CN115273553B - 一种船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，涉及勘测技术领域，包括：确定航运水域的目标物种及关键生态因子，建立目标物种适应性的生境适宜性曲线；建立水动力‑泥沙‑水环境模型，得到环境数据模拟成果；将航运水域划分地理空间单元，将环境数据模拟成果转换为栅格数据，并提取至地理空间单元内；基于环境数据模拟成果和生境适宜性曲线得到每个地理空间单元单个关键生态因子的适宜性指数，计算生境适宜性指数；根据船舶流量、船舶吨级和船型指数计算航运强度指数；采用象限分析法划分为限制航行单元和禁止航行单元。通过本发明的技术方案，能够划定限制航行区域和禁止航行区域，平衡航运发展需求和河流生态系统保护。

Description

一种船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法
技术领域
本发明涉及勘测技术领域，尤其涉及一种船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法。
背景技术
目前，船舶限制航行和禁止航行区域通常是从通航安全角度划定的限制船舶通航行为或者通航速度的区域，具体考虑能见度、通航密度、船舶操纵性能和风、浪、水流、航路状况以及周围环境等主要因素，具体由海事管理机构负责相关划定工作。尚未见到从水生态视角考虑船舶限制航行和禁止航行区域划定的工作。
内河航道在沿河经济区的发展中发挥着重要作用。但是，航道建设、以及后续船舶通航会影响河流生态系统的结构和功能，导致河流洪泛区和河岸缓冲区功能受损、河流生物多样性减少等一系列问题。如何平衡航运发展需求和河流生态系统保护，成为当前航道发展和管理的一个难题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，基于生境适宜性评价指标和航运强度指标，构建船舶限制航行与禁止航行区域评价与选择的数学模型，基于水深、流速、含沙量、水温、溶解氧、水质和物种丰度等环境和生态因子数据，获得目标航运水域的生境适宜性评价指标的空间分布，根据船舶AIS（AutomaticIdentification System，船舶自动识别系统）数据，得到目标航运水域的航运强度指标。基于河段生境适宜性指标和航运强度指标，采用象限分析法划定限制航行区域、禁止航行区域等，为航运与生态保护协同发展提供技术支撑。
为实现上述目的，本发明提供了一种船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，包括：
确定航运水域的目标物种以及所述目标物种基于环境因子数据的关键生态因子，建立所述目标物种对所述关键生态因子适应性的生境适宜性曲线；
建立所述航运水域的水动力-泥沙-水环境模型，得到对应所述航运水域的环境数据模拟成果；
将所述航运水域按照地理空间单元进行划分，并采用空间插值将所述环境数据模拟成果的点状数据转换为基于空间网格的栅格数据，并利用空间提取将所述栅格数据提取至所述地理空间单元内；
基于每个所述地理空间单元内的环境数据模拟成果和相应的生境适宜性曲线得到当前地理空间单元上的单个关键生态因子的适宜性指数，并采用几何平均法计算每个所述地理空间单元内针对所述目标物种的生境适宜性指数；
基于AIS大数据获得每个所述地理空间单元内的船舶流量数据，并根据船舶流量、船舶吨级和船型指数及对应的权重指数计算得到每个所述地理空间单元内的航运强度指数；
基于所述生境适宜性指数和所述航运强度指数，采用象限分析法将每个所述地理空间单元划分为限制航行单元、禁止航行单元、保留单元或优先航行单元。
在上述技术方案中，优选地，船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法还包括：
基于ArcGIS空间分析技术，将所述限制航行单元、所述禁止航行单元、所述保留单元或所述优先航行单元分别进行识别和连接，划定限制航行区域和禁止航行的空间区域。
在上述技术方案中，优选地，船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法还包括：
针对划分为限制航行单元的地理空间单元，制定限制通航的管控策略；
针对划分为禁止航行单元的地理空间单元，制定禁止通航的管控策略；
针对划分为优先航行单元的地理空间单元，制定集约高效通航的管理策略。
在上述技术方案中，优选地，所述环境因子数据包括水动力、泥沙和水质数据，所述目标物种基于所述环境因子数据的关键生态因子包括流速、水深、含沙量、河床底质、温度和溶解氧；
所述目标物种对所述关键生态因子的生境适宜性曲线采用0～1之间的数值表示目标物种对生态因子的适应性程度。
在上述技术方案中，优选地，所述建立所述航运水域的水动力-泥沙-水环境模型，得到对应所述航运水域的环境数据模拟成果的具体过程包括：
基于MIKE或Delft 3D的成熟模型建立所述航运水域的水动力-泥沙-水环境模型，并根据所述航运水域的环境因子数据，得到对应所述航运水域的关键生态因子的环境数据模拟成果。
在上述技术方案中，优选地，将所述航运水域按照地理空间单元进行划分过程中，根据所述航运水域的水域宽度、沙洲分布情况和计算效率，基于GIS技术对所述航运水域进行地理空间单元划分，将划分得到的所述地理空间单元作为统计和分析的基准单元。
在上述技术方案中，优选地，所述采用几何平均法计算每个所述地理空间单元内针对所述目标物种的生境适宜性指数的具体公式为：
Figure 242768DEST_PATH_IMAGE001
式中，HSI j 为第j个地理空间单元上所述目标物种的生境适宜性指数，HSI ji 为第j个地理空间单元上第i个关键生态因子的适宜性指数，n为关键生态因子的数量，第j个地理空间单元上的关键生态因子通过所述环境数据模拟成果由空间插值计算获得，第j个地理空间单元上第i个关键生态因子的适宜性指数HSI ji 基于第j个地理空间单元上关键生态因子的数据和相应的生境适宜性曲线获得，其中，所述环境数据模拟成果采用预设时间段内的平均数据。
在上述技术方案中，优选地，所述根据船舶流量、船舶吨级和船型指数及对应的权重指数计算得到每个所述地理空间单元内的航运强度指数的具体公式为：
Figure 141717DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 260851DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 431676DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 523129DEST_PATH_IMAGE005
式中，HY j 为第j个地理空间单元的航运强度指数，Q’ j 为第j个地理空间单元上归一化的船舶流量，T’ j 为第j个地理空间单元上归一化的船舶吨级，C j 为第j个地理空间单元上的船型指数，其中，对于危险品船舶设定船型指数为0.8、对于其他船舶设定船型指数为0.2；
式中，Q j 为第j个地理空间单元的船舶流量，Q min为所述航运水域内所有地理空间单元的船舶流量最小值，Q max为所述航运水域内所有地理空间单元的船舶流量最大值，T j 为第j个地理空间单元的船舶吨级，T min为所述航运水域内所有地理空间单元的船舶吨级最小值，T max为所述航运水域内所有地理空间单元的船舶吨级最大值；
式中，m、k、r为权重指数，分别表征船舶流量、船舶吨级、船型指数对于水生生态的影响程度，通过专家打分法进行确定。
在上述技术方案中，优选地，所述采用象限分析法将每个所述地理空间单元划分为限制航行单元、禁止航行单元、保留单元或优先航行单元的具体方法包括：
基于每个所述地理空间单元的所述生境适宜性指数和所述航运强度指数，分别设定预设的指数阈值划分象限；
对于生境适宜性指数和航运强度指数均超出预设指数阈值的第一象限，划定为限制航行单元；
对于生境适宜性指数超出预设指数阈值、航运强度指数低于预设指数阈值的第二象限，划定为禁止航行单元；
对于生境适宜性指数和航运强度指数均低于预设指数阈值的第三象限，划定为保留单元；
对于生境适宜性指数低于预设指数阈值、航运强度指数超出预设指数阈值的第四象限，划定为优先航行单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：基于生境适宜性评价指标和航运强度指标，构建船舶限制航行与禁止航行区域评价与选择的数学模型，基于水深、流速、含沙量、水温、溶解氧、水质和物种丰度等环境和生态因子数据，获得目标航运水域的生境适宜性评价指标的空间分布，根据船舶AIS数据，得到目标航运水域的航运强度指标。基于河段生境适宜性指标和航运强度指标，采用象限分析法划定限制航行区域、禁止航行区域等，为航运与生态保护协同发展提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法的技术路线示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，根据本发明提供的一种船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，包括：
确定航运水域的目标物种以及目标物种基于环境因子数据的关键生态因子，建立目标物种对关键生态因子适应性的生境适宜性曲线；
建立航运水域的水动力-泥沙-水环境模型，得到对应航运水域的环境数据模拟成果；
将航运水域按照地理空间单元进行划分，并采用空间插值将环境数据模拟成果的点状数据转换为基于空间网格的栅格数据，并利用空间提取将栅格数据提取至地理空间单元内；
基于每个地理空间单元内的环境数据模拟成果和相应的生境适宜性曲线得到当前地理空间单元上的单个关键生态因子的适宜性指数，并采用几何平均法计算每个地理空间单元内针对目标物种的生境适宜性指数；
基于AIS大数据获得每个地理空间单元内的船舶流量数据，并根据船舶流量、船舶吨级和船型指数及对应的权重指数计算得到每个地理空间单元内的航运强度指数；
基于生境适宜性指数和航运强度指数，采用象限分析法将每个地理空间单元划分为限制航行单元、禁止航行单元、保留单元或优先航行单元。
在该实施方式中，基于生境适宜性评价指标和航运强度指标，构建船舶限制航行与禁止航行区域评价与选择的数学模型，基于水深、流速、含沙量、水温、溶解氧、水质和物种丰度等环境和生态因子数据，获得目标航运水域（河段或江段）的生境适宜性评价指标的空间分布，根据船舶AIS数据，得到目标航运水域的航运强度指标。基于河段生境适宜性指标和航运强度指标，采用象限分析法划定限制航行区域、禁止航行区域等，为航运与生态保护协同发展提供了技术支撑。
具体地，首先确定研究目标航运水域的目标物种（或优势种、指示物种），基于文献调研或者实测目标物种丰度、密度、空间位置和水动力、泥沙、水质等环境因子数据，确定目标物种产卵、洄游等阶段的关键生态因子，建立目标物种对关键生态因子的生境适宜性曲线。
在上述实施方式中，优选地，环境因子数据包括水动力、泥沙和水质数据，目标物种基于环境因子数据的关键生态因子包括流速、水深、含沙量、河床底质、温度和溶解氧；
目标物种对关键生态因子的生境适宜性曲线采用0～1之间的数值表示目标物种对生态因子的适应性程度。
在上述实施方式中，优选地，建立航运水域的水动力-泥沙-水环境模型，得到对应航运水域的环境数据模拟成果的具体过程包括：
基于MIKE或Delft 3D的成熟模型建立航运水域的水动力-泥沙-水环境模型，并根据航运水域的环境因子数据，得到对应航运水域的流速、水深、含沙量、河床底质、温度、溶解氧等关键生态因子的环境数据模拟成果。
在上述实施方式中，优选地，将航运水域按照地理空间单元进行划分过程中，根据航运水域的水域宽度、沙洲分布情况和计算效率等情况，基于GIS技术对航运水域进行地理空间单元划分，将划分得到的地理空间单元作为统计和分析的基准单元。以长江中下游江段为例，河宽约为1500米，空间单元可设置为300米×1000米。
在上述实施方式中，优选地，由于水动力、泥沙和水环境模拟成果多是基于非结构网格，因此采用ArcGIS空间插值将模型计算得到的流速、水深、含沙量、河床底质、温度、溶解氧等点状数据面状化，并转换为基于空间网格的栅格数据，然后利用空间提取将上述信息提取到划分的地理空间单元内。
在上述实施方式中，优选地，采用几何平均法计算每个地理空间单元内针对目标物种的生境适宜性指数的具体公式为：
Figure 983191DEST_PATH_IMAGE001
式中，HSI j 为第j个地理空间单元上目标物种的生境适宜性指数，HSI ji 为第j个地理空间单元上第i个关键生态因子的适宜性指数，n为关键生态因子的数量，第j个地理空间单元上的关键生态因子通过环境数据模拟成果由空间插值计算获得，第j个地理空间单元上第i个关键生态因子的适宜性指数HSI ji 基于第j个地理空间单元上关键生态因子的数据和相应的生境适宜性曲线获得，其中，考虑到水动力、泥沙、水环境等环境数据模拟成果采用预设时间段（年、月平均等）内的平均数据，因此可获得年均、月均的生境适宜性指数，体现当前航运水域目标物种生境适宜性的时间和空间分布特征。
在上述实施方式中，优选地，根据船舶流量、船舶吨级和船型指数及对应的权重指数计算得到每个地理空间单元内的航运强度指数的具体公式为：
Figure 855201DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 32979DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 182201DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 187066DEST_PATH_IMAGE005
式中，HY j 为第j个地理空间单元的航运强度指数，Q’ j 为第j个地理空间单元上归一化的船舶流量，T’ j 为第j个地理空间单元上归一化的船舶吨级，C j 为第j个地理空间单元上的船型指数，其中，对于危险品船舶设定船型指数为0.8、对于其他船舶设定船型指数为0.2；
式中，Q j 为第j个地理空间单元的船舶流量，Q min为航运水域内所有地理空间单元的船舶流量最小值，Q max为航运水域内所有地理空间单元的船舶流量最大值，T j 为第j个地理空间单元的船舶吨级，T min为航运水域内所有地理空间单元的船舶吨级最小值，T max为航运水域内所有地理空间单元的船舶吨级最大值；
式中，m、k、r为权重指数，分别表征船舶流量、船舶吨级、船型指数对于水生生态的影响程度，通过专家打分法进行确定，本发明中m、k、r分别取值为0.5、0.8、0.3。
其中，船舶流量数据采用船舶自动识别系统AIS大数据，获得每个地理空间单元内的船舶流量、吨级、船型。船舶AIS大数据为船舶实时轨迹信息数据，本发明中采用一定时间段（年、月平均等）内船舶AIS大数据，可体现当前航运水域船舶通航的时间和空间分布特征。
在上述实施方式中，优选地，采用象限分析法将每个地理空间单元划分为限制航行单元、禁止航行单元、保留单元或优先航行单元的具体方法包括：
基于每个地理空间单元的生境适宜性指数和航运强度指数，分别设定预设的指数阈值划分象限；
对于生境适宜性指数和航运强度指数均超出预设指数阈值的第一象限，划定为限制航行单元；
对于生境适宜性指数超出预设指数阈值、航运强度指数低于预设指数阈值的第二象限，划定为禁止航行单元；
对于生境适宜性指数和航运强度指数均低于预设指数阈值的第三象限，划定为保留单元；
对于生境适宜性指数低于预设指数阈值、航运强度指数超出预设指数阈值的第四象限，划定为优先航行单元，鼓励发展航运。
在上述实施方式中，优选地，船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法还包括：
基于ArcGIS空间分析技术，将限制航行单元、禁止航行单元、保留单元或优先航行单元分别进行识别和连接，划定限制航行区域和禁止航行的空间区域。
在上述实施方式中，优选地，船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法还包括：
针对划分为限制航行单元的地理空间单元，制定限制通航的管控策略；考虑到适宜重要水生生物生存繁殖，但是航运强度超出预设指数阈值，因此可以加强通航管控、环境风险防范与噪声治理，禁止排放船舶水污染物；
针对划分为禁止航行单元的地理空间单元，制定禁止通航的管控策略；考虑到适宜重要水生生物生存繁殖，且航运强度低于预设指数阈值，因此可以采取船舶交通流量引导到其他区域、设立“禁止航运区域”宣传牌等措施；
针对划分为优先航行单元的地理空间单元，制定集约高效通航的管理策略，可以进一步提高航运发展集约水平，提高效率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，其特征在于，包括：
确定航运水域的目标物种以及所述目标物种基于环境因子数据的关键生态因子，建立所述目标物种对所述关键生态因子适应性的生境适宜性曲线；
建立所述航运水域的水动力-泥沙-水环境模型，得到对应所述航运水域的环境数据模拟成果；
将所述航运水域按照地理空间单元进行划分，并采用空间插值将所述环境数据模拟成果的点状数据转换为基于空间网格的栅格数据，并利用空间提取将所述栅格数据提取至所述地理空间单元内；
基于每个所述地理空间单元内的环境数据模拟成果和相应的生境适宜性曲线得到当前地理空间单元上的单个关键生态因子的适宜性指数，并采用几何平均法计算每个所述地理空间单元内针对所述目标物种的生境适宜性指数，具体公式为：
Figure FDA0003956614160000011
式中，HSIj为第j个地理空间单元上所述目标物种的生境适宜性指数，HSIji为第j个地理空间单元上第i个关键生态因子的适宜性指数，n为关键生态因子的数量，第j个地理空间单元上的关键生态因子通过所述环境数据模拟成果由空间插值计算获得，第j个地理空间单元上第i个关键生态因子的适宜性指数HSIji基于第j个地理空间单元上关键生态因子的数据和相应的生境适宜性曲线获得，其中，所述环境数据模拟成果采用预设时间段内的平均数据；
基于AIS大数据获得每个所述地理空间单元内的船舶流量数据，并根据船舶流量、船舶吨级和船型指数及对应的权重指数计算得到每个所述地理空间单元内的航运强度指数；
基于所述生境适宜性指数和所述航运强度指数，采用象限分析法将每个所述地理空间单元划分为限制航行单元、禁止航行单元、保留单元或优先航行单元；
其中，所述环境因子数据包括水动力、泥沙和水质数据，所述目标物种基于所述环境因子数据的关键生态因子包括流速、水深、含沙量、河床底质、温度和溶解氧；
所述目标物种对所述关键生态因子的生境适宜性曲线采用0～1之间的数值表示目标物种对生态因子的适应性程度。
2.根据权利要求1所述的船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，其特征在于，还包括：
基于ArcGIS空间分析技术，将所述限制航行单元、所述禁止航行单元、所述保留单元或所述优先航行单元分别进行识别和连接，划定限制航行区域和禁止航行的空间区域。
3.根据权利要求1所述的船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，其特征在于，还包括：
针对划分为限制航行单元的地理空间单元，制定限制通航的管控策略；
针对划分为禁止航行单元的地理空间单元，制定禁止通航的管控策略；
针对划分为优先航行单元的地理空间单元，制定集约高效通航的管理策略。
4.根据权利要求1所述的船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，其特征在于，所述建立所述航运水域的水动力-泥沙-水环境模型，得到对应所述航运水域的环境数据模拟成果的具体过程包括：
基于MIKE或Delft 3D的成熟模型建立所述航运水域的水动力-泥沙-水环境模型，并根据所述航运水域的环境因子数据，得到对应所述航运水域的关键生态因子的环境数据模拟成果。
5.根据权利要求1所述的船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，其特征在于，将所述航运水域按照地理空间单元进行划分过程中，根据所述航运水域的水域宽度、沙洲分布情况和计算效率，基于GIS技术对所述航运水域进行地理空间单元划分，将划分得到的所述地理空间单元作为统计和分析的基准单元。
6.根据权利要求1所述的船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，其特征在于，所述根据船舶流量、船舶吨级和船型指数及对应的权重指数计算得到每个所述地理空间单元内的航运强度指数的具体公式为：
Figure FDA0003956614160000021
其中，
Figure FDA0003956614160000031
式中，HYj为第j个地理空间单元的航运强度指数，Q’j为第j个地理空间单元上归一化的船舶流量，T’j为第j个地理空间单元上归一化的船舶吨级，Cj为第j个地理空间单元上的船型指数，其中，对于危险品船舶设定船型指数为0.8、对于其他船舶设定船型指数为0.2；
式中，Qj为第j个地理空间单元的船舶流量，Qmin为所述航运水域内所有地理空间单元的船舶流量最小值，Qmax为所述航运水域内所有地理空间单元的船舶流量最大值，Tj为第j个地理空间单元的船舶吨级，Tmin为所述航运水域内所有地理空间单元的船舶吨级最小值，Tmax为所述航运水域内所有地理空间单元的船舶吨级最大值；
式中，m、k、r为权重指数，分别表征船舶流量、船舶吨级、船型指数对于水生生态的影响程度，通过专家打分法进行确定。
7.根据权利要求1所述的船舶限制航行和禁止航行区域的空间划定方法，其特征在于，所述采用象限分析法将每个所述地理空间单元划分为限制航行单元、禁止航行单元、保留单元或优先航行单元的具体方法包括：
基于每个所述地理空间单元的所述生境适宜性指数和所述航运强度指数，分别设定预设的指数阈值划分象限；
对于生境适宜性指数和航运强度指数均超出预设指数阈值的第一象限，划定为限制航行单元；
对于生境适宜性指数超出预设指数阈值、航运强度指数低于预设指数阈值的第二象限，划定为禁止航行单元；
对于生境适宜性指数和航运强度指数均低于预设指数阈值的第三象限，划定为保留单元；
对于生境适宜性指数低于预设指数阈值、航运强度指数超出预设指数阈值的第四象限，划定为优先航行单元。
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