海洋特别保护区数字化监测研究——以海州湾国家级特别保护区为例

李 妍，赵新生

（连云港市海湾生态与自然遗迹海洋特别保护区管理处，江苏 连云港222001）

1 引言

海洋特别保护区是海洋生态保护的重要手段之一，也是海洋生态文明建设不可或缺的一环。海州湾国家级海湾生态系统与自然遗迹海洋特别保护区自2008年成立以来，一直致力于实现对保护区的有效管理，并取得了初步进展。但较之以陆地保护区，海洋保护区远离陆地，缺乏监管手段，实现实时监控有一定难度。在国家大力建设“数字海洋”的背景下，以实现对保护区海域监测的动态化、可视化、智能化的立体监测为目标，开展保护区数字化监测研究，对于合理开发利用海洋资源、保护海洋生态，减少保护区资源管护、巡护的人力、物力投入，推进保护区信息化建设，促进海洋生态文明建设，具有重要的实际意义。

2 保护区基本情况

海州湾海洋特别保护区以秦山岛为中心划定，南侧和西侧以现有海岸线为界，东侧和北侧界限依据连云港人工鱼礁工程区的东界和北界划定，总面积达490 137km2。保护区按功能划分为4个区：生态保护区、资源恢复区、生态环境整治区各一块，开发利用区两块。

保护区获批之后，成立了海洋生态特别保护区管理处，挂靠连云港市海域使用保护动态管理中心，为副处级事业单位，内设生态保护科，总编制24人。出台了《保护区管理暂行办法》。开展实施保护区及功能区界标识工程，对保护区四址及生态保护区界线等进行标识。建设保护区海上管理平台，用于渔业增养殖、休闲垂钓、海上旅游、海上执法管理和环境监测预报等多种用途。开展海洋牧场等资源修复工作，自2012年已累计完成建设资金5 568万元，投放人工鱼礁179 784.73空m3，形成海洋牧场130km2，海州湾海域的海洋生物资源得到了较好恢复，取得了良好的生态效益、社会效益和经济效益。

3 存在问题

虽然保护区成立以来，做了许多工作取得了一定的成绩，但也要看到其中存在的问题。

（1）在海洋行政管理中的参与度不够，保护区管理处的职能未能完全发挥。2009年3月在连云港市政府高度重视下，成立连云港市海州湾海湾生态与自然遗迹海洋特别保护区管理处，是直属连云港市海洋与渔业局副处级事业单位，是在原市海域使用保护动态管理中心基础上增挂管理处牌子，一套班子，两套牌子。科室布局及人才配备不能够完成胜任保护区管理处的管理职能。如：没有独立的科研、环境监测，以及执法部门。

（2）保护区建设经费有限。资金是保护区工作开展以及正常运行的首要保证。现阶段海州湾海洋特别保护区的资金来源主要是向国家或省级项目主管部门申请保护区内的部分建设项目争取资金。而大部分项目的建设还需要自筹资金。从实际情况来看，若要依靠项目建设资金来推动保护区长期高效的发展较为困难。海洋保护区与陆地上的保护区不同，对基础设施、科研水平要求相对来说要高很多。资金投入不足将会直接影响到保护区日常工作的展开。

（3）没有形成对保护区管辖范围的常规监测。目前，管理处的监测重点仍然延续以往的重点用海项目的监视监测。而保护区的管理范围大部分都在海上，常规的陆地监测手段不能完全适应海上监测的需要。而使用人力巡航，一是人员数量不够，二是经费不够，难度很大。

4 保护区监测方案研究

针对以上保护区管理面临的难题，拟通过采取科学、合理、有效的措施，利用包括三维立体监管体系在内的多种技术手段对保护区实施动态监视监测，为提升保护区管理提供可供借鉴的技术手段，做有益的尝试和探索。

4.1 监测手段

监测手段的确定是实现业务化遥感监测的基础环节。对于本项目研究的保护区而言，可采用无人机航空、卫星遥感和现场综合的监测手段，无人机航空遥感具有高空间分辨率的优势，卫星遥感虽然只具有中空间分辨率，但具备高时间分辨率重访监测的特点，现场监测虽然费时费力，但具有监测精度高的优点，同时可为上述遥感手段提供验证。对于海州湾海湾生态与自然遗迹海洋特别保护区而言，航空、卫星和现场联合的监测技术手段，能够提供大面积、实时或准实时、高精度的监测数据，而且连云港市海域使用保护动态管理中心已经具备无人机航空、卫星遥感和现场监测综合的技术能力。

4.2 监测范围

监测范围的确定是实现业务化遥感监测的首要环节。对于保护区遥感监测范围而言，其内部以及周边相邻地区受到不同程度的人类活动影响，而且周边相邻地区对保护区内部也有着不可分割的影响，因此在保护区的遥感监测中，对周边相邻地区的遥感监测也是必不可少的。而周边地区的范围如何确定，要根据保护区所处地域特点、受到人类活动影响程度、遥感监测的工作量等来确定。

海州湾海洋特别保护区处于海岸带区域，人类开发活动对其影响较大，因此在保护区的遥感监测中，对周边相邻地区的遥感监测也是必不可少的。海州湾监测范围如图1所示：

4.3 数据源

能够及时获取适合监测需求的遥感数据是遥感技术业务化应用的关键基础环节，一旦实现业务化应用，对遥感影像数据的需求量将是很大的。

目前连云港市海域使用保护动态管理中心拥有测绘型固定翼无人机和监视型悬翼无人机（图2、图3），可获取保护区重点目标的0.02m高分辨率的遥感影像和现场视频资料（图4、图5）。

4.4 监测频次

遥感监测频次的选择是业务化遥感监测的重要环节，频次的选择要综合考虑发生的某些自然或人为事件对不同监测要素的影响程度。针对监测范围的重点程度不同，保护区内核心区、缓冲区和实验区的管理保护以及受到人类活动影响的程度不同，因此，重点区域如核心区应选择具有高空间分辨率的无人机航空和现场监测手段，大面的监测采用高时间分辨率的卫星遥感影像来进行，如 HJ－1A/1B的时间分辨率为2d，满足监测需求。

国家海洋局发布了《海洋自然保护区监测技术规程》，要求在保护区建成后，对保护区要进行每年两次的常规现场监测，可选择5、10月份，每次监测采样时间应与上一年相同。通过与实地的沟通了解，保护区所采取的人工巡护频次因3个区的划分而不同，由于核心区是保护区所属的具有代表性自然地带，由原生性自然生态系统组成，是保护区的核心，因此该区每天都要进行人工巡护；而缓冲区是核心区外围的半开发地区，某些程度上已受到人类活动的影响和破坏，但仍有可能恢复为原生性生态系统的地段，缓冲区可以开展试验性或生产性研究，其主要作用是缓和对核心区的破坏，因此该区的巡护频次分为定期和不定期，定期的一般是一周一次，遇有突发临时事件会加强巡护；实验区是缓冲区周围地段，这一区域主要用于合理开发、利用自然资源的研究，为当地环境保护及自然资源合理开发利用提供示范作用，该区的巡护频次同缓冲区。遥感监测在保护区的频次要综合考虑以上两点，以及成本、工作量等方面的因素，从高分辨率和低分辨率两种遥感数据源考虑，以高频次的低分遥感数据作为低频次的高分遥感数据的补充，建议对于高分辨率遥感监测数据源，在核心区以季度为单位进行遥感监测，缓冲区可以半年为单位，实验区和周边地区以年为间隔来进行遥感监测；对于低分辨率遥感监测数据源，遥感监测频次在核心区可两个月一次，缓冲区为一个季度一次，实验区和周边地区为半年一次，并且整个研究区的监测频次要根据突发的某些自然事件或人为干扰而进行随时的调整。

4.5 监测要素

《海洋自然保护区监测技术规程》要求，所有海洋保护区都要对下列要事进行监测。

（1）海域环境要素进行监测。主要监测项目包括水温、盐度、溶解氧、汞、镉等化学元素，另外还应对生物介质中污染物含量进行监测；

（2）人为活动影响状况监测，包括旅游、交通、海水养殖、海洋捕捞、资源开发等人为活动对保护区生境及保护对象的影响状况进行监测；

（3）保护对象监测，包括各类生态系统以及保护种类的种群结构等。

“908专项海岛海岸带卫星遥感调查”的调查要素包括：岸线、潮间带、土地利用、植被、湿地、围填海、港口、排污口等14个类型。结合《规程》和卫星遥感调查能力，在确定了研究区域的地物分类体系的基础上，基于对自然保护区的胁迫因素的分析，确定研究区域业务化遥感监测要素，监测要素包括：潮间带、土地利用、植被和湿地。其中，对某些适宜生境类型以及受到人类活动影响较大的地物类型，进行重点监测。另外，还应对要素的现状、要素的变迁状况等进行遥感监测。要素的现状是依据监测频次，对要素的面积和分布等进行监测，并对面积、所占比重做统计分析，绘制相应的统计图、表等。要素的变迁状况是根据要素在各个频次所记录的现状进行对比分析，得出遥感监测动态变化图，进而为保护区的下一步管理和保护工作的开展提供依据。

4.6 专题图制作

要素专题图的制作是针对信息提取的结果，基于对遥感监测要素的考虑，进行制图输出，出图的内容包括：

（1）图框：所有要素专题图均采用统一的图框样式，本文中所生成的专题图采用单线样式，30′间隔的经纬度外框；

（2）注记规范：包括要素图名、基础地理、行政注记、县级行政界线等，要素图名统一按照“＊＊年＊＊保护区遥感监测专题图（××）”，其中＊＊处填写专题图制作时所依据遥感影像的年份以及具体的保护区名称，××处填写专题图所属的类型；基础地理主要包括待输出的各要素；行政注记包括保护区所涉及到的区、县（市）；行政界线主要是县级行政界线；

（3）图面整饰：包括比例尺、指北针、图例以及文字说明的统一设置。

4.7 现场踏勘

现场踏勘所获取的数据主要服务于遥感影像的预处理、遥感解译标志库的建立等。可以在遥感监测区域搭建GPS平台和现场观测平台，实现现场数据的实时采集，包括地面控制点和现场照片以及视频数据的采集。利用精准的地面控制点，对遥感影像进行几何校正；利用现场照片和视频数据，建立监测区域遥感解译标志库。

地面控制点位置和数量的选择对于遥感影像的预处理是很重要的。首先要选择原始影像上影像纹理清晰、特征明显、易于识别地面突变点的地方，来作为控制点，如线状地物的交角或地物拐角处、道路的交叉口、河流和沟渠的分叉处、养殖池塘拐角处等，角度范围最好是30°～150°。其次是控制点数量的选择，理论上控制点的数目越多精度越大，但还要兼顾校正工作量大的问题，因此在实际操作中要根据原始影像的几何畸变程度确定。

不同的遥感数据源对控制点精度以及数量的要求不同，但无论是哪种数据源，精度要求控制在影像的1个像元以内，针对本文所采用的遥感数据分辨率均为30m，因此控制点精度应该小于1个像元单位即30m；控制点的数量是针对几何校正时所选取的方法而言。中误差控制在1个像元以内，满足精度要求。地面控制点利用信标差分GPS（DGPS）进行采集，DGPS接收交通部海事局在沿海设置的无线电导航信标台所发射的差分修正信号，使得所采集的控制点的定位精度达到亚米级。实地控制点测量记录时，除记录测量控制点的位置及周围地物信息之外，还应准确标记控制点所在路口的准确位置。

解译标志体现了遥感影像地物信息的构像结果与现场观测的地物类别间的对应关系，是对遥感影像进行准确解译的基础和依据。影像解译之前，通过实地踏勘的方式建立影像中地物类型的遥感解译标志是非常重要和必要的。解译标志的建立方式：在踏勘之前，根据经验对影像进行初步的地物判读，制作地物判读图，获得未知地物、不能确定地物和重点调查地物类型的位置和分布，加以标记，以备踏勘时了解和确认；踏勘中，到达标注地物所在区域，在确定其与遥感影像中情况无明显差别后，辨认实地地物类型与分布情况，做记录并拍照；踏勘之后，以研究区域中地物分类体系为纲，利用遥感影像截图和文字描述或加配现场照片的方式建立解译标志。

5 结语

近日，国家海洋局印发了海洋生态文明建设实施方案，明确提出要开展国家级海洋保护区规范化能力提升工程。而监测能力是实现对保护区有效管理的重要途径之一，通过对保护区数字化监测进行研究，为实现对保护区行之有效的监视监测做了有益的探索。最终将提高保护区管理工作的效率，提升管理水平，为海洋资源的有序开发和海洋开发的综合决策提供技术支撑。

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