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摘要:分析了當前我國海洋資源及環境的現狀,并提出相應的對策。舉例說明了全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)和遙感(RS)(合稱為3S)在海洋資源調查、環境保護等可持續發展核心問題中的應用,提出一些海洋領域近期亟待應用3S技術的重大課題。指出“,數字海底”和“海岸帶”研究是當前海洋研究的切入點,是海洋經濟、海洋政治、海洋科學問題的重中之重,與人類生存和發展密切相關。

關鍵詞:全球定位系統;地理信息系統;遙感;海洋資源;海洋環境;可持續發展

資源和環境問題已成為當今世界各國共同關注的焦點。陸地資源過度開采日益枯竭,整個人類的生存與發展迫切需要尋找新資源。《中國21世紀議程》指出:海洋是全球生命支持系統的1個基本組成部分,是1種有助于實現可持續發展的寶貴財富[1]。它擁有廣闊的空間資源、豐富的生物資源、礦產資源、化學資源和動力資源。加快海洋資源的開發,充分發揮海洋優勢,進而促進經濟發展已成為世界大國發展的主流。我國人口眾多,人均資源匱乏,社會發展和經濟騰飛面臨嚴峻的形勢。同時我國是海洋大國,海岸線長18000km,海域面積3.0×106km2,約占全國陸地面積的1/3[2],海洋資源豐富。但海洋資源遠未開發,機遇與挑戰并存,而且我國南海及黃、東海都與相鄰國家之間存在疆界劃分和200海里專屬經濟區的權益之爭問題。因而,應用高新技術,準確快速查明我國海域情況,主動保護海洋環境安全[3],既是維護我國海域合法權益、保護海域環境的需要,也是科學開發利用海域資源、發展海洋經濟、促進我國整體經濟騰飛的需要。走海洋興國與可持續發展之路是解決我國人均資源匱乏并實現21世紀宏偉藍圖的重要出路[4]。

作為建立數字海洋的三大支撐技術GPS,GIS和RS,在海洋空間數據處理中各具特點,又密切相關[5]。GPS可在瞬間產生目標定位坐標,GIS具有較好的查詢檢索、空間分析計算和綜合處理能力,RS可快速獲取區域面狀信息[628]。3S集成技術充分發揮各自的長處,形成了多功能綜合技術系統,實現了海量信息獲取與信息處理的高速、實時和信息應用的高精度和定量化,即GPS和RS向GIS提供或更新區域信息以及空間定位,GIS進行相應的空間分析。3S技術為海洋資源的規劃管理與評價、海洋環境保護、海岸帶防災、地下水防污及國防建設等方面提供了有利的觀測手段、描述和思維工具。當前,3S技術已廣泛應用于土地、林業、水利、農業、城市管理、生態建設等方面[9210],但在海洋領域的應用總體水平還較低,主要應用于海洋環境監測、海洋災害預警預報、海洋資源調查方面,近幾年擴展到海岸線測量[11]、海域勘界[12]、厄爾尼諾現象的發生機制和各種尺度的海氣相互作用過程等科學研究領域[13]。

1我國海洋資源與環境的現狀及應對策略

1.1海洋資源開發現狀

改革以來,我國的海洋開發飛速發展。1980年全國海洋產業產值為80億元,1990年達482億元,1994年猛增到1400億元,2000年全國海洋產業產值已達4133億元,2004年近1.3萬億元[14]。但目前我國海洋產業規模較小,仍以港口、漁業等近海單項傳統產業的開發為主。海洋科技整體水平落后,資源利用率低,浪費嚴重,缺少全局的、長遠的兼顧,特別是缺少對海洋整體利益的考慮。我國對近海礦產資源的研究程度亦相對較低,對遠海及整體資源尚未進行綜合開發利用,尤其是以高新技術、資金密集、見效快、創匯多為特點的新型海洋產業(如海洋油氣業、濱海砂礦業及海洋服務業等產業)發展緩慢。海洋娛樂區、傾廢區等功能區規劃不盡合理,管理滯后。海洋資源開發管理機制和法律體系不健全,不能適應市場經濟的要求,尚未形成統一協調的整體開發戰略[15]。

1.2海洋環境及生態現狀

1.2.1我國海洋環境污染相當嚴重許多海區、港灣的污染均超過國際限制標準。環境質量日益惡劣,近海污染范圍不斷擴大,N,P等營養鹽類污染明顯。2004年我國海域未達到清潔海域水質標準的面積約1.69×105km2,較上年增加約2.7×104km2,近岸海域污染嚴重,污染海域主要分布在渤海灣、江蘇近岸、長江口、杭州灣、珠江口等局部海域。同時,陸源污染物排海嚴重是海洋環境污染的主要原因。一項對沿海工業污水直排口等四大類43個排污口進行的重點監測顯示,受陸源排污影響,約八成入海排污口鄰近海域環境污染嚴重,約20km2的監測海域為無底棲生物區[14]。

1.2.2海洋的自然和生態破壞范圍廣、程度深大量不合理的人為活動(如圍海筑壩、河流建閘、大面積挖沙采石、亂挖珊瑚礁等)已嚴重影響并破壞了我國海洋自然景觀和生態環境,造成了大范圍的海岸侵蝕或淤積,濕地及紅樹林面積減少[16],破壞了典型的海洋生態系統,海珍品瀕于絕跡,漁業產量大幅度下降。《2004年中國海洋環境質量公報》顯示,由于陸源污染物排海、圍填海侵占海洋生態環境及生物資源過度開發,萊州灣、黃河口、長江口、杭州灣及珠江口生態系統均處于不健康狀態;沿海開發程度的增高和海水養殖業的擴大,也帶來了海洋生態環境和養殖業自身污染問題[14]。

1.2.3海域污損事件頻發、環境災害群現近年來,我國海域赤潮、溢油、違章傾倒等污損事件發生頻率越來越大。2001年全國海域共發生赤潮77起,累計面積達1.5×104km2[17],對海洋環境、生物資源和漁業生產造成嚴重損害。海運業發展導致外來有害赤潮種類的

引入,全球氣候變化也導致了赤潮的頻繁發生。2004年中國近岸局部海域沉積物污染嚴重,近岸海域部分貝類受到污染,大面積赤潮和有毒赤潮多發,全年共發生赤潮96次,赤潮累計發生面積較2003年增加約八成多,海洋環境污染已成為海洋經濟可持續發展的嚴重障礙[14]。

1.3應對策略

根據我國海洋資源利用與海洋環境污染的現狀,結合我國國情與21世紀國民經濟可持續發展的需要,應強化以下措施:要加強組織領導,建立和完善相應的管理體系和機構,制定海洋資源開發利用和環境保護的綜合性目標、政策和法規;要提高全民熱愛海洋、保護海洋資源與環境的意識;要建立我國海洋傾廢區,規劃近海海域環境容量,嚴格實行污染物總量控制;要按照合理、系統和科學的原則開發利用海洋資源,充分發揮海洋功能區域的社會經濟和生態環境效益;要加強對各種海洋資源儲量、分布的勘測勘探,調查了解各種資源量及海洋環境的現狀和未來發展的趨勢;而重中之重是要倡導科技創新、依靠科技振興海洋:利用新技術、新手段原位實時地監測海洋環境,通過強大的地理信息分析與處理系統的支持,對獲得的信息進行分析、模擬,及時有效地保護海洋環境、資源,預報災情與突發事件。

23S在海洋資源與環境中的應用

多年來,國內外海洋工作者在海洋地理、海洋化學、海洋水文、海洋氣象、海洋生物、海洋礦產、海洋測繪等基礎性學科上進行著不懈的研究,制定了一批大型的、多學科的國際海洋科學研究計劃,如全球海洋觀測系統(GOOS)、Topex/Poseidon海洋地形試驗、世界海洋環流試驗(WOCE)、熱帶海洋全球大氣計劃(TOGA)等。通過系統地研究海洋,不斷發現其內在規律,幫助人們充分利用海洋空間,合理開發海洋資源。

目前,越來越多的地理信息已在國民經濟建設諸多領域中顯示出巨大的應用價值。在信息量激增的21世紀,要實現海洋資源與環境的可持續發展,關鍵是要及時準確地獲取、分析海量的信息。而20世紀下半葉發展起來的GIS技術功能強大,用于對空間環境數據進行管理、查詢、分析,并且利用GIS的統計制圖功能形象地展示出各種環境專題內容、環境數據空間分布與數量統計規律,以滿足環境保護實際需要。3S、專家系統及決策支持系統是當今信息時代的尖端技術,它們相互結合、取長補短、相輔相成,為資源開發、環境保護提供比較完善的技術支持,有助于海洋資源與環境的可持續發展。借助3S,應用計算機網絡與通訊和數據庫管理技術,建立現代化海洋實時立體監測管理系統,實現信息更新、信息共享,并通過圖形方式對管理與決策前景進行動態模擬,為海洋資源開發、海洋環境和氣候的監測、海洋防災減災以及維護國家海洋權益服務。

2.13S與海洋資源的開發利用

目前陸地上70%的農業生產資料,80%以上的工業原料、95%以上的能源來自礦產資源。由于我國仍處于礦產消耗強度趨快的時期,要滿足近期礦產資源的需求,并為今后一定時期內可持續發展保持后勁,尋找和開發礦產資源仍是地學工作的重要任務。海洋中蘊藏有豐富的石油、天然氣、天然氣水合物、多金屬結核、海底熱液多金屬硫化物等礦產資源,它們的分布、規模、儲量評價、開發利用的環境條件及可行性等,無疑依賴于快速、高效、準確的探查技術。

根據海洋資源數據庫中的物探、化探資料及GPS和RS提供的信息,應用GIS空間分析功能和虛擬現實技術來探索海洋成礦特點和規律,為海洋管理、海岸帶和海島資源開發提供科學依據。成本低、速度快,有利于克服自然界惡劣環境的限制,減少投資的盲目性。3S技術可以對區域自然資源的分布及其量值的動態變化進行快速、準確的調查和評價,例如,確定資源量及其變化幅度、時空分布特征,分析、預測各類資源利用的現狀與前景,探索解決自然資源供需矛盾的可能途徑,評價資源管理的政策和方案等。

2.23S與海洋環境保護

利用3S建立海洋環境和災害信息庫、海洋環境質量評價和災害預報系統,能夠為環境監測、管理、規劃及評價提供重要的技術支持,為保護海洋環境及海上航行、生產安全服務。

2.2.1環境監測遙感技術在海洋調查中顯示出大范圍、多時像、高分辨率的特點,RS在河口泥沙規律研究、海水海溫監測、漁場監測、海洋污染監測等方面發揮了重要作用,對厄爾尼諾效應、赤潮等的監測也收到較好的效果[18]。

2.2.2環境管理GIS等技術能對各種海洋環境、資源,如海洋生物資源、大氣質量、海洋水資源、污染物排放范圍等進行實時監測、更新,并能有效地進行環境統計分析,進而進行環境總體規劃;可動態展示污染源位置、類型、負荷及對區域環境造成的影響。

2.2.3環保應急反應對于重大環境事件,環境保護部門要具有應急反應能力,并能針對事件的特性做出迅速反應和決策,如水質污染、油船泄露等。

2.2.4環境規劃污水排海工程的規劃與設計由于涉及潮汛等原因,如何建立有效的模型進行近海水域模擬分析,是目前的難點和熱點。而GIS的空間分析能力可較好地解決該類問題,應用GIS進行近岸海流模擬分析,同時還可以分析近海岸帶懸浮物的分布情況。另外,GIS等技術可以快速、準確、客觀、動態地對重點海域的環境質量進行趨勢預報,為區域環境規劃工作提供全面支持,為國家和地方進行宏觀決策提供科學依據。

2.2.5環境評價我國目前正在或將要進行的資源開發和重大工程項目,如南海大陸架石油開發等,應用GIS等技術可以對其進行勘探、選址及建成前后的環境問題進行分析、預測和研究,并實現其動態、連續、準確的監測、評價與環境影響規劃方案的制定。

2.33S與海洋精細漁業

海洋精細漁業指將3S、計算機、通訊、網絡及自動化技術等高科技與地理學、漁業、生態學、沉積學等基礎學科有機地結合,對魚群、水質、底質進行從宏觀到微觀的實時監測,以實現對魚苗生長、發育、營養狀況、災害以及相應的環境進行定期信息獲取和動態分析。通過診斷和決策制定計劃,并在GPS和GIS集成系統支持下發展信息化現代海洋漁業。海洋精細漁業具有新型現代漁業生產模式,綜合應用了3S等空間信息技術,將促進人類合理利用漁業資源,降低成本,提高產品產量和質量,改善生態環境。海洋精細漁業是未來漁業可持續發展的方向,也是“數字海洋”戰略中的一項重要內容。

3海洋資源、環境領域中亟待應用3S技術的重大課題

美國前副總統戈爾曾提出“數字地球”戰略,我國的《21世紀議程》和“數字城市”工程均包括3S方面的內容[19220]。作為“數字地球”的一部分,“數字海洋”、“數字港灣”等名稱已被相應地提出,建立了一些行業性、地區性地理信息系統(如漁業GIS、黃河口GIS)。我國各有關部門對海洋資源與環境進行了大規模的調查研究,全國沿海66個海洋站、200多個驗潮站和3個海洋資料浮標網的長期觀測[21],加之陸地/氣象/國土衛星資料及航片資料,積累了大量的數據。所以運用GIS技術建立海洋立體監測管理系統在我國已經具備了一定的基礎,海洋綜合管理系統有廣闊的應用空間。但總體上講,3S應用范圍窄程度低,海洋資源與環境可持續發展任重道遠[22]。在海洋領域利用GIS,首先要建立開放式的、具有先進體系結構的計算機網絡平臺;然后利用優良的GIS工具和數據庫管理系統,構成一個集成化的環境,以滿足海洋立體監測管理系統功能的需要;再利用海洋綜合管理分析與決策子系統對各種信息進行分析、模擬,為海洋資源開發、環境和氣候監測、防災減災及維護國家海洋權益服務。根據我國海洋資源與海洋環境現狀,結合海洋可持續發展的目標,當前,應盡快發揮3S的優勢,深入研究以下領域。

3.1數字海底系統

海底地形信息對于海岸帶的演變研究具有重要意義。近年來GPS技術與海底測深技術相結合,提高了水下地形測量精度,但費用高且無法經常測量,對大面積水域也難以得到連續的全景水深信息。GIS與RS圖像處理系統結合應用能在一定程度上解決這些問題。RS數據是地理信息系統的重要信息源,且大多數GIS已擁有獨立模塊進行圖像處理。以GIS為平臺,利用各種海底探測技術所取得的資料,建立數字海底數據庫,應用自動成圖技術,集成由海底地形地貌、地質構造等相關參數組成的數字海底系統。數字海底系統是多學科海底數據和海洋地質模型支撐的信息化海底系統。其關鍵技術包括海底地學專業模型技術、地學數據技術、與數字地球間的集成技術;其主要目標是使海底領域與數字地球接軌,促進海底資源的開發和海洋環境的治理。

與3S具有緊密聯系的海洋環境下礦產資源的原位實時探測技術、海底電視觀測系統及水下可視化定點采樣技術、先進的海底礦產資源現場測試技術是國外正在發展的高新海洋資源探查技術,在大洋礦產資源探查與評價中占有極其重要的地位。我國目前對上述技術的掌握程度很低,這無疑嚴重阻礙了我國對大洋礦產資源的分布、儲量、開發潛力和開采方法的正確判斷。盡快開發大洋礦產資源探查技術顯得異常必要和迫切。

3.2海岸帶系統

海岸帶是地球四大圈層交匯的地帶,物理過程、化學過程、生物過程及地質過程交織耦合,陸海相互作用強烈。全世界河流入海懸浮物質、生源要素及污染物的75%～90%歸宿于海岸帶,全世界60%的人口和2/3的大中城市集中在沿海地區,海岸帶環境演化直接關系到人類的生存空間、生存質量和社會的可持續發展。因此,海岸帶陸海相互作用(LOICZ)研究成為國際地圈-生物圈計劃(IGBP)的核心計劃之一,旨在研究未來氣候變化、土地利用、海平面變化及人類活動等對全球海岸帶生態系統功能和可持續利用的影響,提高對于未來變化的認識和預測能力。河口-近海系統位處沿海經濟帶,是陸海相互作用最為活躍的地帶。就我國的國情而言,占我國陸域國土13%的沿海經濟帶承載著全國42%的人口,創造著全國60%以上的國民經濟產值。我國沿海經濟帶的快速發展對海岸帶資源與環境有著極大的依賴性,同時也賦予海岸帶沉重的環境壓力。

海岸帶系統是海岸帶綜合管理必不可少的手段,尤其在海岸帶功能區劃、海域劃界、海域資源有償使用管理等信息管理中,是目前迫切需要進行的工作[23]。通過RS與GIS技術集成方法,結合海岸帶綜合管理所需的元數據(Metadata)技術和網絡地理信息系統技術,充分利用多源衛星資料和已有的實地調查資料,構建海岸帶信息系統是具有較高技術含量同時又具有巨大管理效益的研究項目。它將幫助研究者從海岸帶環境場及其動態變化規律探索的角度來進行海岸帶動態變化研究,進而開展陸海相互作用的研究。

3.3海洋災害監測與預報

3.3.1海水入浸實時監測當前,全球氣候變暖,海平面上漲,且海水入侵面積仍有擴大的趨勢。我國海岸線長,沿海地區面積大、海拔低,海平面單位高度的上漲會對沿海地區的工農業生產和人民生活造成巨大危害。國內這方面的研究開展比較晚,應運用3S動態、實時監測海水入浸,分析、預報災情,提供有效的措施及建議。

3.3.2重大自然災害監測預報東部沿海地區為海洋災害多發區,其中最為嚴重的是臺風、海流、風暴潮、海浪、赤潮等災害[24]。因此,如何準確預報重大災害,提高區域綜合減災能力,已構成可持續發展中亟待解決的重大科學問題。采用以飛機和衛星平臺相結合的遙感成像技術實時地獲取災害蔓延范圍信息,用GPS測定災區的準確地理位置,結合GIS中已存儲的災區地形、交通等信息,即可對災害進行評估、預測,并能對不同決策方案的效果進行模擬、對比,向各級決策部門提供救災、減災的輔助決策方案。

3.3.3海洋生態環境動態監測海上溢油事故頻繁發生、沿海工業廢水排放量日益增多、海水養殖業趨向于高密度大面積的產業化、工廠化養殖,造成環境質量下降、近海營養鹽過剩,赤潮頻發,嚴重危害著海洋生態平衡。因此,運用3S建立海洋環境動態監測系統及海洋生態變化監測系統,對合理管理海域、分析環境變化和預測海洋生態狀況具有重大而深遠的意義。

3.3.4海洋工程安全立體監測與預報近海資源與環境的開發依賴于海洋工程構筑物,工程安全狀況直接影響開發工作的經濟、環境效益,甚至決定開發工作的成敗。海洋工程安全性既取決于工程結構本身狀況,也取決于周圍的環境荷載,如風、浪、冰、地震荷載等。建立對海洋工程構筑物狀況及其環境影響的監測體系意義重大。

4結語

海洋資源與環境是3S技術大顯身手的領域。3S是充分利用現有數據和信息資源的最佳途徑,是實現海洋資源與環境可持續發展的關鍵技術和重要手段,在全球變化、資源調查、環境監測與預測中起著其它技術無法替代的作用。同時在維護海洋資源與環境可持續發展的過程中將極大地促進信息科學技術、空間科學技術、環境科學技術和地球科學的發展。3S所提供的巨大市場將在國民經濟及海洋資源與環境可持續發展中發揮越來越重要的作用。隨著科學技術的發展,海洋遙感衛星相繼升空,海洋探測技術越來越先進,水下地形測量、重力測量儀器不斷更新換代,為海洋基礎數據獲取提供了保障。3S理論的日益完善,算法研究的不斷深入,全球網絡化的逐步實現,測繪工作者、海洋科學工作者的密切配合,都為海洋地理信息系統和海洋遙感的普及提高創造條件,最終為決策者提供高質量的服務和科學的建議。只有經濟、社會的發展與資源、環境相協調,走可持續發展之路,才是中國發展的前途所在。

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