地理信息系统在海水养殖环境研究中的应用.pdf

第23卷 第2期台 湾 海 峡 Vol 23 No 2 2004年5月 JOURNALOFOCEANOGRAPH YINTAIWANSTRAIT May 2004 地理信息系统在海水养殖环境研究中的应用 蔡文贵 贾晓平 林 钦 李纯厚 甘居利 王增焕 中国农业部渔业生态环境重点开放实验室 广东省渔业生态环境重点实验室 中国水产科学研究院南海水产研究所 广东 广州 510300 摘要 本文概述了目前我国海水养殖环境所面临的主要问题 分析了GIS技术及其在 养殖水域生态环境研究中的功能和作用 尝试性地探讨了GIS技术的数据收集 管 理和分析的强大功能在养殖水域生态环境研究中的若干应用及其发展前景 并以广 东考洲洋养殖水域的环境监测作为示例加以阐述 关键词 海洋环境学 海水养殖环境 综述 地理信息系统 应用 广东 中图分类号 TP18 文献标识码 A文章编号 100028160 2004 0220253207 我国海水养殖业的迅速兴起以及养殖产量的大幅提高 为国民经济的发展和人民生活的 改善作出了巨大的贡献 与此同时 养殖活动本身所产生的大量污染物 再加上周边地区工农 业废水 生活污水的输入以及溢油 排污管泄漏等突发事故的发生 对养殖水域的生态环境产 生了极大的影响 环境负荷量不断加重 导致水质富营养化程度加剧 赤潮频发 严重地威胁了 海水养殖业的持续发展 降低了水产品的安全食用系数 因此 对养殖水域生态环境的实时监 控 养殖模式的优化 养殖品种的优选 养殖容量的研究 以及养殖环境的修复对策研究近年来 受到越来越多学者的关注 地理信息系统 GIS 作为一门新兴的边缘学科 集计算机科学 地理学 测绘遥感学 环境 科学 城市科学 空间科学 信息科学和管理科学等于一体 在上个世纪80年代初开始兴起并 迅速发展起来 特别是近年来 GIS的社会化和全球化趋势日益凸显 以 数字地球 概念及其 分级分步实施为特征的GSDI 全球空间数据基础设施 NSD 国家空间数据基础设施 数字 省 数字城市和数字行业等建设已经由纯粹的理念宣传进入到了实实在在的规划和实施阶段 GIS研究计算机技术和空间地理分布数据的结合 通过一系列空间操作和分析方法 为地球科 学 环境科学 工程设计和企业管理提供对规划 管理和决策有用的信息 并解决实践活动中遇 到的难题 GIS技术与各个学科 领域 的有机结合 已成为目前研究的热门课题 将GIS用于 海水养殖环境的研究 实现水产养殖从传统模式过渡到科学化 现代化和智能化的模式 对于 海水养殖业的发展具有极大的促进作用 目前该研究在国内尚处于空白阶段 有待于进行深入 的开发和应用 本文在此拟作一尝试性的探讨 1 水产养殖环境面临的主要问题 收稿日期 2003204214 作者简介 蔡文贵 1965 男 副研究员 通讯作者 贾晓平 1949 男 研究员 博导 1 1 养殖水域富营养化日趋严重 赤潮灾害频繁发生 养殖水域的主要污染包括石油污染 营养盐 氮 磷 污染 有机污染和重金属污染等几大 类 1 由于周边地区工 农业废水和生活污水的大量输入 养殖水域富营养化的范围和程度呈 扩大和加重的趋势 同时 养殖活动本身产生的大量富含营养物质的养殖废水直接进入养殖水 域内 其自身污染更加剧了有机污染程度 另外 溢油和排污管泄漏等突发事故的发生 也对养 殖水域的生态环境造成了相当严重的危害 有机污染及富营养化程度的加重 直接导致了赤潮的频繁发生 有关研究表明 赤潮发生 频率与沿海养殖产量 即养殖废水排放量 有着密切关系 2 3 赤潮的发生对养殖水域生态环 境和水产增养殖的危害极大 1997年10月至1998年4月 广东 香港水域相继发生了多起赤 潮 其规模之大 持续时间之长为历年少见 共损失网箱养殖鱼类2 000多吨 价值约2亿元人 民币 4 6 1 2 养殖水域渔场老化 生物多样性降低 局部区域自身污染凸显 养殖水域渔场老化的原因主要是由于养殖过程中所产生的自身污染效应长期积累所造成 的 7 8 高密度 大量投饵的养殖方式 导致大量养殖污染物 如残饵和个体排泄物等 在养殖 水域水体内不断地增加或沉积至海底中 水体质量下降 沉积环境恶化 生物多样性降低 严重 时导致养殖生态系统失衡 紊乱乃至完全崩溃 水产养殖的自身污染问题逐渐显露且日益突 出 1 3 单一化的高密度养殖模式削弱了养殖水域的自我修复功能 由于水产养殖对象单一 生物组成简单 且食物来源主要来自人工投饵 从而使得养殖水 域整个生态系统的营养层次减少 物质循环和能量流动在一定程度上受阻或某些环节被切断 正常的食物链也因生产者和消费者之间的结构不合理而难以发挥应有的作用 9 其结果导致 生态系统稳定性降低 自身调节能力减弱 其生态平衡 结构和功能的完善在很大程度上要依 靠人工调节 从而容易引起一系列的紊乱和环境问题 1 4 大规模填海 围垦改变养殖水域的生态环境 随着沿海经济的高速发展 填海 围垦等造地工程日益增多 而一些无序无度的大规模填 海 围垦对沿海养殖水域生态环境造成了严重的影响 包括 1 直接填埋优良产卵场 采苗场 育肥场和增养殖场所 2 改变了局部水域的流场和水交换条件 3 改变了局部水域的生态结 构和生态平衡 2 GIS的特征 功能及在海洋管理中的应用与发展概况 2 1 GIS的主要特征 GIS是融地理学 几何学 计算机学及各类应用对象于一体的综合性高新技术 其最大的 特点在于把社会生活中的各种信息与反映地理位置的图形信息有机地结合在一起 并根据需 要对这些信息进行分析 判断和模拟 10 12 因此 GIS具有定量性 灵活性 快速性 客观性 系统性和强大的综合分析能力 动态模拟能力 更新能力 信息共享能力等 其主要特征表现 为 1 海量数据的存储和管理 2 面向对象 object2oriented 的数据模型 3 空间分布的图形 可视化 4 空间导向 5 空间思维及综合性的二次开发能力 2 2 GIS的功能 452 台 湾 海 峡 23卷 1 具有采集 管理 分析和输出多种地理空间信息的能力 具有空间性和动态性 2 以地理研究和地理决策为目的 以地理模型 空间分析模型和数学统计模型 方法为手 段 具有区域空间分析 多要素综合分析和动态预测能力 产生高层次的地理信息 3 由计算机系统支持进行空间地理数据管理 并由计算机程序模拟常规或专门的地理分 析方法 作用于空间数据 产生有用信息 完成人类难以完成的任务 2 3 GIS在海洋管理中的应用与的发展概况 GIS作为综合处理和分析空间信息问题的有力工具 已在各个学科或领域中得到了广泛 的应用 13 21 在海洋渔业领域 其发展和应用主要表现在以下几个方面 1 海洋资源与环境 的研究 监测和预报方面 如文献 22 24 针对东海区综合应用GIS GPS和RS技术开发了 海洋渔业服务地理信息系统 并研制出具有海洋渔业行业特色的海洋渔业电子地图系统 2 海洋经济发展的宏观管理 主要包括沿海地区社会经济信息 主要海洋产业信息及海洋经济信 息产品等方面 3 海洋监察执法管理方面 如Pollitt 1994 综合利用GIS 数据库技术和专家 系统 建成渔业保护信息系统 FPIS 18 为爱尔兰海域渔业巡逻服务 4 水产养殖点的选取 方面 养殖前 通过对预先水域进行综合的调查和科学的评估 利用GIS技术评价各种鱼类的 养殖适宜地 为水产养殖业提供服务 相对于GIS在大尺度范围的海洋渔业环境方面的研究和应用来说 海水养殖环境GIS的 研究和应用则较为滞后 目前仅限于用GIS来描述养殖水域中一些理化因子的分布趋势以及 水质营养状况的等级划分 其系统的研究结果甚少见报道 因此海水养殖环境GIS尚处于起 步阶段 需要投入足够的人力和物力进行深入细致的研究 另一方面 虽然目前海洋渔业GIS 的研究应用了遥感 数据库 模型库和GPS等先进技术 但对人工智能 空间数据挖掘等技术 和概念的引入尚欠不足 而这些应是今后GIS研究和发展的重点 3 GIS在海水养殖环境研究中的应用 利用GIS建立开放式养殖综合管理信息网络系统 分布式养殖管理信息数据系统和养殖 综合管理分析与决策子系统 构成一个集成化的环境以满足养殖水域生态环境立体监测管理 系统功能的需要 并对各种信息进行分析 模拟 为养殖水域生态环境质量的监测 评估 预警 预报等服务 3 1 数据的获取 养殖水域环境要素 生物因子和非生物因子 的调查监测是对水域环境质量进行统计 综 合分析和判断 以及预测预报的前提条件 环境要素的空间分布和时间变化 反映了养殖水域 水体质量的变化趋势 是生态环境保护和规模化养殖科学管理的依据 随着科学技术的发展 以计算机技术为支撑的 3S 技术 GIS RS和 GPS 已成为现代海 洋监测的主要手段 特别是卫星遥感 RS 因其具有迅速 同步 重复和大面积测量的特点 为 大尺度的海洋环境与资源要素的监测开辟了一条崭新的途径 但由于RS目前仅局限于大面 积的海洋调查 因而对于范围较小的养殖水域 其环境要素的数据采集主要还是采用常规监测 与全球定位系统 GPS 相结合的方法 其数据采集流程如图1所示 利用GPS的定位 在养殖 水域中布设适当的监测站位 定期采集各站位水质 底质和生物样品 测定各样品的理化因子 包括温度 盐度 pH COD DO BOD 营养盐 重金属等 生物因子 包括叶绿素 浮游生物和 552 2期 蔡文贵等 地理信息系统在海水养殖环境研究中的应用 底栖生物等 及生物残毒 并将所测数据作为养殖水域环境监测的数据库基础 3 2 建立GIS数据库 借助于GIS和数据库软件 可以对监测中获取的海量空间化数据和非规范化信息 如空 间图形 图像和音频等 进行动态存储 提取和高效的管理 建造规范 统一格式的数据库 提高 数据的使用效率和工作效率 从而改善监测数据的管理模式 25 信息与数据动态变化及其分散分布的特点 需要网络系统来支持 26 随着网络地理信息 系统 WEBGIS 的开发和应用 空间数据与信息的全球化共享已成为现实 GIS与因特网 数 据库等技术的结合 开放式地理信息系统 OpenGIS 为养殖水域环境空间数据的共享和信 息服务提供了良好的平台 避免了对同一水域低水平的重复调查和监测而造成的人力 物力和 财力的极大浪费 促进了养殖水域生态环境管理的科学化和高效化 3 3 时空分析与时空模拟 通过对监测数据进行点数据的插值 加权平均以及图层叠置等过程 进行包括缓冲区分析 和空间叠加分析等在内的综合分析 生成多种专题地图 并结合相应的数学模型进行动态分析 和时空模拟 提取环境要素的空间属性信息 研究其时空分布的差异及变化趋势 从而对环境 质量的变化状况作出直观 动态的评估 3 4 综合判断与预测 利用GIS强大的综合信息处理能力和空间分析能力 建立数字高程模型 DEM 对养殖 水域环境要素的栅格数据进行时空分析和统计 综合判断其环境质量现状并对其结果作出科 学 客观的预测和预报 3 5 建立养殖水域生态环境监测 监控体系 通过GIS 数据库软件 程序开发语言及相应的应用程序 对养殖水域的空间属性数据进 行调用和集成 建成集辅助决策 辅助管理与辅助研究于一体的环境质量监测和监控体系 全 面实现养殖水域综合管理的信息化和现代化 实时 动态地监测 监控养殖水域生态环境质量 的变化状况 由于该监测和监控体系建立在专题性 专业性应用和服务的基础之上 因而其具 有专题性和专业性应用和服务的基本目标 即实现辅助决策与管理的目的 以便对养殖水域进 行科学的管理和合理的规划 该体系功能结构如图2所示 图1 养殖水域环境监测数据采集流程 Fig 1 Data collection flow for environment monitor on culturing waters 图2 养殖水域环境监测 监控体系总体功能结构图 Fig 2 Function frame of environment monitoring and controlling system for culturing waters 652 台 湾 海 峡 23卷 4 应用实例 考洲洋是粤东沿岸重要的水产增养殖水域 被列为广东省海洋养殖示范区 近年来由于湾 内海水养殖业发展迅猛 养殖水域被过度开发和利用 养殖活动所产生的自身污染物以及周边 地区各种污染物的输入 导致养殖水域水质恶化 养殖病害频繁发生 湾内水质状况在一定程 度上制约着水产增养殖业的可持续发展 为了客观地评价考洲洋养殖水域的水质营养状况 在 GIS和数据库技术的支持下 根据枯水期和丰水期两个航次对湾内海水理化因子及生物因子 的调查数据 采用数据库创建 点数据插值 栅格图形加权平均和图层叠置等一系列分析手段 通过生成各种相关的专题图 包括综合水质等级水平 有机污染指数A值等级水平 初级生产 力等级水平和饵料生物等级水平等 见附在刊末的图3 并按相应的评价标准和等级划分标 准 27 30 综合地分析和评价了考洲洋水域的营养水平 初级生产力水平和饵料生物水平及其 动态变化情况 评价结果表明 枯水期考洲洋的水质符合一类海水水质标准 未受明显的有机 污染 而丰水期湾内水质符合二类海水水质标准 但部分水域 特别是该湾西北部水域 受到明 显的有机污染 出现富营养化现象 此时应引起重视 并采取相应的措施以防止污染程度的进 一步加重而导致养殖病害的发生 图3a d 两个调查季节初级生产力水平的分布趋势相似 其密集分布区均出现于湾口至盐洲岛一带水域 从湾西北部至湾口初级生产力水平逐渐升高 图3e f 饵料生物水平的分布均无明显的规律性 但相对来说丰水期的变化幅度较大 其密 集分布区出现于望京洲沿岸水域 湾中部及湾口附近水域 图3g h 两个调查季节相比 丰水 期的初级生产力水平和饵料生物水平均比枯水期的高 通过以上的综合分析和判断 基本上摸清了考洲洋养殖水域的水质 营养状况及其动态变 化规律 在此基础上结合历史调查数据 利用GIS软件及其控件 数据库软件和VB开发语言 程序等计算机技术进行相关功能模块的二次开发 然后通过对各功能模块的组织 调用和集 成 建立起以GIS技术为支撑的 集考洲洋养殖水域自然环境信息与环境要素空间属性信息 于一体的 可视化的开放性立体监测系统 从而实现养殖环境管理的科学化 程序化和现代化 为保证养殖水域的可持续利用和养殖业的可持续发展提供了技术支撑手段 5 结语 GIS正逐步应用于海洋渔业等领域 将进一步在各个应用层次 决策中起着重要的作用 GIS的发展和应用将促进海水养殖业从传统的养殖模式过渡到现代化 数字化和智能化的养 殖模式 利用GIS技术强大的数据处理能力和空间分析功能 进行养殖水域生态环境的动态 监测 监控和养殖水域的一体化科学管理 在 数字地球 数字海洋 快速发展的今天 具有很 强的时代特征 也具有广阔的发展潜力 参考文献 1 贾晓平 蔡文贵 林钦 我国沿海水域的主要污染问题及其对海水增养殖的影响 J 中国水产科学 1997 4 4 78 82 2 张水浸 赤潮及其防治对策 M 北京 海洋出版社 1994 3 林永水 近海富营养化与赤潮研究 M 北京 科学出版社 1997 1 17 4 刘可英 赤潮引起省委省府高度重视 N 南方日报 1998204218 2 5 胡蓉 符信 预防赤潮继续蔓延 N 广州日报 1998204218 A 2要闻版 752 2期 蔡文贵等 地理信息系统在海水养殖环境研究中的应用 6 欣曲 赤潮袭击香港 渔户损失严重 N 中国海洋报 1998204217 1 7 杨圣云 许振祖 优化养殖水域生态系统结构的若干途径 J 海洋科学 1997 3 42 43 8 甘居利 贾晓平 林钦 等 海水网箱渔场老化风险初探 J 中国水产科学 2001 8 3 86 89 9 何国民 卢婉娴 刘豫广 等 深湾网箱渔场老化特征分析 J 中国水产科学 1997 4 5 76 80 10 陈述彭 曾杉 地球系统科学与地球信息科学 J 地理研究 1996 15 2 1 10 11 黄杏元 汤勤 地理信息系统概论 M 北京 高等教育出版社 1989 12 Goodchild F Geographical information science J LJ GIS 1992 6 1 31 45 13 陈述彭 城市化和城市地理信息系统 J 地学的探索 1992 4 2 125 141 14 William E H An Introduction t o Urban Geographic Information Sys t em M Oxford Oxford Uni2 versity Press 1991 15 张梨 城市洪水分析模型的GIS方法研究 J 地理学报 1995 增刊 24 29 16 Rigby J Human factors in geographic information systems J Cart ographic J ournal 1995 32 1 104 105 17 Reykjauik Iceland reaps benefits of GIS J ARC News 1995 15 3 128 132 18 Pollit M Protecting irish interest GIS on patrol J GIS Europe 1994 3 6 18 20 19 Meaden G J FishCAM2000program DB OL http www cant ac Uk depts acad geography fish fishcam htm 2003204212 20 Long B Torres Strait marine geographic information system A Bellwood O Choat H Saxena N Recent Advances in Marine Science andTechnology C Hawaii Pacon Intentional 1994 231 239 21 Newfoundland and Labrador AquaGIS Aquaculture Geographic Information System DB OL http www aquagis com scripts aquagis run2