基于高分衛(wèi)星影像的秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖分布遙感監(jiān)測

摘要：利用高分一號、高分二號和北京二號等多源國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感影像，采用面向?qū)ο蠓诸惙椒?，結(jié)合目視解譯，提取了2015-2018年秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖信息，分析了浮筏養(yǎng)殖分布范圍與分布面積的年際變化特征。結(jié)果表明：秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖主要分布在昌黎縣近海海域，每年面積百分比在93%以上;而北戴河區(qū)和山海關(guān)區(qū)則是零星分布，且不是持續(xù)分布。近幾年秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖總面積呈上下波動的變化趨勢，以2016年數(shù)值最大，其次為2018年，2015年和2017年相對較小。隨著北戴河及相鄰地區(qū)近岸海域環(huán)境綜合整治工作的推進，2018年北戴河附近海域已無浮筏養(yǎng)殖分布。

關(guān)鍵詞：高分衛(wèi)星;秦皇島近海;浮筏養(yǎng)殖;遙感監(jiān)測

河北省近海浮筏養(yǎng)殖主要分布在秦皇島近海海域，起步于世紀90年代初[1]，以養(yǎng)殖扇貝為主。近二十余年，海水養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，浮筏養(yǎng)殖規(guī)模迅速擴大，養(yǎng)殖密度也持續(xù)增加，導(dǎo)致局部海域海洋環(huán)境的壓力日益凸顯。浮筏養(yǎng)殖減慢了海水的流速，降低了海洋水體交換能力，使入海污染物和養(yǎng)殖排泄物不能及時凈化，不僅對水質(zhì)產(chǎn)生了較大影響，對海洋生物生態(tài)系統(tǒng)也帶來一定程度的破壞，進而影響?zhàn)B殖環(huán)境和養(yǎng)殖產(chǎn)品的安全。長期實時監(jiān)測浮筏養(yǎng)殖分布的動態(tài)變化，對合理規(guī)劃養(yǎng)殖、保護海洋環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)海水養(yǎng)殖具有重要意義[2]。

浮筏養(yǎng)殖分布范圍廣，人工走航測量不僅費時費力，而且不能準確掌握分布情況。衛(wèi)星遙感具有探測范圍大、實時連續(xù)、真實客觀等優(yōu)點，是實現(xiàn)長期準確獲取浮筏養(yǎng)殖動態(tài)信息的有效手段。筆者以國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，探討了浮筏養(yǎng)殖信息提取方法，并對2015年至2018年秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖的動態(tài)變化進行了分析，為規(guī)劃和管理浮筏養(yǎng)殖提供技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇秦皇島近海海域，位于遼東灣西南部，境內(nèi)有洋河、戴河、新開河、石河等多條河流入海，海水透明度高，海流弱，湍流少，營養(yǎng)鹽豐富，成災(zāi)海況少，沙礫底質(zhì)，鹽度30‰，海面溫度多為0～28 ℃，pH值為7.6～8.4，為扇貝養(yǎng)殖提供了適宜的自然環(huán)境[3]。秦皇島扇貝通常于5月中旬，海面溫度上升至15 ℃時放苗;正常情況下6月中下旬開始套網(wǎng)，分苗時避開牡蠣附著期;最后一次分苗為8月至9月，10月中旬收獲[1]。

1.2遙感數(shù)據(jù)源

本文浮筏養(yǎng)殖遙感監(jiān)測采用的數(shù)據(jù)源包括高分一號、高分二號和北京二號。高分一號衛(wèi)星載有2臺2 m全色/8 m多光譜相機（幅寬60 km）和4臺16 m 多光譜寬覆蓋相機（幅寬800 km），現(xiàn)有4顆星，組網(wǎng)后已將覆蓋全球的周期縮短至11 d，重訪周期縮短至1 d。高分二號衛(wèi)星載有2臺高分辨率1 m全色/4 m多光譜相機，幅寬45 km，重訪周期為5 d。北京二號是由3顆0.8 m全色/3.2 m多光譜光學遙感衛(wèi)星組成的民用商業(yè)遙感衛(wèi)星星座，幅寬24 km，重訪周期為1 d。為了盡可能獲取每年度浮筏養(yǎng)殖最大分布范圍，主要選擇扇貝最后一次分苗至收獲前，即8月下旬至10月中旬的影像作為遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)源。

1.3遙感影像預(yù)處理

利用ENVI軟件對衛(wèi)星遙感影像進行預(yù)處理，主要包括大氣校正、幾何校正、影像融合、陸地掩膜等。大氣校正采用輻射傳輸模型中的MODTRAN模型，利用FLAASH模塊進行校正，設(shè)置大氣模型和氣溶膠類型等參數(shù)，獲取遙感影像各個像素上的反射率。幾何校正以已經(jīng)過校正的高分影像作為參考影像，結(jié)合RPC文件，通過查找控制點，采用多項式校正方法進行校正，誤差范圍控制在0.5個像素以內(nèi)。影像融合采用Pansharp方法，融合后影像既保留了原有多光譜特性，又提高了空間分辨率，增強了多光譜圖像的清晰度。陸地掩膜利用陸域矢量生成感興趣區(qū)域，將感興趣區(qū)域生成掩膜，剔除陸地的影響。

1.4浮筏養(yǎng)殖信息提取

1.4.1影像特征浮筏養(yǎng)殖是指在淺海水面上利用由浮球和繩索組成浮筏，并用纜繩固定于海底，將養(yǎng)殖對象采用吊繩或吊籠懸掛于浮筏的養(yǎng)殖方式。浮球是養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)用以懸掛纜繩或扇貝養(yǎng)殖籠的黑色塑料球，直徑約為30 cm，間距1～2 m，被固定在橫向的纜繩上。在真彩色波段合成的高分影像中，采用標準差函數(shù)拉伸，可見浮筏為亮灰色，每個浮筏呈直線或弧線分布，長度大多在150～200 m之間，浮筏間距4～30 m不等。數(shù)百個浮筏組成條帶，條帶分布均勻，形態(tài)特征顯著（見封三圖1）。

1.4.2信息提取方法

1.4.2.1面向?qū)ο筇崛》椒嫦驅(qū)ο蠓诸惙椒ㄊ菍⑴R近具有相似光譜、形狀、紋理等信息的影像像元集合成一個特定對象，以對象為基元，實現(xiàn)地物的分類。主要包括影像分割和分類提取兩個過程。影像分割采用多尺度分割方法，多尺度分割是指在影像信息損失最小的前提下，以任意尺度將影像分割為不同的對象，使對象內(nèi)部保持最大同質(zhì)性，對象之間保持最大異質(zhì)性，減少“同譜異物”“異譜同物”的影響[4]，讓不同地物類型可以在相應(yīng)的尺度上得到反映。根據(jù)浮筏與海水的特征差異，通過反復(fù)試驗，當尺度參數(shù)設(shè)為15，顏色參數(shù)設(shè)為0.9時分割的效果最好。面向?qū)ο蟮姆诸惙椒ㄖ饕譃樽罱彿诸?、模糊分類和基于?guī)則的分類。其中最鄰近分類屬于監(jiān)督分類的一種，主要包括定義特征空間、建立分類體系、選擇典型樣本、執(zhí)行分類四個步驟[5]。筆者在影像分割的基礎(chǔ)上，采用最鄰近分類方法進行浮筏養(yǎng)殖信息提?。ㄒ姺馊龍D2）。

1.4.2.2目視解譯法根據(jù)浮筏的色調(diào)、大小、形狀和紋理等特征建立遙感解譯標志（見封三圖1），應(yīng)用GIS軟件，采用目視判讀法，對浮筏養(yǎng)殖進行信息提取。

2結(jié)果與分析

利用2015年至2018年的高分衛(wèi)星影像，提取了秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖信息，并對其空間分布范圍（見封三圖3）和分布面積（見封三圖4）的年際變化進行了統(tǒng)計分析。

2.1分布范圍變化分析

2015年，秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖主要分布在昌黎縣和北戴河區(qū)近海海域。昌黎縣養(yǎng)殖范圍較大，最遠至14.5海里，但主要分布在11海里內(nèi);北戴河區(qū)主要分布在1.3～2.7海里，分布范圍較小。

相對2015年，2016年秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖范圍有所擴大，主要分布在昌黎縣、北戴河區(qū)和山海關(guān)區(qū)近海海域，以昌黎縣為主。昌黎縣養(yǎng)殖范圍最遠至14.6海里，主要分布在12海里內(nèi);北戴河區(qū)和山海關(guān)區(qū)則主要分布在近岸海域，分別為1.3～5.3海里和0.2～2.8海里。

2017年，秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖范圍呈減少趨勢，分布區(qū)域仍主要為昌黎縣、北戴河區(qū)和山海關(guān)區(qū)近海海域。昌黎縣養(yǎng)殖范圍最遠至13.2海里，主要分布在9.5海里內(nèi);北戴河區(qū)和山海關(guān)區(qū)仍主要分布在近岸海域，分別為1.3～5.1海里和0.2～2.5海里。

2018年，秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖范圍繼續(xù)呈減少趨勢，僅昌黎縣近海有所分布，北戴河區(qū)和山海關(guān)區(qū)近海已無養(yǎng)殖分布。但昌黎縣養(yǎng)殖密度有所增加，主要分布范圍由2017年的9.5海里增至12海里。

總體而言，秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖以昌黎縣分布范圍最廣，基數(shù)較為平穩(wěn)。而北戴河區(qū)和山海關(guān)區(qū)則是零星分布，且并不是每年持續(xù)分布。

2.2分布面積變化分析

2015-2018年，秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖分布面積呈上下波動的變化趨勢。2015年，浮筏養(yǎng)殖總面積為1.43×104 hm2，昌黎縣近海和北戴河區(qū)近海養(yǎng)殖面積分別占98.50%和1.50%。2016年，浮筏養(yǎng)殖總面積快速上升，增加幅度為3532%，達到監(jiān)測期間的最大值。其中昌黎縣增長了32.72%，北戴河區(qū)增長了近2倍，山海關(guān)區(qū)新增53.72 hm2。2017年，浮筏養(yǎng)殖總面積又呈減小趨勢，分布面積與2015年相當。其中，昌黎縣減少了29.24%，但山海關(guān)區(qū)和北戴河區(qū)略有增加。2018年，浮筏養(yǎng)殖總面積又有所增長，增長了19.69%，其中昌黎縣增加了28.31%，而北戴河區(qū)和山海關(guān)區(qū)近海無浮筏養(yǎng)殖分布。

3結(jié)論與討論

利用面向?qū)ο蠓诸惙椒軌蛱崛「》ゐB(yǎng)殖信息，但由于秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖主要沉于水中，僅浮球漂浮于海面上，浮筏條帶內(nèi)與浮筏條帶間的光譜特征差異較小，導(dǎo)致浮筏養(yǎng)殖自動分類提取結(jié)果具有一定誤差，需要人工目視解譯對提取結(jié)果進行修正。

2015-2018年，秦皇島近海浮筏養(yǎng)殖主要分布在昌黎縣近海海域，每年面積百分比均在93%以上。由于浮筏養(yǎng)殖投入成本較大，且易受市場行情影響，因此近幾年秦皇島浮筏養(yǎng)殖分布總面積呈上下波動的變化趨勢，以2016年數(shù)值最大，其次為2018年，2015年和2017年相對較小。

隨著河北省持續(xù)推進北戴河及相鄰地區(qū)近岸海域環(huán)境綜合整治，北戴河附近海域浮筏養(yǎng)殖得到了有效控制。2018年，北戴河近海已無浮筏養(yǎng)殖分布。

參考文獻：

[1] 張麗敏.昌黎縣扇貝養(yǎng)殖業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J].河北漁業(yè)，2013（7）：60-61.

[2] 曹利，顧文俊，李小恕，等.基于WorldView數(shù)據(jù)的浙江省鐵港牡蠣養(yǎng)殖分布遙感調(diào)查[J].漁業(yè)信息與戰(zhàn)略，2016，31（4）：286-292.

[3] 張麗敏，李文濤，方瑩.昌黎縣海灣扇貝養(yǎng)殖模式變化分析[J].河北漁業(yè)，2016，267（3）：25-28.

[4] 黃帥，丁建麗，李艷華.面向?qū)ο蟮膰a(chǎn)GF-1遙感影像水體信息提取研究[J].人民長江，2016，47（5）：23-28.

[5] 盧輝雄，田言亮，董雙發(fā)，等.基于Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)的黃淮海區(qū)主要作物種植結(jié)構(gòu)遙感解譯研究[J].河北遙感，2019（3）：21-24.

（收稿日期：2020-04-01）

作者簡介：徐雯佳（1983-），女，碩士，高級工程師，主要從事遙感技術(shù)研究與應(yīng)用工作。E-mail：562153204@qq.com。DOI：10.3969/j.issn.1004-6755.2020.04.011