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

1、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    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;

2、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/ 32 ,海洋资源丰富。

3、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,R

4、S 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

5、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

6、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 ×104

7、km2 ,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

8、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

9、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

10、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/ Pos

11、eidon 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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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。GA5m，OA 是眼与近球的距离， ，GB 是眼与远球的水平距离，OB 是眼与远球的距离， 18.007 m18m。OCM1/2BOC ，根据空间线面视知规则，CM 是远 OB 的视觉平行 线，由于平行线间距处处相等，则远球半径 BC 视觉长度，等于 OM 视觉长度；ONM 1/2AON，根据空

17、间线面视知规则，MN 是 OA 视觉平行线，则 AN 视觉长度等于 OM 视 觉长度，由于 OM 视觉长度等于 BC 视觉长度，则 AN 视觉长度等于 BC 视觉长度。由于 OA 视距处的 AD 和 AN 为参照线段，AN 视觉长度被认可为等于其实际长度，则 BC 视觉 长度等于 AN 线段长度。OM 可用公式（2）计算得到，AN 可以用公式（3）计算得到：       通过计算结果可以看出，远近两球的视觉直径基本上是一样大小的，可是，远近不同距 离的两墙间距视觉宽度却是远小近大。视觉经验会告诉我们，视觉上远小近大的墙间距，其 实是等

18、宽的。当远处墙间距知觉大小被理解等于近处墙间距知觉大小时，我们需要将远处墙间距视觉宽度按比例放大，远处墙间距放大的比率为：近球处墙间距视觉宽度:远球处墙间距视觉宽度1:0.82。当远球位置的墙间距被按比例放大 1:0.82 倍时，远处球也会被相应放大 1:0.82 倍。而近处球的视觉直径和远处球的视觉直径基本上是相等的，当远处球视觉直径 因为墙间距知觉大小不变性而被放大 1:0.82 倍时，远处球知觉直径长度看起来就会比近处球 知觉直径长度变大（10.82）18倍，而发表在自然杂志上目测实验得到的两球知觉直 径差值为 20左右。当然，我们是根据两球视觉直径差值为 20而设计的各项数据，我们 还

19、可以根据视觉计算理论设计出很多种铁轨错觉案例。铁轨错觉也有很多种，通常情况下的 铁轨错觉差率并没有彩图中的错觉差率这么大，这是因为两墙间距强制性的使得视觉上按照 视线/平面一个方向时的视觉大小获得方式进行计算的结果，在某中意义上说，彩图中墙间 距视觉大小的获得方式类似于头顶天空中太阳大小的获得方式，而远处小球视觉大小的获得 方式则类似于地平线上太阳大小的获得方式，这正是彩图中错觉差率比较大的原因。铁轨错 觉的错觉比率不一定必然是 20，在不同的视场情况下，铁轨错觉的错觉比率是不一样的： 可以是 20，也也可以是任何一个错觉比率（比如 5）。铁轨错觉现象的存在，证明了人视觉上确实是根据视距远近不

20、同而调节衡量物体大小的 视觉尺度：远处物体用小的视觉尺度衡量看起来变小的物体，从而保证了物体知觉大小的恒 常性。我们观察天空中太阳的时候，也可以以不同的视觉尺度来理解太阳知觉大小，当我们 选择较小的视觉尺度（相当于按比例缩小了自我身体）来度量远处物体或天边太阳时，物体 或太阳的视觉直径就会被想象性地按比例放大相应的倍数。我们观察远处楼口的窗户时，可 以想象一个变小的自己能够爬进窗口，从而得到窗口的知觉大小。我们观察地平线上的太阳 时，如果我们静静的凝视太阳一会，就会感觉太阳好像变大了许多，调查过多人关于太阳大 小的印象时，大部分人都会觉得太阳大小的伸缩尺度是比较大的，这就是因为我们可以用不 同

21、的视觉尺度或身体比例衡量太阳大小的结果：当我们用小的身体比例去度量视觉上的太阳 直径时，太阳知觉直径相对就会显得较大，我们用大的身体比例去度量视觉中太阳时，太阳 知觉直径相对就会显得较小。身体比例的调节可以通过皮层视初级区神经元群同步化的面积 大小实现，这也是图 8 的错觉实验中，视觉上大的物体占据更大的初级区空间，视觉上小的 物体占据小的初级区面积空间的原因。 3总结 包括天空中太阳、月亮在内的一切物体视觉大小，都是受物体视觉大小获得的普遍规律 制约的。而物体视觉大小获得的普遍规律并不仅仅是视错觉这么简单，而是由一种更为精确 的视觉计算机制实现。视觉上是以垂直于物体表面的方式理解物体，并根据

22、视轴（或视线） 的视觉平行线得到物体视觉大小。视轴视觉平行线的获得，是通过视注意力从视线视觉方向 性到空间物体表面视觉方向性之间相互转换过程中实现的，而视线视觉方向性和物体表面视 觉方向性则是由视回路上的单质点对应神经原群同步化兴奋抑制表达和多质点对应的朝向 性神经元群同步化兴奋抑制表达实现的，因而，空间物体视觉大小的获得是脑神经系统自 动实现的，不需要额外的理性分析。从这点说，高等动物同样具有空间视觉计算的能力，而 非人类独有。 天空中太阳也是通过视轴视觉平行线（精确的说，应该是视线视觉平行线，只是视轴视 觉平行线更具有代表性而已）的方式获得的。由于平行线间距离处处相等，因而，通过视轴 视觉

23、平行线就可以将远处太阳视觉直径转换成视觉上等值的近处空间直径面积大小。近处空 间面积是熟悉的，从而通过观察太阳时的视轴视觉平行线就能够实现太阳视觉直径大小的觉 知。 视觉上在利用视轴视觉平行线获得天空中太阳大小的时候，头顶天空中太阳大小的获得 方式和地平线上太阳大小的获得方式是有所区别的，这种区别造成了月亮错觉现象的产生。 仰望头顶天空的时候，空间被理解为以眼为中心，沿着视线平面的方向延伸到远方。当 视线与观察平面处于同一个方向上时，视线平面上的单位长度线段随距离增加而变窄的程度 较大，头顶天空中的太阳视觉直径就会相对较小。 观察地平线上的天空和太阳时，空间被理解为以脚下地面为中心，沿着地面或地面平行 线的方向延伸到远方。当视线与观察平面成一定角度时，观察平面（地面）上单位长度线段 随距离增加而变窄的程度较小，地平线上远处太阳视觉直径也就相对较大。 一些视错觉也会对月亮错觉的程度造成影响，但视错觉不是产生月