基于生態(tài)系統(tǒng)的海洋功能區(qū)劃信息系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張盼盼 滕欣 趙奇威 王雙 康琬超

（國家海洋技術(shù)中心 天津市 300112）

《中華人民共和國海洋環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國海域使用管理法》明確提出中國海洋功能區(qū)劃制度是我國海洋使用管理的基本制度[1]。我國共編制了三輪海洋功能區(qū)劃。第一輪編制時間是1989-1993年，第二輪編制時間是1999-2004年，實(shí)施期限至2010年，第三輪編制時間是2009-2012年，實(shí)施期限至2020年。2019年5月國務(wù)院發(fā)布的《中共中央國務(wù)院關(guān)于建立國土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的若干意見》指出將主體功能區(qū)規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、城鄉(xiāng)規(guī)劃等空間規(guī)劃融合為統(tǒng)一的國土空間規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)“多規(guī)合一”，強(qiáng)化國土空間規(guī)劃對各專項(xiàng)規(guī)劃的指導(dǎo)約束作用。自然資源部發(fā)布的《自然資源部關(guān)于全面開展國土空間規(guī)劃工作的通知》要求建立國土空間規(guī)劃體系，將海洋功能區(qū)劃納入國土空間規(guī)劃，形成統(tǒng)一的國土空間規(guī)劃，強(qiáng)調(diào)了海洋空間規(guī)劃的重要性[2]。

海洋信息數(shù)據(jù)在海洋基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性研究中具有重要作用，是編制海洋功能區(qū)劃的基礎(chǔ)，為了更好地開發(fā)、利用和管理海洋，必須掌握和管理海洋信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而做好頂層規(guī)劃設(shè)計。王厚軍[3]等對圍填海項(xiàng)目的海域使用動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測情況進(jìn)行了全面介紹，為相關(guān)的技術(shù)規(guī)程的編制和海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測業(yè)務(wù)的規(guī)范提供參考。李巧稚等[5]利用地理信息技術(shù)對海洋功能區(qū)劃信息系統(tǒng)框架進(jìn)行研究。肖桂榮等[6]利用對象組件技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)共享技術(shù)建立海洋功能區(qū)劃網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功能區(qū)劃信息的共享共建以及網(wǎng)上公示。鄔群勇等[7]建設(shè)了福建省海洋功能區(qū)劃信息系統(tǒng)，提出了信息系統(tǒng)建設(shè)的總體架構(gòu)，對海洋功能區(qū)劃的數(shù)據(jù)庫設(shè)計、系統(tǒng)功能集成等方面進(jìn)行了探討。滕駿華等[8]結(jié)合網(wǎng)絡(luò)地理信息集成技術(shù)，利用三層結(jié)構(gòu)框架體系建立了基于網(wǎng)絡(luò)GIS 的海洋功能區(qū)劃信息系統(tǒng)。王方熊等[9]利用定量評價模型的方法對海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康情況進(jìn)行了量化評價，開發(fā)了海洋生態(tài)系統(tǒng)健康定量評價信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)健康評價、數(shù)據(jù)管理和基于地理空間分析為基礎(chǔ)的模塊功能。本文從區(qū)劃選劃出發(fā)，以基于現(xiàn)狀和生態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和功能區(qū)劃選劃，以及分析和決策。

1 總體架構(gòu)設(shè)計

基于生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)劃輔助決策系統(tǒng)建設(shè)包括數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和系統(tǒng)功能研發(fā)兩部分內(nèi)容，數(shù)據(jù)庫構(gòu)建以基礎(chǔ)海洋地理信息數(shù)據(jù)為載體，集成海洋生態(tài)環(huán)境、海洋功能區(qū)劃、海洋開發(fā)利用活動等數(shù)據(jù)，構(gòu)建海洋功能區(qū)劃綜合數(shù)據(jù)庫，為輔助決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)采用GIS 技術(shù)、組件技術(shù)，以地理信息軟件為開發(fā)平臺，基于人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)基于生態(tài)系統(tǒng)的海洋功能區(qū)識別、用海適宜性分析、輔助選劃、一致性檢查和評價分析等功能，保障區(qū)劃編制的規(guī)范性，提高海洋功能區(qū)劃的使用便捷性。系統(tǒng)總體架構(gòu)采用B/S 模式架構(gòu)多層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，劃分為技術(shù)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用和用戶四層架構(gòu)。技術(shù)層包括生態(tài)功能區(qū)識別技術(shù)、用海適宜性評價技術(shù)、海洋功能區(qū)選劃技術(shù)、海域資源配置技術(shù)、產(chǎn)業(yè)空間布局優(yōu)化技術(shù)及海洋功能區(qū)劃評價技術(shù)體系支撐和數(shù)據(jù)庫、GIS、SOE 等技術(shù)的支持。數(shù)據(jù)層分為兩類，一是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，二是系統(tǒng)分析的中間結(jié)果數(shù)據(jù)，首先完成圖形配置和專題圖的制作，其次是將專題圖發(fā)布為數(shù)據(jù)服務(wù)，最后將GIS 數(shù)據(jù)層以服務(wù)形式對外開放。應(yīng)用層采用模塊化的設(shè)計思想，將基礎(chǔ)地理信息功能模塊、生態(tài)功能區(qū)域識別模塊、用海適宜性分析模塊、海洋功能區(qū)劃一致性檢查模塊、海洋功能區(qū)劃選劃模塊海洋功能區(qū)劃評價等模塊進(jìn)行統(tǒng)一集成，為海洋數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及海洋功能區(qū)劃提供查詢、統(tǒng)計、分析、評估、評價的結(jié)果。

2 數(shù)據(jù)分類與組織

2.1 數(shù)據(jù)分類

選取某海灣開展數(shù)據(jù)收集，采取數(shù)據(jù)挖掘和補(bǔ)充調(diào)研的方式，收集海洋生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)和海洋功能區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括用海數(shù)量、規(guī)模、空間分布、功能區(qū)結(jié)構(gòu)、用海方式、用海類型等。將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析，并通過物理整合、邏輯整合和應(yīng)用整合等手段整合數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。

2.2 數(shù)據(jù)組織

采用主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫集中統(tǒng)一管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，確保空間和非空間數(shù)據(jù)的一體化存儲，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的管理、存儲、索引、查詢、處理及數(shù)據(jù)的深層次挖掘[10]。空間數(shù)據(jù)將按照數(shù)據(jù)內(nèi)容在邏輯上進(jìn)行分類組織和管理，并映射到Geodatabase 的物理數(shù)據(jù)模型，滿足數(shù)據(jù)處理、組織、管理、應(yīng)用、共享。

2.3 數(shù)據(jù)展示與分析

加載海洋使用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，疊加遙感影像顯示現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的分布，以專題圖例形式展現(xiàn)海洋功能區(qū)劃情況。圖2以海域使用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示。

圖2：生態(tài)系統(tǒng)健康評價

采用GIS 分析技術(shù)中的數(shù)理統(tǒng)計分析和幾何邏輯運(yùn)算方法，將海洋生態(tài)環(huán)境的空間數(shù)據(jù)點(diǎn)生成連續(xù)的柵格圖像，經(jīng)重分類轉(zhuǎn)換為離散的柵格數(shù)據(jù)，分析后對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重新賦值轉(zhuǎn)換為可用的分析結(jié)果數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)由8 個功能模塊構(gòu)成，如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)功能模塊圖

4 典型應(yīng)用

4.1 生態(tài)健康評價

依據(jù)《近岸海洋生態(tài)健康評價指南》開展生態(tài)健康評價分析，評價指標(biāo)包括6 個指標(biāo)，分別是：水環(huán)境、沉積環(huán)境、生物殘毒、棲息地、生物、生態(tài)系統(tǒng)。其中：水環(huán)境指標(biāo)包括6 個要素，分別是溶解氧、鹽度年季變化、PH值、活性磷酸鹽、無機(jī)氮和石油類指標(biāo)，沉積環(huán)境包括3 個要素，分別是有機(jī)碳含量、硫化物含量指標(biāo)，棲息地包括2 個要素，分別是沉積物主要組分含量年度變化指標(biāo)和5年內(nèi)濱海濕地生境減少量，生物殘毒指標(biāo)Hg、Cd、Pb、As 和油類，生物指標(biāo)包括浮游植物的密度、魚卵及仔魚密度、浮游動物密度、底棲動物密度、浮游動物生物量和底棲動物生物量指標(biāo)。

以某海灣為例，采用5月和8月兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，得出某海灣的總體生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，如圖2。

4.2 生態(tài)功能區(qū)識別

以海域環(huán)境、漁業(yè)資源、生態(tài)系統(tǒng)、生物生態(tài)等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于生態(tài)功能區(qū)空間結(jié)構(gòu)識別方法和指標(biāo)體系，集成數(shù)據(jù)與識別方法、指標(biāo)體系，利用空間分析的運(yùn)算法計算生態(tài)功能區(qū)空間分區(qū)。

4.3 用海活動適宜性評價

選擇排污傾倒用海、漁業(yè)用海、圍填海用海等典型用海方式作為研究對象，針對不同海洋生態(tài)功能區(qū)的資源和生態(tài)特點(diǎn)及不同用海方式對生態(tài)環(huán)境的影響特征，研究產(chǎn)業(yè)直接占海及用海環(huán)境壓力增大等對海洋生態(tài)功能區(qū)的影響。根據(jù)用海活動適宜性評價指標(biāo)體系和評價方法，形成典型的用海活動適宜性評價結(jié)果，以專題圖形式進(jìn)行展現(xiàn)，并配以專題圖例。

4.4 海洋功能區(qū)選劃

針對研究海域，運(yùn)用指標(biāo)法、疊加法等手段，根據(jù)功能區(qū)分區(qū)體系，依托構(gòu)建的海洋功能區(qū)選劃指標(biāo)體系，通過多目標(biāo)線性規(guī)劃、模糊綜合評判等模型，劃定海洋功能區(qū)。運(yùn)用主成分分析法、層次分析法和因子分析法等手段，對海域功能區(qū)劃范圍內(nèi)的主要生態(tài)系統(tǒng)、適宜的用海活動進(jìn)行排序，科學(xué)確定海洋功能區(qū)的主要功能，實(shí)現(xiàn)海洋功能區(qū)選劃和功能定位。

4.5 海洋功能區(qū)一致性檢查

結(jié)合現(xiàn)行用海現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，可進(jìn)行選取，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行整理，展示現(xiàn)行用海現(xiàn)狀數(shù)據(jù)信息。根據(jù)海洋功能區(qū)劃分析的結(jié)果，運(yùn)用GIS 空間分析方法，將兩者進(jìn)行空間疊加分析對比，形成一致性檢查結(jié)果。具體應(yīng)用如圖3所示。

圖3：功能區(qū)劃一致性檢查

4.6 實(shí)施效果評價

依據(jù)評價模型，分級分類形成電子化材料，對指標(biāo)體系進(jìn)行查詢、修改等操作。

系統(tǒng)根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和功能區(qū)數(shù)量、用海類型、用海規(guī)模等數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析，并通過物理整合、邏輯整合和應(yīng)用整合等手段整合數(shù)據(jù)，集成指標(biāo)體系，運(yùn)用計算方法與空間分析技術(shù)完成實(shí)施效果評價，形成報告。

5 總結(jié)

基于生態(tài)系統(tǒng)的海洋功能區(qū)劃信息系統(tǒng)，依托海洋功能區(qū)劃選劃、生態(tài)系統(tǒng)等專業(yè)技術(shù)理論，集成海洋功能區(qū)劃、生態(tài)、海洋開發(fā)利用活動等數(shù)據(jù)，全面提高海洋功能區(qū)劃使用的便捷性，為海域生態(tài)化管理決策提供服務(wù)。