基于3S技術(shù)的海域管理研究進展
——以東海海域管理為例

■ 付弘濤

（國家海洋局東海預(yù)報中心，上海 200136）

基于3S技術(shù)的海域管理研究進展
——以東海海域管理為例

■ 付弘濤

（國家海洋局東海預(yù)報中心，上海 200136）

針對目前東海地區(qū)在海域管理方面的發(fā)展現(xiàn)狀，文章詳細介紹了3S（GPS、RS和GIS）技術(shù)在我國海域管理領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用。運用舉例論證法詳述了GIS技術(shù)在海島及海岸帶圍填?，F(xiàn)狀調(diào)查、無居民海島的動態(tài)變化檢測、海域污染監(jiān)測和生態(tài)保護方面的應(yīng)用，RS技術(shù)在海洋災(zāi)害預(yù)警預(yù)報、海洋漁業(yè)資源管理方面的應(yīng)用，以及GPS技術(shù)在海上準確定位、GCP測量、水下地形測量方面的應(yīng)用。同時，提出了研究中存在的問題和難點,并對基于3S技術(shù)的海域管理研究的趨勢和方向進行了展望。

3S技術(shù)；海域管理；研究進展；應(yīng)用；展望

0 引言

隨著我國用海規(guī)模擴大和用海強度的提高，保障海洋空間安全面臨諸多問題和嚴峻挑戰(zhàn)，其中就包括開發(fā)方式粗放、開發(fā)不平衡、環(huán)境污染突出等問題。據(jù)中國環(huán)境與發(fā)展國際合作委員會海洋課題組的不完全統(tǒng)計，2009-2020年，我國沿海地區(qū)仍有超過5780km2的圍填海需求。長期以來粗放型的發(fā)展方式使得我國近岸海域肆意圍填造田，生態(tài)系統(tǒng)受損嚴重，給目前國家和地方海域管理工作帶來了諸多挑戰(zhàn)。近些年來，地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）和全球定位系統(tǒng)技術(shù)（GPS）已廣泛應(yīng)用到海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護、國土檢測和軍事等諸多領(lǐng)域。同時，基于3S技術(shù)的海域管理研究工作也取得了諸多進展，為促進我國海洋資源的合理開發(fā)與利用做出了巨大貢獻。

1 地理信息系統(tǒng)（GIS）在海域管理領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）是一門綜合性技術(shù)，結(jié)合地理學與地圖學以及遙感和計算機科學，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)。GIS是一種基于計算機的工具，它可以對空間信息進行分析和處理（簡而言之，是對地球上存在的現(xiàn)象和發(fā)生的事件進行成圖和分析）。GIS技術(shù)把地圖這種獨特的視覺化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫操作（例如查詢和統(tǒng)計分析等）集成在一起。通過對地理信息系統(tǒng)軟件進行不同程度的強化，可將地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于海域使用動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測、海洋環(huán)境保護等諸多領(lǐng)域。

基于信息系統(tǒng)的海域綜合管理是利用計算機硬、軟件對整個或部分的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述。除此之外，該系統(tǒng)具有較強的查詢功能，可以快速而準確地了解相應(yīng)對象的空間信息和屬性信息，并且可以實現(xiàn)區(qū)域性的數(shù)據(jù)共享，很大程度上提高了海域管理工作的效率。就查詢功能而言，地理信息系統(tǒng)可以將多個查詢功能聯(lián)系在一起，如：屬性查詢、位置查詢、條件查詢等，并可根據(jù)查詢的結(jié)果進行統(tǒng)計分析，生成各種數(shù)據(jù)圖表，有利于更直接地反應(yīng)數(shù)據(jù)信息。例如對海島及海岸帶圍填海現(xiàn)狀調(diào)查，即基于已有的遙感影像數(shù)據(jù)，運用GIS軟件人機交互提取岸線信息，并對前后兩個時相的岸線信息進行對比分析，生成圍填海區(qū)域，統(tǒng)計其面積。

隨著海域管理需求日益增加，地理信息系統(tǒng)在輔助決策功能模塊也取得了很大的進展，并不斷地進行完善，已能夠?qū)⒖臻g定位數(shù)據(jù)綜合到不同的問題中進行求解。例如對無居民海島進行的動態(tài)變化檢測，即通過對現(xiàn)有兩個時相的數(shù)據(jù)進行分析和處理，篩選出對查詢者有用的變化信息，從而為管理者提供輔助決策依據(jù)。

地理信息系統(tǒng)的分析評價功能也對海域管理起著重要的作用，其可以對近岸海域在物理海洋學、海洋化學和海洋生物學等方面的基礎(chǔ)環(huán)境指標進行計算、統(tǒng)計、分析和評價，實現(xiàn)對污染源的位置、污染程度、變化趨勢等的空間分析，建立部分海域的檢測數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對特定海域的宏觀生態(tài)健康評價。

隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的進一步發(fā)展，其在海域污染監(jiān)測和生態(tài)保護方面的應(yīng)用也越來越廣泛。以我國東海為例，由于多年來的濫捕濫撈,東海的漁業(yè)資源已瀕臨絕境，科學化的海水養(yǎng)殖已迫在眉睫。地理信息系統(tǒng)技術(shù)可以對海岸帶數(shù)據(jù)進行綜合分析，篩選出適合養(yǎng)殖和有利于產(chǎn)品管理和加工的最優(yōu)區(qū)域。比如，可以通過污染排放口的位置來判斷是否影響?zhàn)B殖區(qū)，進而確定養(yǎng)殖區(qū)的位置，并且監(jiān)測水體質(zhì)量。同時，結(jié)合近年來赤潮易發(fā)區(qū)域的相關(guān)資料，可以判斷其是否影響到養(yǎng)殖區(qū)，從而準確估算出影響范圍的大小。此外，地理信息系統(tǒng)在海洋石油天然氣方面也有著重要的應(yīng)用。

綜上所述，GIS技術(shù)作為3S系統(tǒng)的核心，可有效提高海洋地理數(shù)據(jù)的提取和處理速度，產(chǎn)生巨大的社會和經(jīng)濟效益，未來無疑是海域綜合管理不可或缺的技術(shù)手段。然而，隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，生產(chǎn)、生活、生態(tài)用海需求日趨多樣化，海域環(huán)境綜合治理也必將成為實施我國海洋發(fā)展戰(zhàn)略中的一個難點，發(fā)展基于地理信息系統(tǒng)的海域綜合治理信息平臺迫在眉睫。

2 遙感（RS）在海域管理領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用

遙感（RS）是通過遙感器這類對電磁波敏感的儀器，在遠離目標和非接觸目標物體條件下探索標的物，獲取其反射或輻射的電磁波信息（如電場、磁場、電磁波、地震波等信息），并進行提取、判定、加工處理、分析和應(yīng)用的一門技術(shù)。遙感技術(shù)具有快速、同步和大面積監(jiān)測等特點，在國民經(jīng)濟和軍事的很多方面獲得廣泛的應(yīng)用。例如氣象觀測、資源考察、地圖測繪和軍事偵察等。

隨著各國海域爭端和海域管理的需求日益加劇，RS技術(shù)在海域管理方面的發(fā)展也取得了很大的進展和成就。我國是世界上最重要的海洋國家之一，領(lǐng)海面積相當于陸地面積的三分之一，隨著我國海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，海洋的開發(fā)與利用不斷加大，海洋作為我國資源的主要來源，應(yīng)加強對其的保護。在我國東海區(qū)域，遙感技術(shù)在海域管理中的應(yīng)用取得了飛速的發(fā)展，其主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

2.1 海洋災(zāi)害應(yīng)急預(yù)警報

國家海洋局發(fā)布的《2014年中國海洋災(zāi)害公報》顯示，我國的海洋災(zāi)害以風暴潮、海浪、海霧、海冰和赤潮為主，其他如綠潮、海岸侵蝕、海水入侵與土壤鹽漬化、咸潮入侵等災(zāi)害也有不同程度發(fā)生。2014年我國海洋災(zāi)害總體發(fā)生頻率較低，但過程強度屢破歷史記錄，尤其是臺風災(zāi)害和突發(fā)性海洋災(zāi)害給人民生產(chǎn)生活帶來巨大損失，各類海洋災(zāi)害造成直接經(jīng)濟損失達136.14億元，死亡數(shù)十人。

海洋災(zāi)害監(jiān)測手段主要采用現(xiàn)場調(diào)查、衛(wèi)星遙感、航空遙感三個手段?，F(xiàn)場調(diào)查主要基于海上大小型浮標數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，精細程度高、調(diào)查最準確，但受天氣條件、交通狀況、人員安全條件的影響，難以實現(xiàn)大面積、快速的災(zāi)情信息獲??；衛(wèi)星遙感手段則可進行大范圍災(zāi)情監(jiān)測，尤其是微波傳感器能夠全天候、全天時工作，具有穿透云層、霧和小雨的能力,并且可供選擇的國內(nèi)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)較多，目前已經(jīng)較為成熟地應(yīng)用于赤潮、綠潮、溢油、海霧和海冰等方面的監(jiān)測和研究。例如綠潮遙感監(jiān)測的主流方法是：基于ENVI軟件平臺，首先對MODIS影像數(shù)據(jù)進行分析研究，確定綠潮爆發(fā)時的覆蓋面積，并對目標海域綠潮采用拉格朗日追蹤法和校正歸一化植被指數(shù)法，最終計算得出綠潮未來24小時漂移方向和漂移距離。此外,通過綠潮光譜特征還可辨別是否為滸苔綠潮。

風暴潮、海浪等海洋災(zāi)害的預(yù)警報研究是一個世界性的科學難題。目前美英等發(fā)達國家基于海上綜合試驗場等高科技裝備，已基本實現(xiàn)了預(yù)警系統(tǒng)的自動化、現(xiàn)代化，整個預(yù)警過程時間間隔不超過3h，預(yù)警報精度較高。例如美國的蒙特雷灣海上試驗場，其功能包含海洋觀測系統(tǒng)（海面和海底）、自主海洋采樣網(wǎng)、實時環(huán)境信息網(wǎng)和分析系統(tǒng)、陸地?海洋生物地球化學觀測站、多學科海洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。針對遙感方面，國外遙感衛(wèi)星作為構(gòu)建實時海洋環(huán)境信息網(wǎng)的核心設(shè)備，技術(shù)較為先進，監(jiān)測精度較高，服務(wù)領(lǐng)域廣泛。而國內(nèi)目前主要采用的還是傳統(tǒng)的經(jīng)驗預(yù)報方法，先進的大氣科學、海洋環(huán)境動力學數(shù)值預(yù)報方法需結(jié)合遙感技術(shù)提高精度。傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感手段受天氣條件、衛(wèi)星重訪周期的影響，在實效性和精細性方面難以保證，不利于突發(fā)海洋災(zāi)害的監(jiān)測評估工作。因此，星載合成孔徑雷達和無人機航空遙感將成為未來海洋災(zāi)害精細化預(yù)警報研究的主要技術(shù)手段。

2.2 漁業(yè)資源管理

以我國東海為例，在過去的50年間漁業(yè)生產(chǎn)力因來自過度捕撈、氣候變化和污染等的壓力而一直在下降。魚群往往會聚集在其喜愛的水域，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)可以引導捕魚船隊更有效地定位魚群。諸如海面溫度、海洋鹽度、海洋的顏色（生產(chǎn)力）和海洋鋒等能強烈影響魚類資源自然波動的這些海洋要素，可通過搭載在衛(wèi)星上的傳感器進行實時觀測。實時的遙感數(shù)據(jù)不僅可用于幫助漁民在探魚期間節(jié)省燃油及航行時間，節(jié)約漁業(yè)生產(chǎn)及加工成本，還可以為漁業(yè)預(yù)測預(yù)報建模和可持續(xù)漁業(yè)管理戰(zhàn)略的制定提供技術(shù)支撐。

3 全球定位系統(tǒng)（GPS）在海域管理領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用

GPS由空間星座、地面控制和用戶設(shè)備等三部分構(gòu)成的。GPS 測量技術(shù)能夠方便快捷地提供點、線、面要素的精確三維坐標以及其他地理信息，是迄今為止最好的導航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷發(fā)展，GPS終端的測量精度不斷提高，行業(yè)GPS測量軟件發(fā)展迅速。例如雙星雙頻GPS設(shè)備，可同時接受美國的GPS衛(wèi)星信號和俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星信號，甚至我國的北斗衛(wèi)星信號，不僅測量精度可達厘米級，同時可根據(jù)用戶需求編輯行業(yè)模塊，使得設(shè)備應(yīng)用更加便捷。隨著國家對海洋開發(fā)和利用的逐漸重視，GPS技術(shù)在涉海領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，主要包括：海上定位、海島及海岸帶地面控制點（GCP）測量、海洋大地測量以及岸灘地形和水下地形測量。

GPS定位是海域綜合管理的基礎(chǔ)工作。海上GPS定位通常是指在海上確定船舶的方位，主要用于艦船的導航。針對高精度定位技術(shù)，需要采用差分技術(shù)應(yīng)用于海上定位。例如在領(lǐng)?；c島嶼設(shè)立基準站，采用差分技術(shù)或動態(tài)相對定位技術(shù)進行高精度海上定位。

海島及海岸帶的綜合管理同樣需要GPS提供技術(shù)支撐。GCP（地面控制點）的測量，即是運用GPS測定地面控制點的平面位置和高程的作業(yè)。無論是衛(wèi)星還是飛機，運動過程中都會由于種種原因產(chǎn)生飛行姿勢的變化，從而引起影像變形。高精度的地面控制點為航空像片和衛(wèi)星遙感影像進行各種幾何糾正以及地理定位提供了重要數(shù)據(jù)源。隨著遙感圖像分辨率的不斷提高，影像糾正過程對GCP的精度要求也就越來越高。

定位是水下地形測量的重要組成部分。近年來，國內(nèi)外對運用GPS進行高精度動態(tài)測量做了大量研究，目前較為成熟的技術(shù)是實時載波相位差分（Real Time Kinematic System），它是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上的，能實時提供觀測點的三維坐標，并達到厘米級的高精度。該技術(shù)在水下地形測量中的應(yīng)用十分廣泛，其主要服務(wù)于水下地形圖的繪制，對于建設(shè)現(xiàn)代化的深水港、海洋漁業(yè)資源、海底資源勘探、海底電纜鋪設(shè)、海上鉆井平臺等具有重要意義。對全海域的綜合管理離不開對基底數(shù)據(jù)的測量，基底數(shù)據(jù)又服務(wù)于國家的海洋發(fā)展戰(zhàn)略。因此，GPS技術(shù)經(jīng)常作為輔助工具服務(wù)于國家海域綜合管理。

4 未來及展望

以上綜合分析了3S技術(shù)在我國海域管理領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用，展現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)在海洋資源調(diào)查、環(huán)境保護等核心問題中的重要性。作為建立數(shù)字海洋的三大支撐技術(shù)，3S技術(shù)在海洋空間數(shù)據(jù)處理中各具特點，又密切相關(guān)。GPS可在瞬間獲得目標定位坐標，GIS具有較好的查詢檢索、空間分析處理能力，RS可快速獲取區(qū)域面狀信息。但在實際工作中，數(shù)據(jù)處理的實時性和觀測評估的精度仍有待進一步改進。筆者認為，未來應(yīng)將3S技術(shù)形成有機的一體化系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行動態(tài)更新，快速準確地獲取定位信息，實現(xiàn)實時的現(xiàn)場查詢和分析判斷，這也必將成為未來3S技術(shù)的發(fā)展趨勢。

5 結(jié)語

在國內(nèi)外環(huán)境日趨復(fù)雜、發(fā)展空間受到擠壓的當前，黨中央提出了“提高海洋資源開發(fā)能力，堅決維護國家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強國”的宏偉目標。提高海洋資源開發(fā)、控制、綜合管理能力，構(gòu)建科學、高效、綠色海洋開發(fā)格局，建設(shè)海洋生態(tài)文明，是時代賦予建設(shè)海洋強國的新任務(wù)。3S技術(shù)作為我國海域資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，在實現(xiàn)對海域高效管理的過程中具有無可替代的重要作用。按照國家海洋局印發(fā)的《2014年海域綜合管理工作要點》的要求，國家已明確了健全海洋功能區(qū)劃體系，加強圍填海和岸線管理，強化海域海岸帶整治修復(fù)，加強海底電纜管道管理和保護，開展海域使用現(xiàn)狀調(diào)查試點，實施海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)升級改造等十項任務(wù)目標。因此，不斷創(chuàng)新的管理機制必將極大地促進信息科學技術(shù)、空間科學技術(shù)、環(huán)境科學技術(shù)和地球科學的發(fā)展。我們相信通過涉海各部門的共同努力，實現(xiàn)我國海域管理的科學化、信息化和精細化將指日可待。

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Advances in Sea Area Management Research Based on "3S" Technologies(RS, GIS and GPS)—Taking the Management of the East China Sea as Example

FU Hongtao
(The East China Sea Forecast Center of State Oceanic Administration People's Republic of China, Shanghai 200136)

Based on the East China Sea Management, this paper introduces the development and application of 3S Technologies (GPS, RS and GIS) in China's Sea Area Management in detail. The specific methods are as follows: by using examples it is argued how Geographic Information System (CIS) technique is used to survey the present conditions about sea reclamation in the islands and coastal zone, detect dynamic changes of uninhabited island, monitor the pollution of sea area, and protect ecological environment; Remote Sensing (RS) technique in marine disaster prediction and warning, marine fi shery resources management; as well as Global Positioning System(GPS) technique in accurate positioning on the sea, Ground Control Point(GCP) surveying, and the underwater topography survey. At the same time, it discusses some problems and diff i culties that we face in the research work; and provides an outlook of the future of sea area management research based on "3S" technologies.

"3S" technologies; sea area management; research progress; application; outlook

F062.1

C

1672-6995（2015）12-0069-04

2015-08-03；

2015-08-30

付弘濤（1989-），男，遼寧省法庫縣人，國家海洋局東海預(yù)報中心遙感室業(yè)務(wù)主辦，法學在職研究生，主要研究方向為遙感技術(shù)在海洋執(zhí)法管理方面的應(yīng)用。