遥感技术在胶莱运河选线和基础调查中

应用的可行性与效益分析

吴永森¹ 孙玉星¹ 李文渭²

       （1．国家海洋局第一海洋研究所，青岛，266061；2 青岛太平洋学会，青岛，266003）

摘要：

遥感技术经过几十年的发展，已经从最早的目视判读，发展到目前的定量信息提取，在光谱分辨率和地面分辨率方面也已分别发展到纳米和厘米量级。在农业、水利、城市规划、土地利用、铁路选线、制图与基础数据更新等方面得到了广泛的应用，取得了巨大的经济和社会效益，现已经成为各级政府宏观决策和微观调查数据获取的重要手段，特别在土地利用，数据库建设和地图更新，灾害监测与城市规划、水利建设方面则更是如此。

   在胶莱河重新开挖这一重大项目设想的前期预研中，遥感技术以其独特的优势可以为众多相关命题的深入研究、政府决策以及前期调查等提供经济、可靠、快速的最新专题调查数据和专题图，可以最大限度的避免因经费不足或其他人为因素而造成调查取样不足，分析结果不准而导致政府最终决策的失误。为此，作者认为，有必要在此将现有技术水平、可行性、经济效益和我们已获得的研究成果与工作经验以及围绕胶莱河重新开挖、整治遥感技术在其中所能扮演的角色等进行简略介绍，为胶莱河的重新开挖进行基础数据调查提供技术支撑，为政府决策提供可靠的动态调查和基础数据。

关键词: 遥感技术，胶莱运河选线，基础调查，应用的可行性，效益分析

引言

“重新开挖胶莱运河”的设想一经提出，立即引起包括众多海洋学家、生态学家、经济学家、历史学家、社会学家和社会各界人士的广泛关注和热议。根据有关领导设想“在现有胶莱运河的基础上，重新开挖贯通两湾的胶莱人工运河，一方面将有效加快两湾水交换能力，改善生态环境；一方面将为航运交通、经济开发带来一系列综合效应，进一步凸现青岛港口龙头地位，使不靠海的胶州市、平度市、高密市成为重要的海河港口城市；另一方面还可以使莱州、昌邑的港口优势凸现，东营、滨州地域优势进一步显现，促进环渤海经济圈的发展；人工海河还可以成为国防安全的第二大通道 ……”。尽管诸多媒体对此进行了大量的报道和深层次的“挖掘”，但好多设想是否合理、可行，符合科学规律有待进一步研究论证,需要我们从历史和现实，从开发和保护两个方面进行“可行”与“不可行”的认真探索。

胶莱运河自1280年开始挖建至今已近800余年，期间，不停地修整和扩建，元、明时期就有众多物资曾经过胶莱运河进行漕运，这很可能是历史上“胶州”处于重要地位的重要原因之一。但随着交通的发展，这一功能随之退化。目前，连接胶莱两湾的胶莱河，其漕运功能已完全消失。尽管其中原因可能相当复杂，但这与社会的进步，经济和科学技术的发展以及周围自然环境有着直接的原因。进入二十一世纪，重提胶莱运河的开挖，需要用最新的现代科学技术与方法对诸多重要的科学问题进行多学科深入研究和综观审视。

“胶莱人工海河”项目涉及到黄海和渤海两大海域，涉及到海洋、环保、水利、土地、交通、城市建设等多个行业和部门；涉及到社会、自然生态环境、经济格局的重大改变；涉及到人文科学、社会科学和自然科学的融合、碰撞和取舍，前期研究面对的诸多问题极富挑战性。现就构想中的长约130公里，长度仅次于全长195公里的苏伊士运河，设想中水深在6米至10米的胶莱人工海河的选线原则和需要进行综合调查的几个问题以及利用遥感技术绘制沿河流域的空间遥感图技术的可行性和相关经济效益作一些简要的技术上的介绍，供专家和领导决策参考。

我们认为，胶莱河的重新开挖、整治项目不管是上还是不上，决策前皆需客观的基础数据调查。这些基础数据是项目立项、决策的唯一参考依据。在众多基础数据调查中，胶莱河现有流路，沿河流域的自然环境、人文社会调查（包括沿河村镇的现状和历史变迁）是成本核算、河道选线、环境状况演化评估等最为重要的基础依据。高分辨率地球观测卫星可以为进行这种调查提供客观、真实的空间观测数据。尽管现有高分辨率的美国Landsat - 5/7 TM和ETM，法国SPOT和美国 Quickbird卫星地面覆盖面积相对较小（TM仅为185km x185km），但地面分辨率较高（TM--30米；SPOT—5~10米，Quickbird---0.61厘米），在近岸及其近岸海域的微地貌特征及侵蚀发育的动态变化监测、地图修测、陆地植被、城市规划和环境要素调查等方面有着独特的优势和应用价值。利用它制作1：2000，1：5000，1：2万，1：5万或1：10万基础图件和对胶莱河流路现状、沿河流域的自然、生态环境要素等进行专题调查在项目的预研期就应当得到应有的重视和投入。依据我们现有地球观测卫星数据和现有卫星数据处理技术以及图像信息分析、解译技术，有能力为胶莱河重新开挖前的工程规划、自然和社会环境要素调查以及政府决策提供快速和客观、更正的实时监测数据。下面就有关的遥感技术发展现状，技术水平，效益比较和关于胶莱河自然、环境和社会要素进行卫星遥感调查的几点建议简述如下。

1       遥感技术的最新发展与经济效益比较

结合该项目研究的特点，现就可提供该项目数据源的主要几种常用卫星技术指标分述如下。

l        可供使用的相关卫星技术参数

Landsat 5和7卫星有7个不同的窗区通道，具有30m的地面分辨率，而改进后ETM在第一通道 ( 带宽：Pan 500 ~ 900nm )具有15m的地面分辨率，可为本调查提供稳定的数据源。相应各通道所获数据的应用领域详见表1。目前卫星地面覆盖周期约为16d。这对研究大尺度、长/短周期地貌细微特征、植被分布、村镇农舍分布、河流走向细微调查和地图修测提供了可能和海量数据的选择空间。

表1 TM传感器技术指标与可能应用总结表

具有类似和可能应用潜力的卫星很多（见表1）。就目前现状而言，除美国Landsat—5/7 TM/ETM外，在我国，可用于本调查的卫星及其数据还有：, SPOT, ERS-系列卫星，Quickbird卫星，Radarsat卫星，MODIS卫星，中-巴资源卫星，IRS-1C，1D（印度）卫星和IKONOS（美国）卫星等高分辨率数据（表2）。所有这些卫星数据皆可在我国卫星地面接收站接收和处理。

表2. 多颗空间卫星的技术指标

值得一提的是，目前SPOT—5既保持了与SPOT系列其它卫星相同的观测范围，又提供了具有更高分辨率（常规全色(PAN)影像分辨率为5米，Supermode影像分辨率为2．5米，多光谱影像分辨率分别为10米(B1、B2、B3)和20米(SWIR)）数据产品。SPOT—5卫星的主要传感器是2个HRG（高分辨率几何成像装置）和1个HRG（高分辨率立体成像装置）可以为进行立体成像提供数据。其技术指标如下表3和4。

表3. SPOT—5卫星星载传感器技术指标

表4. SPOT—5卫星的HRG传感器数据有下列的成像模式

注：*J模式的B1、B2和B3波段为6000个探测器，SWIR波段有3000个探测器。

l 最高分辨力Quickbird卫星技术参数

QUICKBIRD卫星是目前可提供具有最高分辨率商业化卫星数据的唯一卫星，其最高分辨率为0.61米，像幅宽为16.5~19km；重访周期为1~3.5天（与纬度有关）。可广泛应用于制图和地图修正、数据更新，包括河道宽度的精细量算。

该卫星于2001年10月18日发射后，Digitalglobe 公司从2002年5月21日已经正式地商业运行。Quickbird卫星有5个波段的推扫式光学成像仪器，各波段的光谱范围与TM/ETM的相应波段基本一致。成像宽度为16.5Km，标准景为16.5X16.5Km。Quickbird的波段设置见下表5。

表5. Quickbird卫星星载传感器技术指标

Quickbird卫星四个彩色波段分别为可见光的蓝光（对应波段1）、绿光（2）、红光（3）和近红外（4），2波段，其中4波段是植被敏感波段，可以区别低矮植被区与背景区，在农业资源、林业资源与植被相关的调查中，可采用模拟自然组合，以获取专业性最佳信息数据。

l 经济效益比较

做一张全胶莱河流域130km（长）x50km（宽）（=6500平方公里）的覆盖图。按照常规现场实测制图的经费核算标准和使用目前地面分辨率最高的QUICKBIRD卫星数据制作覆盖区域范围相同的卫星图的标准计算，其效益分析详见表6。

表6. 卫星数据绘图与现场实测绘图效益比较

由表6可见，制作一张1：2万的地图，陆地约1140元/平方公里。复杂地区1400元/平方公里计算。做一张覆盖全胶莱河流域130km（长）x50km（宽）（=6500平方公里）的地图，按照陆地约1140元/平方公里的标准计算，需要经费741万元；即使用目前地面分辨率最高的QUICKBIRD卫星数据制作覆盖区域范围相同的卫星图，按照203元/平方公里（最新报价）计算，要覆盖全胶莱河6500平方公里的地图，需要经费131万元，仅为实测地图的17．8%，加上数据处理、现场精确校正、出图和人工等费用，也就为~20%左右（即需要现场实测经费投入的五分之一左右）。可节约80%左右的经费投入。可见，其经济效益是显著的。

由于卫星图象数据传载的信息量丰富、详尽，因此，同一卫星数据图象还可以为其他调查要素的分析、解译提供详尽的资料信息，如村镇的迁移，房屋的面积，涉及耕地的面积计算等社会数据要素的调查。要完成这种调查，同样需要经费投入，而利用卫星遥感数据图象可以完成相应的内容调查。在现场（点）抽查、勘察核查的基础上，完成详细的各调查要素的数据调查和成图，同样具有极大的经济和社会效益。

在精度上，常规测量图给出的是每隔20米（以制作比例尺1：2000的图件为例）空间网格节点上的测量数据，而卫星数据则给出的是规定分辨率上的真实现场观测目标的数据（如SPOT 的地面分辨率为2.5m，5m和10m；而Landsat TM/ETM的地面分辨率则是 30m/16m；QUICKBIRD 最高分辨率则为0.61m,2.44m）影象。所以，要比常规测量的信息量丰富，精度也较高，完全可以满足制图或原有地图修改和其他社会经济等要素指标调查的需要。

2 在土地、规划和环境要素调查中的应用

利用多平台遥感数据如Landsat-tm/ETM（美国）影像数据，SPOT-HRV（法国）影响数据， IRS-1C （印度）的PAN影响数据以及 QUICKBIRD（美国）数据和地理辅助数据，在空间数据预处理，波段融合处理，地理坐标精确配准和控制以及智能模型的支持下，在水利、农业、森林、火灾/旱涝灾害监测，植被覆盖、农作物生长状况、石油勘测，铁路选线、城市规划、土地利用监测与调查、专题图制作和海洋学研究等方面有众多应用例证，在此不一一列举。我们已经所作的研究工作和在多个研究项目中所取得的成果也可以证明这种可行性。利用相关卫星数据已经完成的研究项目和取得的成果有；

1）广西海洋功能区划制图应用（1：5万比例尺）（图略）

于1991年，利用Landsat-TM影像完成了1：5万的广西海洋功能区划卫星解译图，制作了多种专题图如广西滨海红树林分布图，沿海海域海岛分布土，土地利用图，广西海洋功能区划图等。至今在广西多种规划建设和研究项目中仍然在发挥着作用。

2）．南通幅滨海地貌卫星解译图（1：5万比例尺）

在国家大调查项目中，利用利用2002年Landsat-TM/ETM和同期SPOT影像完成了1：5万的（国家标准的）南通幅卫星解译图（图略）。

3）．海口港区滨海地貌卫星解译图（1：5万比例尺）

受海南省委托，在过琼州海峡火车渡轮码头选线设计中，利用Landsat-TM影像完成了1：5万的海峡两侧地形地貌的卫星遥感图，为火车渡轮码头选线提供了规划建设的基础数据（图略）。

4）胶州湾及其潮间带的环境调查

与青岛市环保局合作利用Landsat-TM卫星数据对胶州湾环境状况进行了调查，并对调查要素进行了现场核查，其中给出了定量调查数据，如胶州湾的纳潮量，岸线长度及其年变化，沿湾滨海地区的土地利用，沧口水道及其北部沿岸区污染状况、面积等定量数据，为青岛市相关政策制定和规划提供了较为精确的数据。很多数据目前仍在使用。

目前，我们已经掌握了多种卫星数据处理、信息提取和制图技术，具有承担各方研究及生产的能力，将它移植或应用于胶莱运河选线和沿河流域自然环境、土地利用、植被调查和与本工程有关的项目内容调查在技术上是成熟的。

3 建议

尽管目前有各种历史地形图和行政区划图可供使用和参考，但数据的准确性令人质疑。特别是近些年来，经济、社会都已发生了巨大的变化，原有或现有各类地图所给出的信息，已经不可能或及时反映现实真实情况和信息。本文作者利用2006年“五一”期间，对胶莱河部分路段（胶州市北王珠镇的大赵家到高密市的孙家口）长约二十余里的河段进行了实地考察，结果发现，原寄居河岸上的集镇村落已经搬迁不少，所有这些数据在原有行政区划和历史地图上没有得以更新，准确地表示出来。为此认为，在项目预研和前期工作中，用最新的遥感技术与方法、手段对沿河和两湾（胶州湾、莱州湾）区域进行最新自然环境调查和社会状况调查，可以为制定相关计划和实施方案以及相关研究提供最新可靠的第一手调查数据，这项工作主要内容应包括：

1）.沿河流域社会及自然环境最新现状的卫星遥感调查与制图

利用最新卫星数据进行调查，主要调查内容包括：沿河流域植被覆盖，农田，村镇分布，道路、河流路径（走向，河流宽度，不同季节的水域覆盖），横穿河流的桥梁分布、地理位置等，并进行调查要素的专题制图；

2）．沿河流域自然环境的动态调查与分析

利用多时相最新和历史卫星数据，对近二十年来的村镇分布、迁移，河流路径（走向，河流宽度），桥梁建设进行专题调查与动态分析，提供动态分析报告；对更长时期的自然环境动态状况进行分析与评估。

3）．两湾区域自然环境历史、现状的卫星遥感调查与制图

利用多时相最新和历史卫星数据，对胶州湾和莱州湾的历史与现状进行调查，主要调查距河口水边线30公里以内的植被分布，农田，村镇分布（历史与现状迁移），土地利用，河流路径（走向，河流宽度，不同季节的水域覆盖），桥梁地理位置，滨海湿地状况，河流稳定性，现河口区积淤、泥沙分布等，并进行调查要素的专题制图。

4）．制定合理的运河选线方案

运河选线取决于拟议中的运河定位，是航运，是旅游，是泄洪，还是城市再建。定位的不同对河流选线的要求和设计也截然不同。因此，在具体的流路选线设计上应依据拟建设运河的最终规划方案和功能定位，在调查的基础上，才能进行科学的河流流路选线方案设计与论证。但研究认为，不管具体线路设计如何，均应遵循1）尊重科学的原则；2）资源节约的原则；3）可行性原则；4）综合效益最大化原则。在综合、可行和平衡的条件下，制订合理可行的流路选线方案是成为把“重开胶莱河”建成“精品”工程的重要前提。

4 结语

在胶莱河重新开挖这一重大项目设想的前期预研中，基础调查必须先行，其中，利用最新卫星遥感数据可以对沿河流域植被覆盖、农田、村镇分布与规模、河流路径（走向，河流宽度，不同季节的水域覆盖）、道路、桥梁地理位置、污染等进行调查，并进行调查要素的专题图制作。可为项目的立项、工程规划、政府决策、相关研究和流路选线提供经济效益显著、数据客观更正、准确、更新快速的基础数据和图件和技术支撑。

参考文献(略)

吴永森 研究员，研究方向：海洋光学，遥感技术应用，E-mail: yswu@sina.com