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  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

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基于数据挖掘的海域使用现状研究—以辽宁省近岸海域为例

张建丽 宋德瑞 初佳兰 赵建华 周超

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基于数据挖掘的海域使用现状研究—以辽宁省近岸海域为例

    作者简介: 张建丽(1984-), 女, 山西运城人, 硕士, 主要研究方向为海域资源环境评价, E-mail:jlzhang@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 周超, E-mail:czhou@nmemc.org.cn
  • 基金项目: 中国海洋发展研究会科研项目(CAMAJJ201810)
  • 中图分类号: P74;X32

Analysis of the current statue of the sea area usage based on data mining—taking the coastal waters of Liaoning province as an example

  • 摘要: 近岸海域使用现状为海域管理和填海造地用海审批的重要依据。文章利用ARCGIS工具从数据挖掘的角度出发,详细介绍了海域使用现状数据的获取过程。以辽宁省近岸海域为例进行实证研究,较为准确地反映了辽宁省近岸海域使用的基本情况,得出以下结论:(1)辽宁省近岸海域使用潜力较大,仍然存在未确权用海现象;(2)辽宁省近岸海域使用以渔业用海为主,用海方式为开放式养殖;(3)辽宁省深海使用规模较大,且以底播养殖为主;(4)辽宁省近岸海域渔业用海集中分布,用海方式由陆地到海洋呈规律性的带状分布;(5)近5 a来辽宁省未确权用海现象明显减少,深海底播养殖用海规模不断扩大。
  • 图 1  基于ARCGIS的海域使用现状数据挖掘过程

    Figure 1.  Data mining process of sea area use status based on ARCGIS

    图 2  辽宁近岸海域使用类型

    Figure 2.  Types of use of coastal waters in Liaoning province

    图 3  辽宁近岸海域使用类型现状分布

    Figure 3.  Distribution of types of use of coastal waters in Liaoning province

    图 4  辽宁海域使用方式现状分布

    Figure 4.  Distribution of patterns of use of coastal waters in Liaoning province

    表 1  数据来源

    Table 1.  Data sources

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    表 2  字段信息

    Table 2.  Field information

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    表 3  近5 a来辽宁省近岸海域使用变化情况

    Table 3.  Changes in the use of coastal waters in Liaoning province in the past five years

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    表 4  近5 a来辽宁省近岸海域类型变化情况

    Table 4.  Changes in the types of coastal waters in Liaoning province in the past five years

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-19
  • 录用日期:  2018-12-15
  • 刊出日期:  2020-06-01

基于数据挖掘的海域使用现状研究—以辽宁省近岸海域为例

    作者简介:张建丽(1984-), 女, 山西运城人, 硕士, 主要研究方向为海域资源环境评价, E-mail:jlzhang@nmemc.org.cn
    通讯作者: 周超, E-mail:czhou@nmemc.org.cn
  • 1. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
  • 2. 辽宁师范大学 城市与环境学院, 辽宁 大连 116029
基金项目: 中国海洋发展研究会科研项目(CAMAJJ201810)

摘要: 近岸海域使用现状为海域管理和填海造地用海审批的重要依据。文章利用ARCGIS工具从数据挖掘的角度出发,详细介绍了海域使用现状数据的获取过程。以辽宁省近岸海域为例进行实证研究,较为准确地反映了辽宁省近岸海域使用的基本情况,得出以下结论:(1)辽宁省近岸海域使用潜力较大,仍然存在未确权用海现象;(2)辽宁省近岸海域使用以渔业用海为主,用海方式为开放式养殖;(3)辽宁省深海使用规模较大,且以底播养殖为主;(4)辽宁省近岸海域渔业用海集中分布,用海方式由陆地到海洋呈规律性的带状分布;(5)近5 a来辽宁省未确权用海现象明显减少,深海底播养殖用海规模不断扩大。

English Abstract

  • 随着我国工业化、信息化、城镇化、市场化、国际化的深入发展以及沿海地区国家发展战略规划的全面实施,沿海海洋经济取得了巨大的发展,2016年我国海洋生产总值达7万亿元,占全国GDP的比重9.5%。随着十九大“加快海洋强国建设”“生态文明”战略的相继提出,我国沿海地区的用海需求将不断加大,海域使用结构急需不断优化。随着海洋生态文明建设的不断推进,掌握近岸海域使用现状成为海域管理和填海造地用海审批的重要依据。

    相对国外来说,我国的海域管理起步较晚,2002年才进入法制化阶段。2003年我国近海海洋综合调查与评价专项(“908”专项)开展以后,才摸清和掌握我国近岸海域使用的基本情况。2009年随着“国家海域动态监视监测管理系统”(以下简称系统)的上线运行,实现了海域使用权属数据的信息化管理。但因海域使用权属数据量大,数据复杂多样,系统中的个别海域权属数据仍存在空间图形重叠、相交、偏移,属性信息不完整。另外,我国沿海仍然存在未批先用、过期未办理续期或注销登记、未确权的违法用海等现象。

    我国海域使用的研究较多,主要集中于现状评价[1-3]、统计分析[4-5]、存在问题[6]及管理对策[7-8]等方面,取得了一定的研究成果。但是目前的海域使用现状研究均未反应海域使用的真实情况,因为大部分研究成果的数据源以海域使用管理公报中的海域使用确权数据为主,未考虑违法用海情况;也有部分研究成果以遥感影像提取的用海信息为主,未能反映深海海域使用情况。为了准确掌握海域使用的基本情况,结合我国海域使用权属数据的特点,文章以系统中的确权现状数据为基础,借助高分辨率卫星遥感影像,利用GIS的空间数据挖掘方法,详细地介绍了海域使用现状数据的挖掘过程,并以辽宁省为例,分析了辽宁省海域使用现状特征、空间分布规律和近5 a来变化情况,为海域综合管理,合理配置海域空间资源提供参考。

    • 本次研究所需的数据来源于国家海域动态监视监测管理系统和原国家海洋局,数据详细情况见表 1

      表 1  数据来源

      Table 1.  Data sources

    • 在GIS中建立海域使用权现状数据库,建立海域使用数据现状要素集,并在数据集中建立确权数据现状和解析信息要素,具体属性字段信息如下表 2所示。

      表 2  字段信息

      Table 2.  Field information

    • 因系统中的确权现状数据坐标系不一致,大多以2000坐标系和1984坐标系为主,且无投影坐标。按照国务院关于推广使用2000国家大地坐标系的有关要求,采用GIS toolbox里的投影转换工具,将海域使用确权现状数据统一转换成为CGCS2000坐标系,因研究区域为辽宁近岸海域,为了便于计算,采用CGCS2000 3 Degree GK CM 120E坐标系来计算面积。

    • 因确权现状数据里某些属性字段信息缺失,为了便于分析,文章将确权现状数据的字段信息进行整合。字段整合的难度为用海类型和用海方式信息的整合,因我国海域使用管理的不同,2008之前数据大多没有用海方式,为了便于研究,参考我国2008年海域使用分类体系中用海类型分类编码和用海方式名称与编码,完善确权现状数据的属性信息。

    • 遥感影像数据参考Yun Zhang等[9]的预处理技术和方法,完成影响的配准、校正、匀色和镶嵌等统一标准化预处理,控制误差范围在1个像素之内。

    • 空间数据挖掘的方法有很多,包括统计分析方法、关联规则方法、决策树方法、神经网络方法、聚类方法和分类方法、空间查询和分析方法、粗糙集方法、云理论以及可视化技术等。本研究的数据挖掘主要运用GIS的核心及关键技术—空间查询、拓扑检查、空间叠加分析技术,对数据挖掘结果进行可视化表达,获得可信的、有用的、可理解的、直观的海域用海权属信息。

      基于遥感影像的信息提取方法较多,较传统的为基于像元光谱统计特性的方法[10],但是因该方法不善于提取空间信息,且对同物异谱、异物同谱、混合像元等问题不好解决。根据前辈们的研究经验[11-13],主要采用面向对象的方法,进行未确权海域使用信息提取,并通过目视解译的方法对提取的用海信息边界进行细微调整,确保精度在一个像素之内。

    • 海域使用现状数据挖掘是以海域使用确权现状数据为基础,管理岸线数据为参考,用2016年高精度遥感影像作为依据,对近岸海域使用现状数据进行挖掘,从而获得我国用海现状数据集。为了方便数据挖掘的处理,将原始数据标号为A,根据处理过程以后依次为B、C、E……,如图 1所示。

      图  1  基于ARCGIS的海域使用现状数据挖掘过程

      Figure 1.  Data mining process of sea area use status based on ARCGIS

      利用ARCGIS的空间信息查询工具,剔除海域使用确权现状数据中的超过用海终止时间的数据和底播养殖、海底电缆管道数据,具体操作如下:将确权现状数据A导入ARCGIS中,依据属性表中用海终止时间字段,依次查询超出用海终止时间的权属数据并剔除,得到确权数据B。

      在确权现状数据B中,由于底播养殖、海底工程用海等海域底部用海在空间位置上并不与海洋表层用海相重叠,避免叠加分析时误删除,故先用属性查询的方法,提取用海确权现状数据B中的海域底部用海,得到确权现状数据C和海域底部用海信息C′。

      采用拓扑检查工具,查找出C和C'中的图形混乱、完全重叠、被包含的用海数据,将完全重叠和被包含的用海数据全部删除,对偏移和交叉等图形混乱的数据,参考周边用海的边界采用手动调整坐标点的方法,按照形状和面积不变的原则进行逐一调整和纠正,得到数据D和D′。

      参考辽宁省管理岸线数据,采用叠加分析工具,查找出数据D中上陆的用海数据,采用人工处理的方法逐个删除上岸数据,得到数据E。

    • 依据2016年的遥感影像对用海现状数据E进行查漏补缺,采用eCognition和ArcGIS补充未确权用海的提取。具体操作步骤如下。

      首先将预处理后的影像导入eCognition,通过分割实验确定最适宜的影像尺度分割参数,利用密度函数、亮度等参数构建填海造地、围海养殖、浮筏养殖、港口等地物的分类规则;其次是提取相应的矢量斑块信息a导入ArcGIS;然后将a、E采用叠加分析进行合并获得F,采用目视解译的方法,对未确权分类结果进行了边界的细微调整。根据刘百桥提出的海域使用遥感分类体系[14],完成未确权用海类型和用海方式信息的完善;最后将无法从影像解译的用海信息删除。

    • 采用ARCGIS中的叠加分析中的更新工具,将数据F与数D′合并,形成海域使用现状数据G。具体操作如下:在ARCGIS中选择更新工具,输入数据D′选择更新数据F,获得截止2016年底海域使用现状数据G,共计85002个面状斑块。

    • 将数据G按照登记时间提取2011年12月31日前登记的海域使用数据,同时采用2011年遥感影像对解译的海域使用数据,进行查缺补漏,最后获取2011年底的海域使用现状数据。

    • 辽宁省近岸管辖海域面积为6.8万km2,通过对数据G分析统计发现,截止2016年底,辽宁省近岸海域使用面积达118.57万ha,其中表层使用面积49.20万ha,近岸海域表层使用率仅为7.24%,利用潜力较大。近岸海域确权面积106.80万ha,占近岸海域使用总面积的90.07%,存在未确权用海情况。

    • 图 2可以看出,辽宁省近岸海域使用类型齐全,但是主要以渔业用海为主,面积达107.79万ha,占全省海域使用总面积的90.91%,其次是工业用海、交通运输用海和造地工程用海,分别占全省海域使用总面积的3.59%、2.08%和1.71%,可见辽宁省海域使用仍然以传统海洋产业为主。渔业用海主要以开放式养殖为主,占渔业用海总面积的88.37%。

      图  2  辽宁近岸海域使用类型

      Figure 2.  Types of use of coastal waters in Liaoning province

      图 3可以看出,渔业用海遍布辽宁省沿海地区的近岸海域,在长海县附近海域形成了一个大的集中区,除了大连市区外,其余各市基本均匀分布。可见,渔业用海现状充分体现了渔业是辽宁省海洋经济的主要产业。辽宁省拥有漫长的海岸线,南邻黄海和渤海,因辽东湾环流、北黄海沿岸流以及上升流的影响,辽东湾和黄海北部处于冷暖流交融处,为鱼虾贝类提供丰富的饵料,适宜发展渔业。

      图  3  辽宁近岸海域使用类型现状分布

      Figure 3.  Distribution of types of use of coastal waters in Liaoning province

    • 辽宁省近岸深海确权海域使用面积达69.38万ha,占近岸海域使用总面积的58.51%。深海海域用海类型为渔业用海和海底工程用海,其中渔业用海面积占深海海域使用总面积的99.99%,且全部为底播养殖,占近岸海域渔业用海面积的64.36%。由图 3可以发现,深海海域使用主要分布长海县附近海域,辽东湾的西部和西北部。辽宁省底播养殖的品种主要为虾夷扇贝、底播养殖海参以及底播增殖的鲍鱼。因为长海县和辽东湾特殊的地理位置,近岸海域水质环境清洁,附近海域温度常年保持在一个较为适宜虾夷扇贝海参等生长的温度。

    • 图 4可以看出,辽宁省近岸海域使用方式规律分布。除大连市区、葫芦岛西南部区域外,辽宁省近岸海域使用方式由陆地到海洋几乎呈现了“填海造地—围海”和“填海造地—开放式”的带状分布模式。

      图  4  辽宁海域使用方式现状分布

      Figure 4.  Distribution of patterns of use of coastal waters in Liaoning province

      开放式用海集中分布于丹东湾、长海县和丹东市近岸海域,而填海造地则在普兰店、瓦房店、大洼县、锦州市区和葫芦岛市区形成了集中分布区,围海主要分布在普兰店湾北部、瓦房店、凌海市和盘锦市区近海岸海域。

    • 表 3可见,近5 a来,辽宁省近岸海域使用面积增加了50.55万ha,其中深海使用面积增加32.22万ha,占增加总面积的63.74%。海域使用确权面积增加50.93万ha,确权率提高了7.93%,因为国家海洋局自2012年起在全国范围内通过国家海域动态监视监测管理系统实施海域使用权证书统一配号工作,规范了我国海域使用的秩序,大大减少了违法用海比例,海域使用管理取得了明显的成效。

      表 3  近5 a来辽宁省近岸海域使用变化情况

      Table 3.  Changes in the use of coastal waters in Liaoning province in the past five years

      表 4可见,近5 a来,辽宁省海域使用结构变化存在明显变化,渔业用海使用比例有所增加外,其他用海使用比例均出现下降趋势,其中工业用海使用比例最为明显,由5.38%下降了1.79%。从增加面积来看,渔业用海增加面积最多,达48.16万ha,占增加总面积的95.26%,交通运输用海、造地工程用海和工业用海增加用海面积分别占增加总面积的1.46%、1.44%和1.18%。这主要是由于“十二五”期间,辽宁省提出大力培育海洋优势产业,发展精品渔业基地,要求全力推广各种优势优质品种的深水大网箱养殖、底播增殖等,导致其他用海的比例均出现下降,不断优化海洋产业结构。

      表 4  近5 a来辽宁省近岸海域类型变化情况

      Table 4.  Changes in the types of coastal waters in Liaoning province in the past five years

    • (1) 辽宁省近岸海域使用潜力较大,仍然存在未确权用海现象;海域使用以渔业用海为主,且用海方式为开放式养殖;深海使用规模较大,且以底播养殖为主;

      (2) 辽宁省近岸海域渔业用海集中分布,用海方式由陆地到海洋形成了“填海造地—围海”和“填海造地—开放式”的带状分布模式;

      (3) 近5 a来辽宁省未确权用海现象明显减少,深海底播养殖用海规模不断扩大;

      (4) 文章以确权数据为主,结合高分遥感影像解译结果,弥补了单独以海域使用公报数据或遥感解译结果来进行海域使用分析的不足,较全面地反映了海域使用情况。因卫星数据源、解译技术等限制,开放式养殖用海、底播养殖等用海信息难以准确的获取,其提取方法有待进一步研究,更完整地反映海域使用现状。

参考文献 (14)

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