海洋地理信息系统

海洋地理信息系统主要参考文献：[1]薛存金,苏奋振,杜云艳.海洋地理信息系统集成技术分析[J].海洋学报(中文版),2008,(04)：56-61.[2]苏奋振;周成虎;杨晓梅等.海洋地理信息系统理论基础及其关键技术研究[J].海洋学报(中文版),2004,(06)：22-28.[3]周海燕,苏奋振,艾廷华等.海洋地理信息系统研究进展[J].测绘信息与工程,2005,(03)

：25-27.[4]吴克勤.海洋地理信息系统[J].海洋信息,2000,(03)：1-2.[5]张犁.GIS系统集成的理论与实践[J].地理学报,1996,(04)：306-314.[6]杨晓梅,杜云艳,苏奋振等.GIS与卫星遥感在中国海岸带应用中的技术系统建设[J]1高技术通讯,2003(增刊):5—91.[7]石金榜.对海洋地理信息系统进一步发展的几点建议[A].2001年测绘学组学术研讨会论文集[C],2001:130-131.[8]刘宝银,张杰.海洋科学的前沿—“数字海洋”[J].地球信息科学,2000,(01):8-11.背景及其前沿

正当人们提出21世纪将是信息时代,亦是海洋世纪的时候,“数字地球”展现了它非同小可的前景。为此,1999年5月14日,由国家科技部主持召开了我国开展“数字地球”工作的专家研讨会。对会议的中心议题和专家的高见,笔者颇受鼓舞和启发。无疑,我国将来的“数字海洋”当为“数字中国”主要组成部分之一。随着“数字海洋”战略的提出,地理信息系统(GIS)作为对蕴涵空间位置信息的数据进行采集、存储、管理、分发、分析、显示和应用的通用技术以及处理时空问题的有力工具,愈来愈被海洋领域的专家所关注.海洋信息系统研究理论和技术得以发展。

地理信息系统的定义地理信息系统：

是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系统设计来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题。

—美国联邦数字地图协调委员会（FICCDC）海洋地理信息系统(MGIS)的定义

地理信息系统(GIS)是海岸带资源和环境综合管理的强有力的技术手段。但它应用于海洋必须在数据结构、系统组成、软件功能等方面进行一系列改造，使之适应海洋的特点。经改造而适用于海洋的GIS，被称之为海洋地理信息系统(MGIS)或海岸带地理信息系统(CGIS)。

海洋地理信息系统的定位海洋地理信息系统的发展历程2)国外应用系统商业化软件的发展1987年,MRJ公司将Arc/Info应用于海洋数据分析应用,其后用Arc/Info,Erdas等软件包定制了多种二次开发方案。1993年推出了MarineDataSampler(一个全球海洋影像和数据集的CD2ROM),其应用软件基于ArcView开发。1991年,ESRIArc/Info用户大会首次出现了关于海洋GIS的文章日本农林水产、环境模拟实验室(ESL)专门成立了海洋GIS研究组,开发了一套海洋渔业GISMarineExplorer,其制图功能主要面向海洋领域问题进行优化。英国综合运用DBMS和GIS开发了渔业生产动态管理系统FISHCAM2000(简称FC),该系统由船载模块和管理模块二部分组成。

目前利用商业化GIS软件研究开发海洋应用系统已涉及到海洋领域各方面

海洋地理信息系统的发展历程1)国外海洋GIS的研究进展20世纪60年代早期美国国家海洋测量局进行的航海自动化制图90年代后,海洋数据和信息极为丰富,造成了“数据和信息爆炸”[5]。美国海洋学家Manley与动态图形软件专家Tallet合作,发表了关于海洋GIS的第一篇文章,不仅深入讨论了GIS的数据管理和显示功能,而且还卓有远见地讨论物理海洋数据和化学海洋数据的真三维建模和可视化。1992年，美国全球变化计划在美国国家基金的支持下,设立RIDGE计划,LiR和Saxena系统地阐述了GIS在陆地和海洋应用中的重要差别。1995年MarineGeodesy杂志出版了海洋GIS研究的专辑。1996年FAO出版了一本渔业技术论文集,指出了海洋渔业GIS数据库必须考虑3D环境、时空变化、模糊环境、统计变量制图等方法。1999年TaylorandFrancis出版了MarineandCoastalGeographicalInformationSystem一书,内容包括海洋数据的表达、分析与可视化等。海洋地理信息系统的发展历程3)国内海洋GIS的研究进展。二十世纪90年代初,陈述彭院士就极力倡导海岸与海洋GIS的研究与开发,并提出了“以海岸链为基线的全球数据库”的构想。自80年代中期以来，资源与环境信息系统国家重点实验室就开展GIS和遥感支持下的黄河三角洲的可持续发展研究90年代中,又开展了海岸带空间应用系统预研究。国家海洋信息中心以我国多年积累的海洋数据资料,建立了中国海洋信息基础网,对大量海洋数据进行管理和分发。“九五”期间,国家863计划海洋领域海洋监测主题设立了“海洋渔业遥感信息服务系统技术和示范试验”专题。中国科学院地理研究所开发了具有海洋渔业应用特色的桌面GIS,并进行了一系列的研究。邵全琴、周成虎等提出了海洋渔业数据建模的扩展E2R方法,邵全琴完成了博士论文“海洋GIS时空数据表达研究”,并带领地理研究所海洋工作组出版了专著《海洋渔业地理信息系统研究与应用》。海洋地理信息系统的特点

MGIS与GIS比有以下三个特点：1具有多维数据处理能力2具有多种数据源数据的集成能力和数据同化能力3具有模型化、智能化和多功能性等特征

海洋地理信息系统的特点

1）具有三维深度或高度甚至四维时间空间数据处理能力。因为海洋不同于陆地海表面上任意一个“点”，如观测站或任一流动物体,如船只、污染物等的方位除包含和量之外,还应包含一个深度量—若此“点”在海底则是高度量。海面上一个“面”如海上养殖场、海上油田等方位的表达也是如此。此外，如海面油膜、赤潮或其他污染物等某一时间在处,过段时间后随海水运动到达处,这类海上流动物体方位的表达除上述三个量外,还包含一个时变量海岸线随时间的动态变化过程亦如此目前商用软件均是按二维的空间拓扑结构开发的,不能有效地显示和分析海上物体三维或四维特性。海洋地理信息系统的特点2）具有多种数据源数据的集成能力和数据同化能力。沿海台站、浮标、船舶、海洋遥感技术等既是原始数据源,也是数据更新源。特别是海洋遥感信息源,它可提供大范围的、同步的、连续的实时数据,甚至可提供其他观测手段不能提供的恶劣海况条件下的数据,成为海洋地理信息系统的支撑数据源；因此,具有较强的遥感信息输人和处理能力由于数据源的多样化,不同来源数据标准、精度、分辨率等都不统一。为了保证输出产品质量、精度和空间尺度的一致,具有较强的数据同化能力。海洋地理信息系统的特点3)具有模型智能化和多功能性等特征海岸带自然属性的多样性和复杂性，综合管理目表（社会、经济、环境、资源等）的多重性，均要求GGIS具有比常规ＧＩＳ更强的智能化程度和多功能性;在策略计划制订、多目标优选决策、开发项目方案优化以及管理效果预测等方面，必然要应用分析，评价、预测、决策等多种模型。海洋地理信息系统的需求及定义(1)数据融合

将各种海洋现场测量数据和遥感数据融合为统一标准的数据集,如从大数据集中获取在一定空间范围内具有统一投影或高程基准的、具有一定数据质量的同期或准同期的分析数据;

海洋地理信息系统的需求及定义(2)插值

对数据的质量进行评估,对缺失的数据进行插补;这里的插值是特指三维空间插值和时空四维插值;海洋地理信息系统的需求及定义(3)

场运算,空间域的基本运算和操作、等值线和要素场剖面线图等的自动绘制;频率域的EOF变换、傅里叶变换、小波分析等;专业运算的温度锋、涡旋、水团的提取与划分等;海洋地理信息系统的需求及定义(4)

多维显示与分析需求,包括断面可视化、多维时-空要素的多元表达和动态显示、结果的多元表达和输出等.海洋地理信息系统的需求及定义

MGIS提取特征流程图海洋地理信息系统的基本功能多功能性是海洋地理信息系统的一大特点,加深对海洋地理信息系统基本功能的认识;有益于海洋地理信息系统的深度开发及其技术发展。

海洋地理信息系统的基本功能有：数据管理功能决策管理功能分析评价功能模拟预测功能海洋地理信息系统的基本功能数据管理功能主要是指有关海洋空间数据和非空间数据的搜集、存储、检索、显示查询和编辑等功能。就某种意义而言,任何“管理”都是信息流的一种交流形式,特别是海岸带综合管理,是多渠道、多层次、多形式信息流定向（单向）或双向或多向交流形式。MGIS开发了海洋数据管理系统和通信络,MGIS可为海岸带综合管理信息交流提供便利创造条件,从而提高海岸带综合管理的效率,提高海洋数据（空间的和非空间）的自身的利用价值。海洋地理信息系统的基本功能决策管理功能当前,沿海地区出现经济多元化发展趋势,管理方式也从单一的经济目标管理向社会、资源、环境、文化等多目标管理模式转变。MGIS通过一般决策模型、多目标决策模型、模糊决策模型等不同的决策模型,为海岸带综合管理分析自然和社会各种因素提供多目标辅助决策支持,以减少决策的盲目性和片面性,同时,也为海岸带管理实现标准化、可视化、计算机化的统一管理提供了技术手段,从而达到信息资源共享、提高管理效率、节约管理经费的目的。海洋地理信息系统的基本功能分析评价功能建立不同的分析模型和辅助决策支持系统,可对各种开发项目,如港口建设、围海造地、海上油气开采、海水增养殖等,进行综合评价分析,提供多种可行方案,供管理部门决策参考。在发生突发事件,如发生海面大范围溢油、赤潮和风暴潮一类的自然灾害时,管理部门利用MGIS进行分析评价,作出快速应急响应,可减少损失。海洋地理信息系统的基本功能模拟预测功能MGIS的模拟预测功能主要有两方面作用。首先,根据海岸带资源及开发现状、地区海洋经济发展趋势的潜力等各种综合因素,运用不同的预测模型,模拟显示海岸带地区发展前景,为中长期规划和宏观调控提供参考依据。其次,在发生海难或海面溢油事故时,向预测模型输人事故海区现场的风速风向、流速流向等海况数据,模拟事故的发生和发展过程,以便采取有效的救助打捞或防范措施。海洋地理信息系统的框架及其关键以下结合我们构建的MGIS通用平台,论述MGIS不同于传统GI的框架及其关键问题.总体来说,MGIS基础平台处理分析海洋数据的流程如图所示,包括数据输入和提取、数据操作、融合和分析、海洋特征提取、操作和分析、结果输出,其中每一部分又可细分为如图右侧的对应部分.利用系统进行海洋数据处理分析时工作流程并非固定如此,可以跳跃进行,同时也可不断反馈回溯.海洋地理信息系统的框架及其关键

MGIS基础平台功能构成海洋地理信息系统的框架及其关键数据输入、提取和操作(1)海洋数据类别和种类多,格式繁杂,必须定义统一的输入标准,并提供格式转换工具,对数据库内数据结构作出严密定义,从而为系统的操作提供便利.

(2)相对于陆地GIS平台,应特别注意时间动态的问题.在数据的提取和显示时都必须对时间进行限定,所有的提取均是对一定空范围的限定.(3)尽管海洋数据量在急剧地增长,但对一定的时空进行限定时,数据却往往极为稀少,这凸现出插值在MGIS中的重要性.(4)正因为数据相对稀少,数据的珍贵性得到重视,为此对MGIS必须强调数据质量评估的重要性.(5)相对于陆地应用的GIS,对MGIS必须重视高程基准的统一.投影变换的重要性可以相对下降,一般用经纬网作为统一坐标体系.(6)陆地上有地物或边界可对位置作标示或参照,而对MGIS只能用经纬网来标示其位置,故在显示时需要调入经纬背景或标尺.海洋地理信息系统的框架及其关键时空插值相对于陆地,在时-空限定下突出的问题是海洋数据太稀少,特别在次表层以下.为此要提供丰富的插值选择,同时要求发展不同于陆地的GIS插值功能,最为直接的是发展三维插值,另外除了利用三维空间临近点进行插值外,还要发展利用时间临近或时-空临近进行插值.考虑到海洋在大尺度上有年周期的变化,因此可以利用背景知识或历史平均趋势进行智能空间插值,利用时间序列和空间分布进行时-空插值.另一方面,相对于陆地GIS处理的数据,对海洋数据需要进行线型插值,即对一条线上的系列点及其要素,要在这些点的连线缓冲区内进行等值线绘制.其插值方法可选择两点、三点、多点,一次、两次、多次.海洋地理信息系统的框架及其关键模式集成GIS在将地图与计算模型相连或链接其他平台的程序方面功能强大,在陆地应用较为丰富,比如陆地过程模型:地下水污染模型、气象模型、水土流失方程、表面水文模型等.针对MGIS,对其模型集成要考虑如下要点:(1)在GIS理论和技术中对海洋还缺乏研究和理解的情况下,最为直接的集成将传统的数值模型与GIS进行松散的集成;利用GIS可视化输入模型的初始场和边界数据,由GIS实时可视化输出模型运算结果,并按时间动态显示,其中参数和数据在GIS与模型中的传递采用文件的方式;(2)利用GIS生成模型所需网格及初始场;(3)将一系列模型利用GIS联系为一个科学逻辑过程;(4)对动力系统边界问题的处理,即MGIS提供栅格系统处理边界的算法或方式.海洋地理信息系统的框架及其关键测量数据时空探索性分析

海上实测数据中常见数据种类有台站数据、船舶报数据、断面测量数据、ADCP测量数据和浮标数据(包括ARGO)等.MGIS针对各种数据定制其功能,其中与陆地GIS不同的数据分析功能,除前面所述外,还包括:(1)区域数据统计和过程曲线绘制,包括动态过程曲线,即空间上设定时间段和时间间隔静态或动态地显示要素值的过程曲线,也可将各区域过程曲线静态或动态显示在同一弹出窗口上;利用过程线的无级缩放分析不同时间尺度的规律;缩放过程中设定数据的选取方式,包括中数平均数或极值等;(2)对多区域或多点位,按要素项(单项或多项)动态显示,比如柱状图动态,即在各空间位置上显示要素值的柱状图,高度随时间变化,时间间隔和起止时间可选;除按空间位置显示外,可选择它们显示在同一弹出窗口上,处于同一水平线上,以便比较;海洋地理信息系统的框架及其关键测量数据时空探索性分析(3)对有纵深的测量,比如断面数据,除上面所述外还具备可视化选定空间点,自动绘制其要素图及其密度和声学特征曲线,并同步显示曲线的拐点、驻点和相互间距离(如衡量跃层厚度)及要素值与距离的比值(用于衡量要素变化率,如跃层强度)等特征;选定测线后则自动绘制等值线;选定多条测线重建三维测点,任意三维面切割,自动插值生成其要素数据和图表;(4)矢量分析,对于如ADCP,ARGO等数据,除以上数据分析外,可对矢量场进行插值和绘制、方向概率统计、矢量场时间序列动态显示、单点矢量的时间轴显示等.海洋地理信息系统的框架及其关键场基本分析正如上述,MGIS是以栅格数据或可转换为栅格的数据为主要处理对象的可视化工具或容器,为此需要凸现栅格处理和分析算法及其可视化表达,现从简单到复杂分列如下:(1)基本算子,主要是对栅格中的单元算术运算、布尔运算、关系运算、位运算、集合运算、逻辑运算、累积运算和赋值运算等;(2)局部运算,对多个要素层运算,输出值只取决于输入栅格的同一位置单元值;(3)焦点运算,对一个要素层进行运算,当前位置输出值取决于周围单元值;(4)区域运算,对多个要素层,按不同时空区域对栅格单元进行统