基于高空间分辨率遥感影像的港口区集约利用监测与评估——以渤海5个典型港区为例

李序春，徐惠民，索安宁

(1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁 大连 116029；2.国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023)

21世纪以来，随着全球经济一体化进程的快速推进，我国外向型经济发展逐年壮大，大型石化企业、钢铁基地、工业园区在沿海地区迅速崛起，带动了沿海港口的深水化、大型化发展[1].据统计截至2016年底，我国沿海已建成运营的沿海港口超过50个，万吨级泊位将近1 500个，吞吐量超过亿吨的港口超过19个，其中宁波-舟山港、上海港、天津港、广州港、唐山港和青岛港年吞吐量都超过5亿t，稳居全球十大港口之列[2-3].全国沿海大规模的港口码头建设占用了大量的自然海岸线、滨海湿地、近岸海域和临岸土地等海岸空间资源，成为近年来我国海域资源集约化利用管理的重点区域之一[4].有关学者分别从港口用地集约利用评价[5-7]、港口岸线集约化利用[8-10]、港口与腹地经济关联性[11-12]等方面开展了大量的研究，建立了基于统计数据的港口用地集约利用评价指标体系.遥感技术作为一种全新的对地观测手段，广泛地应用于气象预报、灾害监测、土地利用、生态观测等领域，而空间分辨率优于5.0 m的高空间分辨率卫星遥感技术的快速发展，则为更为细致的地表结构监测分析提供了可行的技术途径.利用高空间分辨率卫星遥感影像开展港口内部结构监测分析，探索建立港口区空间资源集约利用管控基准，以此为基础进行港口区集约化利用评价，可为港口资源的潜力挖掘和集约化管理提供技术依据.这对于提升港口集约化利用管理，提高港口区域空间资源的利用效率具有重要的意义.本研究选用高空间分辨率的国产GF-2和GF-3卫星遥感影像，建立了面向对象的港口空间格局遥感监测技术流程，构建了港口区集约化利用评价指标，并以渤海区域5个典型港区为例开展了实证研究，以期探讨港口空间格局的基本结构，为优化港口内部结构，提高港口空间资源集约利用水平提供技术参考.

1 材料与方法

1.1 渤海区域港口概况

渤海区域是环渤海经济区的核心区域，由沿渤海的辽宁省、河北省、天津市和山东省环抱而成.渤海海域面积约7.8万km2，水深平均为18 m，区域内四季通航，不冻不淤，有大小港口60余个，既有全国核心港口大连港、天津港、营口港，也有区域重要港口锦州港、葫芦岛港、烟台港、京唐港、秦皇岛港，年均货物吞吐量超过亿吨的港口有7个[13].本研究选取港口空间结构完整的营口鲅鱼圈港区、锦州港区、京唐港区、烟台芝罘港区、烟台龙口港区作为典型港区，5个港区的空间位置见图1.

图1 渤海地区5个典型港区地理位置Fig.1 Geographical location of five typical ports in the Bohai Sea region

1.2 研究方法

1.2.1 数据源及数据预处理 本研究收集到覆盖渤海区域5个典型港口的国产GF-2和GF-3卫星遥感影像5景，各景卫星遥感影像的采集时间见表1.遥感影像前期所要进行的图像预处理(大气校正和辐射校正)在影像接收站已完成处理，本研究着重对遥感影像进行了几何精校正处理，步骤如下：①在所选港口周边均匀布设地面控制点25个；②使用移动式GPS与高精度的RTK到港口内部对控制点进行现场定位；③在ENVI软件中对卫星遥感影像进行几何精校正[14-15]；④结合地面实测点进行对比并查验校正精度.

其他数据包括5个典型港区的2014、2015、2016年的吞吐量数据，来自于5个港区的报表数据及港口统计年鉴[16-18].

1.2.2 港口内部组成单元的分类与界定 根据港口内部单元的功能用途，将港口空间组成划分为码头、港池、防波堤、堆场、道路、港口基础管理设施以及未利用地等.码头通常是由透水构筑物或非透水构筑物组成，空间形态上表现为单突堤式或多突堤式码头、顺岸式、T型、F型、L型码头等.空间分辨率优于5.0 m的高分辨率遥感影像可以清楚的看到码头区域的起重机等装卸设施.由于我国码头岸线多为直立式，所以码头的范围主要是码头水边线到后方堆场之间的区域，码头与后方堆场等区域的分界线在一些区域遥感影像上可以直观判定，对于另外一些卫星图像难以分辨的区域，则需要人为现场查看界定.港池为邻接码头的近岸水域，在遥感影像上与海洋的水体颜色一致.防波堤大多数呈“一”字型分布，位于港池最外围水域，大部分港口会在港口最外围设置多条防波堤来减弱海上波浪对港口内停泊船只影响.堆场绝大部分位于码头后方延伸区的平地，用来堆放进出港口的船只装卸的货物和原料，多数是由填海造地形成的土地和直接利用港口后方原有土地建设形成.港口内道路与其他区域道路色调一致，主要是为了连通港口内码头、堆场与进出港口的道路，便于货物的集散.港口内基础管理设施主要为楼房等建筑物密集分布的区域，同其他工业区、城镇区内的建筑物相类似.未利用地是指港区内尚未开发利用的闲置区域.港口区各类组成单元的具体地表特征描述如表2所示.

表1 渤海地区5个典型港口的卫星遥感影像参数Tab.1 Parameters of five typical ports from satellite remote sensing image in the Bohai Sea region

表2 港口各组成单元地表特征描述Tab.2 Description of surface function characteristics of each component unit of port

1.2.3 港口空间格局遥感监测方法 根据港口空间组成及其地表类型特征，以高空间分辨率遥感影像作为基础数据，结合现场调查和相关资料，构建面向对象的港口空间格局遥感监测分类方法.首先，对高空间分辨率卫星遥感影像进行尺度分割.尺度分割主要是依据相同的光谱特征和空间邻接关系将遥感影像划分成像素群的过程，期间既可以生成分类对象，又可以将分类对象按等级结构连接起来[19].其次，建立港口地表类型分类知识数据库，也就是通过港口各个组成单元的地表影像光谱特征、形状特征以及纹理特征等建立港口地表类型遥感影像特征库[20].再次，根据建立的港口地表类型遥感影像特征库定义样本对象，同时插入分类器对尺度分割后的影像进行面向对象分类.最后，采集地面验证点，并对以上分类结果进行精度查验，保证遥感影像分类准确率达到90%以上.具体技术流程图如图2所示.表3为港口区域各组成单元地表遥感影像特征.

图2 面向对象的港口内部空间格局分类技术流程图Fig.2 Object-oriented technology flow chart for the pattern classification of port inner space 表3 港口区各地表组成类型遥感影像特征Tab.3 Remote sensing image characteristics of each component unit of port ground surface

序号地表类型图像特征形状与纹理特征样本1码头码头区域主要呈亮灰色,位于港池和堆场之间,由于水体颜色呈暗灰色、灰蓝色,码头后方堆场由于摆放货物,色彩各异,所以码头区域十分明显.对于另外个别卫星图像难以分辨的区域,则需要人为现场查看界定码头呈突堤状深入港池水域,或顺岸邻接水域,码头区域呈亮灰色条带状分布于堆场和港池之间,有许多码头装卸设施2港池港池内水域呈现暗灰色或灰蓝色等邻接码头的水域,环抱式港口内港池由码头与防波堤环抱合围而成;开放式港口港池主要为码头邻接水域3防波堤防波堤呈亮灰色,与周边水域暗灰色形成明显对比处于码头与港池最外围,呈细长的带状分布4堆场堆场地面呈现亮灰色,堆放货物之后的堆场因货物颜色外表不同,色彩各异处于码头后方的大片平整空旷区域,因堆放货物不同,形状与纹理各异5道路与周边堆场地面色彩相近,但颜色比较均一连接港口内部各功能单元之间的带状相互连通区域,表面相对平整6港口基础管理设施因建筑物顶部材质不同而色彩不一建筑物密集分布,形状大小差别较大7未利用地因地表覆盖类型不同,呈不同颜色,裸露区为灰色,植被区为绿色地表相对平整,没有利用纹理特征

1.2.4 港口区集约利用评估指标 港口区集约利用评估主要从两方面着手，一是港口各组成类型单元的结构比例，主要反映港口区组成结构是否合理，是否存在某些面积超过一般比例的组成类型，根据港口空间集约利用管理目标，本研究创建的主要评估指标包括码头指数、堆场指数、港池指数、深水岸线指数；二是港口区的利用效率，主要反映港口区吞吐量是否饱和，按照一般情况还有多大潜力可以挖掘，主要评估指标为港口效率指数.

①码头指数.码头指数为单位码头岸线邻接的码头区域面积，即为码头区域总面积除以码头岸线长度，计算方法为：

(1)

式(1)中:MI为码头指数，si为第i段码头面积(hm2)，li为第i段码头岸线长度(km).

②堆场指数.堆场指数为码头后方堆场面积与码头海岸线长度的比例，计算方法为：

(2)

式(2)中:DI为堆场指数，aj为第j个堆场的面积(hm2)，m为堆场个数，其他同上.

③港池指数.港池指数为港池面积与码头海岸线长度的比例，计算方法为：

(3)

式(3)中：GCI为港池指数，Sc为港池总面积(hm2)，其他同上.

④深水岸线指数.深水岸线指数为港口区域码头岸线长度与港口区域海岸线总长度的比例，计算方法为：

(4)

式(4)中：PL为深水岸线指数，li为第i段码头深水岸线长度(km)，n为港口内深水岸线总段数，L0为港口海岸线总长度(km).

⑤港口效率指数.港口效率指数主要反映港口利用的效率情况，采用单位码头岸线的年货物吞吐量表示，计算方法为：

(5)

式(5)中，CLU为港口效率指数，T为港口的年平均吞吐量(万t)，Ls为码头岸线长度(km).

2 结果与讨论

2.1 渤海5个典型港区港口空间格局组成

渤海5个典型港区的空间格局如图3所示，港口区基本组成包括码头、港池、堆场、防波堤、道路、港口基础管理设施、未利用地共7种不同功能的利用类型.

渤海5个典型港口组成结构见表4.在港口空间规模方面，营口鲅鱼圈港区面积最大，为5 690.61 hm2；其次为京唐港区，面积2 703.09 hm2，不到营口鲅鱼圈港区的一半；锦州港区、烟台芝罘港区和烟台龙口港区面积都在1 000 hm2左右，其中锦州港区面积最大，为1 352.47 hm2.从港口所拥有海岸线总长度来看，营口鲅鱼圈港区拥有41.91 km的海岸线长度，京唐港区和烟台龙口港区为17.68 km和17.48 km，烟台芝罘港区有15.70 km的海岸线，锦州港区只有9.23 km的海岸线.其中在码头岸线长度方面，营口鲅鱼圈港区拥有22.04 km的码头岸线，烟台芝罘港区和京唐港区分别拥有13.26 km和12.71 km码头岸线，烟台龙口港区有9.86 km码头岸线，锦州港区码头岸线与海岸线相同，为9.23 km.在码头面积上，营口鲅鱼圈港区依然面积最大，达152.88 hm2，是面积最小的锦州港区码头面积的3倍，而在港池面积上营口鲅鱼圈港区依然位居第一位达到3 119.04 hm2，占总面积的54%.港池最小的烟台芝罘港区仅为295.76 hm2，占总面积的29%.堆场面积方面，营口鲅鱼圈港区以1 393.26 hm2位居第一位，堆场面积占比达25%，堆场面积仅有434.88 hm2的烟台港，堆场面积占比高达43%.

另外，5个港口都有一定比例的未利用地，营口鲅鱼圈港区高达607.17 hm2，约占港口总面积的10%；京唐港区有471.46 hm2的未利用地，占港口总面积的高达17%，烟台龙口港区与锦州港区未利用地面积分别占港区总面积的8%和5%，烟台芝罘港区未利用地面积仅占总面积的1%.

2.2 渤海5个典型港区空间格局

对比分析渤海5个典型港区的空间格局，具体见表5.码头是港口区装卸货物的区域，面积一般随码头岸线长度变化.5个港口区中京唐港区码头指数较大，为9.35，锦州港区最小，为5.36，其余3个港区都在6.50～7.00之间，说明码头区域集约利用程度都比较高.5个港区的堆场指数变化比较大，烟台芝罘港区和烟台龙口港区相对比较小，分别为32.79和31.80，而营口鲅鱼圈港区、京唐港区和锦州港区堆场面积比较大，堆场接近前者的2倍，分别达到63.21、62.04和69.43.港池指数方面，营口鲅鱼圈港区港池指数远远大于其他4个港区，达到141.51，处于第二位的京唐港区为85.90，其他3个港区港池指数等比较小，分别为锦州港区41.51、烟台芝罘港区22.30、烟台龙口港区39.02，说明营口鲅鱼圈港区的港池面积比例偏大.深水岸线指数方面，锦州港区深水岸线指数最高，为1.00，说明锦州港区海岸线已全部开发成码头深水岸线；烟台芝罘港区和京唐港区深水岸线指数分别为0.84和0.71，港区海岸线利用比例比较高；营口鲅鱼圈港区和烟台龙口港区深水岸线指数最小，分别只有0.52和0.56，海岸线利用比例有待提高.

图3 渤海5个典型港口空间格局Fig.3 Spatial pattern of five typical ports in the Bohai Sea region

表4 渤海5个典型港口分类数据统计Tab.4 Statistics of classification data of five typical ports in the Bohai Sea region

表5 渤海5个典型港区空间格局集约利用指数Tab.5 Spatial pattern intensive utilization indexes of five typical ports in the Bohai Sea region

2.3 渤海5个典型港区利用效率

结合近年来5个典型港区的货物吞吐量，计算5个港区的港口效率指数(图4).可以看出，京唐港区的港口效率指数最大，达到1 712万t/km，说明京唐港区港口利用效率最高，单位岸线货物吞吐量超过1 700万t；其次是营口鲅鱼圈港区，港口效率指数为1 486万t/km，港口利用效率也比较高；烟台芝罘港区和锦州港区港口效率指数接近，分别达到1 078万t/km和956万t/km，而烟台龙口港区港口效率指数最小，仅为708万t/km，可见港口利用效率稍低.

图4 渤海地区5个典型港区利用效率对比Fig.4 Comparison of utilization efficiency of five typical ports in the Bohai Sea region

2.4 讨论

以码头岸线为基准，对比分析渤海5个典型港区组成单元的面积比例.营口鲅鱼圈港区码头指数6.93 hm2/km，堆场指数63.21 hm2/km，港池指数141.51 hm2/km，综合分析码头岸线与码头面积、堆场面积、港池面积的基本比例为1.00∶6.93∶63.21∶141.51.也就是说营口鲅鱼圈港区1.00 km码头岸线对应的码头装卸区域6.93 hm2、堆场63.21 hm2、港池141.51 hm2.同理可以得出：烟台芝罘港区码头岸线与码头面积、堆场面积、港池面积的基本比例为1.00∶6.52∶32.79∶22.30；烟台龙口港区码头岸线与码头面积、堆场面积、港池面积的基本比例为1.00∶6.66∶31.80∶39.02；京唐港区码头岸线与码头面积、堆场面积、港池面积的基本比例为1.00∶9.35∶62.04∶85.90；锦州港区码头岸线与码头面积、堆场面积、港池面积的基本比例为1.00∶5.36∶69.43∶41.51.如果取5个港区码头指数、堆场指数和港池指数的平均值，则一般情况下港口组成平均基本比例为1.00∶6.96∶51.85∶66.05，也就是说渤海区域平均1 km码头岸线需要6.96 hm2码头、51.85 hm2堆场和66.05 hm2港池.考虑到不同港区的空间结构差异，以渤海区域平均结构比例为比照，营口鲅鱼圈港区的堆场和港池的面积都偏大，尤其是港池面积远远超过区域港口结构的平均比例；京唐港区的码头、堆场和港池面积都偏大；锦州港区的堆场面积比例超过区域平均值；烟台芝罘港区和龙口港区港口结构比例都小于区域平均比例，空间资源配置相对节约.

对于港口利用效率，渤海区域5个港区中，营口鲅鱼圈港区和京唐港区都是亿吨级港区，2017年最高吞吐量分别达到28 800、29 000万t，港口利用效率最高，营口鲅鱼圈港区每千米港口岸线的吞吐量也达到1 486万t，京唐港每千米港口岸线年货物吞吐量达到1 712万t.如果以这两个利用效率较高的港区港口效率指数的平均值1 600万t/km为标准，则吞吐量较小锦州港区、烟台芝罘港区和龙口港区分别可提升年货物吞吐量5 940、6 909、8 795万t.

另外，营口鲅鱼圈港区有两块总面积达607.17 hm2的未利用土地，有可利用深水岸线5.87 km，如果依据现有的鲅鱼圈港区码头岸线利用率来计算，鲅鱼圈港区仍有每年8 722万t货物吞吐量的提升空间，可形成港口码头区域40.80 hm2，堆场区域371.75 hm2.京唐港区也有总面积达471.46 hm2的未利用地，有可利用深水岸线5.6 km，如果依据现有的码头岸线利用率来计算，京唐港仍有每年9 587万t货物吞吐量的提升空间，可形成港口码头区域52.41 hm2，堆场区域347.64 hm2.

3 结论

港口区域是海域资源集约利用监管的重要区域.本研究利用高空间分辨率卫星遥感影像，建立了面向对象的港口空间格局遥感监测技术方法，从港口空间结构组成和港口利用效率2个方面构建了港口区集约利用评价的主要指标，并以渤海区域的营口鲅鱼圈港区、锦州港区、京唐港区、烟台芝罘港区和烟台龙口港区为典型区域，开展了港口区集约利用监测与评估实证研究.通过对渤海5个典型港区空间格局遥感监测与评估，建立了港口空间格局基本比例结构和码头岸线利用效率标准，可作为港口区集约利用评估和潜力挖掘的参照依据.希望本研究的研究思路与结果能对我国港口区集约利用监管有所启发.