海洋特別保護區數字化監測研究——以海州灣國家級特別保護區為例

李 妍，趙新生

（連云港市海灣生態與自然遺跡海洋特別保護區管理處，江蘇 連云港222001）

1 引言

海洋特別保護區是海洋生態保護的重要手段之一，也是海洋生態文明建設不可或缺的一環。海州灣國家級海灣生態系統與自然遺跡海洋特別保護區自2008年成立以來，一直致力于實現對保護區的有效管理，并取得了初步進展。但較之以陸地保護區，海洋保護區遠離陸地，缺乏監管手段，實現實時監控有一定難度。在國家大力建設“數字海洋”的背景下，以實現對保護區海域監測的動態化、可視化、智能化的立體監測為目標，開展保護區數字化監測研究，對于合理開發利用海洋資源、保護海洋生態，減少保護區資源管護、巡護的人力、物力投入，推進保護區信息化建設，促進海洋生態文明建設，具有重要的實際意義。

2 保護區基本情況

海州灣海洋特別保護區以秦山島為中心劃定，南側和西側以現有海岸線為界，東側和北側界限依據連云港人工魚礁工程區的東界和北界劃定，總面積達490 137km2。保護區按功能劃分為4個區：生態保護區、資源恢復區、生態環境整治區各一塊，開發利用區兩塊。

保護區獲批之后，成立了海洋生態特別保護區管理處，掛靠連云港市海域使用保護動態管理中心，為副處級事業單位，內設生態保護科，總編制24人。出臺了《保護區管理暫行辦法》。開展實施保護區及功能區界標識工程，對保護區四址及生態保護區界線等進行標識。建設保護區海上管理平臺，用于漁業增養殖、休閑垂釣、海上旅游、海上執法管理和環境監測預報等多種用途。開展海洋牧場等資源修復工作，自2012年已累計完成建設資金5 568萬元，投放人工魚礁179 784.73空m3，形成海洋牧場130km2，海州灣海域的海洋生物資源得到了較好恢復，取得了良好的生態效益、社會效益和經濟效益。

3 存在問題

雖然保護區成立以來，做了許多工作取得了一定的成績，但也要看到其中存在的問題。

（1）在海洋行政管理中的參與度不夠，保護區管理處的職能未能完全發揮。2009年3月在連云港市政府高度重視下，成立連云港市海州灣海灣生態與自然遺跡海洋特別保護區管理處，是直屬連云港市海洋與漁業局副處級事業單位，是在原市海域使用保護動態管理中心基礎上增掛管理處牌子，一套班子，兩套牌子。科室布局及人才配備不能夠完成勝任保護區管理處的管理職能。如：沒有獨立的科研、環境監測，以及執法部門。

（2）保護區建設經費有限。資金是保護區工作開展以及正常運行的首要保證。現階段海州灣海洋特別保護區的資金來源主要是向國家或省級項目主管部門申請保護區內的部分建設項目爭取資金。而大部分項目的建設還需要自籌資金。從實際情況來看，若要依靠項目建設資金來推動保護區長期高效的發展較為困難。海洋保護區與陸地上的保護區不同，對基礎設施、科研水平要求相對來說要高很多。資金投入不足將會直接影響到保護區日常工作的展開。

（3）沒有形成對保護區管轄范圍的常規監測。目前，管理處的監測重點仍然延續以往的重點用海項目的監視監測。而保護區的管理范圍大部分都在海上，常規的陸地監測手段不能完全適應海上監測的需要。而使用人力巡航，一是人員數量不夠，二是經費不夠，難度很大。

4 保護區監測方案研究

針對以上保護區管理面臨的難題，擬通過采取科學、合理、有效的措施，利用包括三維立體監管體系在內的多種技術手段對保護區實施動態監視監測，為提升保護區管理提供可供借鑒的技術手段，做有益的嘗試和探索。

4.1 監測手段

監測手段的確定是實現業務化遙感監測的基礎環節。對于本項目研究的保護區而言，可采用無人機航空、衛星遙感和現場綜合的監測手段，無人機航空遙感具有高空間分辨率的優勢，衛星遙感雖然只具有中空間分辨率，但具備高時間分辨率重訪監測的特點，現場監測雖然費時費力，但具有監測精度高的優點，同時可為上述遙感手段提供驗證。對于海州灣海灣生態與自然遺跡海洋特別保護區而言，航空、衛星和現場聯合的監測技術手段，能夠提供大面積、實時或準實時、高精度的監測數據，而且連云港市海域使用保護動態管理中心已經具備無人機航空、衛星遙感和現場監測綜合的技術能力。

4.2 監測范圍

監測范圍的確定是實現業務化遙感監測的首要環節。對于保護區遙感監測范圍而言，其內部以及周邊相鄰地區受到不同程度的人類活動影響，而且周邊相鄰地區對保護區內部也有著不可分割的影響，因此在保護區的遙感監測中，對周邊相鄰地區的遙感監測也是必不可少的。而周邊地區的范圍如何確定，要根據保護區所處地域特點、受到人類活動影響程度、遙感監測的工作量等來確定。

海州灣海洋特別保護區處于海岸帶區域，人類開發活動對其影響較大，因此在保護區的遙感監測中，對周邊相鄰地區的遙感監測也是必不可少的。海州灣監測范圍如圖1所示：

4.3 數據源

能夠及時獲取適合監測需求的遙感數據是遙感技術業務化應用的關鍵基礎環節，一旦實現業務化應用，對遙感影像數據的需求量將是很大的。

目前連云港市海域使用保護動態管理中心擁有測繪型固定翼無人機和監視型懸翼無人機（圖2、圖3），可獲取保護區重點目標的0.02m高分辨率的遙感影像和現場視頻資料（圖4、圖5）。

4.4 監測頻次

遙感監測頻次的選擇是業務化遙感監測的重要環節，頻次的選擇要綜合考慮發生的某些自然或人為事件對不同監測要素的影響程度。針對監測范圍的重點程度不同，保護區內核心區、緩沖區和實驗區的管理保護以及受到人類活動影響的程度不同，因此，重點區域如核心區應選擇具有高空間分辨率的無人機航空和現場監測手段，大面的監測采用高時間分辨率的衛星遙感影像來進行，如 HJ－1A/1B的時間分辨率為2d，滿足監測需求。

國家海洋局發布了《海洋自然保護區監測技術規程》，要求在保護區建成后，對保護區要進行每年兩次的常規現場監測，可選擇5、10月份，每次監測采樣時間應與上一年相同。通過與實地的溝通了解，保護區所采取的人工巡護頻次因3個區的劃分而不同，由于核心區是保護區所屬的具有代表性自然地帶，由原生性自然生態系統組成，是保護區的核心，因此該區每天都要進行人工巡護；而緩沖區是核心區外圍的半開發地區，某些程度上已受到人類活動的影響和破壞，但仍有可能恢復為原生性生態系統的地段，緩沖區可以開展試驗性或生產性研究，其主要作用是緩和對核心區的破壞，因此該區的巡護頻次分為定期和不定期，定期的一般是一周一次，遇有突發臨時事件會加強巡護；實驗區是緩沖區周圍地段，這一區域主要用于合理開發、利用自然資源的研究，為當地環境保護及自然資源合理開發利用提供示范作用，該區的巡護頻次同緩沖區。遙感監測在保護區的頻次要綜合考慮以上兩點，以及成本、工作量等方面的因素，從高分辨率和低分辨率兩種遙感數據源考慮，以高頻次的低分遙感數據作為低頻次的高分遙感數據的補充，建議對于高分辨率遙感監測數據源，在核心區以季度為單位進行遙感監測，緩沖區可以半年為單位，實驗區和周邊地區以年為間隔來進行遙感監測；對于低分辨率遙感監測數據源，遙感監測頻次在核心區可兩個月一次，緩沖區為一個季度一次，實驗區和周邊地區為半年一次，并且整個研究區的監測頻次要根據突發的某些自然事件或人為干擾而進行隨時的調整。

4.5 監測要素

《海洋自然保護區監測技術規程》要求，所有海洋保護區都要對下列要事進行監測。

（1）海域環境要素進行監測。主要監測項目包括水溫、鹽度、溶解氧、汞、鎘等化學元素，另外還應對生物介質中污染物含量進行監測；

（2）人為活動影響狀況監測，包括旅游、交通、海水養殖、海洋捕撈、資源開發等人為活動對保護區生境及保護對象的影響狀況進行監測；

（3）保護對象監測，包括各類生態系統以及保護種類的種群結構等。

“908專項海島海岸帶衛星遙感調查”的調查要素包括：岸線、潮間帶、土地利用、植被、濕地、圍填海、港口、排污口等14個類型。結合《規程》和衛星遙感調查能力，在確定了研究區域的地物分類體系的基礎上，基于對自然保護區的脅迫因素的分析，確定研究區域業務化遙感監測要素，監測要素包括：潮間帶、土地利用、植被和濕地。其中，對某些適宜生境類型以及受到人類活動影響較大的地物類型，進行重點監測。另外，還應對要素的現狀、要素的變遷狀況等進行遙感監測。要素的現狀是依據監測頻次，對要素的面積和分布等進行監測，并對面積、所占比重做統計分析，繪制相應的統計圖、表等。要素的變遷狀況是根據要素在各個頻次所記錄的現狀進行對比分析，得出遙感監測動態變化圖，進而為保護區的下一步管理和保護工作的開展提供依據。

4.6 專題圖制作

要素專題圖的制作是針對信息提取的結果，基于對遙感監測要素的考慮，進行制圖輸出，出圖的內容包括：

（1）圖框：所有要素專題圖均采用統一的圖框樣式，本文中所生成的專題圖采用單線樣式，30′間隔的經緯度外框；

（2）注記規范：包括要素圖名、基礎地理、行政注記、縣級行政界線等，要素圖名統一按照“＊＊年＊＊保護區遙感監測專題圖（××）”，其中＊＊處填寫專題圖制作時所依據遙感影像的年份以及具體的保護區名稱，××處填寫專題圖所屬的類型；基礎地理主要包括待輸出的各要素；行政注記包括保護區所涉及到的區、縣（市）；行政界線主要是縣級行政界線；

（3）圖面整飾：包括比例尺、指北針、圖例以及文字說明的統一設置。

4.7 現場踏勘

現場踏勘所獲取的數據主要服務于遙感影像的預處理、遙感解譯標志庫的建立等。可以在遙感監測區域搭建GPS平臺和現場觀測平臺，實現現場數據的實時采集，包括地面控制點和現場照片以及視頻數據的采集。利用精準的地面控制點，對遙感影像進行幾何校正；利用現場照片和視頻數據，建立監測區域遙感解譯標志庫。

地面控制點位置和數量的選擇對于遙感影像的預處理是很重要的。首先要選擇原始影像上影像紋理清晰、特征明顯、易于識別地面突變點的地方，來作為控制點，如線狀地物的交角或地物拐角處、道路的交叉口、河流和溝渠的分叉處、養殖池塘拐角處等，角度范圍最好是30°～150°。其次是控制點數量的選擇，理論上控制點的數目越多精度越大，但還要兼顧校正工作量大的問題，因此在實際操作中要根據原始影像的幾何畸變程度確定。

不同的遙感數據源對控制點精度以及數量的要求不同，但無論是哪種數據源，精度要求控制在影像的1個像元以內，針對本文所采用的遙感數據分辨率均為30m，因此控制點精度應該小于1個像元單位即30m；控制點的數量是針對幾何校正時所選取的方法而言。中誤差控制在1個像元以內，滿足精度要求。地面控制點利用信標差分GPS（DGPS）進行采集，DGPS接收交通部海事局在沿海設置的無線電導航信標臺所發射的差分修正信號，使得所采集的控制點的定位精度達到亞米級。實地控制點測量記錄時，除記錄測量控制點的位置及周圍地物信息之外，還應準確標記控制點所在路口的準確位置。

解譯標志體現了遙感影像地物信息的構像結果與現場觀測的地物類別間的對應關系，是對遙感影像進行準確解譯的基礎和依據。影像解譯之前，通過實地踏勘的方式建立影像中地物類型的遙感解譯標志是非常重要和必要的。解譯標志的建立方式：在踏勘之前，根據經驗對影像進行初步的地物判讀，制作地物判讀圖，獲得未知地物、不能確定地物和重點調查地物類型的位置和分布，加以標記，以備踏勘時了解和確認；踏勘中，到達標注地物所在區域，在確定其與遙感影像中情況無明顯差別后，辨認實地地物類型與分布情況，做記錄并拍照；踏勘之后，以研究區域中地物分類體系為綱，利用遙感影像截圖和文字描述或加配現場照片的方式建立解譯標志。

5 結語

近日，國家海洋局印發了海洋生態文明建設實施方案，明確提出要開展國家級海洋保護區規范化能力提升工程。而監測能力是實現對保護區有效管理的重要途徑之一，通過對保護區數字化監測進行研究，為實現對保護區行之有效的監視監測做了有益的探索。最終將提高保護區管理工作的效率，提升管理水平，為海洋資源的有序開發和海洋開發的綜合決策提供技術支撐。

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