海域使用遙感分類體系設(shè)計研究*

劉百橋,趙建華

(1.天津師范大學(xué) 天津 300387;2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心 大連 116023)

海域使用遙感分類體系設(shè)計研究*

劉百橋1,趙建華2

(1.天津師范大學(xué) 天津 300387;2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心 大連 116023)

文章基于海域使用行政管理對遙感監(jiān)測的信息需求,根據(jù)遙感信息提取原理和現(xiàn)行海域使用動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中遙感資料的監(jiān)測能力,設(shè)計出一套針對遙感監(jiān)測應(yīng)用的海域使用分類體系。該分類體系分兩個層次:一是用海地物分類及指標(biāo);二是海域使用分類及指標(biāo),包括用海類型、用海方式和用海動態(tài)的分類及指標(biāo)。該分類體系的應(yīng)用,有助于構(gòu)建海域使用動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的遙感分類業(yè)務(wù)化流程,規(guī)范對遙感監(jiān)測目標(biāo)的界定。

海域使用;遙感監(jiān)測;分類體系;指標(biāo)體系

國家海域使用動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)于2009年開始投入運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了對海域使用動態(tài)及海域空間資源變化狀況等的全面監(jiān)視和監(jiān)測,成為我國海洋管理領(lǐng)域的核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)融入了遙感、地面定點(diǎn)監(jiān)視和現(xiàn)場調(diào)查等多種監(jiān)視監(jiān)測手段,其中遙感監(jiān)測因覆蓋面廣、速度快、同步性好等技術(shù)特點(diǎn),在及時捕獲和跟蹤海域使用動態(tài)上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。但在目前,該系統(tǒng)在海域使用遙感動態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)化應(yīng)用方面仍然存在技術(shù)瓶頸,主要體現(xiàn)在海域使用遙感目標(biāo)自動監(jiān)測技術(shù)不夠成熟,海域使用遙感分類業(yè)務(wù)流程和分類體系尚未確立,使得遙感影像數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)化利用效率還很低。本研究擬從海域使用管理和遙感監(jiān)測的業(yè)務(wù)需求出發(fā),依據(jù)相關(guān)技術(shù)原理,研究海域使用遙感分類體系的構(gòu)架,旨在通過技術(shù)引導(dǎo),為推進(jìn)和規(guī)范海域使用遙感動態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)化應(yīng)用發(fā)揮一定的作用。

1 海域使用管理對遙感分類的需求

海域使用管理中的 “海域”概念涵蓋水面、水體、海床和底土,“海域使用”概念限于排他性且持續(xù)使用特定海域的用海活動;海洋功能區(qū)劃制度要求海域使用必須符合所在海洋基本功能區(qū)的用途管制要求、用海方式控制要求及其他管理要求;在海域使用行政管理中各級人民政府的海域適用審批權(quán)限按用海方式和用海規(guī)模劃分,海域使用金征收標(biāo)準(zhǔn)按用海方式和用途制定,不同用海類型的海域使用有相應(yīng)的法定最高年,涉及填海造地的海域使用需在竣工驗(yàn)收時校核填海位置和面積;在海域使用監(jiān)督檢查方面,要求及時發(fā)現(xiàn)可能存在未按批準(zhǔn)范圍用海的 “疑點(diǎn)疑區(qū)”,并對已經(jīng)獲得批準(zhǔn)的海域使用,要對其范圍、用途、用海方式、期限等實(shí)施跟蹤檢查。以上管理業(yè)務(wù)對遙感監(jiān)測信息有十分迫切的應(yīng)用需求,希望通過遙感手段,全面、快速地掌握海域使用的位置、范圍、面積、用海方式、用海類型、持續(xù)時間以及動態(tài)變化情況。為適應(yīng)這種需求,對海域使用遙感分類也有以下要求。

(1)海域使用遙感分類區(qū)分海域用途、用海方式、海域使用動態(tài)和用海持續(xù)時間等信息。應(yīng)能區(qū)分新增、擴(kuò)建 (內(nèi)擴(kuò)、外擴(kuò))、縮減、消失、挖陸成海等情形,并能區(qū)分是否為固定位置上的持續(xù)用海。

(2)海域使用遙感分類應(yīng)盡量區(qū)分用海的立體層次,盡量反映用海活動對海面、水體甚至底床的占用情況。

(3)海域使用遙感分類應(yīng)與現(xiàn)行的海域使用分類標(biāo)準(zhǔn)相銜接。

(4)海域使用遙感分類需適應(yīng)海洋功能區(qū)劃分類體系和功能區(qū)劃管理要求中的相關(guān)分類要求。

2 海域使用遙感分類技術(shù)適應(yīng)性分析

2.1 遙感監(jiān)測能力

海域使用動態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)采用的主要是光學(xué)遙感資料,目前,可供利用的遙感資料來源較豐富,比較適合海域動態(tài)監(jiān)測的有我國的環(huán)境衛(wèi)星HJ-1-A/B,資源衛(wèi)星ZY1-02C和ZY3,天繪01和02衛(wèi)星等,以及國外的Landsat8、SPOT5、SPOT6、Rapid Eye、Quick-Bird、World View、GeoEye-1等,影像象元大的有30 m,小的接近0.4 m。研究顯示[1-2],分辨率在30 m左右的遙感影像已基本具有反映用海活動的能力,分辨率越高,則反映的越精細(xì)。但目前,我國的海域使用類型是根據(jù)海域用途劃分的,而遙感影像中反映的是用海地物的分布,不能直接判別海域用途。

2.2 目標(biāo)識別原理

人類用海活動所形成的海上人造地物以及占用、改造的海上自然地物,即本研究所指 “用海地物”,因與周圍環(huán)境存在光譜特性差異,會在遙感影像中表現(xiàn)為具有不同象元值的圖斑。人們可以直接進(jìn)行目視解譯,根據(jù)圖斑的大小、形狀、結(jié)構(gòu)、布局以及與周圍地物的空間位置關(guān)系等,運(yùn)用對海域使用平面布置、方式的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)知識,識別和區(qū)分不同的用海地物,并可直接判斷海域使用類型。同時,可借助遙感影像處理系統(tǒng),量測這些圖斑的影像特征,如各通道象元值及比較值、合成圖像顏色、形狀、大小、陰影、紋理、圖案、位置和布局等,按照基于經(jīng)驗(yàn)知識建立的規(guī)則,判斷用海地物類型,在此基礎(chǔ)上再根據(jù)各類海域使用在平面布置、方式上的一般規(guī)律,推斷海域使用類型。

2.3 信息提取方法

傳統(tǒng)的基于像元光譜統(tǒng)計特性的方法,適于對地物 “質(zhì)地”的區(qū)分,不善于提取空間信息,也不容易解決同物異譜、異物同譜、混合像元等問題[3]。面向?qū)ο蟮倪b感信息提取方法以含有更多語義信息的多個相鄰像元組成的對象為處理單元[4],一定程度上利用了象元組合特征與地物類型之間的關(guān)系,適于對地物 “個體”的識別。對于海域使用而言,它們的用途不完全對應(yīng)于所用的材質(zhì),主要對應(yīng)用海的方式,因此更適合采用面向?qū)ο蟮男畔⑻崛》椒ā?/p>

采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行海域使用遙感分類時,先要對遙感影像進(jìn)行合理分割,再檢測和提取分割對象的多種特征,然后按規(guī)則進(jìn)行分類。其中的關(guān)鍵是選擇最優(yōu)的分割尺度和有效的分類規(guī)則。對此,一些學(xué)者已有較好經(jīng)驗(yàn)[5-6]。

2.4 環(huán)境關(guān)聯(lián)性的利用

海域使用有一定的場景特征,在特定的自然環(huán)境條件下,與周圍海域開發(fā)利用活動有不同程度的關(guān)聯(lián)性[7]。因此,海域使用環(huán)境關(guān)聯(lián)性有助于對用海目標(biāo)的識別,對海域使用遙感分類的推測判斷能夠起到很好的輔助作用。

3 海域使用遙感分類體系構(gòu)建

從前面的分析可知,遙感手段能夠識別的是用海地物,并不能直接識別海域用途,對海域使用類型和方式等的界定,主要靠推斷,推斷的依據(jù)是用海地物與用海類型和方式之間的關(guān)聯(lián)性,如:要判定某項(xiàng)用?；顒邮欠駷闈O業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施用海時,須確認(rèn)該基礎(chǔ)設(shè)施是否為漁業(yè)用途,但遙感手段探測到的是堤壩、碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施的形態(tài),并不能直接反應(yīng)海域用途,我們尚需根據(jù)現(xiàn)實(shí)用海的一般場景模式,推斷堤壩、碼頭等組成的用海單元是否為漁港或養(yǎng)殖取水口?；谝陨险J(rèn)識,海域使用遙感分類體系分為兩個層次:一是用海地物分類及指標(biāo);二是海域使用分類及指標(biāo),包括用海類型、用海方式和用海動態(tài)的分類及指標(biāo)。

3.1 用海地物分類及指標(biāo)

3.1.1 用海地物分類

納入海域使用遙感分類體系的用海地物應(yīng)具備兩個條件:① 能被光學(xué)遙感手段探測到,在遙感影像中與周圍自然海域有明顯區(qū)別;② 能直接或間接反映用?；顒拥拇嬖凇?/p>

用海地物的分類依據(jù)主要考慮3個方面因素:① 地物用途;② 地物存在形式,包括平面布置、結(jié)構(gòu)形式、出水狀況等;③ 地物與海域使用之間的對應(yīng)關(guān)系。據(jù)此,設(shè)計用海地物的二級分類體系 (表1),其中的各類地物均有明確定義。

表1 用海地物分類

3.1.2 用海地物鑒別指標(biāo)

鑒別用海地物時,需要綜合應(yīng)用目視解譯、計算機(jī)輔助分類和環(huán)境關(guān)聯(lián)推測等方法。相應(yīng)的,需建立目視判別指標(biāo)、影像特征測算指標(biāo)和用海環(huán)境關(guān)聯(lián)指標(biāo)等。

(1)目視判別指標(biāo)。用海地物目視判別指標(biāo)的選定經(jīng)過兩個步驟,首先考慮光學(xué)遙感影像的特點(diǎn)以及人類的視覺注意機(jī)制進(jìn)行指標(biāo)初選,然后再依據(jù)多人目視判別實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步的指標(biāo)篩選。最終確定的用海地物目視判別指標(biāo)見表2,其中的各項(xiàng)指標(biāo)均有明確的定義和取值方法。

表2 用海地物目視判別指標(biāo)

(2)影像特征測算指標(biāo)。影像特征測算指標(biāo)的選定也經(jīng)過兩個步驟,首先按照面向?qū)ο蟮挠嬎銠C(jī)遙感分類思路,梳理出常用的影像特征指標(biāo),然后針對用海地物分類體系中的各類地物,通過面向?qū)ο蟮倪b感分類實(shí)驗(yàn),遴選出實(shí)際發(fā)揮關(guān)鍵作用的指標(biāo)。最終確定的用海地物影像特征測算指標(biāo)見表3,其中各項(xiàng)指標(biāo)均為定量指標(biāo),均有明確的定義和計算方法。

表3 用海地物影像特征指標(biāo)

(3)用海環(huán)境指標(biāo)。用海環(huán)境指標(biāo)主要根據(jù)海域使用樣本與環(huán)境條件之間的關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果選定,主要指標(biāo)見表4,其中的各項(xiàng)指標(biāo)均有明確的定義和取值方法。

表4 用海環(huán)境指標(biāo)

3.2 海域使用分類

3.2.1 用海類型與判別標(biāo)志

用海類型的劃分遵循 《海域使用分類》(HT/Y123-2009)[8]標(biāo)準(zhǔn)中海域使用一、二級類型結(jié)構(gòu),從中,根據(jù)海域使用動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)中遙感影像的鑒別能力,遴選用海類型。由于用海類型的劃分主要依據(jù)海域的實(shí)際用途,而海域用途的推斷又依據(jù)用海地物構(gòu)成的用海單元的實(shí)際功能。因此,用海類型的判別指標(biāo)主要是特征用海單元及其標(biāo)志性用海地物。用海類型及分類指標(biāo)見表5。

表5 海域使用遙感目標(biāo)的海域使用類型劃分及主要鑒別內(nèi)容分類

3.2.2 用海方式分類與指標(biāo)

鑒于目前海域使用動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)采用的遙感影像很難鑒別海洋工程的水下結(jié)構(gòu),且對海域用途的界定也已反映在用海地物分類體系中,因此,用海方式的遙感分類僅按 《海域使用分類》(HT/Y123-2009)標(biāo)準(zhǔn)中海域使用的一級方式。在現(xiàn)實(shí)用海中,用海地物與用海方式之間有較強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系,因此,用海方式的分類指標(biāo)主要是各用海方式對應(yīng)的特征地物(表6)。

表6 用海方式遙感分類

3.2.3 用海動態(tài)分類

用海動態(tài)是通過不同時相海域遙感監(jiān)測結(jié)果的比對分析得到的,用海動態(tài)主要依據(jù)海域使用管理關(guān)注的用海變化情形來分類。

用海動態(tài)分為4類:新增;擴(kuò)大;消減;挖陸成海。用海動態(tài)判別指標(biāo)有:變化方向;變化位置。

4 海域使用遙感分類體系的應(yīng)用構(gòu)想

海域使用遙感分類體系的應(yīng)用體現(xiàn)在兩個方面:① 形成一套關(guān)于海域使用遙感分類的技術(shù)思路和流程,即先對用海地物進(jìn)行分類,在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行用海類型、用海方式和用海動態(tài)分類;② 提出關(guān)于用海地物、用海類型、用海方式、用海動態(tài)的分類方案和判別指標(biāo),引導(dǎo)和規(guī)范對海域使用遙感監(jiān)測目標(biāo)的界定。海域使用遙感分類體系的應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 海域使用遙感分類體系應(yīng)用流程

5 討論

按照本研究建立的海域使用遙感分類體系,鑒別海域使用遙感目標(biāo)的步驟是,先依據(jù)目視判別指標(biāo)、影像特征指標(biāo)和用海環(huán)境指標(biāo),綜合判斷用海地物類型,再對照各用海類型的特征用海單元及其標(biāo)志性用海地物等指標(biāo),推斷用海類型和用海方式,最后,比對上期海域使用監(jiān)測資料,判斷用海動態(tài)。該分類體系的應(yīng)用,進(jìn)一步明晰了海域使用動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的遙感分類業(yè)務(wù)化流程。

遙感手段并不能直接識別海域用途和方式,對海域使用目標(biāo)的界定,主要靠推斷,推斷的依據(jù)是用海地物與用海類型、方式之間的關(guān)聯(lián)性。目前對這種關(guān)聯(lián)性的研究還很匱乏,但研究所需的手段已經(jīng)十分成熟,在較短時期內(nèi)取得突破的可能性很大。屆時,有望研發(fā)出專門用于推定海域使用遙感監(jiān)測目標(biāo)的 “推理機(jī)”,從而實(shí)現(xiàn)海域使用遙感分類體系應(yīng)用程序化。

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國家海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(201005011-1);國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心委托項(xiàng)目“海域管理技術(shù)體系研究項(xiàng)目”(53H13012).