海域使用格局衛星遙感監測與評價——以葫蘆島試驗區為例

索安寧，趙冬至，張豐收，衛寶泉，初佳蘭

（國家海洋環境監測中心 國家海域使用動態監管中心，遼寧 大連 116023）

海域使用格局衛星遙感監測與評價
——以葫蘆島試驗區為例

索安寧，趙冬至，張豐收，衛寶泉，初佳蘭

（國家海洋環境監測中心 國家海域使用動態監管中心，遼寧 大連 116023）

研究了海域使用類型遙感監測的分類系統，探索建立了各類海域使用類型的衛星遙感監測方法。在此基礎上，以葫蘆島試驗區為例，對該驗區海域使用格局進行了衛星遙感監測與評價。結果表明：衛星遙感技術結合地理信息系統技術與全球定位系統技術可以較好地對海域使用空間格局進行監測和評價。葫蘆島試驗區海域使用類型以工礦業用海和漁業用海為主，工礦業用海以大斑塊的集中用海為主要特征，而漁業用海則以小斑塊的分散用海為主。在海域使用空間格局上，葫蘆島區塊海域以工礦業用海為主，興城區塊海域以工礦業和漁業用海為主，綏中區塊海域則是以漁業用海為主，葫蘆島試驗區海域使用空間格局具有明顯的空間分異特征。

海域使用；衛星遙感；空間格局；監測

隨著中國海洋經濟的快速發展，許多自然海域被大面積的開發利用。海域使用帶來的生態環境效應正越來越多地受到科研工作者和管理者的關注[1-5]。衛星遙感技術作為土地利用變化、植被變化監測和研究的有效手段，已被國內外科研、管理領域廣泛的接受和認可[6,7]。同樣，作為一項新興的對地觀測技術，衛星遙感技術在海域使用空間格局監測和研究中也有廣泛的應用前景。與陸地地表各類具有光譜、紋理特征的土地利用斑塊組成的空間鑲嵌格局不同，海域使用是在相對均一的海洋自然水體基質基礎上人為開發利用的各類海域使用類型組成的空間鑲嵌體[8-10]。在空間格局上，有些海域使用類型的斑塊和陸地土地利用斑塊一樣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。這種海域使用類型在空間上表現出的復雜性為海域使用衛星遙感監測工作造成了許多技術難題，如航道，錨地，底波養殖，并一直阻礙著海域使用空間格局監測、研究和管理的進一步發展。

為了提高海域使用格局的監測與管理水平，推動海域使用空間格局方面的科學研究，本文選取葫蘆島市部分海域為試驗區，將衛星遙感 (Remote Sensing, RS)技術、地理信息系統 (Geographical Information System, GIS)技術和全球定位系統技術 (Global Position System, GPS)相結合，即將3 S技術相結合，探索建立主要海域使用類型空間格局的監測技術與評價方法，為國家海域使用監測與管理提供技術支撐。

1 研究區概況

葫蘆島市位于遼寧西南部，地理位置119°50′－121°05′E，39°52′－42°24′N，東鄰錦州，西接山海關，南臨渤海遼東灣，總面積10 415 km2。葫蘆島市是遼西走廊的重要組成部分，也是東北地區和華北地區連接的重要陸路交通紐帶，下轄3區、2縣、1市共6個行政區，總人口約296萬，2007年GDP達到417億元，是環渤海經濟圈的重要組成部分。

葫蘆島市屬北溫帶大陸性季風氣候，年無霜期175 d，年日照時數為2 600 ～ 2 800 h，年均降水量550 ～650 mm，年平均氣溫 8.5 ℃ ～ 9.5℃。葫蘆島市轄區海岸線長258 km，以砂質、細砂質海岸為主，葫蘆島龍灣海濱地跨興城市和龍港區，沙灘寬80 ～ 100 m，長達30 km以上，是純天然的旅游休閑度假區。沿岸許多海灣海闊水深，夏避風浪，冬微結薄冰，適宜修建不凍良港，宜港岸線16.5 km。近岸海域水深浪靜，水質純凈，適合開展多種海洋水產養殖。近年來，隨著遼東灣西部海域使用力度的逐年加大，葫蘆島市的海域使用類型復雜多樣，不同功能海域空間上錯綜復雜，嚴重地破壞了海域自然景觀格局，也給海域管理工作帶來了很多困難。

2 衛星遙感圖像采集與處理

2.1 數據采集

采用法國SPOT5衛星遙感影像為主要監測數據。SPOT5衛星遙感影像的多光譜影像空間分辨率為10 m，全色影像空間分辨率為2.5 m。影像采集時間為2007年5－6月，圖像整體質量較好，無云彩干擾，能夠覆蓋葫蘆島試驗區整個海岸帶與近岸海域部分。

2.2 數據處理

SPOT5數據屬于高空間分辨率影像數據，對其進行幾何精糾正需要高精度的地形圖或差分GPS控制點的支持。本研究使用高精度的差分GPS－DGPS測量系統，在衛星遙感圖像采集后的當年7月份，采集葫蘆島市海岸帶遙感影像地面60個控制點的數據，這些控制點都均勻地分布于圖像圖幅監測范圍內。應用ERDAS8.7提供的多項式變換方法進行幾何精糾正，精糾正的順序是先分別對3景影像的全色波段進行幾何精糾正，然后對各自對應的多光譜波段影像進行幾何精糾正。在實際糾正過程中選擇的多項式為2次，正射糾正圖像與實地地物配準精度達到1∶1萬正射影像圖的標準，滿足1∶1萬海域使用監測的精度要求[11]。

將分別正射糾正后的全色和多光譜數據進行影像融合獲得真彩影像。融合的方法主要有主成分法、Brovey變換法、高分辨率分子校正光譜銳化融合法等。其中高分辨率分子校正光譜銳化融合法在光譜和細節表現上都優于其它融合算法，故本研究采用高分辨率分子校正光譜銳化融合法。對影像融合后的影像數據進行色調匹配，以求得影像色調趨于一致[12,13]。

3 海域使用空間格局監測

3.1 海域使用類型衛星遙感分類系統構建

根據葫蘆島市海域使用類型的實際情況，并參考相關的海域使用類型分類系統及其衛星遙感監測的特殊性[14,15]，本研究將葫蘆島市海域使用類型劃分為漁業用海、交通運輸用海、工礦業用海、旅游娛樂用海、排污用海、建設用海、特殊用海和其他類型用海8大Ⅰ級類型。其中，漁業用海又可分為漁港、圍墾養殖和養殖區水口；交通運輸用海可分為港口和路橋用海；工業用海可以分為鹽業用海和臨海工業用海；旅游娛樂用海主要為海水浴場和水上娛樂用海；排污用海分為污溫水排放用海；建設圍墾用海為城鎮建設圍墾用海；特殊用海包括軍事用海和科研教育用海等24類Ⅱ級海域使用類型。各類型的分類系統和定義見表1。

3.2 海域使用格局衛星遙感監測方法

根據各類海域使用類型的空間結構、光譜特征和遙感分類監測特點，本研究將葫蘆島市海域使用衛星遙感監測方法劃分為完全遙感監測類型和3S協同監測類型：

3.2.1 完全遙感監測類型 完全遙感監測類型具有和陸地土地利用類型相似的明顯空間斑塊鑲嵌結構。主要類型包括圍墾養殖用海、鹽業用海、城鎮建設用海、排污用海等，監測方法可采取和陸地土地利用遙感監測相同的方法。根據各類海域使用類型的影像光譜特征，采集各類海域使用類型的地物光譜，建立海域使用類型光譜特征庫。在遙感圖像處理軟件ERDAS8.7的支持下，采用監督分類的方法，對衛星遙感影像進行分類，提取以上各類海域使用類型的信息。將提取的海域使用類型圖層與衛星遙感影像疊加，人機交互檢查，對提取海域使用類型中錯分、誤分的區域給予糾正。由于監督分類是根據地物的光譜特征分類的，會將圍墾養殖區域等的池塘水面和四周堤壩分成兩種類型，在進行修正時必須給予糾正[16]。圍墾養殖區域信息修正完畢后，將該圖層轉換為shap格式，利用ArcMap9.2的圖形統計模塊，建立每個圍墾養殖斑塊的周長和面積屬性。

表 1 本研究劃分的海域使用衛星遙感分類系統Tab.1 System of sea area use classification by satellite remote sensing in this study

3.2.2 3S協同監測類型 由于海域使用類型大多是以海岸為依托進行開發利用的，具有海陸兩棲的性質，僅采用遙感監測技術不能完全達到海域使用監測的目標，必須將遙感技術與GIS的空間分析技術、GPS地面定位技術結合起來進行。

(1) 交通用海監測

依據各類交通用海海域使用空間范圍界定方法[18]：在ArcMap支持下，采取人機交互識別的方法，勾繪出衛星遙感影像上碼頭兩側天然海岸線或人工海岸線、防波堤、堆石外緣連線（平均高潮線），即內界線。對于完備設施的港口，以防波堤、堆石外緣連線為基準，利用ArcMap的buffer工具做50 m的緩沖區分析，選取緩沖區靠海一側的緩沖線作為外界線。由內界線、外界線和側界線構成完整的港口海域使用區。對于不具完備設施的港口，也是首先在ArcMap支持下，采取人機交互識別的方法勾繪出衛星遙感影像上的內界線，然后以內界線為基準，利用ArcMap的buffer工具做5倍最大靠泊船長（5×100 m）的緩沖區分析，選取緩沖區靠海一側的緩沖線作為外界線，沿海岸線方向延長內界址線至與外界線連接，構成封閉區域即為不具備完整設施的港口海域使用區。對于漁港，采取人機交互識別的方法勾繪出衛星遙感影像上的漁港內部平均最大高潮線止漁港外部防波堤外50 m，為內界線，連接漁港兩側防波堤的內界線端點，形成封閉的漁港用海區域。

(2) 海水浴場用海監測

一般海水浴場可分為海灣型海水浴場和平直型海水浴場。海灣型海水浴場的陸界為大潮平均高潮線，海界為岬角連線，兩者圈閉的范圍即為浴場用海。平直型海水浴場則為從大潮平均高潮線向海垂直延伸1 000 ～ 2 000 m或防鯊安全網位置。

海水浴場的監測方法是，首先在ArcMap支持下，采取人機交互識別的方法勾繪出衛星遙感圖像上海水浴場范圍內的大潮平均高潮線，即為海水浴場的內界線。對于海灣型海水浴場，直接勾繪海灣兩邊岬角直線連線，即為海灣型海水漁場用海。對于平直型海水浴場，以海水浴場范圍內的大潮平均高潮線為基準，利用ArcMap的buffer工具做1 000 ～ 2 000 m的緩沖區分析，選取緩沖區靠海一邊的緩沖線作為海水浴場的外界址線，連接海水浴場兩邊的內、外界址線，即為平直型海水浴場用海。

(3) 臨海工業圍填海監測

臨海工業圍填海用海指在沿海筑堤擋潮防浪、控制圍區水位而圍割灘涂和港灣，保留部分水面或全部填土成陸的工程用海，供臨海工業、發電、修船、城鎮及公益用地之需。臨海工業圍填海用海的海域使用面積，依下列界線圈閉的面積測算[17]。

外側界線為平行或垂直人工堤壩基床外緣的連線，采用衛星遙感影像結合差分GPS測定人工堤壩基床外緣點。在GIS支持下，將外緣點連接成線，如人工堤壩與海岸斜交，則以離海岸最遠的人工堤壩基床外緣點為準做平行與海岸線的平行線，作為外界線，其外側界線應為平行或垂直海岸的連線。內界址線為圍海或填海前的海岸線或人工岸線，參考歷史圖件和實地勘測調查，采用差分GPS測定圍海或填海前的海岸線或人工岸線，作為內界線。連接碼頭或突堤兩側的內、外界線，形成封閉的區域即為臨海工業圍填海用海。建立拓撲關系，計算周長、面積屬性。

表 2 葫蘆島試驗區海域使用類型衛星遙感監測結果Tab.2 Sea area use types monitored by satellite remote sensing in Huludao region

4 結果分析

4.1 海域使用結構分析

表 2是通過衛星遙感技術獲取的葫蘆島試驗區海域使用類型監測結果。由表2可以看出，葫蘆島試驗區海域使用以工礦業用海為主，其次為養殖用海，分別占到試驗區總海域使用面積的52.71%和31.52%，其中工礦業用海中以鹽業用海為主，鹽業用海也是葫蘆島試驗區面積最大的海域使用類型，占到總海域使用面積的38.0%。漁業用海以圍塘養殖用海和漁港用海為主，其中圍塘養殖用海是僅次于鹽業用海的第二大海域使用類型，面積達到1 096.14 hm2。交通用海主要以港口用海為主，葫蘆島試驗區有大小港口碼頭16個，總用海面積407.49 hm2，其中葫蘆島港占地面積最大，達170.50 hm2。其他海域使用類型還包括海水浴場用海、排污用海、特殊用海和其他用海類型，面積分別為170.20 hm2、100.82 hm2、2.45 hm2和0.13 hm2。

4.2 海域使用格局分析

利用3S技術對葫蘆島試驗區海域使用空間格局監測表明，葫蘆島試驗區海域使用以海岸帶為依托，呈帶狀分布。由于圍塘養殖是以養殖池塘為單元的，且養殖池塘的面積都在3.0 hm2左右。在景觀尺度上，養殖池塘空間形狀以矩形和正方形為主，總體上呈顯小養殖池塘集聚連片分布，大養殖片塊空間分散的分布整體格局。鹽業用海相對比較集中，主要集中在葫蘆島試驗區北部海岸帶，在空間上有5大分布區塊，其中3大區塊分布于葫蘆島灣，平均斑塊面積達到25.29 hm2。25個漁港的分布相對比較分散，平均漁港用海面積為6.10 hm2，呈星點狀鑲嵌于整個海岸景觀格局中。10個海水浴場，平均斑塊面積17.20 hm2，均勻分布于海岸帶近海。臨海工業圍填用海以船舶建造維修和電力工業為主，共圍填用海13斑塊，平均圍填斑塊面積為50.54 hm2，是所有用海面積中斑塊最大的用海類型，主要集中分布于中、北部海岸帶。

4.3 海域使用的行政區域分析

從葫蘆島試驗區臨海的3個行政區域來分析，葫蘆島區塊用海面積最大，達到2 099.94 hm2，斑塊數目最少，海域使用斑塊數114個。海域使用以工礦業用海為主，包括鹽業用海和臨海工業用海，其次為漁業用海，面積151.97 hm2，分為47個用海斑塊。興城區塊用海面積為1 215.24 hm2，用海斑塊數145個，海域使用類型以漁業用海為主，其次是工礦業用海，漁業用海以小斑塊的零散用海為主，工礦業用海以較大斑塊的集中用海為主。綏中區塊海域使用面積1 045.52 hm2，海域使用斑塊數目達到260個，海域使用類型以漁業用海為主，漁業用海優勢十分明顯，漁業用海面積占到總用海面積的54.68%，斑塊數目占到總斑塊數目的94.23%，具有明顯的漁業用海斑塊面積小，零散分布的特點。

表 3 葫蘆島試驗區海域使用行政區域差異Tab.3 Sea area use of administrative difference in Huludao region

5 結 論

雖然3S技術在海域使用監測管理中應用潛力已經被國內外海洋管理學者所認識，但是由于海域使用類型和形式的復雜性，加上海域使用監測管理要求的技術精確性，限制了3S技術在海域使用監測管理中的廣泛應用。目前，我國海域使用監測管理中的3S技術還處于初級應用階段，不能從根本上滿足國家海域使用監測管理的要求。本文選取葫蘆島部分海域為試驗區，探討了海域使用格局的衛星遙感監測與評價方法。首先建立了海域使用類型衛星遙感監測分類系統，在此基礎上，構建了各類海域使用類型的衛星遙感監測技術方法，并對葫蘆島市的海域使用格局進行了試驗監測與評價。葫蘆島試驗區的監測與評價結果表明：衛星遙感技術在海域使用監測管理中的應用，必須立足于各類海域使用類型的空間復雜性特征，以即時的高精度衛星遙感影像為基礎監測數據，以全球定位系統地面差分定位為補充數據，充分應用地理信息系統的強大空間分析技術，建立針對各類海域使用類型空間特征的信息提取技術，才能從斑塊尺度到景觀尺度，系統準確的對海域使用狀況進行宏觀監測與管理。葫蘆島試驗區海域使用以漁業用海和工礦業用海為主，其中鹽業用海和圍塘養殖用海是最主要的用海類型，鹽業用海以大斑塊的集中用海為主，圍塘養殖用海以小斑塊的分散用海為主。在空間分布上，葫蘆島區塊海域使用以工礦業用海的集中分布為主要特點，興城區塊的海域使用以工礦業用海和漁業用海為主，綏中區塊則集中以漁業用海的分散分布為特點。

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Monitoring and assessment of sea area use spatial pattern by satellite remote sensing: A case study in Huludao test region

SUO An-ning, ZHAO Dong-zhi, ZHANG Feng-shou, WEI Bao-quan, CHU Jia-lan

(National Marine Environment Monitor Center & National Sea Use Status Surveillance Center, Dalian 116023, China)

Aimed at monitoring and assessing sea area use spatial pattern by satellite remote sensing.Huludao sea field was chosen as test area case in this paper.Firstly, a sea area use classification system of satellite remote sensing was created and monitoring processes of all sea area use types by satellite remote sensing techniques were established.Then the sea area use spatial pattern of Huludao test region was monitored by satellite remote sensing images of SPOT5, geographical information system and global position system.The result showed that satellite remote sensing associating with geographic information system and global position system was a good tool in sea area use monitoring and assessment.Manufacture and mining sea area use and fishery sea use were two main landscape types of sea area use.Most of the manufacture and mining sea use patches were big patches and clustering in north coastline, while fishery sea area use patches were small patches scattering along the southern coastline.In sea field landscape pattern, sea area use was dominated by manufacture and mining in Huludao sub-region and was dominated by manufacture and mining type and fishery type in Xingcheng city sub-region, while the sea field was dominated by fishery type in Suizhong sub-region.The sea area use spatial pattern shows obvious spatial differences.

sea area use; satellite remote sensing; spatial pattern; monitoring

P72

A

1001-6932 (2010)01-0006-06

2008-11-14；

2009-04-09

國家海洋局908專項（908-01-WY01）；國家海洋局海洋海域使用動態衛星遙感監測業務化基金

索安寧 (1977－)，甘肅慶陽人，博士，副研究員，主要研究方向：海島海岸帶遙感監測與評價，已發表相關論文10多篇。電子郵箱：san720@sina.com