻繁的海域。

（1）海域有人機(jī)航空遙感監(jiān)測

有人機(jī)航空遙感監(jiān)測以各分局航空支隊(duì)飛機(jī)為平臺，監(jiān)測范圍以海岸線為基線，向陸延伸1km，向海延伸至平均大潮低潮線外3km海域?？臻g分辨率優(yōu)于1m。

監(jiān)測內(nèi)容為海域現(xiàn)狀（已開發(fā)、未開發(fā)的海域面積及分布）、海洋功能區(qū)（海洋功能區(qū)利用狀況）、在建項(xiàng)目（用海面積、位置、用途等）、岸線（類型、分布、長度等）和海島狀況（數(shù)量、面積、植被、岸線變化等）等。海域有人機(jī)航空遙感監(jiān)視監(jiān)測主要利用監(jiān)視監(jiān)測區(qū)正射影像圖，根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容對監(jiān)測區(qū)域海域使用類型進(jìn)行信息提取和分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對海域現(xiàn)狀、海洋功能區(qū)、在建重大海洋工程、疑點(diǎn)疑區(qū)核查等的動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測。

（2）海域無人機(jī)航空遙感監(jiān)測

無人機(jī)海洋遙感監(jiān)測系統(tǒng)作為一種新型的高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取手段，具有可低空云下飛行、高危地區(qū)探測、成本低、高分辨率、影像實(shí)時(shí)傳輸、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，可用于快速獲取重點(diǎn)海域高精度海洋監(jiān)測信息，監(jiān)督海域使用狀況，近年來被越來越多的應(yīng)用于海域航空遙感監(jiān)測領(lǐng)域。

三、遙感技術(shù)在海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用到海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的各項(xiàng)主要業(yè)務(wù)中，這其中包括海域使用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測、新增圍填海及圍填海疑點(diǎn)疑區(qū)遙感監(jiān)測、區(qū)域用海規(guī)劃遙感監(jiān)測、重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目用海遙感監(jiān)測、海域空間資源遙感監(jiān)測等。

1. 海域使用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測

為全面掌握利用高精度遙感影像反映出的海域使用動(dòng)態(tài)變化信息，國家海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)管中心自2013年開展了全國海域動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測本底庫更新工作，全面掌握截至2013年底的遙感影像所反映的全國沿海用?，F(xiàn)狀分布情況，準(zhǔn)確修正圍填海等用海范圍，建立海域動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測本底庫，并及時(shí)更新到國家海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)，保持全國海域管理數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。其主要監(jiān)測內(nèi)容包括大陸岸線和海島岸線長度，用海地物、用海方式、使用類型等面積狀況以及海域使用確權(quán)狀況等。目前，該數(shù)據(jù)每年更新一次。圖1顯示了遼寧海域遙感監(jiān)測圖。

圖1　2013年遼寧省海域用海地物遙感監(jiān)測成果圖

2. 新增圍填海及圍填海疑點(diǎn)疑區(qū)遙感監(jiān)測

自2010年開始，國家海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)開啟全國圍填海和疑點(diǎn)疑區(qū)的動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測工作。其主要工作內(nèi)容是基于中高分辨率遙感影像處理、遙感信息提取、地理信息系統(tǒng)等多種技術(shù)手段，對全國新增圍填海情況和圍填海疑點(diǎn)疑區(qū)情況開展遙感監(jiān)測，識別分析新增圍填海及圍填海疑點(diǎn)疑區(qū)具體位置、用海面積、用海方式、用海類型、動(dòng)態(tài)變化類型等內(nèi)容，并利用現(xiàn)場監(jiān)測或無人機(jī)遙感監(jiān)測核實(shí)其具體用海位置、用海類型、用海面積、用海方式等內(nèi)容，為海域綜合管理提供數(shù)據(jù)支撐［5］。新增圍填海監(jiān)測頻率為每年上半年和下半年各開展1次監(jiān)測工作，圍填海疑點(diǎn)疑區(qū)監(jiān)測工作每年開展4次。

3. 區(qū)域用海規(guī)劃遙感監(jiān)測

區(qū)域用海規(guī)劃遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測是海域管理工作中的一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)。依據(jù)國家海洋局下發(fā)的批復(fù)文件，國家海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)自2012年開始每半年一次的區(qū)域用海規(guī)劃的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測（見圖2），適時(shí)跟蹤規(guī)劃實(shí)施進(jìn)度，重點(diǎn)監(jiān)測規(guī)劃范圍內(nèi)海域確權(quán)、圍填海施工進(jìn)展等情況，為海域管理部門決策及海監(jiān)執(zhí)法提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息。

圖2　區(qū)域用海規(guī)劃遙感監(jiān)測示意圖

4. 重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目用海遙感監(jiān)測

沿海各省市動(dòng)態(tài)監(jiān)管中心充分利用國家下發(fā)的遙感影像，提取重點(diǎn)項(xiàng)目用?，F(xiàn)狀信息，并通過定期開展現(xiàn)場監(jiān)測，重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目用海實(shí)際用途、用海面積、用海范圍、用海方式等，及時(shí)掌握項(xiàng)目用海動(dòng)態(tài)，避免超界用?；蛘吒淖冇煤Ｓ猛镜痊F(xiàn)象的發(fā)生。

5. 海域空間資源遙感監(jiān)測

沿海各省、市監(jiān)管中心通過遙感監(jiān)測和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的形式開展本地區(qū)大陸岸線（類型、長度、分布、變遷、用途和自然岸線保有率等）（見圖3）、灘涂資源（類型分布、空間格局、面積變化、形態(tài)變遷、生態(tài)特點(diǎn)等）、海灣資源（類型、面積及形態(tài)變化、灣內(nèi)岸線變遷、空間資源存量）、海島資源（類型、面積、植被、地形地貌、海島岸線、周邊水質(zhì)條件、典型生態(tài)系統(tǒng)）等海域空間資源監(jiān)測。

四、結(jié)論

我國海洋資源種類繁多，開發(fā)潛力大。海域作為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和載體，在全面建設(shè)小康社會、促進(jìn)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展方面的地位越來越重要，迫切需要引入現(xiàn)代化的監(jiān)測管理手段。利用遙感技術(shù)的大范圍、快速、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，對海域使用狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可以全面提升我國海域動(dòng)態(tài)監(jiān)管能力。目前，遙感技術(shù)已作為“國家海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)”中一項(xiàng)重要的數(shù)據(jù)信息獲取手段，被廣泛應(yīng)用到各項(xiàng)海域監(jiān)測業(yè)務(wù)中，在為全面掌握海域資源狀況、海域使用狀況和海域管理狀況，及時(shí)為各級政府、海洋部門和社會公眾提供決策支持和信息服務(wù)發(fā)揮了重要作用。

圖3　2014年全國大陸海岸線遙感監(jiān)測分布示意圖

［1］ 國家海洋局. 2014年中國海洋經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)公報(bào). 北京：國家海洋局， 2015.

［2］國家海洋局. 2014年海域使用管理公報(bào). 北京： 國家海洋局， 2015.

［3］付元賓， 趙建華， 王權(quán)明， 賈凱， 苗豐民. 我國海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（SDMS）模式探討［J］. 自然資源學(xué)報(bào)， 2008， 23（2）： 185-193.

［4］劉百橋， 趙建華. 海域使用遙感分類體系設(shè)計(jì)研究［J］. 海洋開發(fā)與管理，2014，6：20-24.

［5］王厚軍， 丁寧， 趙建華， 劉惠. 圍填海項(xiàng)目海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測內(nèi)容及方法研究［J］. 海洋開發(fā)與管理， 2015， 12： 7-10.