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应用全球定位系统、地理信息系统和遥感技术实现海洋资源与环境的可持续发展

【关键词:理学】 
摘 要:  分析了当前我国海洋资源及环境的现状,并提出相应的对策。举例说明了全球定位系统( GPS) 、地理信息系统( GIS) 和遥感(RS) (合称为3S) 在海洋资源调查、环境保护等可持续发展核心问题中的应用,提出一些海洋领域近期亟待应用3S 技术的重大课题。指出“, 数字海底”和“海岸带”研究是当前海洋研究的切入点,是海洋经济、海洋政治、海洋科学问题的重中之重,与人类生存和发展密切相关。

关键词:  全球定位系统; 地理信息系统; 遥感; 海洋资源; 海洋环境; 可持续发展

资源和环境问题已成为当今世界各国共同关注的焦点。陆地资源过度开采日益枯竭,整个人类的生存与发展迫切需要寻找新资源。《中国21 世纪议程》指出:海洋是全球生命支持系统的1 个基本组成部分,是1 种有助于实现可持续发展的宝贵财富[1 ] 。它拥有广阔的空间资源、丰富的生物资源、矿产资源、化学资源和动力资源。加快海洋资源的开发,充分发挥海洋优势,进而促进经济发展已成为世界大国发展的主流。我国人口众多,人均资源匮乏,社会发展和经济腾飞面临严峻的形势。同时我国是海洋大国, 海岸线长18 000km ,海域面积3. 0 ×106km2 ,约占全国陆地面积的1/ 3[2 ] ,海洋资源丰富。但海洋资源远未开发,机遇与挑战并存,而且我国南海及黄、东海都与相邻国家之间存在疆界划分和200 海里专属经济区的权益之争问题。因而,应用高新技术,准确快速查明我国海域情况,主动保护海洋环境安全[3 ] ,既是维护我国海域合法权益、保护海域环境的需要,也是科学开发利用海域资源、发展海洋经济、促进我国整体经济腾飞的需要。走海洋兴国与可持续发展之路是解决我国人均资源匮乏并实现21 世纪宏伟蓝图的重要出路[4 ] 。

作为建立数字海洋的三大支撑技术GPS , GIS 和RS ,在海洋空间数据处理中各具特点,又密切相关[5 ] 。GPS 可在瞬间产生目标定位坐标, GIS 具有较好的查询检索、空间分析计算和综合处理能力,RS 可快速获取区域面状信息[628 ] 。3S 集成技术充分发挥各自的长处,形成了多功能综合技术系统,实现了海量信息获取与信息处理的高速、实时和信息应用的高精度和定量化,即GPS 和RS 向GIS 提供或更新区域信息以及空间定位,GIS 进行相应的空间分析。3S 技术为海洋资源的规划管理与评价、海洋环境保护、海岸带防灾、地下水防污及国防建设等方面提供了有利的观测手段、描述和思维工具。当前,3S 技术已广泛应用于土地、林业、水利、农业、城市管理、生态建设等方面[9210 ] ,但在海洋领域的应用总体水平还较低,主要应用于海洋环境监测、海洋灾害预警预报、海洋资源调查方面,近几年扩展到海岸线测量[11 ] 、海域勘界[12 ] 、厄尔尼诺现象的发生机制和各种尺度的海气相互作用过程等科学研究领域[13 ] 。

1  我国海洋资源与环境的现状及应对策略

1. 1 海洋资源开发现状

改革以来,我国的海洋开发飞速发展。1980 年全国海洋产业产值为80 亿元,1990 年达482 亿元,1994年猛增到1 400 亿元,2000 年全国海洋产业产值已达4 133亿元,2004 年近1. 3 万亿元[14 ] 。但目前我国海洋产业规模较小,仍以港口、渔业等近海单项传统产业的开发为主。海洋科技整体水平落后,资源利用率低,浪费严重,缺少全局的、长远的兼顾,特别是缺少对海洋整体利益的考虑。我国对近海矿产资源的研究程度亦相对较低,对远海及整体资源尚未进行综合开发利用,尤其是以高新技术、资金密集、见效快、创汇多为特点的新型海洋产业(如海洋油气业、滨海砂矿业及海洋服务业等产业) 发展缓慢。海洋娱乐区、倾废区等功能区规划不尽合理,管理滞后。海洋资源开发管理机制和法律体系不健全,不能适应市场经济的要求,尚未形成统一协调的整体开发战略[15 ] 。

1. 2 海洋环境及生态现状

1. 2. 1 我国海洋环境污染相当严重  许多海区、港湾的污染均超过国际限制标准。环境质量日益恶劣,近海污染范围不断扩大,N , P 等营养盐类污染明显。2004 年我国海域未达到清洁海域水质标准的面积约1. 69 ×105km2 ,较上年增加约2. 7 ×104km2 ,近岸海域污染严重,污染海域主要分布在渤海湾、江苏近岸、长江口、杭州湾、珠江口等局部海域。同时,陆源污染物排海严重是海洋环境污染的主要原因。一项对沿海工业污水直排口等四大类43 个排污口进行的重点监测显示,受陆源排污影响,约八成入海排污口邻近海域环境污染严重, 约20km2 的监测海域为无底栖生物区[14 ] 。

1. 2. 2 海洋的自然和生态破坏范围广、程度深大量不合理的人为活动(如围海筑坝、河流建闸、大面积挖沙采石、乱挖珊瑚礁等) 已严重影响并破坏了我国海洋自然景观和生态环境,造成了大范围的海岸侵蚀或淤积,湿地及红树林面积减少[16 ] ,破坏了典型的海洋生态系统, 海珍品濒于绝迹, 渔业产量大幅度下降。《2004 年中国海洋环境质量公报》显示,由于陆源污染物排海、围填海侵占海洋生态环境及生物资源过度开发,莱州湾、黄河口、长江口、杭州湾及珠江口生态系统均处于不健康状态;沿海开发程度的增高和海水养殖业的扩大,也带来了海洋生态环境和养殖业自身污染问题[14 ] 。

1. 2. 3 海域污损事件频发、环境灾害群现近年来,我国海域赤潮、溢油、违章倾倒等污损事件发生频率越来越大。2001 年全国海域共发生赤潮77 起,累计面积达1. 5 ×104km2 [17 ] ,对海洋环境、生物资源和渔业生产造成严重损害。海运业发展导致外来有害赤潮种类的

引入,全球气候变化也导致了赤潮的频繁发生。2004年中国近岸局部海域沉积物污染严重,近岸海域部分贝类受到污染,大面积赤潮和有毒赤潮多发,全年共发生赤潮96 次,赤潮累计发生面积较2003 年增加约八成多,海洋环境污染已成为海洋经济可持续发展的严重障碍[14 ] 。

1. 3 应对策略

根据我国海洋资源利用与海洋环境污染的现状,结合我国国情与21 世纪国民经济可持续发展的需要,应强化以下措施:要加强组织领导,建立和完善相应的管理体系和机构,制定海洋资源开发利用和环境保护的综合性目标、政策和法规;要提高全民热爱海洋、保护海洋资源与环境的意识;要建立我国海洋倾废区,规划近海海域环境容量,严格实行污染物总量控制;要按照合理、系统和科学的原则开发利用海洋资源,充分发挥海洋功能区域的社会经济和生态环境效益;要加强对各种海洋资源储量、分布的勘测勘探,调查了解各种资源量及海洋环境的现状和未来发展的趋势;而重中之重是要倡导科技创新、依靠科技振兴海洋:利用新技术、新手段原位实时地监测海洋环境,通过强大的地理信息分析与处理系统的支持,对获得的信息进行分析、模拟,及时有效地保护海洋环境、资源,预报灾情与突发事件。

2  3S 在海洋资源与环境中的应用

多年来,国内外海洋工作者在海洋地理、海洋化学、海洋水文、海洋气象、海洋生物、海洋矿产、海洋测绘等基础性学科上进行着不懈的研究,制定了一批大型的、多学科的国际海洋科学研究计划,如全球海洋观测系统( GOOS) 、Topex/ Poseidon 海洋地形试验、世界海洋环流试验(WOCE) 、热带海洋全球大气计划( TOGA) 等。通过系统地研究海洋,不断发现其内在规律,帮助人们充分利用海洋空间,合理开发海洋资源。

目前,越来越多的地理信息已在国民经济建设诸多领域中显示出巨大的应用价值。在信息量激增的21世纪,要实现海洋资源与环境的可持续发展,关键是要及时准确地获取、分析海量的信息。而20 世纪下半叶发展起来的GIS 技术功能强大,用于对空间环境数据进行管理、查询、分析,并且利用GIS 的统计制图功能形象地展示出各种环境专题内容、环境数据空间分布与数量统计规律,以满足环境保护实际需要。3S、专家系统及决策支持系统是当今信息时代的尖端技术,它们相互结合、取长补短、相辅相成,为资源开发、环境保护提供比较完善的技术支持,有助于海洋资源与环境的可持续发展。借助3S ,应用计算机网络与通讯和数据库管理技术,建立现代化海洋实时立体监测管理系统,实现信息更新、信息共享,并通过图形方式对管理与决策前景进行动态模拟,为海洋资源开发、海洋环境和气候的监测、海洋防灾减灾以及维护国家海洋权益服务。

2. 1 3S 与海洋资源的开发利用

目前陆地上70 %的农业生产资料,80 %以上的工业原料、95 %以上的能源来自矿产资源。由于我国仍处于矿产消耗强度趋快的时期,要满足近期矿产资源的需求,并为今后一定时期内可持续发展保持后劲,寻找和开发矿产资源仍是地学工作的重要任务。海洋中蕴藏有丰富的石油、天然气、天然气水合物、多金属结核、海底热液多金属硫化物等矿产资源,它们的分布、规模、储量评价、开发利用的环境条件及可行性等,无疑依赖于快速、高效、准确的探查技术。

根据海洋资源数据库中的物探、化探资料及GPS和RS 提供的信息,应用GIS 空间分析功能和虚拟现实技术来探索海洋成矿特点和规律,为海洋管理、海岸带和海岛资源开发提供科学依据。成本低、速度快,有利于克服自然界恶劣环境的限制,减少投资的盲目性。3S 技术可以对区域自然资源的分布及其量值的动态变化进行快速、准确的调查和评价,例如,确定资源量及其变化幅度、时空分布特征,分析、预测各类资源利用的现状与前景,探索解决自然资源供需矛盾的可能途径,评价资源管理的政策和方案等。

2. 2 3S 与海洋环境保护

利用3S 建立海洋环境和灾害信息库、海洋环境质量评价和灾害预报系统,能够为环境监测、管理、规划及评价提供重要的技术支持,为保护海洋环境及海上航行、生产安全服务。

2. 2. 1 环境监测  遥感技术在海洋调查中显示出大范围、多时像、高分辨率的特点,RS 在河口泥沙规律研究、海水海温监测、渔场监测、海洋污染监测等方面发挥了重要作用,对厄尔尼诺效应、赤潮等的监测也收到较好的效果[18 ] 。

2. 2. 2 环境管理  GIS 等技术能对各种海洋环境、资源,如海洋生物资源、大气质量、海洋水资源、污染物排放范围等进行实时监测、更新,并能有效地进行环境统计分析,进而进行环境总体规划;可动态展示污染源位置、类型、负荷及对区域环境造成的影响。

2. 2. 3 环保应急反应  对于重大环境事件,环境保护部门要具有应急反应能力,并能针对事件的特性做出迅速反应和决策,如水质污染、油船泄露等。

2. 2. 4 环境规划  污水排海工程的规划与设计由于涉及潮汛等原因,如何建立有效的模型进行近海水域模拟分析,是目前的难点和热点。而GIS 的空间分析能力可较好地解决该类问题,应用GIS 进行近岸海流模拟分析,同时还可以分析近海岸带悬浮物的分布情况。另外,GIS 等技术可以快速、准确、客观、动态地对重点海域的环境质量进行趋势预报,为区域环境规划工作提供全面支持,为国家和地方进行宏观决策提供科学依据。

2. 2. 5 环境评价  我国目前正在或将要进行的资源开发和重大工程项目,如南海大陆架石油开发等,应用GIS 等技术可以对其进行勘探、选址及建成前后的环境问题进行分析、预测和研究,并实现其动态、连续、准确的监测、评价与环境影响规划方案的制定。

2. 2.6 与海洋精细渔业

海洋精细渔业指将3S、计算机、通讯、网络及自动化技术等高科技与地理学、渔业、生态学、沉积学等基础学科有机地结合,对鱼群、水质、底质进行从宏观到微观的实时监测,以实现对鱼苗生长、发育、营养状况、灾害以及相应的环境进行定期信息获取和动态分析。通过诊断和决策制定计划,并在GPS 和GIS 集成系统支持下发展信息化现代海洋渔业。海洋精细渔业具有新型现代渔业生产模式,综合应用了3S 等空间信息技术,将促进人类合理利用渔业资源,降低成本,提高产品产量和质量,改善生态环境。海洋精细渔业是未来渔业可持续发展的方向,也是“数字海洋”战略中的一项重要内容。

3  海洋资源、环境领域中亟待应用3S 技术的重大课题

美国前副总统戈尔曾提出“数字地球”战略,我国的《21 世纪议程》和“数字城市”工程均包括3S 方面的内容[19220 ] 。作为“数字地球”的一部分,“数字海洋”、“数字港湾”等名称已被相应地提出,建立了一些行业性、地区性地理信息系统(如渔业GIS、黄河口GIS) 。我国各有关部门对海洋资源与环境进行了大规模的调查研究,全国沿海66 个海洋站、200 多个验潮站和3 个海洋资料浮标网的长期观测[21 ] ,加之陆地/ 气象/ 国土卫星资料及航片资料,积累了大量的数据。所以运用GIS 技术建立海洋立体监测管理系统在我国已经具备了一定的基础,海洋综合管理系统有广阔的应用空间。但总体上讲,3S 应用范围窄程度低,海洋资源与环境可持续发展任重道远[22 ] 。在海洋领域利用GIS ,首先要建立开放式的、具有先进体系结构的计算机网络平台;然后利用优良的GIS 工具和数据库管理系统,构成一个集成化的环境,以满足海洋立体监测管理系统功能的需要;再利用海洋综合管理分析与决策子系统对各种信息进行分析、模拟,为海洋资源开发、环境和气候监测、防灾减灾及维护国家海洋权益服务。根据我国海洋资源与海洋环境现状,结合海洋可持续发展的目标,当前,应尽快发挥3S 的优势,深入研究以下领域。

3. 1 数字海底系统

海底地形信息对于海岸带的演变研究具有重要意义。近年来GPS 技术与海底测深技术相结合,提高了水下地形测量精度,但费用高且无法经常测量,对大面积水域也难以得到连续的全景水深信息。GIS 与RS图像处理系统结合应用能在一定程度上解决这些问题。RS 数据是地理信息系统的重要信息源,且大多数GIS 已拥有独立模块进行图像处理。以GIS 为平台, 利用各种海底探测技术所取得的资料,建立数字海底数据库,应用自动成图技术,集成由海底地形地貌、地质构造等相关参数组成的数字海底系统。数字海底系统是多学科海底数据和海洋地质模型支撑的信息化海底系统。其关键技术包括海底地学专业模型技术、地学数据技术、与数字地球间的集成技术;其主要目标是使海底领域与数字地球接轨,促进海底资源的开发和海洋环境的治理。

与3S 具有紧密联系的海洋环境下矿产资源的原位实时探测技术、海底电视观测系统及水下可视化定点采样技术、先进的海底矿产资源现场测试技术是国外正在发展的高新海洋资源探查技术,在大洋矿产资源探查与评价中占有极其重要的地位。我国目前对上述技术的掌握程度很低,这无疑严重阻碍了我国对大洋矿产资源的分布、储量、开发潜力和开采方法的正确判断。尽快开发大洋矿产资源探查技术显得异常必要和迫切。

3. 2 海岸带系统

海岸带是地球四大圈层交汇的地带,物理过程、化学过程、生物过程及地质过程交织耦合,陆海相互作用强烈。全世界河流入海悬浮物质、生源要素及污染物的75 %~90 %归宿于海岸带,全世界60 %的人口和2/ 3的大中城市集中在沿海地区,海岸带环境演化直接关系到人类的生存空间、生存质量和社会的可持续发展。因此,海岸带陆海相互作用(LOICZ) 研究成为国际地圈- 生物圈计划( IGBP) 的核心计划之一,旨在研究未来气候变化、土地利用、海平面变化及人类活动等对全球海岸带生态系统功能和可持续利用的影响,提高对于未来变化的认识和预测能力。河口- 近海系统位处沿海经济带,是陆海相互作用最为活跃的地带。就我国的国情而言,占我国陆域国土13 %的沿海经济带承载着全国42 %的人口,创造着全国60 %以上的国民经济产值。我国沿海经济带的快速发展对海岸带资源与环境有着极大的依赖性,同时也赋予海岸带沉重的环境压力。

海岸带系统是海岸带综合管理必不可少的手段,尤其在海岸带功能区划、海域划界、海域资源有偿使用管理等信息管理中,是目前迫切需要进行的工作[23 ] 。通过RS 与GIS 技术集成方法,结合海岸带综合管理所需的元数据(Metadata) 技术和网络地理信息系统技术,充分利用多源卫星资料和已有的实地调查资料,构建海岸带信息系统是具有较高技术含量同时又具有巨大管理效益的研究项目。它将帮助研究者从海岸带环境场及其动态变化规律探索的角度来进行海岸带动态变化研究,进而开展陆海相互作用的研究。

3. 3 海洋灾害监测与预报

3. 3. 1 海水入浸实时监测  当前,全球气候变暖,海平面上涨,且海水入侵面积仍有扩大的趋势。我国海岸线长,沿海地区面积大、海拔低,海平面单位高度的上涨会对沿海地区的工农业生产和人民生活造成巨大危害。国内这方面的研究开展比较晚,应运用3S 动态、实时监测海水入浸,分析、预报灾情,提供有效的措施及建议。

3. 3. 2 重大自然灾害监测预报  东部沿海地区为海洋灾害多发区,其中最为严重的是台风、海流、风暴潮、海浪、赤潮等灾害[24 ] 。因此,如何准确预报重大灾害,提高区域综合减灾能力,已构成可持续发展中亟待解决的重大科学问题。采用以飞机和卫星平台相结合的遥感成像技术实时地获取灾害蔓延范围信息,用GPS测定灾区的准确地理位置,结合GIS 中已存储的灾区地形、交通等信息,即可对灾害进行评估、预测,并能对不同决策方案的效果进行模拟、对比,向各级决策部门提供救灾、减灾的辅助决策方案。

3. 3. 3 海洋生态环境动态监测  海上溢油事故频繁发生、沿海工业废水排放量日益增多、海水养殖业趋向于高密度大面积的产业化、工厂化养殖,造成环境质量下降、近海营养盐过剩,赤潮频发,严重危害着海洋生态平衡。因此,运用3S 建立海洋环境动态监测系统及海洋生态变化监测系统,对合理管理海域、分析环境变化和预测海洋生态状况具有重大而深远的意义。

3. 3. 4 海洋工程安全立体监测与预报  近海资源与环境的开发依赖于海洋工程构筑物,工程安全状况直接影响开发工作的经济、环境效益,甚至决定开发工作的成败。海洋工程安全性既取决于工程结构本身状况,也取决于周围的环境荷载,如风、浪、冰、地震荷载等。建立对海洋工程构筑物状况及其环境影响的监测体系意义重大。

4  结语

海洋资源与环境是3S 技术大显身手的领域。3S是充分利用现有数据和信息资源的最佳途径,是实现海洋资源与环境可持续发展的关键技术和重要手段,在全球变化、资源调查、环境监测与预测中起着其它技术无法替代的作用。同时在维护海洋资源与环境可持续发展的过程中将极大地促进信息科学技术、空间科学技术、环境科学技术和地球科学的发展。3S 所提供的巨大市场将在国民经济及海洋资源与环境可持续发展中发挥越来越重要的作用。随着科学技术的发展,海洋遥感卫星相继升空,海洋探测技术越来越先进,水下地形测量、重力测量仪器不断更新换代,为海洋基础数据获取提供了保障。3S 理论的日益完善,算法研究的不断深入,全球网络化的逐步实现,测绘工作者、海洋科学工作者的密切配合,都为海洋地理信息系统和海洋遥感的普及提高创造条件,最终为决策者提供高质量的服务和科学的建议。只有经济、社会的发展与资源、环境相协调,走可持续发展之路,才是中国发展的前途所在。

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