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1、海洋地理信息系统1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 ,
3、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。 3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）4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
4、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)。5海洋地理信息系统的定位6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Marine Data Sampler(一个全球海洋影像和数据集的 CD2 ROM),其应用软件基于 ArcView开发。 1991年 ,
5、 ESRI Arc/ 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 GIS Marine Explorer ,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 7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
6、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 , Li R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 Marine Geodesy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 3
7、D 环境、 时空变化、 模糊环境、 统计变量制图等方法。1999 年 Taylor and Francis 出版了 Marineand Coastal Geographical Information System一书 ,内容包括海洋数据的表达、 分析与可视化等。8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
8、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 。9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
9、型化、智能化和多功能性等特征10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
10、三维或四维特性 。 11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。12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
11、目表（社会、经济、环境、资源等）的多重性，均要求GGIS具有比常规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。13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; 14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; 15海洋地理信息系统的需求及定义(
12、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; 16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. 17海洋地理信息系统的需求及定义MGIS提取特征流程图18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
13、拟预测功能19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 。20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
14、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。21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MGI
15、S进行分析评价,作出快速应急响应,可减少损失。22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。23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
16、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.24海洋地理信息系统的框架及其关键MGIS基础平台功能构成25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
17、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. 26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
18、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. 27海洋地理信息系统的框架及其关键模式集成 GIS在将地图
19、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
20、处理 ,即 MGIS提供栅格系统处理边界的算法或方式. 28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
21、; (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; 29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
22、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. 30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
23、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计计算; (5)全局运算 ,对整个要素场全局单元进行统计和操作; (6)梯度计算 ,包括五类方式 ,即四临域梯度计算、八临域梯度计算、按特定方向组合的梯度计算、时间序列梯度计算、概率梯度计算;用于对场进行划分,如水团、锋区等的分析; (7)分类处理 ,从要素值类的距离进行场划分 ,主要有(非)监督分类、直方图分类、聚类、 粗集分类、智能分类、梯度边界、人机交互边界统计依据等; (8)空间分析 ,主要是空间自相关分析、相关
24、分析、回归方程及检验;多元分析及检验;结 构分析 ,如变异函数分析及其理论模型拟合;多尺度分析或多分辨率逼近;频率域方法中强调 小波分析和多尺度分析. 31海洋地理信息系统的框架及其关键海洋平面场几何特征分析 这里的特征提取涉及三方面的难点:首先是弱边界的问题,海洋场是连续场,不同性质的水边界是一个模糊的过渡区;其次是边界的属性变化,即在同一条边界的不同处,其判定的指标值是不一样的,换言之,特征值相同不意味着处于同一边界上;最后是噪声和数据缺失的问题,由此在特征提取的过程中要对多种情况进行判定.32海洋地理信息系统的框架及其关键三维场分析 首先完成实测数据的时空展布,从而选取研究区域及其数据对
25、象.实测点的属性,包括时空位置、施测者、要素值 ( 大小和方向) 等,以可定义的色标和符号显示.对数据的读入和选取提供多种方式,对数字或可视化设定研究区,三维坐标上显示经纬度和深度,并显示海底和岸线;在研究区内显示调查点和铅垂线以及测线 ( 测线上标示时间和机构名称) ,对测点上要素值按色标显示.三维坐标上显示经纬度和深度.对数据构建用于插值的网格,比如三维TIN,要实现对数据的时空插值处理,对任意的断面和大面要进行截面栅格显示,绘制等值线图.对色标可按用户定义,对于地质等类别数据则在截面上显示分解线.33海洋地理信息系统的框架及其关键时空场分析 对时空场分析的主要目的在于通过对时空体的操作和
26、分析,从中获取时空体的特征 ,比如 水团分布及其模糊边界、跃层的提取等 ,并将其对时间序列数据以动态变化形成显示在时空 中 ,分析其时空动态的量化描述 ,比如速度、季节变异等.传统的GIS主要处理空间状态 ,而 MGIS区别于传统的GIS的本质特点在于处理的是时 空过程 ,因此对 MGIS时空场的操作和分析也是其发展方向及最大难点.时 -空场的操作和分 析的出发点在于如何将时 -空过程在时间和空间上进行离散化 ,进而对时空离散的过程进行 各种统计分析 ,比如时 -空过程的相互关联8、时 -空过程缓冲区操作、叠加分析等. 将时 -空四维空间进行降维操作 ,比如主成分、投影等 ,然而利用传统的 G
27、IS处理许多二 维操作和分析方法 ,也不适为一个折中的办法. 34海洋地理信息系统的框架及其关键显示和制图 显示有利于判读和分辨,从人认知的角度设定颜色和符号 ,以适应人的生理和心理习惯. 另一方面要提供选择的工具 ,比如利用其他统计(概率分布、直方图等)或背景知识设定色标. 时间序列的显示提供动态显示的时空分辨率 ,以满足不同现象和规律的时空尺度.从可视化的 角度提供多窗口机制 ,可以比较同一时空范围的不同要素场 ,如用于寻找各要素间的关系;同 一要素在不同时空范围的分布和变化 ,如用于寻找不同时空范围的遥相关;同一要素的不同时 空分辨率的分布和变化规律 ,如用于寻找现象或规律的时空尺度等. 35海洋地理信息系统的应用目前 ,海洋 GIS主要有以下几个方面的应用：1)海岸带开发和管理。 2)海洋渔业。 3)海洋环境监测评价 4)海洋资源的开发与管理。 5)其他。 36海洋地理信息系统的应用1)海岸带开发和管理利用MGIS决策管理、分析评价和模拟预测等多项功能，可以为我国海岸
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