3S技术在海域使用动态监测中的应用

第27卷 增刊22008年8月

海洋环境科学

MARINEENVIRONMENTALSCIENCE

Vol.27,Supp.2Aug.

2008

3S技术在海域使用动态监测中的应用

韩富伟,苗丰民,赵建华,付元宾

(国家海洋环境监测中心,辽宁大连116023)

*

摘 要:准确把握海域使用状况是依法实施海域使用管理的基础,3S技术因具有快速、准确、实时、大范围对地观测能力及强大的空间信息加工、处理和分析能力,而成为海域使用状况动态监测的首要技术手段。本文以辽宁省海域使用状况动态监测过程为例,详细介绍了3S技术在海域使用信息的判别、提取、勘测、分析和处理等环节中的作用和具体应用。关键词:海域使用动态监测;3S技术;应用

中图分类号:X87 文献标识码:A 文章编号:1007 6336(2008)增刊2 0085 05

Applicationof3Stechniqueindynamicmonitoringinseausage

HANFu we,iMIAOFeng min,ZHAOJian hua,FUYuan bin

(NationalMarineEnvironmentalMonitoringCenter,Dalian116026,China)

Abstract:3S(remotesensing,globalpositioningsystemandgeographicalinformationsystem)techniqueshavebecomethemaintech nicalmeansforthedynamicmonitoringinseausageduetotheirmightysurveycapacityandinformationprocessingcapacity.Inthispaper,theinformationretrievalandprocessingfunctionsof3StechniquesandtheirapplicationstothedynamicmonitoringofseausageconditionsareintroducedusingtheinvestigationprocessofseausageconditionsinLiaoningasanexample.Keywords:dynamicmonitoringofseaareausage;3Stechniques;application

随着辽宁省沿海地区经济建设的飞速发展,沿海海域使用情况在近年发生了很大的变化,传统的人工监测方法已经跟不上海域使用情况快速变更的需求,而3S技术的结合被认为是进行这种变化监测的最有效手段。用多时相卫星遥感影像监测海岸线的动态变化已成为专家学者的共识。目前利用遥感技术监测土地变化的研究很多,但应用于海域监测还是一个空白。本研究在GPS和GIS技术支持下,利用人机交互式解译方法,对辽宁省沿海海域多时相高分辨率遥感影像进行了海域使用动态信息的提取,摸清了该区海域使用情况,为海洋管理部门提供决策支持和战略决策依据。

辽宁省海域使用动态监测的对象为行政所辖

岸线向海一侧12nmile内(含海岛)和使用某一固定海域3个月以上的排他性用海活动,包括渔业用海、交通运输用海、工矿用海、旅游娱乐用海、海底工程用海、排污倾倒用海、围海造地用海、特殊用海及其他用海

[1]

。具体内容涉及各类海域

使用类型的宗海位置、界址、权属、面积、用海年限、海域使用与海洋功能区划的一致性以及海域使用金征收情况等。

本次海域使用动态监测范围广,周期短,工作量大,精度要求高,故采用传统的地面调查方法和手段难以有效实现,而以3S技术为核心的现代技术手段具有快速、准确、实时、大范围对地观测能力及强大空间信息加工、处理和分析能力而成为动态监测的首要技术手段。

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,因

*收稿日期:2007 12 25,修订日期:2007 07 16

基金项目:国家海洋局近岸海域生态环境重点实验室基金项目(200708)

作者简介:韩富伟(1979 ),男,山东青州人,博士研究生,主要从事海岸带综合管理及海洋环境遥感研究,E mai:lfwhan@nmemc.

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1 3S技术在海域使用现状调查中的作用

在本次海域使用现状动态监测中,遥感(RS)用于海域使用类型的识别;全球定位系统(GPS)用于野外特征地物点坐标的获取和宗海界址点的测量;地理信息系统(GIS)用于基础地理信息图层的建立与补充修正、海域使用遥感信息的提取、GPS数据录入与处理、海域使用现状图的编绘、面积量算和属性信息的提取等(图1)

。

为现实可行的方法。商业高分辨率卫星遥感影像

(如QUICKBIRD,IKONOS,SPOT5,OrbView等)能满足大范围海域使用动态监测的需求。本项研究中遥感信息源采用2004年和2007年SPOT5影像,该数据地面分辨率为2.5m,遥感数据处理支撑平台选用美国ESRI公司的ERDASImage9.1。2.1 遥感影像的预处理

2.1.1 几何校正

卫星影像受地球自转、地球表面曲率、遥感平台位置与运动状态变化等因素的影响,存在不同程度的几何畸变,需利用地面控制点进行校正,以清除几何畸变的影响,并使卫星影像具有地图投影。2.1.2 镶嵌

经集合校正后的卫星影像,受视野限制难以保证区域的完整性和信息连续性,需进行拼接。为避免拼接后图像过大、不便于后期分析处理,将影像依1 50000地形图的分幅标准进行拼接,形成分幅影像图。2.1.3 影像增强

图1 3S技术在海域使用现状调查中的应用Fig1Applicationof3Stechniquesininvestigationofseaarea

良好的视觉效果和较高的可识别性是保证遥感影像解译精度的前提。但是,受光照、地物特性等因素的影响,原始影像的视觉效果和可识别性往往差强人意,需通过图像增强技术予以弥补。常用的增强方法有反差增强、边缘增强、锐化、拉

[4]

伸、聚焦分析等。经增强处理的影像,使河流、道路、水体、海堤、涵闸以及围埝式海域使用类型(如养殖池塘、盐田等)的边缘等信息得以突出,不同海域使用类型的影像特征更加明显易辨,便于各类基础地理信息和海域使用信息的识别。2.2 遥感影像的解译2.2.1 建立解译标志

通过对经预处理的遥感影像特征(如形状、大小、色调、位置和布局等)分析,结合已掌握的部分辽宁省的海域使用状况,并辅以必要的地面实况核准,建立影像特征与实地地物之间的对应关系 即主要基础地理要素和海域使用类型的遥感解译标志(图2)。2.2.2 室内解译

运用人机交互方法,根据解译标志首先对2004年SPOT影像进行解译,准确勾绘不同海域使用类型单元界限;而后对2007年SPOT卫星影像进行解译,解译的重点是2004~2007年各海域,2 RS的应用

遥感(RS),从广义上说是指从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身,从远处通过仪器(传感器)探测和接收来自目标物体的信息(如电场、磁场、电磁波、地震波等信息),经过信息的传输及其处理分析,识别物体的属性及其分布等特征的技术

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。遥感一般选用

卫星或飞机作为传感器的遥感平台。遥感探测不受地面条件的限制,视域范围大,不仅可以获得可见光波段的电磁波信息,而且可获得紫外、红外等波段的信息。因此,卫星遥感影像能够快速提供地球表面的信息。自20世纪70年代以来,遥感技术在测绘、地质、军事、旅游、环境监测等各个领域,特别是在资源环境调查工作中已经显示出巨大的优势。利用遥感技术可以在短时期内完成全国范围的海域使用动态监测,从而极大地提高海域使用动态监测的工作效率和精度。随着遥感信息源的改善、高光谱分辨率和高空间分辨率遥感数据的不断更新,以及遥感数据定量分析技术的不断进步和地理信息系统技术的发展,应用遥感

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图2 主要海域使用类型的解译标志Fig2Interpretationmarkerofmainseausagetype

2.2.3 野外验证

针对室内解译的疑点难点,到野外进行实地验证。实地验证要准确鉴别海域使用类型,详细记录海域使用变化情况,并拍摄实地照片。2.2.4动态监测

将2004年和2007年两期海域使用现状图进行叠加,得到海域使用动态变化图,可以分析监测期间海域使用动态变化情况。

器。3.1 GPS的选型

目前国内市场上销售的GPS接收机主要有Ashtech,Trimple,Magellan,Garmin,Novtel等厂商的系列产品,定位精度和适用范围不尽相同。考虑到海域使用状况调查的需要,GPS的选型应该满足以下条件:(1)定位精度较高,差分处理后必须达到米级;(2)操作简便,易于掌握;(3)连续读取数据能力强。据此,选取Ashtech公司的BR2G型GPS和信标组合接收机。该机利用我国交通部海上监督局在沿海建立的差分信标台站提供的差分改正信号进行定位,理论精度可以达到亚米级;操作简便,易于掌握;数据更新率最高可达每秒10次,连续读取数据能力强。适合用于海上宗海的测量。

3.2 特征地物点坐标的获取

特征地物点坐标是遥感影像校正和GPS获取的宗海界址坐标导入GIS时进行坐标转换的重要依据性数据。特征地物点的选取必须遵从统一性原则(航空影像地物目标与形图地物目标的统一)和均匀性原则(每幅1 50000地形图要保证选取3个以上特征地物点),并进行详细记录,以备后期数据处理使用。

3.3 宗海界址坐标的测量

3 GPS的应用

全球定位系统(GPS)是美国从本世纪70年代开始研制,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点

[5]

。

GPS系统不仅可用于测量、导航,还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s,测时的精度可达几十毫微秒,其应用领域不断扩大。在海域使用动态监测方面,GPS可以用来精确测量小范围宗海形状几何变化情况。

由于海域使用调查不仅涉及近岸海洋资源的利用,而且涉及0m等深线至12nmile海域空间资源的利用,因此,经纬仪、激光测距仪、全站仪等先进的陆域测量仪器的使用受到较大限制,而

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测量。采用的方法是:(1)采集区域的边界,直接形成多边形;(2)采集规则区域的边界的拐点,在内业时联成多边形;(3)采集一条弧段或者几条弧段和底图上的弧段共同形成多边形;(4)使用

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文字描述,在内业时形成多边形。鉴于辽宁省内宗海几何特征多为规则多边形,在界址坐标的测量过程中,以采集边界的拐点为主。

在采集宗海边界拐点坐标的同时,调查获取宗海位置、权属、面积以及海域使用许可证发放、海域使用金征收情况等信息,填入相关表格。

潮沟、岛屿、滩地等)、水文要素(主要河流、湖泊、

水库、运河、渠道等)、陆地地形要素(等高线、高程点等)、居民点要素(沿海市、县、乡镇、村级居民点和国营场圃)、交通要素(铁路、公路、港口、码头、航道、锚地等)和境界要素(省、市、县、乡镇)等,构成基础地理信息图层。4.3 遥感影像的配准

配准是利用遥感影像补充修正基础地理信息、提取海域使用信息的前提,目的在于使遥感影像具有与基础地理信息图层相同的坐标系统,使二者精确叠合。配准时,要输入控制点的地理坐标(野外实测的特征地物点经坐标转换的GPS定位数据),并在遥感影像上精确指定该地物点,控制点的选取首先应考虑在整幅影像的中心,并在四周均匀分布,每一幅影像最基本的控制点不少于4个(适当增加控制点,可提高配准精度)。4.4 基础地理信息的补充修正

受基本数据源时限的限制,所采集的基础地理信息不能反映地表的真实状况,因此,需要对海岸线、河流入海水道与潮沟、滩地、居民点、交通线等易变要素,利用经配准的遥感影像进行识别、补充与修正,以增强基础地理信息的现实性。4.5 RS海域使用信息提取

利用解译标志,结合GPS对预解译图野外核准结果,对已经配准的航空影像进行海对象功能,即可以点对象的形式标注在GIS图层中,然后根据野外调查记录等资料联成相应的宗海图形,再经属性信息录入,形成海域使用信息图层。4.6 GPS数据导入与处理

野外用GPS采集、核准的宗海边界拐点坐标经坐标变换后,通过GIS提供的创建点对象功能,即可以点对象的形式标注在GIS图层中,然后根据野外调查记录等资料联成相应的宗海图形,再经属性信息录入,形成海域使用信息图层。4.7 海域使用现状图编绘

4.7.1 基础信息层

由经过补充修正的基础地理信息图层(含海岸带及海域要素、陆地水文要素、陆地地形要素、居民点要素、交通要素和境界要素)和必要的注记信息(含水系、岛屿、居民地、山体名称等)构成。

4.7.2 专题信息层

将海域使用信息图层,按海域使用类型分类,工矿用

4 GIS的运用

地理信息系统(GIS)是以采集、存储、管理、分析、显示和应用整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据的计算机系统。是分析和处

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理海量地理数据的通用技术。作为一种强有力的研究工具,GIS现已广泛应用于国土资源、矿产资源、交通运输、防灾减灾、环境保护、水电建设等各个领域。海域使用动态监测研究的对象主要是纵海信息及其动态变化过程,其信息具有明显的空间性和时间性。近年来在海域使用动态监测方面,以GIS为工具所进行的海域使用空间分布调查、动态变化监测、海域使用规划计等研究较多。

目前,国内流行的GIS平台包括美国ESRI公司的ARCGIS、美国MapInfo公司的MapInfoPro fessional以及国产的SuperMAPr、MapGIS等,综合考虑系统通用性、兼容性、功能和二次开发能力,选取ARCGIS9.1桌面地理信息系统作为GIS技术支撑平台。4.1 数学基础的建立

坐标系:采用国家坐标系统(1980西安坐标系)。

深度基准:采用理论最低潮面(理论深度基准面)为深度基准。

高程基准:采用1985国家高程基准为高程基准。

地图投影:采用高斯 克吕格投影,6 分带。4.2 基础地理信息图层的形成

陆域及近岸部分以国家测绘局1 50000地形图(1998)和海域部分以海军航保部1 100000海图(1970年)为基本数据源,经扫描输入,分层提取海岸带及海域要素(海岸线、等深线、理论深

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海、旅游娱乐用海、海底工程用海、排污倾倒用海、围海造地用海、特殊用海和其他用海在内各类海域使用专题图层。

4.7.3 图层的组合

将基础信息层和专题信息层按照一定的层次顺序进行组合,形成海域使用现状电子地图,该图可根据需要以不同比例尺进行打印输出。4.8 宗海面积量算和属性信息的提取

面积量算和属性信息的提取是GIS提供的获取宗海属性信息的重要手段。主要方式有交互式和自动式,前者适用于单一宗海信息的处理,只需借助工具按纽,用鼠标点击相关宗海区域即可实现;后者适用于多宗海域使用信息的批次处理,需通过空间要素选择工具选择参与计算面积的地图范围,而后由系统自动实现。

辽宁省海域使用现状调查中的应用,使海域使用信息的判别、提取、勘测和处理等过程建立在科学、高效、高精度的基础上。

(2)3S技术在辽宁省海域使用现状调查中的应用不仅为海域使用管理奠定了基础,同时还为海域使用动态监测系统的构建提供了技术支撑。参考文献:

[1]张宏声.海域使用管理指南[M].北京:海洋出版社,2004.

96 98.

[2]周乐群,康大宁.3S技术发展现状及其在资源和环境调查中

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[7]张超.地理信息系统[M].北京:高等教育出版社,1995.

5结 论

(1)3S技术是在充分利用各自技术特点基础

上快速、准确而又经济地获取信息的新技术,它在

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