基于生态系统的海洋功能区划信息系统研究与应用

张盼盼 滕欣 赵奇威 王双 康琬超

（国家海洋技术中心 天津市 300112）

《中华人民共和国海洋环境保护法》和《中华人民共和国海域使用管理法》明确提出中国海洋功能区划制度是我国海洋使用管理的基本制度[1]。我国共编制了三轮海洋功能区划。第一轮编制时间是1989-1993年，第二轮编制时间是1999-2004年，实施期限至2010年，第三轮编制时间是2009-2012年，实施期限至2020年。2019年5月国务院发布的《中共中央国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》指出将主体功能区规划、土地利用规划、城乡规划等空间规划融合为统一的国土空间规划，实现“多规合一”，强化国土空间规划对各专项规划的指导约束作用。自然资源部发布的《自然资源部关于全面开展国土空间规划工作的通知》要求建立国土空间规划体系，将海洋功能区划纳入国土空间规划，形成统一的国土空间规划，强调了海洋空间规划的重要性[2]。

海洋信息数据在海洋基础性、战略性研究中具有重要作用，是编制海洋功能区划的基础，为了更好地开发、利用和管理海洋，必须掌握和管理海洋信息数据，进而做好顶层规划设计。王厚军[3]等对围填海项目的海域使用动态监视监测情况进行了全面介绍，为相关的技术规程的编制和海域动态监视监测业务的规范提供参考。李巧稚等[5]利用地理信息技术对海洋功能区划信息系统框架进行研究。肖桂荣等[6]利用对象组件技术以及网络共享技术建立海洋功能区划网络地理信息系统，实现功能区划信息的共享共建以及网上公示。邬群勇等[7]建设了福建省海洋功能区划信息系统，提出了信息系统建设的总体架构，对海洋功能区划的数据库设计、系统功能集成等方面进行了探讨。滕骏华等[8]结合网络地理信息集成技术，利用三层结构框架体系建立了基于网络GIS 的海洋功能区划信息系统。王方熊等[9]利用定量评价模型的方法对海洋生态系统的健康情况进行了量化评价，开发了海洋生态系统健康定量评价信息系统，实现健康评价、数据管理和基于地理空间分析为基础的模块功能。本文从区划选划出发，以基于现状和生态数据为基础，实现数据管理和功能区划选划，以及分析和决策。

1 总体架构设计

基于生态系统的区划辅助决策系统建设包括数据库构建和系统功能研发两部分内容，数据库构建以基础海洋地理信息数据为载体，集成海洋生态环境、海洋功能区划、海洋开发利用活动等数据，构建海洋功能区划综合数据库，为辅助决策系统提供数据支撑。系统采用GIS 技术、组件技术，以地理信息软件为开发平台，基于人机交互，实现基于生态系统的海洋功能区识别、用海适宜性分析、辅助选划、一致性检查和评价分析等功能，保障区划编制的规范性，提高海洋功能区划的使用便捷性。系统总体架构采用B/S 模式架构多层体系结构设计，划分为技术、数据、应用和用户四层架构。技术层包括生态功能区识别技术、用海适宜性评价技术、海洋功能区选划技术、海域资源配置技术、产业空间布局优化技术及海洋功能区划评价技术体系支撑和数据库、GIS、SOE 等技术的支持。数据层分为两类，一是基础数据，二是系统分析的中间结果数据，首先完成图形配置和专题图的制作，其次是将专题图发布为数据服务，最后将GIS 数据层以服务形式对外开放。应用层采用模块化的设计思想，将基础地理信息功能模块、生态功能区域识别模块、用海适宜性分析模块、海洋功能区划一致性检查模块、海洋功能区划选划模块海洋功能区划评价等模块进行统一集成，为海洋数据的应用以及海洋功能区划提供查询、统计、分析、评估、评价的结果。

2 数据分类与组织

2.1 数据分类

选取某海湾开展数据收集，采取数据挖掘和补充调研的方式，收集海洋生态系统基础性数据和海洋功能区基础数据，包括用海数量、规模、空间分布、功能区结构、用海方式、用海类型等。将数据进行分类分析，并通过物理整合、逻辑整合和应用整合等手段整合数据，构建数据库。

2.2 数据组织

采用主流的关系型数据库和空间数据库集中统一管理空间数据和属性数据，确保空间和非空间数据的一体化存储，实现多源异构数据的管理、存储、索引、查询、处理及数据的深层次挖掘[10]。空间数据将按照数据内容在逻辑上进行分类组织和管理，并映射到Geodatabase 的物理数据模型，满足数据处理、组织、管理、应用、共享。

2.3 数据展示与分析

加载海洋使用现状数据，叠加遥感影像显示现状数据的分布，以专题图例形式展现海洋功能区划情况。图2以海域使用现状数据为例进行数据的展示。

图2：生态系统健康评价

采用GIS 分析技术中的数理统计分析和几何逻辑运算方法，将海洋生态环境的空间数据点生成连续的栅格图像，经重分类转换为离散的栅格数据，分析后对栅格数据进行重新赋值转换为可用的分析结果数据。

3 系统功能

系统由8 个功能模块构成，如图1所示。

图1：系统功能模块图

4 典型应用

4.1 生态健康评价

依据《近岸海洋生态健康评价指南》开展生态健康评价分析，评价指标包括6 个指标，分别是：水环境、沉积环境、生物残毒、栖息地、生物、生态系统。其中：水环境指标包括6 个要素，分别是溶解氧、盐度年季变化、PH值、活性磷酸盐、无机氮和石油类指标，沉积环境包括3 个要素，分别是有机碳含量、硫化物含量指标，栖息地包括2 个要素，分别是沉积物主要组分含量年度变化指标和5年内滨海湿地生境减少量，生物残毒指标Hg、Cd、Pb、As 和油类，生物指标包括浮游植物的密度、鱼卵及仔鱼密度、浮游动物密度、底栖动物密度、浮游动物生物量和底栖动物生物量指标。

以某海湾为例，采用5月和8月两组数据进行计算分析，得出某海湾的总体生态系统健康状态，如图2。

4.2 生态功能区识别

以海域环境、渔业资源、生态系统、生物生态等数据为基础，基于生态功能区空间结构识别方法和指标体系，集成数据与识别方法、指标体系，利用空间分析的运算法计算生态功能区空间分区。

4.3 用海活动适宜性评价

选择排污倾倒用海、渔业用海、围填海用海等典型用海方式作为研究对象，针对不同海洋生态功能区的资源和生态特点及不同用海方式对生态环境的影响特征，研究产业直接占海及用海环境压力增大等对海洋生态功能区的影响。根据用海活动适宜性评价指标体系和评价方法，形成典型的用海活动适宜性评价结果，以专题图形式进行展现，并配以专题图例。

4.4 海洋功能区选划

针对研究海域，运用指标法、叠加法等手段，根据功能区分区体系，依托构建的海洋功能区选划指标体系，通过多目标线性规划、模糊综合评判等模型，划定海洋功能区。运用主成分分析法、层次分析法和因子分析法等手段，对海域功能区划范围内的主要生态系统、适宜的用海活动进行排序，科学确定海洋功能区的主要功能，实现海洋功能区选划和功能定位。

4.5 海洋功能区一致性检查

结合现行用海现状数据，可进行选取，并根据数据内容进行整理，展示现行用海现状数据信息。根据海洋功能区划分析的结果，运用GIS 空间分析方法，将两者进行空间叠加分析对比，形成一致性检查结果。具体应用如图3所示。

图3：功能区划一致性检查

4.6 实施效果评价

依据评价模型，分级分类形成电子化材料，对指标体系进行查询、修改等操作。

系统根据生态系统的基础数据和功能区数量、用海类型、用海规模等数据进行分类分析，并通过物理整合、逻辑整合和应用整合等手段整合数据，集成指标体系，运用计算方法与空间分析技术完成实施效果评价，形成报告。

5 总结

基于生态系统的海洋功能区划信息系统，依托海洋功能区划选划、生态系统等专业技术理论，集成海洋功能区划、生态、海洋开发利用活动等数据，全面提高海洋功能区划使用的便捷性，为海域生态化管理决策提供服务。