我國圍填海衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)研究進展*

姜雯斐，陳 烽，張 莉，王 寧，譚 萌，丁 一**

(1.國家海洋局北海信息中心，山東青島 266061；2.國家海洋局北海預(yù)報中心，山東青島 266061)

0 引言

隨著時代的發(fā)展，為擴大社會生存和發(fā)展空間，世界沿海地區(qū)普遍通過圍填海來解決土地供需矛盾[1，2]。在其經(jīng)濟高速發(fā)展的時期，荷蘭、韓國、新加坡和日本都曾進行過大規(guī)模的填海造地工程，而后發(fā)現(xiàn)填海造地工程嚴(yán)重影響和破壞海洋生態(tài)，不得不陸續(xù)放緩甚至放棄這項工程，并開始斥巨資恢復(fù)近海生態(tài)環(huán)境[3]。改革開放以來，我國城市化、工業(yè)化水平迅速提高，導(dǎo)致沿海地區(qū)的土地資源逐漸匱乏，人地矛盾日益尖銳。為促進經(jīng)濟發(fā)展，沿海各地掀起了圍填海的熱潮，而圍填?；顒拥倪^度進行造成海洋生態(tài)系統(tǒng)失衡，引發(fā)一系列環(huán)境災(zāi)害，造成長期且難以估量的負面影響[4]。針對這一現(xiàn)象，2018年7月25日國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加強濱海濕地保護嚴(yán)格管控圍填海的通知》(國發(fā)〔2018〕24號)(以下簡稱24號文)，提出以“生態(tài)優(yōu)先”及“綠色發(fā)展”為指導(dǎo)思想，進一步加強濱海濕地保護，嚴(yán)管圍填海審批手續(xù)及嚴(yán)控圍填海新增項目，并提出利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進行圍填?，F(xiàn)狀調(diào)查，以加強圍填海監(jiān)管[5]。

衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、時效連續(xù)、運作高效等特點，是我國圍填海監(jiān)測的主要手段。相關(guān)學(xué)者應(yīng)用Landsat、SPOT、Quickbird、HJ-1等國內(nèi)外不同分辨率的衛(wèi)星影像，采用人工目視解譯法[6]、面向?qū)ο蠓诸惙╗7]、水陸分離法[8]等對我國圍填海信息進行提取，研究獲取我國不同區(qū)域圍填海現(xiàn)狀并分析圍填海產(chǎn)生的原因，對圍填海管理起到了積極的作用。為充分利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，提高海洋行政主管部門對圍填海的監(jiān)管效率，同時降低監(jiān)管成本，實現(xiàn)“早發(fā)現(xiàn)”“早治理”的監(jiān)管目標(biāo)，本文在梳理現(xiàn)有圍填海研究中所用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源、圍填海分類體系、衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，調(diào)研我國圍填海衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)監(jiān)測的現(xiàn)狀和不足，提出圍填海衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)的重點發(fā)展方向，擬為圍填海衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)監(jiān)測提供參考。

1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測影像

隨著遙感技術(shù)多平臺、全時段、全方位的發(fā)展，遙感衛(wèi)星從低空間分辨率到高空間分辨率，從光學(xué)遙感到微波遙感，基本滿足了圍填海監(jiān)管對影像空間和時間的需求，是圍填海監(jiān)測主要數(shù)據(jù)源。國內(nèi)外遙感衛(wèi)星監(jiān)測影像在我國圍填海監(jiān)視監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用，其中，國外衛(wèi)星影像主要有Landsat、SPOT、Quickbird、WorldView、ALOS、IRS-P5等，國內(nèi)自主研制的衛(wèi)星影像主要有環(huán)境一號(HJ-1A/B)、資源一號(ZY-1)、資源三號(ZY-3)、高分一號(GF-1)、高分三號(GF-3)等。

美國的Landsat系列衛(wèi)星自1975年至今已相繼發(fā)射8顆,法國SPOT系列衛(wèi)星自1986年至今已相繼發(fā)射7顆。這兩個系列的衛(wèi)星因發(fā)射時間早、數(shù)據(jù)連續(xù)，在圍填海監(jiān)測中應(yīng)用最為廣泛，特別體現(xiàn)在長時間跨度的圍填海衛(wèi)星遙感監(jiān)測研究中。我國的資源系列衛(wèi)星(ZY)、環(huán)境系列衛(wèi)星(HJ)、高分系列衛(wèi)星(GF)分別于1999年、2008年、2013年發(fā)射，至今也積累了大量連續(xù)的衛(wèi)星影像，在圍填海衛(wèi)星遙感監(jiān)測研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。上述各衛(wèi)星的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 衛(wèi)星影像技術(shù)參數(shù)

2 衛(wèi)星遙感分類體系

圍填海衛(wèi)星遙感分類體系作為研判標(biāo)準(zhǔn)，對遙感監(jiān)測提取信息的準(zhǔn)確性與其性質(zhì)判斷有著至關(guān)重要的作用。國家發(fā)布與圍填海相關(guān)的分類體系主要是《海域使用分類》(HY/T 123-2009)?！逗Ｓ蚴褂梅诸悺钒êＳ蚴褂妙愋腕w系與用海方式體系，其中海域使用類型體系是根據(jù)不同的海域使用方式和特點所形成的海域差異性進行劃分的海域類別體系，用海方式體系是根據(jù)海域使用活動特征及對海域自然屬性的影響程度進行劃分的海域使用方式體系[40]。圍填海在用海方式分類體系中分為填海造地與圍海2個一級類，其中填海造地分為建設(shè)填海造地、農(nóng)業(yè)填海造地、廢棄物處置填海造地3個二級類，圍海分為港池/蓄水、鹽業(yè)、圍海養(yǎng)殖3個二級類[40]。該分類體系對圍填海的分類較為籠統(tǒng)，且缺乏針對性，不能完全滿足圍填海衛(wèi)星遙感監(jiān)測的需求，因此學(xué)者們會參考現(xiàn)有的海域使用分類體系、研究區(qū)域圍填海實際情況、研究目的、衛(wèi)星影像識別能力等制定各自研究所需的圍填海衛(wèi)星遙感分類體系。

首先，《海域使用分類》、“908”專項的海域使用分類體系、圍填海的定義與學(xué)者們對圍填海的理解，是許多學(xué)者制定圍填海衛(wèi)星遙感分類體系的主要依據(jù)，此類圍填海衛(wèi)星遙感分類體系具有較為系統(tǒng)、科學(xué)的參考標(biāo)準(zhǔn)，通用性較高，適用于圍填海演變的衛(wèi)星遙感分析(表2)。

表2 圍填海衛(wèi)星遙感分類體系——以現(xiàn)有分類體系為主要依據(jù)

續(xù)表2

其次，研究目的與研究區(qū)域圍填海實際類型也是圍填海衛(wèi)星遙感分類體系制定的重要依據(jù)，此類分類體系更具有針對性，適用于研究目標(biāo)或研究范圍較為具體的圍填海衛(wèi)星遙感分析，例如，圍填海覆被特征、圍填海存量資源、濱海濕地演變等研究(表3)。

表3 圍填海衛(wèi)星遙感分類體系——以研究區(qū)域?qū)嶋H情況為主要依據(jù)

再者，許多學(xué)者以圍填海光譜、形狀、空間關(guān)系特征及圍填海在衛(wèi)星影像上的識別能力為主要依據(jù)，制定圍填海衛(wèi)星遙感分類體系，該類分類體系準(zhǔn)確性與實用性較高，更有利于圍填海信息的提取(表4)。

表4 圍填海衛(wèi)星遙感分類體系——以衛(wèi)星影像識別能力為主要依據(jù)

3 衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法

衛(wèi)星遙感技術(shù)是利用人造地球衛(wèi)星上的傳感器，感知目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波、可見光、紅外線，對目標(biāo)進行探測和識別的技術(shù)。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地球資源普查、土地利用規(guī)劃、農(nóng)作物估產(chǎn)、海洋監(jiān)測等方面。圍填海衛(wèi)星遙感監(jiān)測就是利用不同時相的衛(wèi)星遙感圖像和參考數(shù)據(jù)來提取海域使用動態(tài)變化，進而對圍填海信息進行定量分析。常用的方法可分為人工目視解譯和自動檢測兩類。

人工目視解譯流程如下：(1)收集研究區(qū)域監(jiān)測時段內(nèi)的衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)；(2)對影像數(shù)據(jù)進行融合、輻射校正、幾何校正、拼接裁切、色彩增強等預(yù)處理；(3)通過人工目視解譯的方式對遙感影像數(shù)據(jù)進行疊加分析，發(fā)現(xiàn)海域使用動態(tài)變化，進而識別圍填海信息。人工目視解譯的方法廣泛應(yīng)用于全國海區(qū)、省、市、河口等區(qū)域的圍填海監(jiān)測以及影響分析研究中。例如，高志強等[6]、Meng等[16]利用Landsat、SPOT、ZY-2、ZY-3等衛(wèi)星影像，采用人工目視解譯方法提取全國的圍填海信息，并分析圍填海的主要驅(qū)動因素。Ma等[17]利用Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過人工目視解譯方法,提取沿海鳥類遷徙棲息所經(jīng)的9省和2市的濕地及圍填海信息，指出過半的鳥類自然棲息地遭到圍填，影響鳥類的正常棲息繁衍。Ding 等[18]利用49幅Landsat衛(wèi)星影像，采用人工目視解譯的方法，提取并分析渤海1985-2015年7個時期填海造地的時空變化。馬學(xué)垚等[11]、劉康等[19]利用中等分辨率的天宮二號寬波段成像儀數(shù)據(jù)與Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，采用人工目視解譯對遼寧省部分沿?？h市的圍填海信息進行提取，分析圍填海變化及濕地與圍填海的轉(zhuǎn)移關(guān)系。徐進勇等[35]根據(jù)圍填海類型在HJ-1CCD影像上的分布特征，建立了相應(yīng)的解譯標(biāo)志，并采用人工目視解譯對2000-2012年河北省曹妃甸新區(qū)和灤河口的圍填海進行信息提取。劉曉穎等[29]利用Landsat衛(wèi)星遙感影像，采用人工目視解譯的方法，提取并分析近20年渤海灣圍填?？臻g利用變化。張俊麗等[30]利用Landsat衛(wèi)星遙感影像，通過人工目視解譯的方法，對錦州灣附近海域的海岸線進行提取，并分析錦州灣圍填海海岸線的演變過程。Chen等[12]和Xie等[20]利用Landsat衛(wèi)星遙感影像，分別以長江三角洲和黃河三角洲為研究對象，采用人工目視解譯的方法，提取并分析圍填海信息。

人工目視解譯提取圍填海信息的方法精度高，但同時存在工作量大、耗時長等問題，因此許多學(xué)者通過開展自動檢測，對圍填海圖斑進行自動提取，以彌補人工目視解譯的不足。自動檢測常用方法可歸結(jié)為水體分離法、面向?qū)ο蠓诸惙椒?、邊緣檢測法等。

水體分離法主要思路是提取多期衛(wèi)星影像中的水體，通過對比發(fā)現(xiàn)水體變?yōu)殛懙氐膮^(qū)域，即為圍填海區(qū)域，主要方法有水體指數(shù)法、特征波段水體提取法、數(shù)據(jù)挖掘法等。例如，溫禮等[8]及阮波等[27]利用歸一化差異水體指數(shù)(NDWI)、李志剛等[21]利用改進的歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)，分別對天津濱海新區(qū)、廣東省和錦州灣的圍填海信息進行提取，證明水體指數(shù)法在圍填海監(jiān)測中的有效性。宋紅等[22]選用Landsat 綠光波段作為特征波段，對其進行二值化處理，使其清晰地區(qū)分陸地和海洋，并將獲得的二值圖進行彩色合成以揭示深圳灣填海造地的總體進程。朱麗麗等[23]以Landsat TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，從數(shù)據(jù)挖掘的視角，研究圍填海的智能檢測方法，利用光譜值、數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析量及紋理特征來進行海陸分離，通過特征選擇法精確挖掘結(jié)果，并利用關(guān)聯(lián)規(guī)則算法，挖掘圍填海區(qū)域的檢測規(guī)則，并應(yīng)用該規(guī)則對待檢測影像進行檢測，從而提取整個渤海區(qū)域的圍填海變化情況。水陸分離法的優(yōu)點是簡單易行、效率高，可快速定位水域變?yōu)殛懙氐膮^(qū)域，從而有效地監(jiān)測圍填海信息。但需要注意的是，利用該方法提取的圍填海類型僅限于水體變?yōu)殛懙兀⒉贿m合所有的圍填海情形，例如裸露灘涂、長有植被的濕地被開發(fā)利用的情況，則無法使用水體指數(shù)法進行有效監(jiān)測。

面向?qū)ο笮畔⑻崛》椒ǖ乃悸肥抢糜跋竦墓庾V、紋理等特征對遙感影像進行分割，獲取同質(zhì)影像對象，然后結(jié)合上述特征和空間關(guān)系特征，進一步利用分類技術(shù)對同質(zhì)影像對象進行分類，獲取多時相全要素分類圖，應(yīng)用多時相分類結(jié)果開展變化檢測，進而篩選出圍填海信息。研究人員利用高分辨率衛(wèi)星影像，采用面向?qū)ο蠓椒▽χ攸c區(qū)域的圍填海工程、圍海養(yǎng)殖、濕地變化、圍填海存量資源等內(nèi)容進行研究。例如，Wu等[24]和溫馨燃等[25]基于多時相Landsat衛(wèi)星影像，采用面向?qū)ο蠓诸惙ǚ謩e對上海浦東新區(qū)濕地動態(tài)和環(huán)渤海地區(qū)的圍填海進行監(jiān)測，并分析演化特征。鞠明明等[7]針對江蘇省圍填海用海工程的實際情況，應(yīng)用SPOT-5衛(wèi)星影像，設(shè)計面向?qū)ο笞詣犹崛〉募夹g(shù)流程，通過圖像分割、特征提取、面向?qū)ο蠓诸惣胺诸惡笞兓瘷z測，獲取海域使用動態(tài)變化，實現(xiàn)對圍填海用海工程的遙感監(jiān)測。索安寧等[32]以營口市南部海岸為例，利用GF-1和SPOT-5衛(wèi)星遙感影像，建立了面向?qū)ο蟮膰詈４媪抠Y源遙感影像分類提取的方法與技術(shù)流程，構(gòu)建了圍填海存量資源指數(shù)及計算方法，用以分析研究區(qū)域圍填海存量資源現(xiàn)狀特征與形成機制。孫裕鈺等[36]、梁婷婷[37]和吳軍超等[39]，利用GF-1和ZY-3衛(wèi)星遙感影像，采用面向?qū)ο蠓诸惙?，分別提取了江蘇省鹽城市大豐區(qū)、長興島附近海域、廈門港灣地區(qū)的圍填海信息。上述研究不僅應(yīng)用了影像自身的紋理、光譜信息，同時應(yīng)用了斑塊的幾何特征和斑塊之間的空間關(guān)系特征，從而獲得高精度的圍填海信息，可以作為業(yè)務(wù)監(jiān)測工作中重點考慮的信息提取方法。但是該方法步驟相對繁瑣、計算量較大，目前多用于局部區(qū)域研究，是否適合開展全國范圍的圍填海信息提取還有待進一步驗證。

邊緣檢測法主要依據(jù)影像邊緣處灰度梯度的不連續(xù)性進行邊界檢測。學(xué)者往往利用邊緣檢測算子、主動輪廓模型法、水平集方法等對多年的衛(wèi)星影像進行邊緣提取，進而獲取圍填海信息。例如，杜家偉等[26]利用OpenCV平臺進行編程，實現(xiàn)Canny邊緣檢測算子，從而對大連地區(qū)的海岸線及圍填海信息進行提取。范劍超等[34]依據(jù)圍填海類型在SAR遙感影像和可見光影像上的可分性，建立了圍填海遙感分類系統(tǒng)及相應(yīng)的圍填海類型解譯標(biāo)志，采用水平集方法有效地獲取了大連金州灣機場的圍填海變化信息。邊緣檢測方法是通過在末期影像上檢測出新邊緣來監(jiān)測圍填海工程，具有自動快速的優(yōu)點，但是邊緣檢測法不能有效檢測出在原圍海工程的基礎(chǔ)上開展填海工程的情況。

4 我國圍填海監(jiān)管業(yè)務(wù)化衛(wèi)星遙感監(jiān)測現(xiàn)狀及存在的問題

4.1 圍填海監(jiān)管現(xiàn)狀

24號文發(fā)布之后，國家加大了圍填海監(jiān)管力度，通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測與現(xiàn)場踏勘相結(jié)合的形式對近岸海域開展全國范圍的遙感監(jiān)測，其頻次為每月2次，且采用多源、高分辨率遙感影像以確保覆蓋范圍與影像精度能夠滿足監(jiān)測需求，主要包括GF-1、GF-2、GF-6、ZY-3等衛(wèi)星遙感影像。在完成波段融合、鑲嵌拼接等影像處理后，遙感監(jiān)測人員通過人工目視解譯的方式進行圍填海變化圖斑的篩查、研判、提取，并對圍填海變化圖斑進行現(xiàn)場踏勘或無人機核查，從而實現(xiàn)海域動態(tài)的實時監(jiān)測及圍填?；顒拥膰?yán)格管控。

相較于僅依靠現(xiàn)場踏勘方式開展的圍填海監(jiān)管，遙感監(jiān)測與現(xiàn)場結(jié)合的監(jiān)管方式有更大的優(yōu)勢。首先利用遙感監(jiān)測提取圍填海變化圖斑，然后現(xiàn)場踏勘確認所提取的圍填海區(qū)域，這樣可以簡化圍填海監(jiān)管工作，節(jié)約人力物力，提高監(jiān)管效率。通過嚴(yán)格監(jiān)管，全國違法填海行為得到有效遏制：24號文印發(fā)前，2018年1-7月，全國確認的違法填海面積總計187.48 hm2；而2018年7月25日24號文印發(fā)后至2019年7月，全國確認的違法填海面積僅約3.1 hm2[42]。由此可見，衛(wèi)星遙感監(jiān)測結(jié)合現(xiàn)場踏勘的監(jiān)管方式，達到“早發(fā)現(xiàn)”“早治理”的效果，有效地保護了海洋生態(tài)環(huán)境。

4.2 圍填海監(jiān)管遙感業(yè)務(wù)監(jiān)測存在的問題

基于我國圍填海衛(wèi)星遙感發(fā)展現(xiàn)狀和圍填海監(jiān)管現(xiàn)狀，我國圍填海衛(wèi)星遙感監(jiān)測在衛(wèi)星影像、分類體系、監(jiān)測技術(shù)3個方面存在以下問題。

(1)圍填海衛(wèi)星遙感影像存在的問題。我國自主研制的高分辨率遙感衛(wèi)星發(fā)展迅速，提高了圍填海監(jiān)測的覆蓋能力和監(jiān)管效率。但光學(xué)衛(wèi)星易受天氣影響，云、霧會遮擋或模糊目標(biāo)區(qū)域，且在有冰、雪等覆蓋物的情況下，圍填海邊界的識別會受到影響，圍填海信息提取的難度增加，從而影響海域動態(tài)變化的準(zhǔn)確判斷。

(2)圍填海衛(wèi)星遙感監(jiān)測分類體系存在的問題。在前述圍填海衛(wèi)星遙感監(jiān)測研究中，大部分衛(wèi)星遙感分類體系是參考原國家海洋局發(fā)布的海域使用分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合所用衛(wèi)星影像以及當(dāng)?shù)氐膰詈Ｌ攸c進行制定，多樣的衛(wèi)星遙感分類體系僅針對學(xué)者們各自的研究領(lǐng)域，分類體系差異較大，不能進行全國范圍的對比和綜合分析，滿足不了新形勢下全國范圍的圍填海監(jiān)管需求。

(3)圍填海衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)存在的問題。圍填海監(jiān)管遙感監(jiān)測工作采用人工目視解譯的方式，每月開展2次全國范圍的圍填海監(jiān)測，確保了圍填海監(jiān)管的全面性、時效性，但大大增加了遙感監(jiān)測的工作量，需投入較大人力。另外，人工目視解譯難免發(fā)生圍填海變化信息提取遺漏的問題，以及由于潮位、水位、養(yǎng)殖池干涸等原因造成的遙感誤判問題[43]。因此，完全依靠人工目視解譯進行圍填海信息提取將制約著圍填海監(jiān)管水平。

5 展望

本文從衛(wèi)星遙感監(jiān)測影像、衛(wèi)星遙感監(jiān)測分類體系、衛(wèi)星遙感監(jiān)測方法3個方面，闡述了衛(wèi)星遙感監(jiān)測在海域動態(tài)監(jiān)測中的研究進展，并進一步梳理我國現(xiàn)階段圍填海衛(wèi)星遙感業(yè)務(wù)監(jiān)測監(jiān)管的需求，認為今后的研究應(yīng)從以下3個方面入手：

第一，提高多元化遙感影像的應(yīng)用。為提高衛(wèi)星遙感監(jiān)測圍填海的能力，建議加大國產(chǎn)GF-3衛(wèi)星影像的研究應(yīng)用，彌補因為天氣原因?qū)е鹿鈱W(xué)影像不能有效監(jiān)測的問題。另外，鑒于無人機技術(shù)響應(yīng)快、機動靈活、成本低、風(fēng)險小、分辨率高的特點，其在海洋、電力、測繪、救災(zāi)和軍事等方面均得到廣泛應(yīng)用[44]，并已有效應(yīng)用到圍填?，F(xiàn)場踏勘和疑點疑區(qū)核查工作中，彌補了衛(wèi)星影像在空間和時間上的不足，建議利用無人機的三維成像能力對圍填海的圍填量進行深入評估，進一步深化圍填海監(jiān)管的技術(shù)保障。

第二，建立全國范圍的衛(wèi)星遙感圍填海監(jiān)測分類體系。目前國家已經(jīng)建立起較為完善的圍填海監(jiān)管體系，所用衛(wèi)星數(shù)據(jù)也基本穩(wěn)定，因此有必要根據(jù)衛(wèi)星遙感影像的技術(shù)特點和圍填海監(jiān)管的需求與評估要求，借鑒海域使用分類體系和學(xué)者們研究的遙感分類體系，制定系統(tǒng)、完善、統(tǒng)一的圍填海遙感分類體系和遙感影像解譯標(biāo)志，利于國家圍填海管理中的監(jiān)測結(jié)果匯總和評估。

第三，發(fā)展自動、高效、準(zhǔn)確的圍填海提取技術(shù)。在監(jiān)測頻率半月一次、圍填海面積小和事件少的新情形下，發(fā)展圍填海衛(wèi)星影像自動識別方法來解放人力、提高效率，就顯得非常重要。因此，可評估現(xiàn)有衛(wèi)星遙感圍填海監(jiān)測技術(shù)方法的適用性，進而篩選出高辨識、高效率、高精度的技術(shù)方法，并將其應(yīng)用到業(yè)務(wù)監(jiān)測監(jiān)管中。