三沙湾是中国沿海少有的优质深水湾之一，具有发展大型工业港口和综合枢纽港口的有利条件，同时，三沙湾是中国著名、规模最大的黄鱼产卵场，也是福建省最大的黄鱼网箱养殖基地。近年来，三沙湾海上养殖业在当地经济发展中发挥着重要作用^[1]，但也存在一些不可忽视的问题，如自然资源的过度开发，水质恶化，病害频发，养殖区安置混乱妨碍海上正常航行等^[2]，海上养殖秩序整治刻不容缓。

治理海上养殖秩序，离不开对海上养殖区的实时监测。传统的水产养殖监测方法费时费力，不能满足港口综合管理和可持续发展对海洋现势性信息的需求。与常规调查方法相比较，遥感技术具有时效性强、周期短、经济效益大等特点，已被广泛应用于沿海地区的土地利用调查与监测等^[3-7]。因此本文充分利用中高分辨率Landsat5 TM和Landsat8 OLI卫星影像，对所获得的不同时期的影像数据进行预处理，结合实地调查资料，将研究区划分为四个分类体系：网箱养殖区、藻类养殖区、水体和其他，通过传统的监督分类方法——支持向量机分类法对2003、2005、2008、2011、2013、2014和2016年三沙湾海域的海上养殖区域进行分类后统计，得到相应年份的养殖区面积。通过分析海上养殖区的时空变化，并使用不同的面积扩张指标来评估不同养殖区的扩张强度等信息，以期为发展健康生态养殖、调整优化养殖布局提供参考依据。

1   材料与方法

1.1   研究材料

1.1.1   研究区概况

三沙湾海域位于福建省宁德市东南部(119°52′E—120°09′E、26°66′N—26°79′N)，横跨霞浦、福安、宁德、罗源等多个辖区(图 1)。东西长45 km，南北宽25 km，总面积约714 km²。三沙湾属中亚热带季风气候，年平均气温14.7℃~19.8℃，水温介于19℃~21℃，年平均降水量1631 mm。

图  1  研究区地理位置

Fig.  1  The study area location

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三沙湾(湾内分为三都澳、官井洋、东吾洋等区域)地形口小腹大，是一个十分奇特的海湾，仅南部有一个出水口，宽度仅有2.6 km，湾内的三都澳更是著名的优良港湾^[8]。三沙湾深水面积和航道水深都堪称世界之最，还有避风良好、不冻不淤、码头施工便利等许多优点。三沙湾自古以来水质优良，水产资源丰富，是我国著名的大黄鱼产卵场。目前，三沙湾海域共有网箱养殖达27万多箱^[8]，黄鱼产量占整个宁德黄鱼产量的一半以上，遍布青山、斗帽、三都岛、白匏、鸡公山岛等海域；近几年，鲍鱼的养殖经济效益正好，带动了龙须菜的大面积养殖，同时海域内还广泛养殖海带、紫菜等营养价值较高的藻类^[9]。

1.1.2   数据介绍

利用不同时期(2003、2005、2008、2011、2013、2014和2016年)的Landsat TM/OLI数据，对三沙湾的海上养殖区进行连续的观测，研究区范围可由1景Landsat影像全覆盖(景行列号为119/41)。网箱养殖区分布位置一般比较固定，与季节无关；而由于夏季(主要为6月)是海带的收获季节，且龙须菜无法在夏季高温环境下生存，因此，为达到监测养殖面积的目的，在选择遥感影像时避开了夏季的影像，共选择7个时相的7景Landsat数据(包括3景Landsat 8 OLI和4景Landsat 5 TM)，数据情况如表 1所示。对所有的Landsat影像进行预处理，主要包括辐射校正、大气校正、波段融合和研究区域裁剪等环节，处理过程由ENVI图像处理软件完成。

表  1  遥感影像数据源具体情况

Tab.  1  The data information of remote sensing

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1.2   研究方法

1.2.1   分类体系

通过2016年3月22日在三沙湾三都澳、吉安岛附近海域的实地调查发现，三沙湾海域海上养殖主要以网箱养殖(黄鱼、鲍鱼等)和藻类养殖(海带、紫菜、龙须菜等)为主。网箱养殖区是由木材和塑料等材料构成的长方形网格，它在图像中呈现为规则亮块。藻类养殖区是属于浮筏养殖，藻类悬挂在100~500 m的缆绳上，缆绳两端由泡沫浮球固定，藻类垂入海面半米处，成百上千条缆绳悬挂着漂浮的藻类在海面上规则排列，组成数千米的条带，在影像上呈现黑色，易于识别。本文根据研究对象将影像分为四大类型，分别是网箱养殖区、藻类养殖区、水体和其他。各地物类型对应的Landsat8 OLI影像(432波段组合)和描述如表 2所示。

表  2  研究区影像的分类体系

Tab.  2  The classification system of image in the study area

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1.2.2   支持向量机分类法

支持向量机(support vector machine，SVM)是一个在模式识别和机器学习领域的成功方法，它能够利用Kernel理论处理线性不可分类别，具有小样本训练、支持高维特征空间的特点^[10]；其基本思想是在样本空间或特征空间构造出最优超平面，使得超平面与不同类样本集之间的距离最大，从而达到最大的泛化能力^[11]。目前，它已广泛应用于各类遥感应用研究中，如遥感图像分类^[12-13]、遥感影像分割^[14]及混合像元分解^[11]等。支持向量机法从功能上分为分类与回归两类，本研究中海上水产养殖信息检测以其分类功能为基础。

1.2.3   扩张强度指标

(1) 养殖区年均扩张速度^[15]：

式中：V表示养殖区年均扩张速度；ΔA表示某个时间段养殖区的扩张面积；Δt表示时间段的跨度，以年为单位(下同)。

(2) 养殖区扩张强度^[15]：

式中：ΔS_i表示研究区内某研究时间段内养殖区的增长面积；S_i则为该研究区总面积。I_i值越大，养殖区扩张强度越大，扩张速度越快，反之则越慢。

2   结果与讨论

2.1   精度检验

将网箱养殖区和藻类养殖区的分类结果分别输出为矢量文件，叠加到原始影像上做对比分析(如图 2所示)。结果表明，养殖区矢量边界与原始影像研究对象的吻合性较好，除了部分岛屿边界错分为网箱养殖区、极小部分的藻类养殖区存在漏分现象外，总体上分类效果良好，满足分类精度要求。

图  2  分类结果精度验证

Fig.  2  The accuracy verification of classification results

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2.2   分类结果

基于SVM分类法，对2003—2016年研究区的影像进行了分类，并统计不同养殖类型的养殖区面积。图 3为2003—2016年三沙湾水产养殖遥感分类结果。

图  3  2003—2016年海上水产养殖区域分类结果

Fig.  3  Marine aquaculture region classification results from 2003 to 2016

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2.3   养殖区面积动态分析

2.3.1   养殖区面积变化

对不同期的三沙湾海上养殖区域的分类结果做分类后统计，2003—2016年间网箱养殖与藻类养殖面积及其变化情况如图 4所示。

图  4  各年份网箱养殖区和藻类养殖区面积统计

Fig.  4  Area chart of cage aquaculture area and algae culture area

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由图 4可知，网箱养殖与藻类养殖面积均逐年增加，且增长较快，但两者增速不同。网箱养殖面积由2003年的6.1 km²增加到2016年的29.2 km²，平均增速为1.7 km²/a，；在2003年，海域内藻类养殖还未开展，而到2016年已增加至130.6 km²，平均增速为9.3 km²/a。截止到2016年，三沙湾内的总养殖面积达到160 km²，超出三沙湾规划养殖面积(132 km²)^[10]的21.2%。

2.3.2   养殖区扩张变化分析

为了直观地反映三沙湾海域水产养殖区扩张情况，根据研究区内养殖区扩张强度的差异，分为快速增长(>40%)，稳定增长(20%~40%)，增长缓慢(0~20%)(如表 3所示)。

表  3  三沙湾海域海水养殖区扩张变化分析

Tab.  3  Change analysis of Sansha bay's mariculture expansion

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(1) 网箱养殖区扩张强度分析。第一阶段(2003—2008年)网箱养殖区的扩张强度为13.1%，呈现缓慢增长，面积从2003年的6.1 km²到2008年的9.9 km²，共扩张了3.8 km²。五年来，三沙湾的网箱养殖业开始初步发展，并逐渐成为当地经济发展的支柱产业之一^[2]。第二阶段(2008—2013年)，网箱养殖区扩张强度达到56.7%，呈现快速增长态势，养殖面积在该阶段扩张了16.5 km²，为2008年网箱养殖总面积的1.8倍。在此期间，随着经济的发展和人们的生活水平、消费意识的提升，人们对高营养价值的海鲜类产品(黄鱼和鲍鱼等)的需求不断扩大，导致了网箱养殖区面积的迅速扩张^[8]。第三阶段(2013—2016年)，网箱养殖区扩张强度下降到9.3%，为三个阶段中的最低水平。这主要是由于第二阶段和第三阶段中网箱养殖区的不断扩张，养殖区养殖密度过高，沿海水质恶化，养殖的死亡率高。网箱养殖大黄鱼等需要人为投喂大量的饵料，以满足鱼类的生长需求，但是投喂的饵料并不能被鱼类全部摄食和吸收，大约只有1/5的饵料能被有效利用，大量的残饵和鱼粪沉降到海底成为海水水质污染的主要来源，造成养殖区有机碳、硫化物等的浓度严重超标^[16]，进一步加重了三沙湾海域的富营养化程度，引起近年来海区赤潮频发，导致海洋生物死亡率上升，最终导致渔民的海水养殖热情下降。

总的来说，2003—2016年间，网箱养殖扩张强度变化呈现“缓慢增长(2003—2008)-快速增长(2008—2013)-缓慢增长(2013—2016)”的趋势。

(2) 网箱养殖区扩张范围分析。比较2003到2016年的网箱养殖区分布可知(图 3)，2003年网箱养殖区主要分布于东安岛、青山岛、三都岛、长腰岛及大陆沿岸，零星分布于深水海域；发展至2013年，网箱养殖区域依旧保持围绕岛屿以及大陆沿岸为主，但养殖面积和密度均大幅提高。而到2016年，网箱养殖总面积扩张的同时，大规模密集的养殖区，养殖密度开始下降，这可能是由于三沙湾沿岸网箱养殖密度过大，水质不断恶化，受此影响，养殖户只能选择远离水体流动差、各类污染物滞留的沿岸地区，向深水海域扩张。

(3) 藻类养殖区扩张强度分析。第一阶段(2003—2008年)中，藻类养殖是从2005年开始发展起来的，到2008年，藻类养殖面积增加了9.5 km²，从2003年到2008年藻类养殖面积呈现缓慢增长，平均增速为1.9 km²/a。在此期间，人们对藻类植物的营养价值缺乏认识，且海上交通不发达，养殖藻类需要相对较高的成本，养殖户们无法从中获取利益，因此藻类养殖在这一阶段还不够发达。第二阶段(2008—2013年)，由于海上交通工具的发展及普及，以及公众对藻类营养价值的认可，养殖成本大幅下降，养殖面积迅速扩张，扩张强度达到了38.5%，呈稳步增长态势。第三阶段(2013—2016年)，该阶段与网箱养殖扩张情况不同，藻类养殖面积在该阶段仍然保持迅速增长，扩张强度高达54.2%。这主要是由于近几年来，鲍鱼的养殖经济效益正好^[17]，养殖规模极大，而鲍鱼的食物较为单一，只食用藻类植物。当地渔民通过多年的养殖经验认为，食用龙须菜的鲍鱼能生长的更加肥美，因此，该海域广泛种植龙须菜，可以说鲍鱼产业的发展，带动了三沙湾海域藻类植物的大面积种植。

总的来说，藻类养殖扩张强度变化呈现“缓慢增长(2003—2008)-稳定增长(2008—2013)-快速增长(2013—2016)”的趋势，即三沙湾海域的藻类养殖区扩张速度越来越快。

(4) 藻类养殖区扩张范围分析。对比2008与2016年藻类养殖面积可知，2008年藻类养殖区域主要集中在溪南镇与东安岛东部海域、白马镇东部海域以及三都岛南北两侧海域，并以这三块区域为中心集中发展扩散，至2016年，三块区域均有不同程度的增长，其中东吾洋海域的藻类养殖基本覆盖整个海域(图 4)，凡是能用来开发养殖项目的海域现在已经基本利用殆尽。

针对三沙湾海域的海上养殖区域不断扩张的问题，为实现三沙湾港湾新建设、健康生态养殖，现提以下几点建议：注重提高三沙湾港口建设重要性的宣传工作；建设长效监测、监管制度，严格执行海域内的相关规定；建立完善的养殖信息共享服务平台，组织养殖户们参加养殖技术培训、引导养殖户科学安排养殖规模。

3   结论

(1) 利用SVM对Landsat数据进行分类，能有效实现对三沙湾海域网箱、藻类养殖区的提取和动态监测。

(2) 养殖区面积统计与分析结果表明，近十几年来，三沙湾海域养殖面积不断扩大，网箱与藻类养殖面积分别增加了：23.1 km²和130.6 km²；至2016年，三沙湾内的总养殖面积达到160 km²，超出三沙湾规划养殖面积(132 km²)的21.2%。

(3) 网箱养殖和藻类养殖在不同时期的扩张强度差异很大，前者经历了从缓慢增长到快速增长再到增速放缓的过程，而后者的增长速度不断加快。且网箱养殖范围由大陆、岛屿沿岸向深水区域发展，而藻类养殖面积扩张范围几乎覆盖整个海域。