海洋大数据和中学地理教学20150108

1、海洋大数据和中学地理教学海洋大数据和中学地理教学东莞市长安中学东莞市长安中学 文合平文合平20142014年年1212月月一、大数据的进化一、大数据的进化还记得这是什么吗？还记得这是什么吗？20年前，我很震撼这个东西能容纳下年前，我很震撼这个东西能容纳下70万汉字的信息容量！万汉字的信息容量！它的容量是它的容量是1.44M我用的第一个硬盘是我用的第一个硬盘是Corner牌牌420M的，如今只能在旧货市场当古董了。的，如今只能在旧货市场当古董了。容量容量420M，估计是当时全镇最大的一个硬盘，因为那时有硬盘，哪怕是，估计是当时全镇最大的一个硬盘，因为那时有硬盘，哪怕是40M的硬盘的电脑就算高档了

2、。的硬盘的电脑就算高档了。在那个在那个DOS时代，我这硬盘的使用没有超过时代，我这硬盘的使用没有超过10%.这个昆腾这个昆腾1G硬盘仍然属于古董，硬盘仍然属于古董，但是当年我第一次看见但是当年我第一次看见1G硬盘时的震撼现在还有很清晰的记忆硬盘时的震撼现在还有很清晰的记忆这是我现在使用的硬盘，我进入了数据这是我现在使用的硬盘，我进入了数据T时代！时代！ 地理科学数据信息量极其庞大，如著名的地理科学数据信息量极其庞大，如著名的“地球服务器地球服务器”项目项目,数据量达到数据量达到EB级别级别!The EarthServer project, initiated by Jacobs Univers

3、ity Bremen in Germany, is developing a standard-based, ad-hoc, geoscientific data analysis method, scalable to Exabyte volume (1 Exabyte = 1 ,000 Petabytes). From:http:/www.earthserver.eu/Resources/2012-06-10_big-data-whitepaper.pdf1M=1024K1G=1024M1T=1024G1P=1024T1E=1024P我们处于大数据时代！我们处于大数据时代！但是我们面临的问

4、题很多：但是我们面临的问题很多：1 地理信息大数据从哪里获得？（大数据在哪？）地理信息大数据从哪里获得？（大数据在哪？）2 地理信息大数据格式是如何的？地理信息大数据格式是如何的？3 使用什么软件来操作相关地理信息数据？使用什么软件来操作相关地理信息数据？4 相关软件如何操作？相关软件如何操作？5 如何把相关数据应用到教学当中，提高教学效率和效果？如何把相关数据应用到教学当中，提高教学效率和效果？二、二、 海洋大数据的获取及应用实践：海洋大数据的获取及应用实践：随着国家海洋意识的逐渐增强，海洋教学在地理教学随着国家海洋意识的逐渐增强，海洋教学在地理教学中的作用越来越大，如何利用海洋大数据更好地

5、为我中的作用越来越大，如何利用海洋大数据更好地为我们地理教学服务是一个有意义的课题。们地理教学服务是一个有意义的课题。本章介绍如何获取与中学地理教学相关的海洋数据，本章介绍如何获取与中学地理教学相关的海洋数据，包括地形数据、水温和盐度数据以及洋流数据，及简包括地形数据、水温和盐度数据以及洋流数据，及简单的操作。单的操作。2.1 海洋地形数据海洋地形数据海洋地形数据主要有海洋地形数据主要有GEBCO数据和数据和ETOP1数据数据1) GEBCO由国际海道测量组织（由国际海道测量组织（IHO）和政府间海洋学委员会（）和政府间海洋学委员会（IOC） 协调有关协调有关国家联合编制的覆盖全球海洋水深图。

6、国家联合编制的覆盖全球海洋水深图。http:/2) ETOPETOP数据是由数据是由NOAA（美国国家海洋大气局）制作的当今海洋模式中最常用（美国国家海洋大气局）制作的当今海洋模式中最常用的水深数据，包括的水深数据，包括ETOP5、ETOP2和和ETOP1。最新的最新的ETOP数据是数据是ETOPO1，它是分辨率为，它是分辨率为1的全球地形模型，它包含了全球的全球地形模型，它包含了全球大陆的地势起伏和海洋中的水深数据，以及冰面的数据等。大陆的地势起伏和海洋中的水深数据，以及冰面的数据等。/mgg/global/global.html获取获取GEBC

7、O数据：数据：在在Data and Product中选择中选择Gridded bathymetry data:点击点击availble to download后进入交互式全球海洋水深数据下载页面后进入交互式全球海洋水深数据下载页面:GEBCO数据有数据有30弧秒的弧秒的2014版本和旧的版本和旧的1分版本分版本,前者精度更高但数据量大很多前者精度更高但数据量大很多;我们地理教学选择以前的我们地理教学选择以前的1分版本就足够了。分版本就足够了。即便是即便是1分版本，如果下载全球的数据也是很大，所以应该利用交互界面选择自己分版本，如果下载全球的数据也是很大，所以应该利用交互界面选择自己需要的区域的

8、水深数据。需要的区域的水深数据。在正确选择了数据格式、区域经纬度之后，就可以选择在正确选择了数据格式、区域经纬度之后，就可以选择将数据加入到购物篮中，再选择付款获取就可以了。将数据加入到购物篮中，再选择付款获取就可以了。这个获取过程是免费的，但是需要事前申请帐号，这同这个获取过程是免费的，但是需要事前申请帐号，这同样是免费的。样是免费的。本例以中国附近海域为例，只下载了赤道到北纬本例以中国附近海域为例，只下载了赤道到北纬45度，度，东经东经90度到东经度到东经135度范围的数据，数据文件大小约为度范围的数据，数据文件大小约为16M。GEBCO下载的数据文件是下载的数据文件是NetCDF格式，通

9、常以格式，通常以.nc为文件后缀。为文件后缀。NetCDF(network Common Data Form)网络通用数据格式是由美国大学网络通用数据格式是由美国大学大气研究协会大气研究协会(UCAR)的的Unidata项目科学家针对科学数据的特点开发的，项目科学家针对科学数据的特点开发的，是一种面向数组型并适于网络共享的数据的描述和编码标准。是一种面向数组型并适于网络共享的数据的描述和编码标准。NetCDF数据格式具有以下特性：数据格式具有以下特性：1）自描述性：它是一种自描述的二进制数据格式，包含自身的描述信息；）自描述性：它是一种自描述的二进制数据格式，包含自身的描述信息；2）易用性：它

10、是网络透明的，可以使用多种方式管理和操作这些数据；）易用性：它是网络透明的，可以使用多种方式管理和操作这些数据；3）高可用性：可以高效访问该数据，在读取大数据集中的子数据集时不用）高可用性：可以高效访问该数据，在读取大数据集中的子数据集时不用 按顺序读取，可以直接读取需要访问的数据；按顺序读取，可以直接读取需要访问的数据；4）可追加性：对于新数据，可沿某一维进行追加，不用复制数据集和重新）可追加性：对于新数据，可沿某一维进行追加，不用复制数据集和重新 定义数据结构；定义数据结构；5）平台无关性：支持在异构的网络平台间进行数据传输和数据共享并可以）平台无关性：支持在异构的网络平台间进行数据传输和

11、数据共享并可以 由多种软件读取并使用多种语言进行读写操作等。由多种软件读取并使用多种语言进行读写操作等。NetCDF格式在自然科学的数据表达方面应用极其广泛，格式在自然科学的数据表达方面应用极其广泛，尤其在地球科学和地理信息大数据更是常用的数据格式。尤其在地球科学和地理信息大数据更是常用的数据格式。几乎所有的几乎所有的GIS软件都支持软件都支持netCDF格式文件，如格式文件，如ArcGIS、Saga-GIS等。等。其他科学研究工具，如著名的其他科学研究工具，如著名的Matlab、R等都支持等都支持netCDF格式。格式。GEBCO水深数据可以由多种水深数据可以由多种GIS软件操作，考虑到实际

12、软件操作，考虑到实际以等值线图等为主，我们后面使用以做等值线图的神器以等值线图等为主，我们后面使用以做等值线图的神器Sufer为例。为例。下面是在下面是在Sufer中直接用中直接用GEBCO创建的等深线图：创建的等深线图：（注意（注意Sufer12可以直接打开可以直接打开netCDF文件，文件，Sufer11则需要先用则需要先用Global Mapper把把netCDF文件转换为文件转换为sufer grid格式）格式）原图显得过于繁琐，绘制的等值线过于密集，我们使用原图显得过于繁琐，绘制的等值线过于密集，我们使用GridFilter滤波工具进行简化：滤波工具进行简化：滤波的方式很多，用户需要

13、结合不同的滤波方式和不同的滤波滤波的方式很多，用户需要结合不同的滤波方式和不同的滤波次数找到最佳的滤波效果。次数找到最佳的滤波效果。下面是使用高斯滤波器经过下面是使用高斯滤波器经过50次滤波后得到的结果：次滤波后得到的结果：调整一下等值线的条数，并配以合适的颜色，图更美观一点：调整一下等值线的条数，并配以合适的颜色，图更美观一点：创建一张剖面图：创建一张剖面图：创建一张立体图和阴影渲染图看看：创建一张立体图和阴影渲染图看看：2.2 海水水温和盐度数据海水水温和盐度数据对海洋的数据调查中，海水水温和盐度数据是最为丰富的，各种海洋数据对海洋的数据调查中，海水水温和盐度数据是最为丰富的，各种海洋数据

14、产品繁多，令人眼花缭乱。简单举例如：产品繁多，令人眼花缭乱。简单举例如：1 SODA数据：数据： SODA海洋数据集由全球简单海洋资料同化分析系统（海洋数据集由全球简单海洋资料同化分析系统（Simple Ocean Data Assimilation）产生，该系统是美国马里兰大学（）产生，该系统是美国马里兰大学（University of Maryland）于于20世纪世纪90年代初开始开发的分析系统，其目的是为气候研究提供一套与大年代初开始开发的分析系统，其目的是为气候研究提供一套与大气再分析资料相匹配的海洋再分析资料。气再分析资料相匹配的海洋再分析资料。2 Argo数据数据 ARGO计划通

15、俗称计划通俗称“ARGO全球海洋观测网全球海洋观测网”。是由美国等国家大气、海洋科学。是由美国等国家大气、海洋科学家于家于1998年推出的一个全球海洋观测试验项目，计划在全球大洋中每隔年推出的一个全球海洋观测试验项目，计划在全球大洋中每隔300公里公里布放一个卫星跟踪浮标，组成一个庞大的布放一个卫星跟踪浮标，组成一个庞大的ARGO全球海洋观测网。全球海洋观测网。3 WOD和和WOA数据数据 WOA09 是由美国海洋资料中心（是由美国海洋资料中心（the U.S. National Oceanographic DataCenter）提供的分辨率为）提供的分辨率为1 和和5 的全球海洋经纬网格的气

16、候学客观分析、的全球海洋经纬网格的气候学客观分析、统计分析数据，其包括了统计分析数据，其包括了33 个深度上的温度、盐度等变量的年、月、季节数据。个深度上的温度、盐度等变量的年、月、季节数据。4 GTSPP数据数据 全球温盐剖面计划（全球温盐剖面计划（GTSPP）是）是IOC/IODE 委员会和委员会和IOC/WMO 全球海全球海洋服务系统（洋服务系统（IGOSS）委员会联合开展的一项计划。）委员会联合开展的一项计划。IODE 和和IGOSS 分别是分别是IOC和和WMO 的技术委员会。的技术委员会。GTSPP 计划的主要目标是向用户快速提供海洋计划的主要目标是向用户快速提供海洋温盐（温盐（T

17、-S）观测资料，使用户能更容易得到这些资料。）观测资料，使用户能更容易得到这些资料。.从中学地理教学实践出发，我们下面以使用从中学地理教学实践出发，我们下面以使用WOD/WOA数据为例介绍如何使用海洋水温和盐度数据。数据为例介绍如何使用海洋水温和盐度数据。如何获取如何获取WOD/WOA数据：数据：获取获取WOD/WOA数据的方式很多，常见方式：数据的方式很多，常见方式：一是直接上其官方网站去下载，一是直接上其官方网站去下载， WOD/WOA数据官方网站：数据官方网站： /一是使用一是使用LAS服务器服务器(Live Access Server)获取

18、海洋等科学数据获取海洋等科学数据前者比较简单，以下的例子使用前者比较简单，以下的例子使用LAS服务器获取服务器获取WOD/WOA数据。数据。什么是什么是LAS服务器？服务器？The Live Access Server (LAS) is a highly configurable web server designed to provide flexible access to geo-referenced scientific data. It can present distributed data sets as a unified virtual data base through t

19、he use of OPeNDAP networking. Ferret is the default visualization application used by LAS, though other applications (Matlab, IDL, GrADS, .) can also be used. The most current version is LAS 8.2 -From the LAS homepageLAS官方网站：官方网站： /LAS/home国内访问比较稳定而且速度较快的国内访问比较稳定而且速度较快的LAS服

20、务器服务器:1 国家虚拟海洋数据系统国家虚拟海洋数据系统(National Virtual Ocean Data System) /NVODS/2 国家海洋数据中心国家海洋数据中心(National Oceanographic Data Center)/las/国际上国际上LAS服务器很多，详细的列表参阅：服务器很多，详细的列表参阅：/LAS/las-servers获取获取LAS数据数据连接美国国家海洋数据中心的连接美国国家海洋数据中心的LAS

21、服务器服务器:选择数据集类型选择数据集类型找到找到WOA数据。数据。选择选择WOA的更具体的更具体类型。类型。选择区域、时间等选择区域、时间等选择下载的数据文件类型选择下载的数据文件类型这是下载的全球一月份水温数据这是下载的全球一月份水温数据,在等值线神器在等值线神器Sufer软件处理后的输出结果。软件处理后的输出结果。2.3 洋流数据洋流数据洋流数据很多，比较方便下载使用的如：洋流数据很多，比较方便下载使用的如：OSCAR数据和数据和GDP数据。数据。1 OSCAR数据：数据： 是美国国家海洋和大气管理局是美国国家海洋和大气管理局(NOOA)利用卫星高度计利用卫星高度计 获取的表层洋流数据。

22、获取的表层洋流数据。官方网站：官方网站： /index.html2 GDP数据：以下例子以以下例子以OSCAR数据为例。数据为例。进入进入OSCAR官方网站，点击官方网站，点击”Data Display & Download”中的中的”Data Download”进入数据选择界面，由于大部分用户的电脑并没有安装进入数据选择界面，由于大部分用户的电脑并没有安装Java运行环境，运行环境，所以我们最好点击右上角的所以我们最好点击右上角的”non-Java version”按需要设置相关参数，我想研究一下印度洋的洋流，按需要设置相关参数，我想研究一下印度洋的洋流，所以选择了所以选择了2014年年2月和月和8月的月平均洋流月的月平均洋流u和和v值，值，选择范围为东经选择范围为东经30到到120度，南纬度，南纬30到北纬到北纬30度度再点击右下角的再点击右下角的”Download data”就可以下载数据了