基于GIS的海洋敏感区溢油敏感度分析研究

王会蒙，季民，孙勇

（山东科技大学 青岛市 266590）

海上溢油是海洋污染的超级杀手，对海洋自然生态环境和人类生活影响重大，直接影响海洋自然保护区、养殖区、生态区、滨海旅游区、其它海洋经济区等海洋敏感资源，这些敏感资源区也称为海洋敏感区。海上溢油具有物理和化学毒性，影响海洋植物的光合作用和鱼类的生长，毒化动植物，并消耗海水中的溶解氧，导致海洋生态系统失衡[1]。经过多年的发展，我国溢油污染应急体系的建设已有了长足的进步，但是仍然存在诸多问题，还不能完全适应国家航运发展与环境保护的要求[2]，主要表现在：溢油污染应急管理体制不足；溢油污染应急能力有限；海洋溢油污染应急决策指挥系统比较落后。

因此，必须全面加强海洋溢油污染应急反应体系建设[3]，这就要求需要重点建设溢油污染事件风险评估及应急响应决策信息系统。其中，该系统中的风险评估，溢油行为模拟和应急响应都是以溢油敏感区作为基础，确定溢油敏感度并将其可视化是整个溢油污染事件风险评估及应急响应决策系统的基础。所以，建立敏感资源优先保护程序，使溢油对生态、经济、社会生活产生的损失降到最低程度是至关重要的。

地理信息系统（GIS）技术发展迅速，在海洋领域也得到了广泛应用。利用ArcGIS Engine[4]软件研究开发基于GIS 的海洋敏感区溢油敏感度分析可视化系统，通过动态分析敏感区图层和生成的不同间隔的规则网格，特别针对包含多个敏感区的网格采用算数平均值法、最大值等方法，计算各个网格的敏感值大小，根据计算结果渲染并生成海洋敏感区专题图。针对敏感值较大的区域，采取优先保护的措施，将溢油危害的程度降到最低。

1 海洋敏感区分类体系

将所有可能受到溢油影响的资源按资源的重要性和可能受到的危害进行敏感区分类。环境敏感资源的具体内容和范围在不同的要求下有一定的标准，目前科学、系统、全面的溢油敏感等级划分标准体系尚不健全。针对有可能受到溢油影响的环境敏感资源，以资源本身的重要性为基础确定其敏感性，同时，适当考虑溢油可能造成的危害程度。海洋溢油敏感资源按其敏感程度分为4 类：A 类：非常重要资源，对溢油极为敏感；B类：重要资源，对溢油非常敏感；C 类：次重要资源，对溢油比较敏感；D 类：一般资源，对溢油敏感性一般。

敏感程度的确定取决于资源本身的价值，在考虑其价值作用的同时，分别将其经济价值、生态价值分为高、中、低三档，将特殊价值分为有、无两类，独立地进行归类评估，最后综合考虑环境敏感资源的因素。只有维护自然生态系统的自我修复能力，人类才能可持续地生存下去，经济价值以生态价值为前提，故在价值取向上侧重于生态价值的作用。

为此，将环境敏感性指数（ESI）[5]作为参考，该指数是NOAA 有毒物品反应评估处研制的用于美国沿海和大湖地区溢油应急反应敏感图制作的岸线敏感性指数[6]。ESI 原则上把岸线分为10 级，即ESI 由1-10 级，敏感性逐步增大，同时不同的ESI 级别分别代表不同的岸线类型，主要包括河口、湖岸、海岸、沼泽4 种类型，如表1 所示。此外，不同的ESI 数值还有相应的处理对策建议。

表1 ESI 岸线环境敏感指数分级标准内容

已有数据包括自然保护区、海洋特别保护区、旅游区、港区、锚地、产卵场等，根据区域保护类别和ESI 中对应的级别，将其分为4 个等级，一级数据对应国家级即A 类、二级数据对应省级即B 类，三级数据对应市级即C 类，四级数据对应县级及其以下即D 类。四类级别的敏感值大小参考ESI 分别设置为100、75、50、25 等值，并将其通过程序赋予敏感区图层的属性值。以海洋自然保护区数据为例，其敏感度赋值表如表2 所示。

表2 海洋自然保护区敏感度赋值表

2 系统设计

基于GIS 的海洋敏感区溢油敏感度分析可视化系统设计的目的是对敏感区图层网格化并计算出每个网格对应的敏感度值，将其渲染可视化给用户，为海洋溢油应急救援提供具有一定参考价值的专题图。整个系统架构分为数据库管理、图层动态管理、各图层中相应的敏感区赋值、网格划分。在数据库管理中主要是针对数据的导入与存储。图层动态管理包括各图层的导入、创建及其属性的显示。

网格的敏感度计算输出方法可以采用最大面积法、模糊数学的加权平均法、算数平均值法等。最大面积法即对每个网格无论有多少叠置的图层，只取面积最大的敏感度值作为此网格的最后敏感度值。加权平均法即将在网格中出现的不同敏感区对应的敏感度值乘以其面积，然后加总求和得到总体值，再除以总的面积。算术平均值法即对网格中的各敏感度取平均数。对于这三种方法的取舍，要根据实际情况来定，若分析敏感区时侧重面积可以使用最大面积法，把面积最大的敏感度值赋给该网格；若考虑敏感区图层的重要性可采用加权平均法，根据敏感区的重要性赋予不同的权重来计算网格的值；而算数平均值法则适用于各敏感区图层权重相等，通过算数平均来计算该网格的敏感度。海洋敏感区溢油敏感度分析可视化系统的整体框架如图1 所示：

图1 系统架构设计

3 系统核心功能实现

3.1 规则网格的绘制与裁剪

从GIS 的空间信息上讲，网格的划分有规则网格划分和不规则网格划分两种。规则的网格划分主要是以整个地球表面为研究背景的网格划分，从而有效地描述地球表面的空间位置关系，以解决GIS 空间定位、空间检索机制等方面的问题[7]。不规则网格划分主要是为满足管理需求进行的各级行政单元划分。

规则网格的划分可以基于多面体划分的地理网格，也可以基于地理坐标划分的地理网格，前者是利用球体的内接正多面体作为划分的基础，而后者是按经纬度划分的。

规则网格在GIS 中的矢量表达是基于经纬度划分的地理网格。根据研究区范围设置生成网格的起始点和终止点，系统将根据设置的网格大小自动生成该区域的网格图层，然后利用陆地边界将网格图层裁剪，得到只有覆盖研究海区的图层。结合导入到系统中的不同类型的敏感区图层，采用设置好的计算敏感度的方法为每个网格赋值；最后利用网格的敏感值和ESI 标准生成专题图。系统也可以将矢量的网格图层栅格化，得到敏感区的栅格图层，为以后的分析提供不同的数据类型。

3.2 网格敏感度计算功能

绘制网格面之后，需要对网格面进行敏感度值计算，网格敏感度计算的主要原理是网格空间索引[8]，其基本思想是将研究区域用横竖线条划分大致相等或不等的网格，记录每一个网格所包含的空间实体。当用户进行空间查询时，首先计算出用户查询对象所在的网格，然后再在该网格中快速查询所选空间实体，这样大大加速了空间对象的查询速度。通过各个图层的叠置分析，获取落在每个网格里的敏感区图层的属性值即敏感值的大小，各类图层包括国家级、省级、市级、县级4 个等级。在一个网格中可能会出现多个级别同时存在，如国家级图层和省级图层的数据相邻，相邻的部分恰好出现在同一个网格内，那么这个网格就有两种等级的图层数据；一个网格内也可能有同一级别但不同类型的敏感区，针对这种情况，可以根据研究的侧重点采用最大面积法、加权平均法、算术平均值法来计算网格的敏感度值。通过网格与不同的保护区图层进行叠加，得到网格内的敏感度值，并根据网格敏感度的大小进行可视化渲染，直观的展示海上敏感区的分布和对溢油风险的敏感程度。网格敏感度计算的算法流程如图2 所示。

根据上述流程图和沿海岸线绘制的网格面，计算后的初测效果如图3 所示。

利用渤海地区的敏感区实验数据，参考ESI的颜色标准（表3），对网格计算的敏感区图层敏感值的大小按照ESI 颜色标准进行渲染。红色区域代表重度敏感区，橙色代表高度敏感区，黄色代表中度敏感区，绿色代表轻度敏感区。这样可以清楚表达出溢油敏感区敏感度值大的区域，尤其是针对多种敏感区叠加的部分。为溢油紧急救援决策的提出提供重要的参考依据。最终输出效果如图4 所示。

图2 网格敏感度计算的算法流程图

图3 网格敏感度计算界面初测

表3 颜色标准（ES）I

图4 网格敏感度计算专题图输出

4 结 语

通过开发的基于GIS 的海洋敏感区溢油敏感度分析可视化系统，利用空间分析功能和各种溢油敏感区图层，可以实时计算出每个网格的敏感度值并赋予对应的等级颜色，根据输出的专题图，针对敏感度大的区域及时采取优先保护措施，可以极大减少海上溢油对保护区污染的程度，提高评估海洋敏感区溢油风险度的效率，满足敏感区溢油风险度评估的基本需求，具有较强的操作性和实用性。

由于研究所用敏感区图层属于渤海区域的小部分数据，仅以此作为实验数据，还需要通过更多的数据加以验证，设计高效、快速、实时、共享的海洋溢油敏感区数据库，建立敏感区敏感度分析计算功能全面、高效实用、综合的可视化系统，从而进一步提高海洋敏感区评估水平，在海洋溢油应急响应方面体现出巨大的经济效益和社会效益。

[1] 王传远，贺世杰，李延太.中国海洋溢油污染现状及其生态影响研究[J].海洋科技，2009.

[2] 牟林，李欢.渤海溢油应急预测预警系统的研发与应用[J].海洋信息，2012.

[3] 陈红，雷婷，张灿等.美国墨西哥湾溢油应急响应机制和技术手段研究及启示[M].国家海洋环境监测中心，2011.

[4] 张丰，杜震洪，刘仁义.基于ArcGIS Engine 的C#开发实例[M].杭州：浙江大学出版社，2012.

[5] 王祖纲，董华.美国墨西哥湾溢油事故应急响应、治理措施及其启示[J].国际石油经济，2010，18（6）.

[6] 沈清，陈晔霞，俞美香.发达国家环境敏感指数图项目的设计[J].环境科技，2014.

[7] 彭明军.城市空间信息多级网格研究[A].中国地理信息系统协会第四次会员代表大会暨第十一届年会论文集[C].北京，2007.

[8] 李德仁，朱欣焰，龚健雅.从数字地图到空间信息网格-空间信息多级网格理论思考[J].武汉大学学报，2003，28（6）.