基于高分遙感影像和矢量數據的海域使用現狀調查與分析

李陽　關純安　劉浩　賀志鵬　岳英潔

摘要：海域使用現狀調查涉及的信息既包括自然空間信息又包括海域管理相關的信息，本文立足于全面、準確獲取山東省管轄海域使用現狀，以海域權屬矢量數據為基礎，疊加空間分辨率等于或優于2m的衛星影像，在ArcGIS中進行目視解譯，判斷用海方式、用海類型、使用現狀、利用現狀，經過現場補充調查后最終形成海域使用現狀矢量數據。利用現場調查和遙感解譯的成果，構建誤差矩陣，對遙感解譯的用海方式、用海類型進行精度評價，得到總體精度均能達到98%，能夠滿足海域管理的需要。根據《資源環境承載能力監測預警技術方法（試行）》對山東省海域的開發強度進行評價，全省海域開發強度總體適宜。

關鍵詞：海域使用；現狀調查；遙感解譯；精度評價；開發強度；山東省

中圖分類號：P237文獻標識碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.008

0引言

山東省擁有豐富的海島、港口、沙灘、濕地、礦產、油氣、生物、海洋能、旅游等資源，2019年山東省實現海洋生產總值1.46萬億元，居全國第二位，占全省地區生產總值比重的20.5%，占全國海洋生產總值的比重達到16.3%；2020年山東海洋產業產值占到全國海洋總產值的近20%。新時代我國海洋開發保護理念發生根本性變革，以生態文明為導向成為我國海洋開發保護的基本方針。新形勢下的海域管理需要全面、精準掌握海域使用現狀，嚴格管控圍填海活動，保護海洋生態環境。王江濤等［1］從海域空間資源使用程度、結構和效益等方面，分析了環渤海地區的海域空間資源使用現狀和供給情況；杜培培等［2］從海域空間開發利用結構、分布格局、空間利用現狀水平等方面對萊州灣海域空間開發利用現狀進行綜合分析與評價；陳斌等［3］以確權數據為基礎，綜合分析了山東省海洋空間使用現狀的特點以及存在的問題；王秀萍等［4］利用遙感影像對江蘇省海域使用現狀、海域分布規律等進行研究。

目前針對萊州灣或者環渤海的海域資源、環境及使用情況的研究較多，覆蓋全山東省管轄海域的使用現狀調查研究較少，未能全面反映山東省整體的海域使用情況，且目前的海域使用現狀研究均未反映海域使用的真實情況，大部分研究成果的數據源以海域使用管理公報中的海域使用確權數據為主，未考慮未取得海域權屬的用海情況，也有部分研究成果以遙感影像提取的用海信息為主，但未能反映海底部分海域的使用情況。本文提出以海域權屬矢量數據為基礎，利用高分辨率遙感影像進行目視解譯，通過現場調查補充解譯存疑的情況并驗證了遙感解譯的精度，獲取真實、全面的海域使用現狀，并對山東省海域的開發強度進行了分析評價，掌握真實的海域使用現狀和開發強度，為新形勢下的海洋開發和保護提供數據參考。

1區域概況

1.1調查范圍

以《山東省人民政府關于山東省海岸線修測成果的批復》（魯政字﹝2008﹞174號）公布的海岸線至《山東省海洋功能區劃（2012—2020年）》的外部邊界線之間的山東省管轄海域，總面積4.73萬km2。

1.2統計現狀

根據山東省海域確權現狀統計，截至2019年底，全省已確權用海為1.26萬宗，面積82.75萬hm2，占管轄海域的17.5%，主要分布在威海、煙臺、濰坊、東營等海域，相比而言，濱州、青島、日照海域確權用海面積較小。

第39卷第6期山東國土資源2023年6月第39卷第6期技術方法2023年6月2海域使用現狀調查

2.1數據準備

2.1.1遙感影像數據及預處理

收集當年4～10月之間覆蓋全省海域的分辨率等于或優于2m的衛星影像，主要為國產高分衛星和資源衛星影像數據。利用影像參數、控制資料以及高程數據，對遙感影像數據進行糾正、配準、波段融合、影像鑲嵌、勻色等處理，最后按照制作要求進行分塊裁切，完成自然真彩色的遙感數據底圖生產［57］。

2.1.2海域權屬數據及預處理

海域權屬數據來源于國家海域動態監視監測管理系統，獲取系統中當年10月1日前山東省海域權屬數據，首先進行WGS84坐標系與2000國家大地坐標系的坐標系轉換，其次對現狀權屬數據進行篩選和整理，形成最終版的海域權屬數據。

2.1.3其他數據

海岸線數據采用現行的山東省人民政府公布的管理海岸線，海洋相關規劃數據主要包括省、市級海洋功能區劃數據，海域界線數據包括調查范圍內省際、縣際海域界線。

2.2調查方法

現階段應用在實際生產的遙感影像解譯方法，主要包括人工目視解譯、基于像元的解譯和面向對象的解譯方法［812］。

本文要進行的海域使用現狀調查，需要從海域中提取陸地、堤壩、池塘等，并對其用海方式、用海類型進行甄別，難點不在于將用海地物從海水水域中提取出來，而在于如何將提取出的用海地物根據管理需求進行屬性判斷［1314］，而基于像元或者面向對象的遙感分類方法在判斷用海方式或用海類型時均具有較高的難度，屬性判斷需要豐富的經驗和綜合推理分析，因此本文選用人工目視解譯的方法。以海域權屬數據為基礎，對于海水表面有明顯固定邊界可通過目視解譯提取的用海采取遙感解譯為主、現場調查為輔的方式獲得，對于海水表面無明顯固定邊界及無法目視解譯的海域底部用海，包括開放式養殖、底播養殖、海底電纜管道等采用海域權屬數據，將兩者合并作為完整的海域使用現狀數據，根據海域的使用和實際利用情況進行圖斑劃分并賦屬性值。具體技術路線如圖1所示。

2.2.1建立數據庫

新建遙感解譯現狀矢量圖層；將海域權屬數據在ArcGIS中根據“用海方式”屬性分成兩部分，全部開放式用海、海底電纜管道、取排水口、污水達標排放用海，作為權屬現狀數據矢量層，其余海域權屬數據作為遙感解譯的參考矢量圖層，在ArcGIS中將作為參考數據的權屬數據復制到新建的遙感解譯現狀圖層中，僅保留新建圖層中的字段。

2.2.2屬性字段設計

遙感解譯現狀矢量圖層中，設置“DSMC”“QXMC”“YJYHLX”“EJYHLX”“YJYHFS”“EJYHFS”“SYXZ”“LYXZ”“YHMJ”9個字段［15］。其中“使用現狀”“利用現狀”為海域使用現狀調查中新設置的字段，對于確權的海域來說，根據確權的用海方式使用現狀劃分為“填海造地已填成陸”“構筑物已完成”“圍海已完成”等11種狀態，對應設置11種編碼，利用現狀根據是否有實際的生產、建設、開發活動分為“已利用”“未利用”等6種狀態，對應設置編碼；對于確權海域范圍外的用海使用狀態定義為“新增填海造地”“新增構筑物”“新增圍海”“新增其他方式”，利用狀態同確權海域的劃分方法（表1）。

2.3遙感解譯

根據海域使用分類、海域使用遙感判別指南［12］，利用處理后的DOM影像及海域動態監視監測的現場照片和經驗構建解譯標志庫，根據解譯標志對作業區遙感影像進行目視解譯，根據《海域使用分類體系（HY/T123—2009）》對圖斑賦一級用海方式、二級用海方式、一級用海類型、二級用海類型的屬性值；根據海域按照省政府批復的用海方式進行建設完成的狀態，分割圖斑并賦使用現狀屬性值，根據有無生產、運營、開發等經營活動的狀態，分割圖斑并賦利用現狀屬性值。

保證勾繪結果不重不漏，圖斑嚴格閉合、無拓撲錯誤（無自相交、重疊和空隙），公共邊只矢量化一次，無鋸齒狀邊界線。圍填海信息提取比例尺不低于1∶5000，構筑物、養殖用海信息提取比例尺不低于1∶10000。

截至2020年10月1日，國家海域動態監視監測管理系統中海域現狀權屬矢量數據有19180塊圖斑，根據高分衛星影像遙感解譯新增圖斑1593塊，在ArcGIS中將遙感解譯新增矢量與海域現狀權屬矢量合并，根據使用現狀和利用現狀分割后，最終得到2020年海域使用現狀矢量數據共30047塊圖斑。

2.4現場調查

2.4.1遙感解譯存疑圖斑補充調查

海域使用現狀調查按照先整體后局部、由粗到細、由易到難的原則，結合了海域管理的經驗進行推理和綜合分析，盡最大限度地完成解譯工作，但仍然有少部分圖斑用海方式或用海類型無法確定，或者受影像質量限制暫定為存疑圖斑，這是不可避免的，需要進行現場補充調查，完善存疑圖斑的屬性信息。

2020年海域使用現狀遙感解譯最終存疑圖斑159個，現場核實后修正圖斑23個。圖斑屬性修改主要有以下幾種情況：

（1）干涸的養殖池塘解譯為填海造地，主要分布在濱州、東營。

（2）自然沙灘或礁石解譯為填海造地，主要分布在煙臺、威海。

（3）靠岸大型船只、運輸平臺、移動浮橋等解譯為填海造地或者構筑物，主要分布在日照、煙臺。

2.4.2遙感解譯結果現場驗證

從遙感解譯的1593塊新增用海圖斑中沿海岸線隨機選取500個驗證點進行現場調查，確認其所在圖斑的用海類型；沿海岸線隨機選取500個驗證點進行現場調查，確認其所在圖斑的用海方式；從最終30047塊海域使用現狀圖斑中沿海岸線隨機選取1000個驗證點進行現場調查，確認其所在圖斑的利用狀態。

3解譯精度評價

遙感影像分類精度評價是進行遙感影像分類解譯非常重要的步驟之一，分類精度評價是驗證分類數據是否有效的關鍵，不經過精度驗證的數據會缺乏實際利用價值，分類的結果也是沒有意義的［1618］。

3.1精度評價方法

海域使用現狀調查遙感解譯矢量數據結果精度評價主要針對圖斑用海類型、用海方式屬性的準確度和面積準確度進行分析和評價。

在ArcGIS軟件中定性和定量相結合的方法來檢查精度。定性檢查主要通過目視檢查的方法判斷圖斑邊界與影像的吻合度、圖斑劃分精細度以及圖斑屬性判斷的正確性。定量檢查方法目前主要是基于混淆矩陣實現［1516］，通過混淆矩陣計算出總體精度、用戶精度及生產者精度等定量化指標，其中，總體精度是表示分類總體精度情況的指標，用戶精度及生產者精度等則是表示單個類別分類情況的指標，從而實現對分類結果的定量化分析。

3.2解譯精度評定結果

遙感解譯圖斑（新增填海造地、新增構筑物、新增圍海、新增其他方式）共1593塊，在ArcGIS中疊加勾繪圖斑和影像，目視檢查圖斑邊界與影像的吻合程度、圖斑劃分精細度（圖2），檢查率為100%，其中圖斑邊界劃分合理的圖斑數為1573塊，面積44896.91hm2，精度計算如表2。

對新增的1593塊圖斑需要確認9個一級用海類型（漁業用海、工業用海、交通運輸用海、旅游娛樂用海、造地工程用海、特殊用海、其他用海）及4個一級用海方式（填海造地、構筑物、圍海、其他方式）的準確性，沿海岸線分散抽取500個檢驗點，建立混淆矩陣，計算解譯結果精度。建立誤差矩陣如表3、表4。

綜上，遙感解譯總體精度均達到98%。可見，利用目視解譯的方法，參照周邊大量的海域權屬數據，結合豐富的海域動態監視監測和管理經驗，對于新增的用海圖斑出現用海方式和用海類型誤判的概率是較低的。

4山東省海域使用現狀分析

4.1海域使用現狀統計

2020年度山東省海域使用現狀總面積為1.07萬km²，用海方式中以開放式用海為主，約占海域使用總面積的77%，其次為圍海占比約為15%，填海造地占比約為7%，構筑物用海和其他方式用海占比均不足1%；用海方式呈現沿海岸線向海為“填海造地—開放式”和“圍海—開放式”的帶狀分布規律（圖3）。

山東省海域用海類型以漁業用海為主，約占海域使用總面積的87%，其次為工業用海，占比約為5.8%，造地工程用海占比約為2.8%，交通運輸用海占比約為1.8%，其余用海類型占比均不足1%。

4.2海域開發強度

海域開發強度主要表征海域空間對海域開發利用活動的承載程度。本文基于《資源環境承載能力監測預警技術方法（試行）》（以下簡稱《方法》）中的指標參數和閾值標準，分析山東省海域的資源環境承載能力，以不同類型用海活動的規模及其資源耗用系數為度量值，以《山東省海洋功能區劃（2011—2020年）》確定的海域開發利用允許程度為標準，構建海域開發強度指數［1921］。

4.2.1海域開發資源效應指數

4.2.2山東省海域空間開發利用標準

4.2.3海域開發強度指數

5結語

（1）2020年山東省海域使用現狀涵蓋了《海域使用分類體系（HY/T123—2009）》中所有一級用海方式和一級用海類型，且仍然存在未確權用海的情況，用海方式以開放式用海為主，用海類型以漁業用海為主。

（2）山東省海域開發資源效應指數為0.073，以《山東省海洋功能區劃（2011—2020年）》確定的山東省海域空間開發利用標準為0.515，山東省海域開發強度值為0.142，全省海域開發強度適宜。但由于開放式養殖和人工魚礁等對海洋資源影響較小的用海活動占全省用海的絕大部分，因此管轄海域的平均海洋資源耗用系數小于功能區允許的平均開發程度，導致全省管轄海域的整體資源承載能力較高，但緊鄰海岸線分布的開發利用活動主要為填海造地、圍海等資源耗用系數較高的用海活動， 建議嚴格落實《海岸線保護與利用管理辦法》建立海岸線分類保護與綜合管理機制。

（3）本文基于高分辨率遙感影像和海域權屬矢量數據，彌補了單獨以海域使用統計數據或遙感解譯結果來進行海域使用分析的不足，通過現場調查補充了解譯存疑的情況，驗證了遙感解譯的精度。工作方法總體精度較高，流程設計合理，能夠滿足海域管理的需要，可以為開展常態化的海域使用現狀調查工作提供參考。但因衛星數據源、解譯技術等限制，開放式養殖用海、底播養殖等用海信息難以準確獲取，其提取方法有待進一步研究，以更完整、準確的反映海域使用現狀。

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.Investigation and Analysis of Present Situation of Sea Area Use

Based on High Resolution Remote Sensing Images and Vector Data

——Taking Jurisdictional Sea in Shandong Province as an Example

LI Yang GUAN Chun'an LIU Hao HE Zhipeng YUE Yingjie

（1. Shandong Freshwater Fisheries Research Institute， Shandong Ji'nan 250013， China; 2. Shandong Provincial Institute of Land Spatial Data and Remote Sensing Technology （Provincial Sea Area Dynamic Monitoring Center）， Shandong Ji'nan 250002， China; 3. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Limited Corporation， Shandong Ji'nan 250014， China）

Abstract：The information involved in the survey of present situation of sea area use includes natural spatial information and information related to sea area management. In this paper， in order to obtain present situation of sea area use in Shandong province comprehensively and accurately， based on sea area ownership vector data， overlaying satellite images with spatial resolution equal to or better than 2m， carrying out visual interpretation in ArcGIS， and determining the type， pattern， present situation of use and utilization， the vector data of sea area use has been finally formed after on-site supplementary survey. By using the results of field survey and remote sensing interpretation， the error matrix has been constructed， the accuracy of the sea use methods and types of remote sensing interpretation have been evaluated. The overall accuracy can reach 98%， the survey methods and results can meet the needs of comprehensive management of sea areas. According to "Technical Methods for Monitoring and Early Warning of Resources and Environment Carrying Capacity （Trial）" ，? the development intensity of sea areas in Shandong province has been evaluated. It is regarded that the development intensity of sea areas in the whole province is generally appropriate.

Key words：Sea area use; survey on present situation; remote sensing interpretation; accuracy assessment; intensity development; Shandong province