遙感技術在海域使用動態監測中的應用

●　文　| 國家海洋環境監測中心　　 徐京萍　趙建華

遙感技術在海域使用動態監測中的應用

●文| 國家海洋環境監測中心 徐京萍趙建華

近年來，我國海洋經濟發展迅猛，海域使用需求持續增長。2014年，我國海洋生產總值達59936億元［1］，新增確權海域面積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間里，由于監視監測技術的落后，國家還難以對海域空間資源、海洋功能區、填海造地用海項目實施情況以及近年來南海爭議島礁的維權情況進行有效監控，海域使用的現狀與動態不明，用于海域管理的基礎信息匱乏。2006年國家海洋局啟動了“國家海域使用動態監視監測管理系統”的建設和運行，實現了對海域使用動態及海域空間資源變化狀況等的全面監視和監測。該系統采用遙感監測和實時移動監測等方式對海域使用狀況以及海域空間資源等動態要素實施全覆蓋、高精度的監視監測，其中遙感技術因覆蓋范圍廣、速度快、同步性好等特點，在海域使用現狀及變化信息的獲取方面發揮了重要的作用。

一、海域使用遙感監測技術的適用性分析

1. 海域使用監測的特點

海域與土地同屬國土資源，與海洋環境有著密不可分的聯系。海域使用（用海）監測與土地

利用監測、海洋環境監測有著很多相似之處，但又具有其自身的顯著特點，這主要體現在：海域使用是一個立體的空間概念，海域使用的立體性是與水體及底質的三維空間相對應的，用海活動可能位于水表、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出來的這些復雜性和獨特性給海域使用遙感監測工作造成了一定技術難度。

2. 海域使用遙感監測原理

人類用海活動所形成的海上人造地物以及占用、改造的海上自然地物，因與周圍環境存在光譜特性差異，會在遙感影像中表現為具有不同像元特征的圖斑。因此，可以根據圖斑的光譜特征、大小、形狀、結構、布局以及與周圍地物的空間位置關系等，運用對海域使用平面布置方式的相關經驗知識，識別和區分不同的用海地物。在此過程中，由于不同海域使用區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［3］。

3. 海域遙感監測能力分析

海域使用遙感動態監測目前采用的主要是傳統被動光學遙感數據。由于海域使用自身的顯著特點，使得在利用遙感技術進行海域使用監測時，只能根據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遙感手段探測到，在遙感影像中與周圍自然海域有明顯區別，能直接或間接反映用海活動的存在［4］。海域使用遙感監測所使用到的數據來源較為豐富，主要來自衛星影像數據和航拍數據。比較適用海域動態監測的衛星數據，有國產的環境衛星數據、資源衛星系統數據、天繪數據和高分數據等，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，這些數據的空間分辨率從0.4m到30m不等，再加上能機動靈活獲取的更高空間分辨率的航拍數據，基本能反映不同空間尺度下的主要用海活動的分布及變化。

二、海域使用遙感監測技術手段分類

目前，海域使用動態監測使用到的主要遙感技術手段包括衛星遙感技術和航空遙感技術，其中航空遙感技術又分為有人機航空遙感監測和無人機航空遙感監測。衛星遙感監測主要是針對全國范圍內的海域使用狀況進行大范圍、高頻次的動態監測，而航空遙感技術由于機動性好、空間分辨率高、受天氣狀況限制小等優勢，主要被用于重點區域的高精度監測或應急監測等。

1. 衛星遙感監測

海域使用衛星遙感監測工作的主要任務是以衛星遙感作為主要技術手段，采用計算機與人工解譯相結合的方式，輔以現場驗證，對海域使用狀況進行監測，全面系統的調查我國海域使用的動態情況。目前，每年完成4次全海域低分辨率衛星遙感監測和1次全海域高分辨率衛星遙感監測。低分辨率衛星遙感動態監視監測范圍為我國內水和領海海域，主要采用10～30m分辨率衛星數據，包括LandsatTM/ETM、中巴地球資源衛星（CBERS）、SPOT、環境減災A/B（HJ-A/B）等。高分辨率衛星遙感動態監視監測范圍為我國海岸帶、海島及其鄰近海域，主要采用0.6m～5m分辨率衛星數據，主要有SPOT-5、Quickbird、伊科諾斯（IKONOS）、福衛二號（FORMOSAT-2）、資源三號、高分數據等。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資料，利用計算機自動提取或人工解譯相結合的方式，按照海域動態監視監測遙感分類體系提取各用海類型空間分布及其屬性信息，結合現場調查確定海域使用屬性特征。

2. 航空遙感監測

海域航空遙感每年完成一次重點海域的動態監測，重點海域根據國家及地方經濟發展的實際需要而確定，重點覆蓋用海熱點及開發利用頻繁的海域。

（1）海域有人機航空遙感監測

有人機航空遙感監測以各分局航空支隊飛機為平臺，監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。空間分辨率優于1m。

監測內容為海域現狀（已開發、未開發的海域面積及分布）、海洋功能區（海洋功能區利用狀況）、在建項目（用海面積、位置、用途等）、岸線（類型、分布、長度等）和海島狀況（數量、面積、植被、岸線變化等）等。海域有人機航空遙感監視監測主要利用監視監測區正射影像圖，根據監測內容對監測區域海域使用類型進行信息提取和分析，進而實現對海域現狀、海洋功能區、在建重大海洋工程、疑點疑區核查等的動態監視監測。

（2）海域無人機航空遙感監測

無人機海洋遙感監測系統作為一種新型的高分辨率遙感數據獲取手段，具有可低空云下飛行、高危地區探測、成本低、高分辨率、影像實時傳輸、機動靈活等優點，可用于快速獲取重點海域高精度海洋監測信息，監督海域使用狀況，近年來被越來越多的應用于海域航空遙感監測領域。

三、遙感技術在海域使用動態監測中的應用

遙感技術被廣泛應用到海域使用動態監測中的各項主要業務中，這其中包括海域使用現狀遙感監測、新增圍填海及圍填海疑點疑區遙感監測、區域用海規劃遙感監測、重點建設項目用海遙感監測、海域空間資源遙感監測等。

1. 海域使用現狀遙感監測

為全面掌握利用高精度遙感影像反映出的海域使用動態變化信息，國家海域使用動態監管中心自2013年開展了全國海域動態遙感監測本底庫更新工作，全面掌握截至2013年底的遙感影像所反映的全國沿海用海現狀分布情況，準確修正圍填海等用海范圍，建立海域動態遙感監測本底庫，并及時更新到國家海域動態監視監測管理系統，保持全國海域管理數據的現勢性。其主要監測內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狀況等。目前，該數據每年更新一次。圖1顯示了遼寧海域遙感監測圖。

圖1　2013年遼寧省海域用海地物遙感監測成果圖

2. 新增圍填海及圍填海疑點疑區遙感監測

自2010年開始，國家海域動態監視監測管理系統開啟全國圍填海和疑點疑區的動態遙感監測工作。其主要工作內容是基于中高分辨率遙感影像處理、遙感信息提取、地理信息系統等多種技術手段，對全國新增圍填海情況和圍填海疑點疑區情況開展遙感監測，識別分析新增圍填海及圍填海疑點疑區具體位置、用海面積、用海方式、用海類型、動態變化類型等內容，并利用現場監測或無人機遙感監測核實其具體用海位置、用海類型、用海面積、用海方式等內容，為海域綜合管理提供數據支撐［5］。新增圍填海監測頻率為每年上半年和下半年各開展1次監測工作，圍填海疑點疑區監測工作每年開展4次。

3. 區域用海規劃遙感監測

區域用海規劃遙感動態監測是海域管理工作中的一個極為重要的環節。依據國家海洋局下發的批復文件，國家海域動態監視監測管理系統自2012年開始每半年一次的區域用海規劃的遙感動態監視監測（見圖2），適時跟蹤規劃實施進度，重點監測規劃范圍內海域確權、圍填海施工進展等情況，為海域管理部門決策及海監執法提供實時動態信息。

圖2　區域用海規劃遙感監測示意圖

4. 重點建設項目用海遙感監測

沿海各省市動態監管中心充分利用國家下發的遙感影像，提取重點項目用海現狀信息，并通過定期開展現場監測，重點監測項目用海實際用途、用海面積、用海范圍、用海方式等，及時掌握項目用海動態，避免超界用海或者改變用海用途等現象的發生。

5. 海域空間資源遙感監測

沿海各省、市監管中心通過遙感監測和現場監測相結合的形式開展本地區大陸岸線（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、形態變遷、生態特點等）、海灣資源（類型、面積及形態變化、灣內岸線變遷、空間資源存量）、海島資源（類型、面積、植被、地形地貌、海島岸線、周邊水質條件、典型生態系統）等海域空間資源監測。

四、結論

我國海洋資源種類繁多，開發潛力大。海域作為海洋經濟發展的物質基礎和載體，在全面建設小康社會、促進沿海地區經濟社會發展方面的地位越來越重要，迫切需要引入現代化的監測管理手段。利用遙感技術的大范圍、快速、動態、準確的特點，對海域使用狀況進行動態監測，可以全面提升我國海域動態監管能力。目前，遙感技術已作為“國家海域使用動態監視監測管理系統”中一項重要的數據信息獲取手段，被廣泛應用到各項海域監測業務中，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發揮了重要作用。

圖3　2014年全國大陸海岸線遙感監測分布示意圖

［1］ 國家海洋局. 2014年中國海洋經濟統計公報. 北京：國家海洋局， 2015.

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

［3］付元賓， 趙建華， 王權明， 賈凱， 苗豐民. 我國海域使用動態監測系統（SDMS）模式探討［J］. 自然資源學報， 2008， 23（2）： 185-193.

［4］劉百橋， 趙建華. 海域使用遙感分類體系設計研究［J］. 海洋開發與管理，2014，6：20-24.

［5］王厚軍， 丁寧， 趙建華， 劉惠. 圍填海項目海域使用動態監視監測內容及方法研究［J］. 海洋開發與管理， 2015， 12： 7-10.