基于3S技术的海域管理研究进展——以东海海域管理为例

■ 付弘涛

（国家海洋局东海预报中心，上海 200136）

基于3S技术的海域管理研究进展
——以东海海域管理为例

■ 付弘涛

（国家海洋局东海预报中心，上海 200136）

针对目前东海地区在海域管理方面的发展现状，文章详细介绍了3S（GPS、RS和GIS）技术在我国海域管理领域的发展及应用。运用举例论证法详述了GIS技术在海岛及海岸带围填海现状调查、无居民海岛的动态变化检测、海域污染监测和生态保护方面的应用，RS技术在海洋灾害预警预报、海洋渔业资源管理方面的应用，以及GPS技术在海上准确定位、GCP测量、水下地形测量方面的应用。同时，提出了研究中存在的问题和难点,并对基于3S技术的海域管理研究的趋势和方向进行了展望。

3S技术；海域管理；研究进展；应用；展望

0 引言

随着我国用海规模扩大和用海强度的提高，保障海洋空间安全面临诸多问题和严峻挑战，其中就包括开发方式粗放、开发不平衡、环境污染突出等问题。据中国环境与发展国际合作委员会海洋课题组的不完全统计，2009-2020年，我国沿海地区仍有超过5780km2的围填海需求。长期以来粗放型的发展方式使得我国近岸海域肆意围填造田，生态系统受损严重，给目前国家和地方海域管理工作带来了诸多挑战。近些年来，地理信息系统技术（GIS）、遥感技术（RS）和全球定位系统技术（GPS）已广泛应用到海洋资源开发、海洋环境保护、国土检测和军事等诸多领域。同时，基于3S技术的海域管理研究工作也取得了诸多进展，为促进我国海洋资源的合理开发与利用做出了巨大贡献。

1 地理信息系统（GIS）在海域管理领域的发展及应用

地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是一门综合性技术，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛地应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理（简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析）。GIS技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。通过对地理信息系统软件进行不同程度的强化，可将地理信息系统技术应用于海域使用动态监视监测、海洋环境保护等诸多领域。

基于信息系统的海域综合管理是利用计算机硬、软件对整个或部分的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述。除此之外，该系统具有较强的查询功能，可以快速而准确地了解相应对象的空间信息和属性信息，并且可以实现区域性的数据共享，很大程度上提高了海域管理工作的效率。就查询功能而言，地理信息系统可以将多个查询功能联系在一起，如：属性查询、位置查询、条件查询等，并可根据查询的结果进行统计分析，生成各种数据图表，有利于更直接地反应数据信息。例如对海岛及海岸带围填海现状调查，即基于已有的遥感影像数据，运用GIS软件人机交互提取岸线信息，并对前后两个时相的岸线信息进行对比分析，生成围填海区域，统计其面积。

随着海域管理需求日益增加，地理信息系统在辅助决策功能模块也取得了很大的进展，并不断地进行完善，已能够将空间定位数据综合到不同的问题中进行求解。例如对无居民海岛进行的动态变化检测，即通过对现有两个时相的数据进行分析和处理，筛选出对查询者有用的变化信息，从而为管理者提供辅助决策依据。

地理信息系统的分析评价功能也对海域管理起着重要的作用，其可以对近岸海域在物理海洋学、海洋化学和海洋生物学等方面的基础环境指标进行计算、统计、分析和评价，实现对污染源的位置、污染程度、变化趋势等的空间分析，建立部分海域的检测数据库，实现对特定海域的宏观生态健康评价。

随着地理信息系统技术的进一步发展，其在海域污染监测和生态保护方面的应用也越来越广泛。以我国东海为例，由于多年来的滥捕滥捞,东海的渔业资源已濒临绝境，科学化的海水养殖已迫在眉睫。地理信息系统技术可以对海岸带数据进行综合分析，筛选出适合养殖和有利于产品管理和加工的最优区域。比如，可以通过污染排放口的位置来判断是否影响养殖区，进而确定养殖区的位置，并且监测水体质量。同时，结合近年来赤潮易发区域的相关资料，可以判断其是否影响到养殖区，从而准确估算出影响范围的大小。此外，地理信息系统在海洋石油天然气方面也有着重要的应用。

综上所述，GIS技术作为3S系统的核心，可有效提高海洋地理数据的提取和处理速度，产生巨大的社会和经济效益，未来无疑是海域综合管理不可或缺的技术手段。然而，随着沿海地区经济社会的快速发展，生产、生活、生态用海需求日趋多样化，海域环境综合治理也必将成为实施我国海洋发展战略中的一个难点，发展基于地理信息系统的海域综合治理信息平台迫在眉睫。

2 遥感（RS）在海域管理领域的发展及应用

遥感（RS）是通过遥感器这类对电磁波敏感的仪器，在远离目标和非接触目标物体条件下探索标的物，获取其反射或辐射的电磁波信息（如电场、磁场、电磁波、地震波等信息），并进行提取、判定、加工处理、分析和应用的一门技术。遥感技术具有快速、同步和大面积监测等特点，在国民经济和军事的很多方面获得广泛的应用。例如气象观测、资源考察、地图测绘和军事侦察等。

随着各国海域争端和海域管理的需求日益加剧，RS技术在海域管理方面的发展也取得了很大的进展和成就。我国是世界上最重要的海洋国家之一，领海面积相当于陆地面积的三分之一，随着我国海洋经济的快速发展，海洋的开发与利用不断加大，海洋作为我国资源的主要来源，应加强对其的保护。在我国东海区域，遥感技术在海域管理中的应用取得了飞速的发展，其主要体现在以下两个方面。

2.1 海洋灾害应急预警报

国家海洋局发布的《2014年中国海洋灾害公报》显示，我国的海洋灾害以风暴潮、海浪、海雾、海冰和赤潮为主，其他如绿潮、海岸侵蚀、海水入侵与土壤盐渍化、咸潮入侵等灾害也有不同程度发生。2014年我国海洋灾害总体发生频率较低，但过程强度屡破历史记录，尤其是台风灾害和突发性海洋灾害给人民生产生活带来巨大损失，各类海洋灾害造成直接经济损失达136.14亿元，死亡数十人。

海洋灾害监测手段主要采用现场调查、卫星遥感、航空遥感三个手段。现场调查主要基于海上大小型浮标数据进行实时监测，精细程度高、调查最准确，但受天气条件、交通状况、人员安全条件的影响，难以实现大面积、快速的灾情信息获取；卫星遥感手段则可进行大范围灾情监测，尤其是微波传感器能够全天候、全天时工作，具有穿透云层、雾和小雨的能力,并且可供选择的国内外卫星数据较多，目前已经较为成熟地应用于赤潮、绿潮、溢油、海雾和海冰等方面的监测和研究。例如绿潮遥感监测的主流方法是：基于ENVI软件平台，首先对MODIS影像数据进行分析研究，确定绿潮爆发时的覆盖面积，并对目标海域绿潮采用拉格朗日追踪法和校正归一化植被指数法，最终计算得出绿潮未来24小时漂移方向和漂移距离。此外,通过绿潮光谱特征还可辨别是否为浒苔绿潮。

风暴潮、海浪等海洋灾害的预警报研究是一个世界性的科学难题。目前美英等发达国家基于海上综合试验场等高科技装备，已基本实现了预警系统的自动化、现代化，整个预警过程时间间隔不超过3h，预警报精度较高。例如美国的蒙特雷湾海上试验场，其功能包含海洋观测系统（海面和海底）、自主海洋采样网、实时环境信息网和分析系统、陆地・海洋生物地球化学观测站、多学科海洋数据采集系统等。针对遥感方面，国外遥感卫星作为构建实时海洋环境信息网的核心设备，技术较为先进，监测精度较高，服务领域广泛。而国内目前主要采用的还是传统的经验预报方法，先进的大气科学、海洋环境动力学数值预报方法需结合遥感技术提高精度。传统的卫星遥感手段受天气条件、卫星重访周期的影响，在实效性和精细性方面难以保证，不利于突发海洋灾害的监测评估工作。因此，星载合成孔径雷达和无人机航空遥感将成为未来海洋灾害精细化预警报研究的主要技术手段。

2.2 渔业资源管理

以我国东海为例，在过去的50年间渔业生产力因来自过度捕捞、气候变化和污染等的压力而一直在下降。鱼群往往会聚集在其喜爱的水域，通过卫星遥感技术可以引导捕鱼船队更有效地定位鱼群。诸如海面温度、海洋盐度、海洋的颜色（生产力）和海洋锋等能强烈影响鱼类资源自然波动的这些海洋要素，可通过搭载在卫星上的传感器进行实时观测。实时的遥感数据不仅可用于帮助渔民在探鱼期间节省燃油及航行时间，节约渔业生产及加工成本，还可以为渔业预测预报建模和可持续渔业管理战略的制定提供技术支撑。

3 全球定位系统（GPS）在海域管理领域的发展及应用

GPS由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成的。GPS 测量技术能够方便快捷地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他地理信息，是迄今为止最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断发展，GPS终端的测量精度不断提高，行业GPS测量软件发展迅速。例如双星双频GPS设备，可同时接受美国的GPS卫星信号和俄罗斯的GLONASS卫星信号，甚至我国的北斗卫星信号，不仅测量精度可达厘米级，同时可根据用户需求编辑行业模块，使得设备应用更加便捷。随着国家对海洋开发和利用的逐渐重视，GPS技术在涉海领域也得到了广泛的应用，主要包括：海上定位、海岛及海岸带地面控制点（GCP）测量、海洋大地测量以及岸滩地形和水下地形测量。

GPS定位是海域综合管理的基础工作。海上GPS定位通常是指在海上确定船舶的方位，主要用于舰船的导航。针对高精度定位技术，需要采用差分技术应用于海上定位。例如在领海基点岛屿设立基准站，采用差分技术或动态相对定位技术进行高精度海上定位。

海岛及海岸带的综合管理同样需要GPS提供技术支撑。GCP（地面控制点）的测量，即是运用GPS测定地面控制点的平面位置和高程的作业。无论是卫星还是飞机，运动过程中都会由于种种原因产生飞行姿势的变化，从而引起影像变形。高精度的地面控制点为航空像片和卫星遥感影像进行各种几何纠正以及地理定位提供了重要数据源。随着遥感图像分辨率的不断提高，影像纠正过程对GCP的精度要求也就越来越高。

定位是水下地形测量的重要组成部分。近年来，国内外对运用GPS进行高精度动态测量做了大量研究，目前较为成熟的技术是实时载波相位差分（Real Time Kinematic System），它是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。该技术在水下地形测量中的应用十分广泛，其主要服务于水下地形图的绘制，对于建设现代化的深水港、海洋渔业资源、海底资源勘探、海底电缆铺设、海上钻井平台等具有重要意义。对全海域的综合管理离不开对基底数据的测量，基底数据又服务于国家的海洋发展战略。因此，GPS技术经常作为辅助工具服务于国家海域综合管理。

4 未来及展望

以上综合分析了3S技术在我国海域管理领域的发展及应用，展现了地理信息系统(GIS)、遥感(RS)和全球定位系统(GPS)在海洋资源调查、环境保护等核心问题中的重要性。作为建立数字海洋的三大支撑技术，3S技术在海洋空间数据处理中各具特点，又密切相关。GPS可在瞬间获得目标定位坐标，GIS具有较好的查询检索、空间分析处理能力，RS可快速获取区域面状信息。但在实际工作中，数据处理的实时性和观测评估的精度仍有待进一步改进。笔者认为，未来应将3S技术形成有机的一体化系统，对数据进行动态更新，快速准确地获取定位信息，实现实时的现场查询和分析判断，这也必将成为未来3S技术的发展趋势。

5 结语

在国内外环境日趋复杂、发展空间受到挤压的当前，党中央提出了“提高海洋资源开发能力，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国”的宏伟目标。提高海洋资源开发、控制、综合管理能力，构建科学、高效、绿色海洋开发格局，建设海洋生态文明，是时代赋予建设海洋强国的新任务。3S技术作为我国海域资源与环境可持续发展的关键技术，在实现对海域高效管理的过程中具有无可替代的重要作用。按照国家海洋局印发的《2014年海域综合管理工作要点》的要求，国家已明确了健全海洋功能区划体系，加强围填海和岸线管理，强化海域海岸带整治修复，加强海底电缆管道管理和保护，开展海域使用现状调查试点，实施海域动态监视监测系统升级改造等十项任务目标。因此，不断创新的管理机制必将极大地促进信息科学技术、空间科学技术、环境科学技术和地球科学的发展。我们相信通过涉海各部门的共同努力，实现我国海域管理的科学化、信息化和精细化将指日可待。

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Advances in Sea Area Management Research Based on "3S" Technologies(RS, GIS and GPS)—Taking the Management of the East China Sea as Example

FU Hongtao
(The East China Sea Forecast Center of State Oceanic Administration People's Republic of China, Shanghai 200136)

Based on the East China Sea Management, this paper introduces the development and application of 3S Technologies (GPS, RS and GIS) in China's Sea Area Management in detail. The specific methods are as follows: by using examples it is argued how Geographic Information System (CIS) technique is used to survey the present conditions about sea reclamation in the islands and coastal zone, detect dynamic changes of uninhabited island, monitor the pollution of sea area, and protect ecological environment; Remote Sensing (RS) technique in marine disaster prediction and warning, marine fi shery resources management; as well as Global Positioning System(GPS) technique in accurate positioning on the sea, Ground Control Point(GCP) surveying, and the underwater topography survey. At the same time, it discusses some problems and diff i culties that we face in the research work; and provides an outlook of the future of sea area management research based on "3S" technologies.

"3S" technologies; sea area management; research progress; application; outlook

F062.1

C

1672-6995（2015）12-0069-04

2015-08-03；

2015-08-30

付弘涛（1989-），男，辽宁省法库县人，国家海洋局东海预报中心遥感室业务主办，法学在职研究生，主要研究方向为遥感技术在海洋执法管理方面的应用。