海域使用格局卫星遥感监测与评价——以葫芦岛试验区为例

索安宁，赵冬至，张丰收，卫宝泉，初佳兰

（国家海洋环境监测中心 国家海域使用动态监管中心，辽宁 大连 116023）

海域使用格局卫星遥感监测与评价
——以葫芦岛试验区为例

索安宁，赵冬至，张丰收，卫宝泉，初佳兰

（国家海洋环境监测中心 国家海域使用动态监管中心，辽宁 大连 116023）

研究了海域使用类型遥感监测的分类系统，探索建立了各类海域使用类型的卫星遥感监测方法。在此基础上，以葫芦岛试验区为例，对该验区海域使用格局进行了卫星遥感监测与评价。结果表明：卫星遥感技术结合地理信息系统技术与全球定位系统技术可以较好地对海域使用空间格局进行监测和评价。葫芦岛试验区海域使用类型以工矿业用海和渔业用海为主，工矿业用海以大斑块的集中用海为主要特征，而渔业用海则以小斑块的分散用海为主。在海域使用空间格局上，葫芦岛区块海域以工矿业用海为主，兴城区块海域以工矿业和渔业用海为主，绥中区块海域则是以渔业用海为主，葫芦岛试验区海域使用空间格局具有明显的空间分异特征。

海域使用；卫星遥感；空间格局；监测

随着中国海洋经济的快速发展，许多自然海域被大面积的开发利用。海域使用带来的生态环境效应正越来越多地受到科研工作者和管理者的关注[1-5]。卫星遥感技术作为土地利用变化、植被变化监测和研究的有效手段，已被国内外科研、管理领域广泛的接受和认可[6,7]。同样，作为一项新兴的对地观测技术，卫星遥感技术在海域使用空间格局监测和研究中也有广泛的应用前景。与陆地地表各类具有光谱、纹理特征的土地利用斑块组成的空间镶嵌格局不同，海域使用是在相对均一的海洋自然水体基质基础上人为开发利用的各类海域使用类型组成的空间镶嵌体[8-10]。在空间格局上，有些海域使用类型的斑块和陆地土地利用斑块一样存在明显的空间边界线，而有些海域使用斑块则是人为划分的，不存在空间上的明显斑块界线。这种海域使用类型在空间上表现出的复杂性为海域使用卫星遥感监测工作造成了许多技术难题，如航道，锚地，底波养殖，并一直阻碍着海域使用空间格局监测、研究和管理的进一步发展。

为了提高海域使用格局的监测与管理水平，推动海域使用空间格局方面的科学研究，本文选取葫芦岛市部分海域为试验区，将卫星遥感 (Remote Sensing, RS)技术、地理信息系统 (Geographical Information System, GIS)技术和全球定位系统技术 (Global Position System, GPS)相结合，即将3 S技术相结合，探索建立主要海域使用类型空间格局的监测技术与评价方法，为国家海域使用监测与管理提供技术支撑。

1 研究区概况

葫芦岛市位于辽宁西南部，地理位置119°50′－121°05′E，39°52′－42°24′N，东邻锦州，西接山海关，南临渤海辽东湾，总面积10 415 km2。葫芦岛市是辽西走廊的重要组成部分，也是东北地区和华北地区连接的重要陆路交通纽带，下辖3区、2县、1市共6个行政区，总人口约296万，2007年GDP达到417亿元，是环渤海经济圈的重要组成部分。

葫芦岛市属北温带大陆性季风气候，年无霜期175 d，年日照时数为2 600 ～ 2 800 h，年均降水量550 ～650 mm，年平均气温 8.5 ℃ ～ 9.5℃。葫芦岛市辖区海岸线长258 km，以砂质、细砂质海岸为主，葫芦岛龙湾海滨地跨兴城市和龙港区，沙滩宽80 ～ 100 m，长达30 km以上，是纯天然的旅游休闲度假区。沿岸许多海湾海阔水深，夏避风浪，冬微结薄冰，适宜修建不冻良港，宜港岸线16.5 km。近岸海域水深浪静，水质纯净，适合开展多种海洋水产养殖。近年来，随着辽东湾西部海域使用力度的逐年加大，葫芦岛市的海域使用类型复杂多样，不同功能海域空间上错综复杂，严重地破坏了海域自然景观格局，也给海域管理工作带来了很多困难。

2 卫星遥感图像采集与处理

2.1 数据采集

采用法国SPOT5卫星遥感影像为主要监测数据。SPOT5卫星遥感影像的多光谱影像空间分辨率为10 m，全色影像空间分辨率为2.5 m。影像采集时间为2007年5－6月，图像整体质量较好，无云彩干扰，能够覆盖葫芦岛试验区整个海岸带与近岸海域部分。

2.2 数据处理

SPOT5数据属于高空间分辨率影像数据，对其进行几何精纠正需要高精度的地形图或差分GPS控制点的支持。本研究使用高精度的差分GPS－DGPS测量系统，在卫星遥感图像采集后的当年7月份，采集葫芦岛市海岸带遥感影像地面60个控制点的数据，这些控制点都均匀地分布于图像图幅监测范围内。应用ERDAS8.7提供的多项式变换方法进行几何精纠正，精纠正的顺序是先分别对3景影像的全色波段进行几何精纠正，然后对各自对应的多光谱波段影像进行几何精纠正。在实际纠正过程中选择的多项式为2次，正射纠正图像与实地地物配准精度达到1∶1万正射影像图的标准，满足1∶1万海域使用监测的精度要求[11]。

将分别正射纠正后的全色和多光谱数据进行影像融合获得真彩影像。融合的方法主要有主成分法、Brovey变换法、高分辨率分子校正光谱锐化融合法等。其中高分辨率分子校正光谱锐化融合法在光谱和细节表现上都优于其它融合算法，故本研究采用高分辨率分子校正光谱锐化融合法。对影像融合后的影像数据进行色调匹配，以求得影像色调趋于一致[12,13]。

3 海域使用空间格局监测

3.1 海域使用类型卫星遥感分类系统构建

根据葫芦岛市海域使用类型的实际情况，并参考相关的海域使用类型分类系统及其卫星遥感监测的特殊性[14,15]，本研究将葫芦岛市海域使用类型划分为渔业用海、交通运输用海、工矿业用海、旅游娱乐用海、排污用海、建设用海、特殊用海和其他类型用海8大Ⅰ级类型。其中，渔业用海又可分为渔港、围垦养殖和养殖区水口；交通运输用海可分为港口和路桥用海；工业用海可以分为盐业用海和临海工业用海；旅游娱乐用海主要为海水浴场和水上娱乐用海；排污用海分为污温水排放用海；建设围垦用海为城镇建设围垦用海；特殊用海包括军事用海和科研教育用海等24类Ⅱ级海域使用类型。各类型的分类系统和定义见表1。

3.2 海域使用格局卫星遥感监测方法

根据各类海域使用类型的空间结构、光谱特征和遥感分类监测特点，本研究将葫芦岛市海域使用卫星遥感监测方法划分为完全遥感监测类型和3S协同监测类型：

3.2.1 完全遥感监测类型 完全遥感监测类型具有和陆地土地利用类型相似的明显空间斑块镶嵌结构。主要类型包括围垦养殖用海、盐业用海、城镇建设用海、排污用海等，监测方法可采取和陆地土地利用遥感监测相同的方法。根据各类海域使用类型的影像光谱特征，采集各类海域使用类型的地物光谱，建立海域使用类型光谱特征库。在遥感图像处理软件ERDAS8.7的支持下，采用监督分类的方法，对卫星遥感影像进行分类，提取以上各类海域使用类型的信息。将提取的海域使用类型图层与卫星遥感影像叠加，人机交互检查，对提取海域使用类型中错分、误分的区域给予纠正。由于监督分类是根据地物的光谱特征分类的，会将围垦养殖区域等的池塘水面和四周堤坝分成两种类型，在进行修正时必须给予纠正[16]。围垦养殖区域信息修正完毕后，将该图层转换为shap格式，利用ArcMap9.2的图形统计模块，建立每个围垦养殖斑块的周长和面积属性。

表 1 本研究划分的海域使用卫星遥感分类系统Tab.1 System of sea area use classification by satellite remote sensing in this study

3.2.2 3S协同监测类型 由于海域使用类型大多是以海岸为依托进行开发利用的，具有海陆两栖的性质，仅采用遥感监测技术不能完全达到海域使用监测的目标，必须将遥感技术与GIS的空间分析技术、GPS地面定位技术结合起来进行。

(1) 交通用海监测

依据各类交通用海海域使用空间范围界定方法[18]：在ArcMap支持下，采取人机交互识别的方法，勾绘出卫星遥感影像上码头两侧天然海岸线或人工海岸线、防波堤、堆石外缘连线（平均高潮线），即内界线。对于完备设施的港口，以防波堤、堆石外缘连线为基准，利用ArcMap的buffer工具做50 m的缓冲区分析，选取缓冲区靠海一侧的缓冲线作为外界线。由内界线、外界线和侧界线构成完整的港口海域使用区。对于不具完备设施的港口，也是首先在ArcMap支持下，采取人机交互识别的方法勾绘出卫星遥感影像上的内界线，然后以内界线为基准，利用ArcMap的buffer工具做5倍最大靠泊船长（5×100 m）的缓冲区分析，选取缓冲区靠海一侧的缓冲线作为外界线，沿海岸线方向延长内界址线至与外界线连接，构成封闭区域即为不具备完整设施的港口海域使用区。对于渔港，采取人机交互识别的方法勾绘出卫星遥感影像上的渔港内部平均最大高潮线止渔港外部防波堤外50 m，为内界线，连接渔港两侧防波堤的内界线端点，形成封闭的渔港用海区域。

(2) 海水浴场用海监测

一般海水浴场可分为海湾型海水浴场和平直型海水浴场。海湾型海水浴场的陆界为大潮平均高潮线，海界为岬角连线，两者圈闭的范围即为浴场用海。平直型海水浴场则为从大潮平均高潮线向海垂直延伸1 000 ～ 2 000 m或防鲨安全网位置。

海水浴场的监测方法是，首先在ArcMap支持下，采取人机交互识别的方法勾绘出卫星遥感图像上海水浴场范围内的大潮平均高潮线，即为海水浴场的内界线。对于海湾型海水浴场，直接勾绘海湾两边岬角直线连线，即为海湾型海水渔场用海。对于平直型海水浴场，以海水浴场范围内的大潮平均高潮线为基准，利用ArcMap的buffer工具做1 000 ～ 2 000 m的缓冲区分析，选取缓冲区靠海一边的缓冲线作为海水浴场的外界址线，连接海水浴场两边的内、外界址线，即为平直型海水浴场用海。

(3) 临海工业围填海监测

临海工业围填海用海指在沿海筑堤挡潮防浪、控制围区水位而围割滩涂和港湾，保留部分水面或全部填土成陆的工程用海，供临海工业、发电、修船、城镇及公益用地之需。临海工业围填海用海的海域使用面积，依下列界线圈闭的面积测算[17]。

外侧界线为平行或垂直人工堤坝基床外缘的连线，采用卫星遥感影像结合差分GPS测定人工堤坝基床外缘点。在GIS支持下，将外缘点连接成线，如人工堤坝与海岸斜交，则以离海岸最远的人工堤坝基床外缘点为准做平行与海岸线的平行线，作为外界线，其外侧界线应为平行或垂直海岸的连线。内界址线为围海或填海前的海岸线或人工岸线，参考历史图件和实地勘测调查，采用差分GPS测定围海或填海前的海岸线或人工岸线，作为内界线。连接码头或突堤两侧的内、外界线，形成封闭的区域即为临海工业围填海用海。建立拓扑关系，计算周长、面积属性。

表 2 葫芦岛试验区海域使用类型卫星遥感监测结果Tab.2 Sea area use types monitored by satellite remote sensing in Huludao region

4 结果分析

4.1 海域使用结构分析

表 2是通过卫星遥感技术获取的葫芦岛试验区海域使用类型监测结果。由表2可以看出，葫芦岛试验区海域使用以工矿业用海为主，其次为养殖用海，分别占到试验区总海域使用面积的52.71%和31.52%，其中工矿业用海中以盐业用海为主，盐业用海也是葫芦岛试验区面积最大的海域使用类型，占到总海域使用面积的38.0%。渔业用海以围塘养殖用海和渔港用海为主，其中围塘养殖用海是仅次于盐业用海的第二大海域使用类型，面积达到1 096.14 hm2。交通用海主要以港口用海为主，葫芦岛试验区有大小港口码头16个，总用海面积407.49 hm2，其中葫芦岛港占地面积最大，达170.50 hm2。其他海域使用类型还包括海水浴场用海、排污用海、特殊用海和其他用海类型，面积分别为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技术对葫芦岛试验区海域使用空间格局监测表明，葫芦岛试验区海域使用以海岸带为依托，呈带状分布。由于围塘养殖是以养殖池塘为单元的，且养殖池塘的面积都在3.0 hm2左右。在景观尺度上，养殖池塘空间形状以矩形和正方形为主，总体上呈显小养殖池塘集聚连片分布，大养殖片块空间分散的分布整体格局。盐业用海相对比较集中，主要集中在葫芦岛试验区北部海岸带，在空间上有5大分布区块，其中3大区块分布于葫芦岛湾，平均斑块面积达到25.29 hm2。25个渔港的分布相对比较分散，平均渔港用海面积为6.10 hm2，呈星点状镶嵌于整个海岸景观格局中。10个海水浴场，平均斑块面积17.20 hm2，均匀分布于海岸带近海。临海工业围填用海以船舶建造维修和电力工业为主，共围填用海13斑块，平均围填斑块面积为50.54 hm2，是所有用海面积中斑块最大的用海类型，主要集中分布于中、北部海岸带。

4.3 海域使用的行政区域分析

从葫芦岛试验区临海的3个行政区域来分析，葫芦岛区块用海面积最大，达到2 099.94 hm2，斑块数目最少，海域使用斑块数114个。海域使用以工矿业用海为主，包括盐业用海和临海工业用海，其次为渔业用海，面积151.97 hm2，分为47个用海斑块。兴城区块用海面积为1 215.24 hm2，用海斑块数145个，海域使用类型以渔业用海为主，其次是工矿业用海，渔业用海以小斑块的零散用海为主，工矿业用海以较大斑块的集中用海为主。绥中区块海域使用面积1 045.52 hm2，海域使用斑块数目达到260个，海域使用类型以渔业用海为主，渔业用海优势十分明显，渔业用海面积占到总用海面积的54.68%，斑块数目占到总斑块数目的94.23%，具有明显的渔业用海斑块面积小，零散分布的特点。

表 3 葫芦岛试验区海域使用行政区域差异Tab.3 Sea area use of administrative difference in Huludao region

5 结 论

虽然3S技术在海域使用监测管理中应用潜力已经被国内外海洋管理学者所认识，但是由于海域使用类型和形式的复杂性，加上海域使用监测管理要求的技术精确性，限制了3S技术在海域使用监测管理中的广泛应用。目前，我国海域使用监测管理中的3S技术还处于初级应用阶段，不能从根本上满足国家海域使用监测管理的要求。本文选取葫芦岛部分海域为试验区，探讨了海域使用格局的卫星遥感监测与评价方法。首先建立了海域使用类型卫星遥感监测分类系统，在此基础上，构建了各类海域使用类型的卫星遥感监测技术方法，并对葫芦岛市的海域使用格局进行了试验监测与评价。葫芦岛试验区的监测与评价结果表明：卫星遥感技术在海域使用监测管理中的应用，必须立足于各类海域使用类型的空间复杂性特征，以即时的高精度卫星遥感影像为基础监测数据，以全球定位系统地面差分定位为补充数据，充分应用地理信息系统的强大空间分析技术，建立针对各类海域使用类型空间特征的信息提取技术，才能从斑块尺度到景观尺度，系统准确的对海域使用状况进行宏观监测与管理。葫芦岛试验区海域使用以渔业用海和工矿业用海为主，其中盐业用海和围塘养殖用海是最主要的用海类型，盐业用海以大斑块的集中用海为主，围塘养殖用海以小斑块的分散用海为主。在空间分布上，葫芦岛区块海域使用以工矿业用海的集中分布为主要特点，兴城区块的海域使用以工矿业用海和渔业用海为主，绥中区块则集中以渔业用海的分散分布为特点。

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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

国家海洋局908专项（908-01-WY01）；国家海洋局海洋海域使用动态卫星遥感监测业务化基金

索安宁 (1977－)，甘肃庆阳人，博士，副研究员，主要研究方向：海岛海岸带遥感监测与评价，已发表相关论文10多篇。电子邮箱：san720@sina.com