■ 付弘濤

（國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200136）

基于3S技術(shù)的海域管理研究進(jìn)展
——以東海海域管理為例

■ 付弘濤

（國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200136）

針對(duì)目前東海地區(qū)在海域管理方面的發(fā)展現(xiàn)狀，文章詳細(xì)介紹了3S（GPS、RS和GIS）技術(shù)在我國(guó)海域管理領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用。運(yùn)用舉例論證法詳述了GIS技術(shù)在海島及海岸帶圍填?，F(xiàn)狀調(diào)查、無(wú)居民海島的動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)、海域污染監(jiān)測(cè)和生態(tài)保護(hù)方面的應(yīng)用，RS技術(shù)在海洋災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、海洋漁業(yè)資源管理方面的應(yīng)用，以及GPS技術(shù)在海上準(zhǔn)確定位、GCP測(cè)量、水下地形測(cè)量方面的應(yīng)用。同時(shí)，提出了研究中存在的問題和難點(diǎn),并對(duì)基于3S技術(shù)的海域管理研究的趨勢(shì)和方向進(jìn)行了展望。

3S技術(shù)；海域管理；研究進(jìn)展；應(yīng)用；展望

0 引言

隨著我國(guó)用海規(guī)模擴(kuò)大和用海強(qiáng)度的提高，保障海洋空間安全面臨諸多問題和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中就包括開發(fā)方式粗放、開發(fā)不平衡、環(huán)境污染突出等問題。據(jù)中國(guó)環(huán)境與發(fā)展國(guó)際合作委員會(huì)海洋課題組的不完全統(tǒng)計(jì)，2009-2020年，我國(guó)沿海地區(qū)仍有超過5780km2的圍填海需求。長(zhǎng)期以來粗放型的發(fā)展方式使得我國(guó)近岸海域肆意圍填造田，生態(tài)系統(tǒng)受損嚴(yán)重，給目前國(guó)家和地方海域管理工作帶來了諸多挑戰(zhàn)。近些年來，地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）、遙感技術(shù)（RS）和全球定位系統(tǒng)技術(shù)（GPS）已廣泛應(yīng)用到海洋資源開發(fā)、海洋環(huán)境保護(hù)、國(guó)土檢測(cè)和軍事等諸多領(lǐng)域。同時(shí)，基于3S技術(shù)的海域管理研究工作也取得了諸多進(jìn)展，為促進(jìn)我國(guó)海洋資源的合理開發(fā)與利用做出了巨大貢獻(xiàn)。

1 地理信息系統(tǒng)（GIS）在海域管理領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）是一門綜合性技術(shù)，結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)以及遙感和計(jì)算機(jī)科學(xué)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在不同的領(lǐng)域，是用于輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。GIS是一種基于計(jì)算機(jī)的工具，它可以對(duì)空間信息進(jìn)行分析和處理（簡(jiǎn)而言之，是對(duì)地球上存在的現(xiàn)象和發(fā)生的事件進(jìn)行成圖和分析）。GIS技術(shù)把地圖這種獨(dú)特的視覺化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫(kù)操作（例如查詢和統(tǒng)計(jì)分析等）集成在一起。通過對(duì)地理信息系統(tǒng)軟件進(jìn)行不同程度的強(qiáng)化，可將地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于海域使用動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域。

基于信息系統(tǒng)的海域綜合管理是利用計(jì)算機(jī)硬、軟件對(duì)整個(gè)或部分的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述。除此之外，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的查詢功能，可以快速而準(zhǔn)確地了解相應(yīng)對(duì)象的空間信息和屬性信息，并且可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域性的數(shù)據(jù)共享，很大程度上提高了海域管理工作的效率。就查詢功能而言，地理信息系統(tǒng)可以將多個(gè)查詢功能聯(lián)系在一起，如：屬性查詢、位置查詢、條件查詢等，并可根據(jù)查詢的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，生成各種數(shù)據(jù)圖表，有利于更直接地反應(yīng)數(shù)據(jù)信息。例如對(duì)海島及海岸帶圍填?，F(xiàn)狀調(diào)查，即基于已有的遙感影像數(shù)據(jù)，運(yùn)用GIS軟件人機(jī)交互提取岸線信息，并對(duì)前后兩個(gè)時(shí)相的岸線信息進(jìn)行對(duì)比分析，生成圍填海區(qū)域，統(tǒng)計(jì)其面積。

隨著海域管理需求日益增加，地理信息系統(tǒng)在輔助決策功能模塊也取得了很大的進(jìn)展，并不斷地進(jìn)行完善，已能夠?qū)⒖臻g定位數(shù)據(jù)綜合到不同的問題中進(jìn)行求解。例如對(duì)無(wú)居民海島進(jìn)行的動(dòng)態(tài)變化檢測(cè)，即通過對(duì)現(xiàn)有兩個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，篩選出對(duì)查詢者有用的變化信息，從而為管理者提供輔助決策依據(jù)。

地理信息系統(tǒng)的分析評(píng)價(jià)功能也對(duì)海域管理起著重要的作用，其可以對(duì)近岸海域在物理海洋學(xué)、海洋化學(xué)和海洋生物學(xué)等方面的基礎(chǔ)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、分析和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染源的位置、污染程度、變化趨勢(shì)等的空間分析，建立部分海域的檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定海域的宏觀生態(tài)健康評(píng)價(jià)。

隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其在海域污染監(jiān)測(cè)和生態(tài)保護(hù)方面的應(yīng)用也越來越廣泛。以我國(guó)東海為例，由于多年來的濫捕濫撈,東海的漁業(yè)資源已瀕臨絕境，科學(xué)化的海水養(yǎng)殖已迫在眉睫。地理信息系統(tǒng)技術(shù)可以對(duì)海岸帶數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，篩選出適合養(yǎng)殖和有利于產(chǎn)品管理和加工的最優(yōu)區(qū)域。比如，可以通過污染排放口的位置來判斷是否影響?zhàn)B殖區(qū)，進(jìn)而確定養(yǎng)殖區(qū)的位置，并且監(jiān)測(cè)水體質(zhì)量。同時(shí)，結(jié)合近年來赤潮易發(fā)區(qū)域的相關(guān)資料，可以判斷其是否影響到養(yǎng)殖區(qū)，從而準(zhǔn)確估算出影響范圍的大小。此外，地理信息系統(tǒng)在海洋石油天然氣方面也有著重要的應(yīng)用。

綜上所述，GIS技術(shù)作為3S系統(tǒng)的核心，可有效提高海洋地理數(shù)據(jù)的提取和處理速度，產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，未來無(wú)疑是海域綜合管理不可或缺的技術(shù)手段。然而，隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)、生活、生態(tài)用海需求日趨多樣化，海域環(huán)境綜合治理也必將成為實(shí)施我國(guó)海洋發(fā)展戰(zhàn)略中的一個(gè)難點(diǎn)，發(fā)展基于地理信息系統(tǒng)的海域綜合治理信息平臺(tái)迫在眉睫。

2 遙感（RS）在海域管理領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用

遙感（RS）是通過遙感器這類對(duì)電磁波敏感的儀器，在遠(yuǎn)離目標(biāo)和非接觸目標(biāo)物體條件下探索標(biāo)的物，獲取其反射或輻射的電磁波信息（如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁波、地震波等信息），并進(jìn)行提取、判定、加工處理、分析和應(yīng)用的一門技術(shù)。遙感技術(shù)具有快速、同步和大面積監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事的很多方面獲得廣泛的應(yīng)用。例如氣象觀測(cè)、資源考察、地圖測(cè)繪和軍事偵察等。

隨著各國(guó)海域爭(zhēng)端和海域管理的需求日益加劇，RS技術(shù)在海域管理方面的發(fā)展也取得了很大的進(jìn)展和成就。我國(guó)是世界上最重要的海洋國(guó)家之一，領(lǐng)海面積相當(dāng)于陸地面積的三分之一，隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海洋的開發(fā)與利用不斷加大，海洋作為我國(guó)資源的主要來源，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其的保護(hù)。在我國(guó)東海區(qū)域，遙感技術(shù)在海域管理中的應(yīng)用取得了飛速的發(fā)展，其主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

2.1 海洋災(zāi)害應(yīng)急預(yù)警報(bào)

國(guó)家海洋局發(fā)布的《2014年中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》顯示，我國(guó)的海洋災(zāi)害以風(fēng)暴潮、海浪、海霧、海冰和赤潮為主，其他如綠潮、海岸侵蝕、海水入侵與土壤鹽漬化、咸潮入侵等災(zāi)害也有不同程度發(fā)生。2014年我國(guó)海洋災(zāi)害總體發(fā)生頻率較低，但過程強(qiáng)度屢破歷史記錄，尤其是臺(tái)風(fēng)災(zāi)害和突發(fā)性海洋災(zāi)害給人民生產(chǎn)生活帶來巨大損失，各類海洋災(zāi)害造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)136.14億元，死亡數(shù)十人。

海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)手段主要采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、衛(wèi)星遙感、航空遙感三個(gè)手段?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查主要基于海上大小型浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，精細(xì)程度高、調(diào)查最準(zhǔn)確，但受天氣條件、交通狀況、人員安全條件的影響，難以實(shí)現(xiàn)大面積、快速的災(zāi)情信息獲??；衛(wèi)星遙感手段則可進(jìn)行大范圍災(zāi)情監(jiān)測(cè)，尤其是微波傳感器能夠全天候、全天時(shí)工作，具有穿透云層、霧和小雨的能力,并且可供選擇的國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)較多，目前已經(jīng)較為成熟地應(yīng)用于赤潮、綠潮、溢油、海霧和海冰等方面的監(jiān)測(cè)和研究。例如綠潮遙感監(jiān)測(cè)的主流方法是：基于ENVI軟件平臺(tái)，首先對(duì)MODIS影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，確定綠潮爆發(fā)時(shí)的覆蓋面積，并對(duì)目標(biāo)海域綠潮采用拉格朗日追蹤法和校正歸一化植被指數(shù)法，最終計(jì)算得出綠潮未來24小時(shí)漂移方向和漂移距離。此外,通過綠潮光譜特征還可辨別是否為滸苔綠潮。

風(fēng)暴潮、海浪等海洋災(zāi)害的預(yù)警報(bào)研究是一個(gè)世界性的科學(xué)難題。目前美英等發(fā)達(dá)國(guó)家基于海上綜合試驗(yàn)場(chǎng)等高科技裝備，已基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)警系統(tǒng)的自動(dòng)化、現(xiàn)代化，整個(gè)預(yù)警過程時(shí)間間隔不超過3h，預(yù)警報(bào)精度較高。例如美國(guó)的蒙特雷灣海上試驗(yàn)場(chǎng)，其功能包含海洋觀測(cè)系統(tǒng)（海面和海底）、自主海洋采樣網(wǎng)、實(shí)時(shí)環(huán)境信息網(wǎng)和分析系統(tǒng)、陸地?海洋生物地球化學(xué)觀測(cè)站、多學(xué)科海洋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。針對(duì)遙感方面，國(guó)外遙感衛(wèi)星作為構(gòu)建實(shí)時(shí)海洋環(huán)境信息網(wǎng)的核心設(shè)備，技術(shù)較為先進(jìn)，監(jiān)測(cè)精度較高，服務(wù)領(lǐng)域廣泛。而國(guó)內(nèi)目前主要采用的還是傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方法，先進(jìn)的大氣科學(xué)、海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)數(shù)值預(yù)報(bào)方法需結(jié)合遙感技術(shù)提高精度。傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感手段受天氣條件、衛(wèi)星重訪周期的影響，在實(shí)效性和精細(xì)性方面難以保證，不利于突發(fā)海洋災(zāi)害的監(jiān)測(cè)評(píng)估工作。因此，星載合成孔徑雷達(dá)和無(wú)人機(jī)航空遙感將成為未來海洋災(zāi)害精細(xì)化預(yù)警報(bào)研究的主要技術(shù)手段。

2.2 漁業(yè)資源管理

以我國(guó)東海為例，在過去的50年間漁業(yè)生產(chǎn)力因來自過度捕撈、氣候變化和污染等的壓力而一直在下降。魚群往往會(huì)聚集在其喜愛的水域，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)可以引導(dǎo)捕魚船隊(duì)更有效地定位魚群。諸如海面溫度、海洋鹽度、海洋的顏色（生產(chǎn)力）和海洋鋒等能強(qiáng)烈影響魚類資源自然波動(dòng)的這些海洋要素，可通過搭載在衛(wèi)星上的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。實(shí)時(shí)的遙感數(shù)據(jù)不僅可用于幫助漁民在探魚期間節(jié)省燃油及航行時(shí)間，節(jié)約漁業(yè)生產(chǎn)及加工成本，還可以為漁業(yè)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)建模和可持續(xù)漁業(yè)管理戰(zhàn)略的制定提供技術(shù)支撐。

3 全球定位系統(tǒng)（GPS）在海域管理領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用

GPS由空間星座、地面控制和用戶設(shè)備等三部分構(gòu)成的。GPS 測(cè)量技術(shù)能夠方便快捷地提供點(diǎn)、線、面要素的精確三維坐標(biāo)以及其他地理信息，是迄今為止最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷發(fā)展，GPS終端的測(cè)量精度不斷提高，行業(yè)GPS測(cè)量軟件發(fā)展迅速。例如雙星雙頻GPS設(shè)備，可同時(shí)接受美國(guó)的GPS衛(wèi)星信號(hào)和俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，甚至我國(guó)的北斗衛(wèi)星信號(hào)，不僅測(cè)量精度可達(dá)厘米級(jí)，同時(shí)可根據(jù)用戶需求編輯行業(yè)模塊，使得設(shè)備應(yīng)用更加便捷。隨著國(guó)家對(duì)海洋開發(fā)和利用的逐漸重視，GPS技術(shù)在涉海領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，主要包括：海上定位、海島及海岸帶地面控制點(diǎn)（GCP）測(cè)量、海洋大地測(cè)量以及岸灘地形和水下地形測(cè)量。

GPS定位是海域綜合管理的基礎(chǔ)工作。海上GPS定位通常是指在海上確定船舶的方位，主要用于艦船的導(dǎo)航。針對(duì)高精度定位技術(shù)，需要采用差分技術(shù)應(yīng)用于海上定位。例如在領(lǐng)海基點(diǎn)島嶼設(shè)立基準(zhǔn)站，采用差分技術(shù)或動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行高精度海上定位。

海島及海岸帶的綜合管理同樣需要GPS提供技術(shù)支撐。GCP（地面控制點(diǎn)）的測(cè)量，即是運(yùn)用GPS測(cè)定地面控制點(diǎn)的平面位置和高程的作業(yè)。無(wú)論是衛(wèi)星還是飛機(jī)，運(yùn)動(dòng)過程中都會(huì)由于種種原因產(chǎn)生飛行姿勢(shì)的變化，從而引起影像變形。高精度的地面控制點(diǎn)為航空像片和衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行各種幾何糾正以及地理定位提供了重要數(shù)據(jù)源。隨著遙感圖像分辨率的不斷提高，影像糾正過程對(duì)GCP的精度要求也就越來越高。

定位是水下地形測(cè)量的重要組成部分。近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)運(yùn)用GPS進(jìn)行高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量做了大量研究，目前較為成熟的技術(shù)是實(shí)時(shí)載波相位差分（Real Time Kinematic System），它是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的，能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到厘米級(jí)的高精度。該技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用十分廣泛，其主要服務(wù)于水下地形圖的繪制，對(duì)于建設(shè)現(xiàn)代化的深水港、海洋漁業(yè)資源、海底資源勘探、海底電纜鋪設(shè)、海上鉆井平臺(tái)等具有重要意義。對(duì)全海域的綜合管理離不開對(duì)基底數(shù)據(jù)的測(cè)量，基底數(shù)據(jù)又服務(wù)于國(guó)家的海洋發(fā)展戰(zhàn)略。因此，GPS技術(shù)經(jīng)常作為輔助工具服務(wù)于國(guó)家海域綜合管理。

4 未來及展望

以上綜合分析了3S技術(shù)在我國(guó)海域管理領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用，展現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)在海洋資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)等核心問題中的重要性。作為建立數(shù)字海洋的三大支撐技術(shù)，3S技術(shù)在海洋空間數(shù)據(jù)處理中各具特點(diǎn)，又密切相關(guān)。GPS可在瞬間獲得目標(biāo)定位坐標(biāo)，GIS具有較好的查詢檢索、空間分析處理能力，RS可快速獲取區(qū)域面狀信息。但在實(shí)際工作中，數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和觀測(cè)評(píng)估的精度仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。筆者認(rèn)為，未來應(yīng)將3S技術(shù)形成有機(jī)的一體化系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，快速準(zhǔn)確地獲取定位信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)查詢和分析判斷，這也必將成為未來3S技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)外環(huán)境日趨復(fù)雜、發(fā)展空間受到擠壓的當(dāng)前，黨中央提出了“提高海洋資源開發(fā)能力，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的宏偉目標(biāo)。提高海洋資源開發(fā)、控制、綜合管理能力，構(gòu)建科學(xué)、高效、綠色海洋開發(fā)格局，建設(shè)海洋生態(tài)文明，是時(shí)代賦予建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的新任務(wù)。3S技術(shù)作為我國(guó)海域資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)海域高效管理的過程中具有無(wú)可替代的重要作用。按照國(guó)家海洋局印發(fā)的《2014年海域綜合管理工作要點(diǎn)》的要求，國(guó)家已明確了健全海洋功能區(qū)劃體系，加強(qiáng)圍填海和岸線管理，強(qiáng)化海域海岸帶整治修復(fù)，加強(qiáng)海底電纜管道管理和保護(hù)，開展海域使用現(xiàn)狀調(diào)查試點(diǎn)，實(shí)施海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)升級(jí)改造等十項(xiàng)任務(wù)目標(biāo)。因此，不斷創(chuàng)新的管理機(jī)制必將極大地促進(jìn)信息科學(xué)技術(shù)、空間科學(xué)技術(shù)、環(huán)境科學(xué)技術(shù)和地球科學(xué)的發(fā)展。我們相信通過涉海各部門的共同努力，實(shí)現(xiàn)我國(guó)海域管理的科學(xué)化、信息化和精細(xì)化將指日可待。

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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

付弘濤（1989-），男，遼寧省法庫(kù)縣人，國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心遙感室業(yè)務(wù)主辦，法學(xué)在職研究生，主要研究方向?yàn)檫b感技術(shù)在海洋執(zhí)法管理方面的應(yīng)用。