海洋地理信息系统理论基础及其关键技术研究_苏奋振-海洋仪器网资料库

第26卷 第6期海 洋 学 报Vol.26,N o.6 2004年11月ACTA OCEANOLOGICA SINICA N ovember2004
! c2 X' t6 [. B海洋地理信息系统理论基础及其关键技术研究
: \6 b  L, {, p/ t4 o! s, x# q1 B苏奋振1,周成虎1,杨晓梅1,杜云艳1,骆剑承1,仉天宇1
(1 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室,北京100101)
" o% X# z9 ?( M2 c) F摘要:海洋地理信息系统(M GIS)具有时空处理的强大能力,并在应用上具有潜在优
势.以提取海洋现象特征为例,对其在海洋科学中的位置和作用进行了剖析,进而比
较分析了MGIS不同于陆地地理信息系统的特殊理论技术的需求,从而定义其功能
5 h6 V9 C. ^* K: f5 k体系结构.结合所构建的MGIS,详细阐述在本系统创建中主要的理论技术关键,由
* \- H& F9 }/ w* B2 B此展示MGIS对我国海洋调查、研究、资源开发和保护以及国防建设等工作具有的重
. L$ p( j: x) \' Q4 F要意义.
关键词:海洋地理信息系统(MGIS);遥感;定位
, Q$ w! H# ~5 O6 O3 x- ~9 ]中图分类号:T P181;S931 文献标识码:A 文章编号:0253-4193(2004)06-0022-07
1 背景及其前沿
21世纪是海洋的世纪,大量多源数据向存储、管理、维护、快速访问、智能分析、可视化和自动制图提出了挑战.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.
$ e0 d7 u# o6 I8 y9 H早在1990年GIS在管理和显示海洋数据以及三维建模、可视化和定量分析中的重要意义,首次受到海洋学家和动态图形专家的关注[1],随后欧美对GIS在海洋应用中进行了多方面探索,如美国全球变化计划支持的RIDGE调查计划,利用GIS缓冲功能设计航线、判断和划定声呐的探测范围、确定测点,实时整理测量数据并存档,实现对多传感器数据的查询检索、专题图制作、叠加分析建立各要素关系,并由此讨论东太平洋洋中脊的地质解释[2,3].Li和Sarena[4]阐述了GIS在陆地和海洋应用中的某些重要差别.Mason等[5]将遥感数据和实验调查数据结合起来解释中尺度海洋特征,并预测气候变化.
1 ]7 f7 r' ]5 X+ @, y! f1995年各国纷纷利用GIS处理、分析和规划各自海域,区域性组织则纷纷采用GIS作为
收稿日期:2003-04-11;修订日期:2003-06-18.
: \+ P+ W  ~  p2 u* x# N1 P; s基金项目: 863-818 青年基金资助项目(2001AA639400); 863-818 重点资助项目(2001AA633010).
作者简介:苏奋振(1972 ),男,福建省永定县人,博士,从事海洋海岸带资源环境遥感与GIS研究.E-mail:sufz@lrei s. ac.cn
) _' @8 w: T& P% U, Q                               协同工作的平台,比如欧洲北海四国的联合海岸带管理和规划的通用平台SEAGIS;1997年欧洲环境署建立了支持欧洲海域评估的地理信息系统原型EUMARIS,用于分析环境状况和时空变化及其影响因子.
上述研究都是利用现有的GIS 平台进行构建的,而现有的GIS 平台都是为陆地应用开发的,一俟向海延伸,需要针对海洋特性构建通用的MGIS 平台.近10余年的GIS 海洋应用发展了许多关键理论、技术,并在专业应用中得到完善[2,4,6~8],这为搭建整个通用的MGIS 平台奠定了坚实的基础.对此,本文对前人的研究进行了归纳和反思,确定了它在海洋领域的地位和基础框架,结合笔者多年在海洋GIS 的工作和所开发的MGIS 平台,对照传统的GIS 平台,重点论述MGIS 通用平台基础理论研究和技术开发的科学依据,这无疑对作为海洋大国的我国的科学考察、研究和资源开发利用具有重要意义[9,10].
, a4 q( d; S$ b: W2 M G IS 的定位
海洋中各要素及其动力因素均是在时-空中连续场分布的,从GIS 的观点看是一个具有模糊过渡的时-空分布,此栅格的表达和计算在客观上要比矢量更为方便和接近现实,特别是对航天遥感器、多波束回声仪等所获的栅格数据或可以转变为栅格数据的传统海洋测量数据,如断面、船测报、ADCP,ARGO 等更方便、更现实.
) d  J; `; M, V* f3 r7 O# s3 @: T海洋遥感的主要任务之一是从遥感能量图中反演海洋的要素场,如海温,叶绿素、黄色物图1 海洋地理信息系统的定位
; L$ V8 n% i9 ~% w/ i& f  w1 ]7 V质以及海浪等,而对这些反演数据的分析工作
8 N! h% S/ c2 n. O) r/ E一直未受到足够的重视,特别对多要素、多数据
( w! z! ?' p$ P/ H复合分析的研究和技术解决探讨得较少.目前
2 K0 \$ s0 c6 H# s9 B国际上在专题信息提取后,海洋专家一般采用
3 l; I, |# @( b. j  n# D' n" O目视或数字计算的分析方法来提取和分析海洋
6 N& h, V, [0 A! L, G6 U, x现象特征.面对剧增的数据、跨专业的应用、学
* J1 d& y  `5 V科的相互渗透,对海洋现象特征的智能化、可视
化提取已成为迫切需求.
; {, O, `8 T7 A0 m" n传统GIS 处理和分析的对象主要是一些
2 {7 M8 W( v+ M7 z* w陆地上的状态,而MGIS 要大量处理和分析的
3 `" b! W% X% N$ [0 s" j7 W是海洋过程,由此除发展其本身的时空过程表
达和分析的理论技术外,还必须重视海洋模式
的集成,即M GIS 必须实现为海洋动力模式提
6 e+ W0 O( Q1 L0 C/ X供数据获取的便利和运算环境的可视化环境.
! v8 q# w( Z: ^1 Q! l% b3 P$ l在图1粗线所框部分中MGIS 在海洋科学
技术体系中的位置是对海洋数据或信息(包括
" g$ M& j2 R! b3 [3 Q0 k2 h遥感反演信息)进行可视化、智能化管理、操作
与分析的平台或容器,从而适应新型海洋监测
5 ?8 J: F- F' R. n4 h9 M技术应用和国际互联网的迅猛发展,适应以指
, A; S2 b4 Z  b% K! p7 L/ N) [' D# c& Y数形式增长的海洋信息量.具体地说,M GIS 旨在为海洋学家提供可选择的、适当的方式和平台以分析处理大量数据,提取有价值的信息,并236期 苏奋振等:海洋地理信息系统理论基础及其关键技术研究
                               通过对海洋信息的分析、综合、归纳、演绎及科学抽象等方法,研究海洋系统的结构和功能,揭示和再认识海洋现象的各种规律,特别强调对海洋现象空间形态的表达、符合海洋要素数据特点的综合信息管理、智能化海洋遥感信息分析和专题信息提取、动态现象的时序特征分析以及现象的尺度精度评估等方面,从而为海洋信息科学的管理、分析和应用提供强有力的手段,实现信息的挖掘和再开发.
, c: m/ G7 n, s0 Q0 h* K3 M G IS需求定义
6 s; `9 U3 m# M1 |1 C8 N+ @- Q3 L如前所述,M GIS处于对海洋测量数据、遥感反演数据、数值模型输出数据的管理、集成、分析、提炼的框架内,因此有必要探讨在MGIS的支持下海洋研究工作是如何开展的.如图2所示,为便于说明,以分析某些海洋动力特征,如锋面、跃层或水团等为例,原来的许多手工或半自动的工作可以由M GIS来完成.这样,对数据的处理操作和信息的分析等具有严格统一的标准,避免不同处理者采用不同的标准,也避免同一处理者在不同的时次采用不同的标准.上述情况主要存在以下几个方面的需求:
图2 M GIS提取特征流程图
" A( C/ w( m9 V$ G$ a(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;
(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;
+ f3 m# [/ N; O(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;
0 \! P; \0 N) ~9 u, E7 y! ^(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.
从更广泛的意义上来说,特征的含义不仅指可以用点、线、面、体等来表达其时-空位置
: o  O) f4 a% w& ^1 d/ }7 p的几何特征,还包括可以用于表征该数据的统计分析特征,如场要素分布的统计分析描述及其频率域的特征等.
$ S. |2 X. k. r' ]3 u( K4 M G IS框架及其关键
以下结合我们构建的M GIS通用平台,论述MGIS不同于传统GIS的框架及其关键问题.总体来说,M GIS基础平台处理分析海洋数据的流程如图3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3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, 24海洋学报 26卷
% Z7 W1 F- {7 r% J                               同时也可不断反馈回溯
) E- k* ]( D( s, ^) |" Z

                               
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9 w! _% J7 ~# W' K* M.
; e* B* g0 |5 o! U9 s- H6 `0 t图3 M GIS 基础平台功能构成
4 1 数据输入、提取和操作
) x2 Z9 p% A; `& j1 q& _- p; M# k$ L(1)海洋数据类别和种类多,格式繁
7 T) a  L/ G1 k杂,必须定义统一的输入标准,并提供格
3 Z" \4 C) G- d' u$ D式转换工具,对数据库内数据结构作出
* n4 B: e7 ?0 u0 Q# H' K0 o严密定义,从而为系统的操作提供便利.
, H0 ^0 k; h3 k. S/ t1 L" h(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
* {* F& ]3 Y9 m2 N" j, e显示时都必须对时间进行限定,所有的
提取均是对一定时-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
% v6 n* w0 b5 O( p6 L* _' @往往极为稀少,这凸现出插值在M GIS
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
& Z) L, x# _. H* _8 ]. c$ `  Q; x数据质量评估的重要性.
0 _- ~: j; k& h9 ?$ O(5)相对于陆地应用的GIS,对
M GIS 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
: E& Q/ I7 j. l5 E; V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M GIS 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.
3 f, n- u; Q& l3 b8 r( b) |" P4 2 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.
4 3 模式集成
: v9 m; M3 |2 f+ j) M: iGIS 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M GIS,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,最为直接的集成是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 256期 苏奋振等:海洋地理信息系统理论基础及其关键技术研究
                               26海洋学报 26卷
, a$ r0 ~& u3 r0 d, {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;
0 J9 E4 E. k: K(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.
; b$ }" j/ H& O0 H: p* h& W4 4 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;
, S* l; N9 r7 N! |9 M1 m: s(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.
4 5 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:
  k: ?# z8 v. ~4 R(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;
6 N6 a; T' j1 N4 m: K4 T(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;
) U/ |7 m5 [) I" g1 t# K(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;
8 Q+ r3 a( w0 l; g(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;
3 y( T3 l: [( n$ x" d0 ~. j) _(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;
, h' C, d: t2 I5 K* i: m1 B(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.
                               4 6 海洋平面场几何特征分析
这里的处理可以分为对离散点的分析和对连续场的分析,目的是对一些可用几何描述的海洋现象进行时空定位和定量描述,比如跃层、锋面、涡旋和水团等的提取.分析和提取的主要方法包括梯度判别、模式识别的自动匹配和人机交互方式.对人机交互采用图形化方式,利用背景知识,通过探索性定位,计算机自动统计差异性和判别.
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.
3 [% K! O5 u" M4 7 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.
! d8 U3 _3 {! B" V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T IN,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.
$ f9 X8 Z2 ?+ j& J4 i4 8 时空场分析
/ e% u4 T& T  C0 o7 _0 o" O8 o对时空场分析的主要目的在于通过对时空体的操作和分析,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.
5 L( J2 j6 w  r传统的GIS 主要处理空间状态,而M GIS 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M GIS 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GIS 处理许多二维操作和分析方法,也不适为一个折中的办法.
9 L8 m2 r9 Q2 H  q9 K, {; ^4 9 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.
1 C4 o" U" R5 T5 结语综上所述可知,由于GIS 理论技术的迅猛发展及其对空间信息的处理能力,使它逐渐得276期 苏奋振等:海洋地理信息系统理论基础及其关键技术研究
                               28海洋学报 26卷
到广泛应用,MGIS也必将在海洋研究和管理多个应用层次、决策层次中起重要作用.M GIS 作为一个全球尚处于开始、非常新的领域,蕴藏着大量的理论、技术和应用创新的机会,在可变化相对位置和值的空间数据结构、零星数据的插值、体分析、大数据集管理和输入等方面仍然是其中的难点.对这些问题的研究也将促进GIS基础理论以至时空信息科学基础的发展.文中所示框架及其关键技术,随M GIS发展必将不断得到完善、充实和改进.
* l7 L  `# z& t9 {3 v9 }, f本文承蒙国家海洋局第一海洋研究所刘宝银教授斧正,笔者在此表示衷心感谢!
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+ ]# [+ F, B# ?/ E3 _Key words:marine geographic infor mation system;remo te sensing;function structure