基于高分卫星影像的秦皇岛近海浮筏养殖分布遥感监测
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作者:徐雯佳
摘要：利用高分一号、高分二号和北京二号等多源国产高分卫星遥感影像，采用面向对象分类方法，结合目视解译，提取了2015-2018年秦皇岛近海浮筏养殖信息，分析了浮筏养殖分布范围与分布面积的年际变化特征。结果表明：秦皇岛近海浮筏养殖主要分布在昌黎县近海海域，每年面积百分比在93%以上;而北戴河区和山海关区则是零星分布，且不是持续分布。近几年秦皇岛近海浮筏养殖总面积呈上下波动的变化趋势，以2016年数值最大，其次为2018年，2015年和2017年相对较小。随着北戴河及相邻地区近岸海域环境综合整治工作的推进，2018年北戴河附近海域已无浮筏养殖分布。
关键词：高分卫星;秦皇岛近海;浮筏养殖;遥感监测
河北省近海浮筏养殖主要分布在秦皇岛近海海域，起步于世纪90年代初[1]，以养殖扇贝为主。近二十余年，海水养殖业快速发展，浮筏养殖规模迅速扩大，养殖密度也持续增加，导致局部海域海洋环境的压力日益凸显。浮筏养殖减慢了海水的流速，降低了海洋水体交换能力，使入海污染物和养殖排泄物不能及时净化，不仅对水质产生了较大影响，对海洋生物生态系统也带来一定程度的破坏，进而影响养殖环境和养殖产品的安全。长期实时监测浮筏养殖分布的动态变化，对合理规划养殖、保护海洋环境、实现可持续海水养殖具有重要意义[2]。
浮筏养殖分布范围广，人工走航测量不仅费时费力，而且不能准确掌握分布情况。卫星遥感具有探测范围大、实时连续、真实客观等优点，是实现长期准确获取浮筏养殖动态信息的有效手段。笔者以国产高分卫星遥感影像为主要数据源，探讨了浮筏养殖信息提取方法，并对2015年至2018年秦皇岛近海浮筏养殖的动态变化进行了分析，为规划和管理浮筏养殖提供技术支撑。
1材料与方法
1.1研究区概况
研究区选择秦皇岛近海海域，位于辽东湾西南部，境内有洋河、戴河、新开河、石河等多条河流入海，海水透明度高，海流弱，湍流少，营养盐丰富，成灾海况少，沙砾底质，盐度30‰，海面温度多为0～28 ℃，pH值为7.6～8.4，为扇贝养殖提供了适宜的自然环境[3]。秦皇岛扇贝通常于5月中旬，海面温度上升至15 ℃时放苗;正常情况下6月中下旬开始套网，分苗时避开牡蛎附着期;最后一次分苗为8月至9月，10月中旬收获[1]。
1.2遥感数据源
本文浮筏养殖遥感监测采用的数据源包括高分一号、高分二号和北京二号。高分一号卫星载有2台2 m全色/8 m多光谱相机（幅宽60 km）和4台16 m 多光谱宽覆盖相机（幅宽800 km），现有4颗星，组网后已将覆盖全球的周期缩短至11 d，重访周期缩短至1 d。高分二号卫星载有2台高分辨率1 m全色/4 m多光谱相机，幅宽45 km，重访周期为5 d。北京二号是由3颗0.8 m全色/3.2 m多光谱光学遥感卫星组成的民用商业遥感卫星星座，幅宽24 km，重访周期为1 d。为了尽可能获取每年度浮筏养殖最大分布范围，主要选择扇贝最后一次分苗至收获前，即8月下旬至10月中旬的影像作为遥感监测数据源。
1.3遥感影像预处理
利用ENVI软件对卫星遥感影像进行预处理，主要包括大气校正、几何校正、影像融合、陆地掩膜等。大气校正采用辐射传输模型中的MODTRAN模型，利用FLAASH模块进行校正，设置大气模型和气溶胶类型等参数，获取遥感影像各个像素上的反射率。几何校正以已经过校正的高分影像作为参考影像，结合RPC文件，通过查找控制点，采用多项式校正方法进行校正，误差范围控制在0.5个像素以内。影像融合采用Pansharp方法，融合后影像既保留了原有多光谱特性，又提高了空间分辨率，增强了多光谱图像的清晰度。陆地掩膜利用陆域矢量生成感兴趣区域，将感兴趣区域生成掩膜，剔除陆地的影响。
1.4浮筏养殖信息提取
1.4.1影像特征浮筏养殖是指在浅海水面上利用由浮球和绳索组成浮筏，并用缆绳固定于海底，将养殖对象采用吊绳或吊笼悬挂于浮筏的养殖方式。浮球是养殖区内用以悬挂缆绳或扇贝养殖笼的黑色塑料球，直径约为30 cm，间距1～2 m，被固定在横向的缆绳上。在真彩色波段合成的高分影像中，采用标准差函数拉伸，可见浮筏为亮灰色，每个浮筏呈直线或弧线分布，长度大多在150～200 m之间，浮筏间距4～30 m不等。数百个浮筏组成条带，条带分布均匀，形态特征显著（见封三图1）。
1.4.2信息提取方法
1.4.2.1面向对象提取方法面向对象分类方法是将临近具有相似光谱、形状、纹理等信息的影像像元集合成一个特定对象，以對象为基元，实现地物的分类。主要包括影像分割和分类提取两个过程。影像分割采用多尺度分割方法，多尺度分割是指在影像信息损失最小的前提下，以任意尺度将影像分割为不同的对象，使对象内部保持最大同质性，对象之间保持最大异质性，减少“同谱异物”“异谱同物”的影响[4]，让不同地物类型可以在相应的尺度上得到反映。根据浮筏与海水的特征差异，通过反复试验，当尺度参数设为15，颜色参数设为0.9时分割的效果最好。面向对象的分类方法主要分为最近邻分类、模糊分类和基于规则的分类。其中最邻近分类属于监督分类的一种，主要包括定义特征空间、建立分类体系、选择典型样本、执行分类四个步骤[5]。笔者在影像分割的基础上，采用最邻近分类方法进行浮筏养殖信息提取（见封三图2）。
1.4.2.2目视解译法根据浮筏的色调、大小、形状和纹理等特征建立遥感解译标志（见封三图1），应用GIS软件，采用目视判读法，对浮筏养殖进行信息提取。
2结果与分析
利用2015年至2018年的高分卫星影像，提取了秦皇岛近海浮筏养殖信息，并对其空间分布范围（见封三图3）和分布面积（见封三图4）的年际变化进行了统计分析。
2.1分布范围变化分析 2015年，秦皇岛近海浮筏养殖主要分布在昌黎县和北戴河区近海海域。昌黎县养殖范围较大，最远至14.5海里，但主要分布在11海里内;北戴河区主要分布在1.3～2.7海里，分布范围较小。
相对2015年，2016年秦皇岛近海浮筏养殖范围有所扩大，主要分布在昌黎县、北戴河区和山海关区近海海域，以昌黎县为主。昌黎县养殖范围最远至14.6海里，主要分布在12海里内;北戴河区和山海关区则主要分布在近岸海域，分别为1.3～5.3海里和0.2～2.8海里。
2017年，秦皇岛近海浮筏养殖范围呈减少趋势，分布区域仍主要为昌黎县、北戴河区和山海关区近海海域。昌黎县养殖范围最远至13.2海里，主要分布在9.5海里内;北戴河区和山海关区仍主要分布在近岸海域，分别为1.3～5.1海里和0.2～2.5海里。
2018年，秦皇岛近海浮筏养殖范围继续呈减少趋势，仅昌黎县近海有所分布，北戴河区和山海关区近海已无养殖分布。但昌黎县养殖密度有所增加，主要分布范围由2017年的9.5海里增至12海里。
总体而言，秦皇岛近海浮筏养殖以昌黎县分布范围最广，基数较为平稳。而北戴河区和山海关区则是零星分布，且并不是每年持续分布。
2.2分布面积变化分析
2015-2018年，秦皇岛近海浮筏养殖分布面积呈上下波动的变化趋势。2015年，浮筏养殖总面积为1.43×104 hm2，昌黎县近海和北戴河区近海养殖面积分别占98.50%和1.50%。2016年，浮筏养殖总面积快速上升，增加幅度为3532%，达到监测期间的最大值。其中昌黎县增长了32.72%，北戴河区增长了近2倍，山海关区新增53.72 hm2。2017年，浮筏養殖总面积又呈减小趋势，分布面积与2015年相当。其中，昌黎县减少了29.24%，但山海关区和北戴河区略有增加。2018年，浮筏养殖总面积又有所增长，增长了19.69%，其中昌黎县增加了28.31%，而北戴河区和山海关区近海无浮筏养殖分布。
3结论与讨论
利用面向对象分类方法能够提取浮筏养殖信息，但由于秦皇岛近海浮筏养殖主要沉于水中，仅浮球漂浮于海面上，浮筏条带内与浮筏条带间的光谱特征差异较小，导致浮筏养殖自动分类提取结果具有一定误差，需要人工目视解译对提取结果进行修正。
2015-2018年，秦皇岛近海浮筏养殖主要分布在昌黎县近海海域，每年面积百分比均在93%以上。由于浮筏养殖投入成本较大，且易受市场行情影响，因此近几年秦皇岛浮筏养殖分布总面积呈上下波动的变化趋势，以2016年数值最大，其次为2018年，2015年和2017年相对较小。
随着河北省持续推进北戴河及相邻地区近岸海域环境综合整治，北戴河附近海域浮筏养殖得到了有效控制。2018年，北戴河近海已无浮筏养殖分布。
参考文献：
[1] 张丽敏.昌黎县扇贝养殖业现状及发展策略[J].河北渔业，2013（7）：60-61.
[2] 曹利，顾文俊，李小恕，等.基于WorldView数据的浙江省铁港牡蛎养殖分布遥感调查[J].渔业信息与战略，2016，31（4）：286-292.
[3] 张丽敏，李文涛，方莹.昌黎县海湾扇贝养殖模式变化分析[J].河北渔业，2016，267（3）：25-28.
[4] 黄帅，丁建丽，李艳华.面向对象的国产GF-1遥感影像水体信息提取研究[J].人民长江，2016，47（5）：23-28.
[5] 卢辉雄，田言亮，董双发，等.基于Landsat 8 OLI数据的黄淮海区主要作物种植结构遥感解译研究[J].河北遥感，2019（3）：21-24.
（收稿日期：2020-04-01）
作者简介：徐雯佳（1983-），女，硕士，高级工程师，主要从事遥感技术研究与应用工作。E-mail：562153204@qq.com。DOI：10.3969/j.issn.1004-6755.2020.04.011
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