遥感技术在海域使用动态监测中的应用

2016-09-10国家海洋环境监测中心徐京萍赵建华

卫星应用 2016年6期

●　文　| 国家海洋环境监测中心　　徐京萍　赵建华

遥感技术在海域使用动态监测中的应用

●文| 国家海洋环境监测中心徐京萍赵建华

近年来，我国海洋经济发展迅猛，海域使用需求持续增长。2014年，我国海洋生产总值达59936亿元［1］，新增确权海域面积37.41万公顷，征收海域使用金85.02亿元［2］。海域资源使用的迅猛扩展对海域的有效管理提出了更高的要求。然而，在过去的很长一段时间里，由于监视监测技术的落后，国家还难以对海域空间资源、海洋功能区、填海造地用海项目实施情况以及近年来南海争议岛礁的维权情况进行有效监控，海域使用的现状与动态不明，用于海域管理的基础信息匮乏。2006年国家海洋局启动了“国家海域使用动态监视监测管理系统”的建设和运行，实现了对海域使用动态及海域空间资源变化状况等的全面监视和监测。该系统采用遥感监测和实时移动监测等方式对海域使用状况以及海域空间资源等动态要素实施全覆盖、高精度的监视监测，其中遥感技术因覆盖范围广、速度快、同步性好等特点，在海域使用现状及变化信息的获取方面发挥了重要的作用。

一、海域使用遥感监测技术的适用性分析

1. 海域使用监测的特点

海域与土地同属国土资源，与海洋环境有着密不可分的联系。海域使用（用海）监测与土地

利用监测、海洋环境监测有着很多相似之处，但又具有其自身的显著特点，这主要体现在：海域使用是一个立体的空间概念，海域使用的立体性是与水体及底质的三维空间相对应的，用海活动可能位于水表、水体甚至水底；在空间格局上，有些海域使用类型斑块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。不同海域使用类型在空间上表现出来的这些复杂性和独特性给海域使用遥感监测工作造成了一定技术难度。

2. 海域使用遥感监测原理

人类用海活动所形成的海上人造地物以及占用、改造的海上自然地物，因与周围环境存在光谱特性差异，会在遥感影像中表现为具有不同像元特征的图斑。因此，可以根据图斑的光谱特征、大小、形状、结构、布局以及与周围地物的空间位置关系等，运用对海域使用平面布置方式的相关经验知识，识别和区分不同的用海地物。在此过程中，由于不同海域使用区块间的水面光谱特性差异不是很明显，海域使用面状特征体的识别往往需要先通过对边界线的识别来完成，即面状特征体的识别通常要以线状要素提取为基础［3］。

3. 海域遥感监测能力分析

海域使用遥感动态监测目前采用的主要是传统被动光学遥感数据。由于海域使用自身的显著特点，使得在利用遥感技术进行海域使用监测时，只能根据遥感影像反映用海地物的分布，而不能直接判别海域用途，且该用海地物能被光学遥感手段探测到，在遥感影像中与周围自然海域有明显区别，能直接或间接反映用海活动的存在［4］。海域使用遥感监测所使用到的数据来源较为丰富，主要来自卫星影像数据和航拍数据。比较适用海域动态监测的卫星数据，有国产的环境卫星数据、资源卫星系统数据、天绘数据和高分数据等，以及国外的陆地观测（Landsat）、斯波特（SPOT）、快眼（RapidEye）、快鸟（Quickbird）、地球观测（WorldView）、地球之眼（GeoEye）等，这些数据的空间分辨率从0.4m到30m不等，再加上能机动灵活获取的更高空间分辨率的航拍数据，基本能反映不同空间尺度下的主要用海活动的分布及变化。

二、海域使用遥感监测技术手段分类

目前，海域使用动态监测使用到的主要遥感技术手段包括卫星遥感技术和航空遥感技术，其中航空遥感技术又分为有人机航空遥感监测和无人机航空遥感监测。卫星遥感监测主要是针对全国范围内的海域使用状况进行大范围、高频次的动态监测，而航空遥感技术由于机动性好、空间分辨率高、受天气状况限制小等优势，主要被用于重点区域的高精度监测或应急监测等。

1. 卫星遥感监测

海域使用卫星遥感监测工作的主要任务是以卫星遥感作为主要技术手段，采用计算机与人工解译相结合的方式，辅以现场验证，对海域使用状况进行监测，全面系统的调查我国海域使用的动态情况。目前，每年完成4次全海域低分辨率卫星遥感监测和1次全海域高分辨率卫星遥感监测。低分辨率卫星遥感动态监视监测范围为我国内水和领海海域，主要采用10～30m分辨率卫星数据，包括LandsatTM/ETM、中巴地球资源卫星（CBERS）、SPOT、环境减灾A/B（HJ-A/B）等。高分辨率卫星遥感动态监视监测范围为我国海岸带、海岛及其邻近海域，主要采用0.6m～5m分辨率卫星数据，主要有SPOT-5、Quickbird、伊科诺斯（IKONOS）、福卫二号（FORMOSAT-2）、资源三号、高分数据等。提取的遥感信息主要包括：大陆岸线、河口海湾、海岛、海域使用信息等海域空间资源状况。在提取的过程中，需参考海域使用确权资料，利用计算机自动提取或人工解译相结合的方式，按照海域动态监视监测遥感分类体系提取各用海类型空间分布及其属性信息，结合现场调查确定海域使用属性特征。

2. 航空遥感监测

海域航空遥感每年完成一次重点海域的动态监测，重点海域根据国家及地方经济发展的实际需要而确定，重点覆盖用海热点及开发利用频繁的海域。

（1）海域有人机航空遥感监测

有人机航空遥感监测以各分局航空支队飞机为平台，监测范围以海岸线为基线，向陆延伸1km，向海延伸至平均大潮低潮线外3km海域。空间分辨率优于1m。

监测内容为海域现状（已开发、未开发的海域面积及分布）、海洋功能区（海洋功能区利用状况）、在建项目（用海面积、位置、用途等）、岸线（类型、分布、长度等）和海岛状况（数量、面积、植被、岸线变化等）等。海域有人机航空遥感监视监测主要利用监视监测区正射影像图，根据监测内容对监测区域海域使用类型进行信息提取和分析，进而实现对海域现状、海洋功能区、在建重大海洋工程、疑点疑区核查等的动态监视监测。

（2）海域无人机航空遥感监测

无人机海洋遥感监测系统作为一种新型的高分辨率遥感数据获取手段，具有可低空云下飞行、高危地区探测、成本低、高分辨率、影像实时传输、机动灵活等优点，可用于快速获取重点海域高精度海洋监测信息，监督海域使用状况，近年来被越来越多的应用于海域航空遥感监测领域。

三、遥感技术在海域使用动态监测中的应用

遥感技术被广泛应用到海域使用动态监测中的各项主要业务中，这其中包括海域使用现状遥感监测、新增围填海及围填海疑点疑区遥感监测、区域用海规划遥感监测、重点建设项目用海遥感监测、海域空间资源遥感监测等。

1. 海域使用现状遥感监测

为全面掌握利用高精度遥感影像反映出的海域使用动态变化信息，国家海域使用动态监管中心自2013年开展了全国海域动态遥感监测本底库更新工作，全面掌握截至2013年底的遥感影像所反映的全国沿海用海现状分布情况，准确修正围填海等用海范围，建立海域动态遥感监测本底库，并及时更新到国家海域动态监视监测管理系统，保持全国海域管理数据的现势性。其主要监测内容包括大陆岸线和海岛岸线长度，用海地物、用海方式、使用类型等面积状况以及海域使用确权状况等。目前，该数据每年更新一次。图1显示了辽宁海域遥感监测图。

图1　2013年辽宁省海域用海地物遥感监测成果图

2. 新增围填海及围填海疑点疑区遥感监测

自2010年开始，国家海域动态监视监测管理系统开启全国围填海和疑点疑区的动态遥感监测工作。其主要工作内容是基于中高分辨率遥感影像处理、遥感信息提取、地理信息系统等多种技术手段，对全国新增围填海情况和围填海疑点疑区情况开展遥感监测，识别分析新增围填海及围填海疑点疑区具体位置、用海面积、用海方式、用海类型、动态变化类型等内容，并利用现场监测或无人机遥感监测核实其具体用海位置、用海类型、用海面积、用海方式等内容，为海域综合管理提供数据支撑［5］。新增围填海监测频率为每年上半年和下半年各开展1次监测工作，围填海疑点疑区监测工作每年开展4次。

3. 区域用海规划遥感监测

区域用海规划遥感动态监测是海域管理工作中的一个极为重要的环节。依据国家海洋局下发的批复文件，国家海域动态监视监测管理系统自2012年开始每半年一次的区域用海规划的遥感动态监视监测（见图2），适时跟踪规划实施进度，重点监测规划范围内海域确权、围填海施工进展等情况，为海域管理部门决策及海监执法提供实时动态信息。

图2　区域用海规划遥感监测示意图

4. 重点建设项目用海遥感监测

沿海各省市动态监管中心充分利用国家下发的遥感影像，提取重点项目用海现状信息，并通过定期开展现场监测，重点监测项目用海实际用途、用海面积、用海范围、用海方式等，及时掌握项目用海动态，避免超界用海或者改变用海用途等现象的发生。

5. 海域空间资源遥感监测

沿海各省、市监管中心通过遥感监测和现场监测相结合的形式开展本地区大陆岸线（类型、长度、分布、变迁、用途和自然岸线保有率等）（见图3）、滩涂资源（类型分布、空间格局、面积变化、形态变迁、生态特点等）、海湾资源（类型、面积及形态变化、湾内岸线变迁、空间资源存量）、海岛资源（类型、面积、植被、地形地貌、海岛岸线、周边水质条件、典型生态系统）等海域空间资源监测。

四、结论

我国海洋资源种类繁多，开发潜力大。海域作为海洋经济发展的物质基础和载体，在全面建设小康社会、促进沿海地区经济社会发展方面的地位越来越重要，迫切需要引入现代化的监测管理手段。利用遥感技术的大范围、快速、动态、准确的特点，对海域使用状况进行动态监测，可以全面提升我国海域动态监管能力。目前，遥感技术已作为“国家海域使用动态监视监测管理系统”中一项重要的数据信息获取手段，被广泛应用到各项海域监测业务中，在为全面掌握海域资源状况、海域使用状况和海域管理状况，及时为各级政府、海洋部门和社会公众提供决策支持和信息服务发挥了重要作用。