第15章 海洋基礎地理信息系統(tǒng)

1、現(xiàn)代海洋測繪現(xiàn)代海洋測繪 趙趙 建建 虎虎 |mgis研究的主要內容 |時空過程 |海洋gis框架 |海洋現(xiàn)象特征及其柵格化 |海洋時空數(shù)據(jù)模型 |海洋gis分析方法 |海洋gis集成環(huán)境與模式集成 |思考題 地理信息系統(tǒng)(geographical information system)是空 間信息處理、分析、管理和顯示的一種強有力的手段。近 年來, 由于全球環(huán)境變化研究及海洋資源與環(huán)境管理的需 求, 海量的海洋數(shù)據(jù)綜合分析和管理促使海洋地理信息系 統(tǒng)mgis (marine gis) 學科領域的興起。 mgis的研究對象包括海底、水體、海表面及大氣及 沿海人類活動5個層面,其數(shù)據(jù)標準、格式、

2、精度、采樣密 度、分辨率及定位精度均有別于陸地。 在發(fā)展mgis過程中, 對計算機應用軟件的特殊需求為： l 能適應建立有效的數(shù)字化海洋空間數(shù)據(jù)庫； l 使眾多海洋資料能方便地轉化為數(shù)字化海圖； l 在海洋環(huán)境分析中可視化程度較高, 除2-d、3-d 功能 以外, 能通過4-d系統(tǒng)分析環(huán)境的時空變化和分布規(guī)律； l 能擴展海洋漁業(yè)應用系統(tǒng)和生物學與生態(tài)系統(tǒng)模擬； l 能增強對水下和海底的探測能力； l 能改進對海洋環(huán)境綜合分析的效果； l 能作為海洋產業(yè)建設和其它海事活動輔助決策的工具。 一般gis處理分析的對象大都是空間狀態(tài)或有限時刻 的空間狀態(tài)的比較，mgis則主要強調對時空過程的分 析和

3、處理。 mgis研究的主要內容聚集在海洋數(shù)據(jù)獲取、結 構、共享及分析理論與技術方面。 數(shù)據(jù)獲取、結構及共享 （1）時空數(shù)據(jù)的獲取 目前利用自動數(shù)據(jù)收集器水下自治機器人（auv) 進行數(shù)據(jù)的獲取發(fā)展極為迅速。其他海臺基自動技術 的發(fā)展同樣迅速，如聲吶設備，浮標，海底探測系統(tǒng) 等。航空和航天遙感也越來越多介入到數(shù)據(jù)獲取中。 這些先進手段結合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集手段，已形成了海洋 觀測的立體態(tài)勢，對海洋數(shù)據(jù)獲取，無論從數(shù)量、質 量、分辨率、精度來說都是革命性變化。 151 mgis研究的主要內容研究的主要內容 盡管如此，數(shù)據(jù)在時空維上仍是離散的，目前尚未有一 種時空一體大范圍同步觀測的方法。 （2）時空數(shù)據(jù)

4、的存儲 如果用任務要素來劃分gis工作，可以分成7個要素， 即時間、水平面、垂直面、對象、過程、對象動態(tài)和過 程動態(tài)。海洋gis還必須考慮一些要素，比如混沌性質的 風、河流沖淡水、潮汐異常等。這對海洋時空數(shù)據(jù)的存 儲提出了難題。 （3）時空數(shù)據(jù)的表達 時空表達是相對于空間靜態(tài)表達而言，屬于過程研究 的范疇。通常海洋gis將時間假設為靜態(tài)，以表達現(xiàn)象在 二維或三維空間上的特征與屬性。時空表達的解決途徑 主要有兩方面：一是沿用陸上gis典型的時空模型；二是 從海洋的實際情況出發(fā)，針對其研究對象的特征，運用 新的信息技術和理論，構造新的數(shù)據(jù)模型。 （4）標準與共享 數(shù)據(jù)標準是研究與應用的重要問題，對

5、于海洋 gis來說，清晰明確的標準對數(shù)據(jù)定義、質量控制和 數(shù)據(jù)交換更顯重要。建立和應用一個合理的數(shù)據(jù)標準 是問題的關鍵，需兼顧靈活性與統(tǒng)一性。目前國際上 在海洋領域至少同時存在30種數(shù)據(jù)標準或格式。 分析理論與技術 （1）模糊性與不確定邊界 海岸線因自然力量而處于變化中，其自然過程在 大空間尺度上一般較少發(fā)生變化，但其界線的劃定一 般比較模糊。海洋環(huán)境中各種水體邊界往往是漸變的， 與此相應的要素分布也是一個漸變的過程。解決此類 問題目前采用的方法是在gis中使用模糊數(shù)學方法對現(xiàn) 實對象進行表達和操作。 （2）時空動態(tài)的尺度 不同的海洋現(xiàn)象、模式、關系存在于不同的時空 尺度中，因此無論是靜態(tài)的或

6、動態(tài)的顯示，需要將數(shù) 據(jù)在不同尺度下進行可視化。一般的做法是按照需要 從數(shù)據(jù)庫中提取出某一尺度的數(shù)據(jù)，然后按不同的算 法，將數(shù)據(jù)轉化為另一尺度的數(shù)據(jù)，再將它顯示出來。 這里的關鍵在于如何確定合適的尺度，以及如何科學 地實現(xiàn)尺度的轉換。 （3）可視分析與三維分析 海洋要素值的分布是漸進的，如何將漸進的值可視 化是非常關鍵的。當前的gis是以二維或二點五維的表 面模型為基礎(raper 1999)的，而海洋領域需要同等地 考慮三維，不僅要實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的可視化，還要實現(xiàn) 其三維數(shù)據(jù)的空間分析。 （4）動態(tài)顯示與動態(tài)分析 相對于陸地而言，海洋更加強調的是其過程。這 就需要海洋gis繼承原有的分析方法，

7、并在技術上使 用戶更易于使用，比如繪制過程曲線，需要在不同時 空尺度進行轉換或推移等。 （5）時空要素相互關系 研究要素間的相互關系時最常用的數(shù)理方法是相 關分析和回歸分析，或者空間相關與自相關方法。相 關分析用于研究兩個或數(shù)個變量共同變化的程度，回 歸分析則通過建立變量間函數(shù)關系，達到根據(jù)一個或 一些變量的取值來估計或預測另一變量的目的?？臻g 相關與自相關方法的原理源于相關分析方法。 （6）計算模型和實驗流程 gis在將地圖與計算模型相連或鏈接其他平臺的 程序方面功能強大。而在海洋方面仍然缺乏研究和理 解，因此研究方向是提供模板和計算工具，使在模型 之間和與gis間提取數(shù)據(jù)，輸入結果更為簡便

8、。 海洋水體是時空動態(tài)的三維空間，其中的組成成 分及其相互關系也處于動態(tài)中。鑒于這種研究對象的 時空復雜性，需要從以下兩方面開展研究工作：一是 需要改造舊的或設計新的底層gis分析模型，同時積 極吸收和融合各學科的最新理論和技術，針對海洋時 空特征不斷界定技術標準，發(fā)展技術方法；二是需要 改造舊的或設計新的海洋數(shù)學模型，使其更易于集成 在gis平臺上運行。 152 時空過程時空過程 海洋世界永遠處于不斷變化中，需要處理的是海 洋動態(tài)現(xiàn)象，要完整地表達和分析海洋動態(tài)現(xiàn)象的特 征與變化規(guī)律，必須使gis具備對海洋現(xiàn)象過程的管 理、處理和分析能力。亦即海洋gis需要將“過程” 納入其研究范圍。 mg

9、is中過程是對現(xiàn)實海洋的模擬、記錄或抽象， 與現(xiàn)實過程一樣是一個尺度概念。mgis中的時間表現(xiàn) 有多種模式，將過程作為一個有序空間狀態(tài)列來記錄； 也可用改變空間狀態(tài)的一個時空事件有序列來記錄； 可以記錄過程進化模式，周期模式等；模式可以是統(tǒng) 計的也可以是機理的。最恰當?shù)姆绞绞且揽茖W應用目 的而確定其過程的存儲、表達與處理的方式。 海洋時空是海洋物質、能量、信息的數(shù)量及過程在海 洋范疇中的廣延性存在形式。mgis所表現(xiàn)的時空是一種數(shù) 字虛擬時空，即利用gis理論與技術方法，在數(shù)字世界中對 海洋現(xiàn)實時空進行符合人們思維時空理念的一種抽象。 海洋時空主要用于表達：海洋中各現(xiàn)象在時空中宏 觀分異規(guī)律與

10、微觀變化特征；海洋中各現(xiàn)象在時空中的 分布形態(tài)、分布方式和分布格局；海洋各現(xiàn)象在時空中 互相作用、互相影響的特點；海洋過程在時空中所表現(xiàn) 的基本關系以及此種關系隨時空拓撲關系變化的狀況； 海洋現(xiàn)象的時空效應特征；海洋現(xiàn)象的時空充填原理及 規(guī)則；海洋現(xiàn)象的時空行為表現(xiàn)；海洋時空對于物質、 能量和信息的再分配問題；海洋現(xiàn)象的時空耦合；海 洋時空優(yōu)化及區(qū)位選擇等。 mgis中的海洋過程是一個邏輯縮小的、高度信息 化的對象，mgis中強調海洋中各種要素場及其特征隨 時間的變化特征。過程的組織與處理的目的在于： 認識有限時段內的變化規(guī)律。對于未來可能發(fā)生的 行為進行模擬和預測。 研究過程與過程間、過程與

11、 事件間、過程與狀態(tài)間的耦合關系，從而把規(guī)律統(tǒng)一 于時間與空間的共同基礎之中。 組成過程的各個事物，在數(shù)量上的比例、空間中 的格局以及時間上的聯(lián)系方式，表示過程內部各事物 間的關系。通常反映在以下幾個主要方面：物質的 時空組成。能量的時空組成。 時空表現(xiàn)。 mgis所要處理的對象是海洋 時空過程，是空間數(shù)據(jù)在時間上 的乘積，其數(shù)據(jù)量是海量的。由 此mgis的結構應符合三層體系結 構（如圖） mgis結構 mgis既要提供實現(xiàn)海洋過程邏輯思維的技術手段， 也要提供實現(xiàn)海洋過程形象思維的技術表現(xiàn)。為實現(xiàn) 這兩種技術方法，需要解決對時空過程數(shù)據(jù)模型的構 建，實現(xiàn)對時空過程的有效的管理。mgis的時空

12、功能 主要體現(xiàn)在如下幾個方面： mgis完成對過程數(shù)據(jù)的管理，這些數(shù)據(jù)不再是相 互割裂的，而是把海洋客觀世界抽象為模型化的過程數(shù) 據(jù)，用戶可以按應用的目的觀測這個現(xiàn)實世界模型的各 個方面的內容，取得自然過程的分析和預測的信息，用 于管理和決策。 時空過程管理 時空過程可視化 mgis可視化將抽象的數(shù)據(jù)信息轉化為靜態(tài)或動態(tài) 的圖形圖像，以便研究者能夠觀察其模擬和計算的過程 和結果?？梢暬▓D像的理解和綜合，用來解釋圖像 數(shù)據(jù)和根據(jù)復雜的多維數(shù)據(jù)生成圖像。 時空過程導航 時空過程導航包括時空插值、時空聚合、時空導 航、過程特征化、時空過程對象化、時空過程邏輯思 維以及時空符號化。 l時空插值 一

13、般用來對時空上分布不均勻的數(shù)據(jù)進 行插值，或是將時空大粒度的數(shù)據(jù)進行插值從而獲得 更小時空粒度的數(shù)據(jù)。 l時空聚合 mgis能夠完成對全局、局部和細部的 查看。該功能深入到我們更感興趣的時空中去研究。 l時空導航 完成過程的時空尺度交換，利用時空導 航，可以直觀了解時空過程的生消演變和相互間關系， 可以了解蘊涵在過程數(shù)據(jù)間的知識，支持研究者完成 “視覺一心象一形象思維創(chuàng)新”的認知過程。 l過程特征化 不是一種簡單的圖形化或數(shù)值統(tǒng)計，而 是所獲數(shù)據(jù)全體的濃縮，是這些數(shù)據(jù)所反映的過程的本 質。時空過程的特征化為過程的處理分析和可視化提供 了便利。時空過程特征化的過程也是完成時空過程邏輯 思維的過程

14、。 l時空過程對象化 其內涵是由計算機程序和時空數(shù)據(jù) 組織而成的時空過程信息模型。 l時空過程邏輯思維 mgis為用戶提供時空過程思維 的工具，使人腦的思維過程用計算機的邏輯計算與推理 進行實現(xiàn)和驗證。 l時空符號化 符號化完成對海洋溫、鹽、密、浪、 潮、流、聲、光、電自然或人為分析結果的前端符號表 達。 海洋gis的最終目的是為海洋工作者提供可選擇 的、適當?shù)姆绞?，以分析處理海量?shù)據(jù)，提取有價 值信息，并通過對海洋信息的分析、綜合、歸納、 演繹及科學抽象等方法，研究海洋系統(tǒng)的結構和功 能，揭示并再認識海洋現(xiàn)象的各種規(guī)律。 海洋gis被定位為對海洋測量數(shù)據(jù)、遙感反演數(shù) 據(jù)、數(shù)值模型輸出數(shù)據(jù)的管

15、理、集成、分析、提煉 的框架內。則海洋gis的功能需滿足如下要求： l統(tǒng)一框架。將各種海洋現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)(表格和文 本)、遙感數(shù)據(jù)(柵格)和矢量數(shù)據(jù)融合為統(tǒng)一標準 的數(shù)據(jù)集。 153 海洋海洋gis框架框架 l場生成。評估數(shù)據(jù)質量，對缺失數(shù)據(jù)進行插補，從 而為下一步分析準備數(shù)據(jù)。 l場運算。包括空間域運算，頻率域運算和專業(yè)運算 。 l多維分析。發(fā)展多維分析方法，或對之降維處理。 l輸出：對原始數(shù)據(jù)和分析結果用有效的方式表現(xiàn)出 來，以利于人眼的判讀與分辨。 根據(jù)上述要求，則海洋gis整體框架應該包括數(shù)據(jù) 輸入與抽取、數(shù)據(jù)操作與分析、海洋特征提取、結果 輸出。如圖： mgis基礎平臺功能構成 數(shù)據(jù)輸

16、入、抽取和操作。數(shù)據(jù)輸入，包括海洋測 量數(shù)據(jù)(表格和文本)、遙感數(shù)據(jù)(柵格)和矢量數(shù)據(jù)。 輸入方式包括鍵盤錄入、文件導人、數(shù)據(jù)庫連接和 模式集成。 模式集成。針對海洋gis，其模型集成暫且考慮： 將傳統(tǒng)的數(shù)值模型與gis進行松散的集成。利 用gis生成模型昕需網(wǎng)格及初始場。將一系列模型 利用gis聯(lián)系為一個科學邏輯過程。動力系統(tǒng)邊界 問題處理，即海洋gis提供柵格系統(tǒng)處理邊界的算法 或方式。 插值功能。海洋gis的插值選擇包括：成熟算法， 包括距離反比法、趨勢面法、克里格插值；適合 海洋的插值方法，如利用時間序列和空間分布進行 時空插值。線型插值 探索性數(shù)據(jù)分析 海洋gis提供的數(shù)據(jù)分析功能包

17、 括： 質量控制和插值 特定區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計和過程 曲線繪制。 對多區(qū)域或多點位，選定要素項(單項 或多項)進行動態(tài)顯示。 場分析 海洋gis是以柵格數(shù)據(jù)或可轉換為柵格的 數(shù)據(jù)為處理對象的工具或容器，為此柵格處理和分析 算法是豐富和靈活的，從簡單到復雜包括基本算子、 柵格運算、分類處理、梯度運算和空間分析等。 海洋平面場幾何特征分析 這里處理可以分為對 離散點的分析和對連續(xù)場的分析，目的是對一些可用 幾何描述的海洋現(xiàn)象進行時空定位和定量描述其特征。 三維場分析 三維場分析首先是完成實測數(shù)據(jù)的 時空展布，從而選取研究區(qū)域及其數(shù)據(jù)對象。實測點 的屬性，包括時空位置、施測者、要素值(大小和方 向)等，以

18、可定義的色標和符號顯示。三維坐標上顯 示經緯度與深度。 時空場分析 時空場分析主要目的在于通過對時空 體的操作和分析，從中獲取時空體的特征，并將其顯 示在時空中對時間序列數(shù)據(jù)以動態(tài)變化顯示，分析其 時空動態(tài)的量化描述。 顯示 顯示的目的在于更加有利于人眼的判讀與 分辨，故需要對顯示的顏色和符號上做一些處理，以 適應人的生理和心理習慣另一方面要提供選擇的工 具。 海洋現(xiàn)象可用定性語言或數(shù)值模型來描述，也常 用圖形圖像或動畫來描述，gis則屬于最后一種。對 于海洋現(xiàn)象，海洋地理信息系統(tǒng)要完成其特征化及對 象化工作。特征化正是將海洋現(xiàn)象抽象成gis的點、 線、面、體等幾何圖形或圖像來表達。 特征化涵

19、蓋的范圍較廣，這里僅討論與幾何圖 形相關的特征提取。從現(xiàn)象中提取特征，可利用相關 的特征提取技術來客觀地獲取海洋現(xiàn)象的幾何形態(tài)特 征。 154 海洋現(xiàn)象特征及其柵格化海洋現(xiàn)象特征及其柵格化 海洋幾何形態(tài)特征及其時空尺度 海洋信息在空間上的分布和在時間上的延展都具 有一定的尺度。同時，海洋信息所包含的空間數(shù)據(jù)和 非空間屬性數(shù)據(jù)都依賴于一定的時空尺度，在不同的 尺度下描述信息所表達的信息密度不同。 尺度按其組成可以分為空間尺度、時間尺度和語 義尺度。 空間尺度 空間數(shù)據(jù)以其表達的空間范圍大小和地 理系統(tǒng)中各部分規(guī)模的大小分為不同的層次，即不同 的尺度。 時間尺度 指數(shù)據(jù)表示的時間周期及數(shù)據(jù)形成周期

20、 有不同的長短。時間尺度與空間尺度有一定的聯(lián)系， 較大空間尺度對應于較長的時間周期，較小的空間尺 度對應于較短的時間周期。 語義尺度 是描述海洋形態(tài)語義變化的強弱幅度以 及屬性內容的層次性的概念。語義尺度在一定意義上 同時空尺度存在密切的聯(lián)系。較大的時空尺度下所具 有的語義尺度具有較高的抽象概括能力，而較低的語 義尺度往往和較小的時空尺度相聯(lián)系。 從遙感要素場中，利用空間信息的多尺度表達特 征來進行海洋信息的特征邊緣提取，關鍵是海面形態(tài) 在遙感影像中的多尺度表達。 遙感影像的多尺度表達主要依賴于遙感影像的 空間分辨率。下面介紹空間分辨率的一些特征。 空間分辨率 空間分辨率與空間尺度存在著對應關

21、系，大的 空間尺度海洋現(xiàn)象對應著大的空間分辨率，對海洋 形態(tài)特征的綜合與抽象的能力更強；反之，在研究 小尺度現(xiàn)象時往往采用小的空間分辨率，能夠更為 詳細地描述信息的細節(jié)信息。 空間分辨率與有效尺度也存在著一定的關系。 同一空間分辨率下的遙感影像所覆蓋研究區(qū)域內的 海洋現(xiàn)象的空間尺度是不同的，這就需進行有效尺 度或者最佳尺度的選擇。 空間分辨率、有效尺度和海洋現(xiàn)象空間尺度之間的關系 幾何形態(tài)尺寸大于或等于空間分辨率的海洋現(xiàn)象 并不一定都能夠在影像上得到很好表示。 海洋現(xiàn)象柵格多尺度描述 海洋現(xiàn)象的多尺度特征使目標的尺度確定和最優(yōu) 提取方法變得復雜，這就迫切需要對海洋現(xiàn)象進行多 尺度表達。 （1）

22、多尺度描述 就一個特征尺度提取算子來說，其所能提取的形 態(tài)特征主要依賴于海洋現(xiàn)象的尺度和探測算子尺寸 (分辨率)大小之間的關系。信息的多尺度分析和提取 的一個強有力的方法是對原始的影像數(shù)據(jù)進行多尺度 分解，形成多尺度圖像結構。 由海洋現(xiàn)象到遙感信息及遙感信息在傳輸過程中的空 間尺度變化關系如圖： 從圖中可以得知海面信息依賴于時空尺 度，遙感信息依賴于空間分辨率，而海 面信息與遙感信息之間存在一定量關系， 通過有效尺度的選擇形成影像分析， 并最終提取用戶所需信息。幾乎所有的 時空過程都依賴于尺度，如在某一空間 尺度下表現(xiàn)為同一性質的目標在另一尺 度下則呈現(xiàn)不同性質。 影像信息在空間尺度間的分布情

23、況，與海洋現(xiàn)象尺 度和遙感影像的空間分辨率密切相關?？梢岳弥饾u降 低影響空間分辨率的方法分析各個分辨率下的影像信息 的分布關系，并利用信息之間的分布關系來進行多尺度 特征提取。 （2）多尺度特征與特征信息提取 多尺度分析與提取的關鍵涉及以下五個問題： 信息的多尺度表達 該問題涉及選擇什么樣的多尺 度表達模型描述多尺度信息，實現(xiàn)用最小的存儲空間 表達最豐富的有用信息。一般利用圖像金字塔結構來 存儲和表達信息 ，只有這樣，才能實現(xiàn)信息由底層 向上層的抽象概括和由上層信息向下層信息的分解。 特征尺度范圍的確定 由于海洋現(xiàn)象尺度是不盡相 同的，經過系列傳輸過程，其在遙感要素場形成的信 息尺度也是不同

24、的，對應的特征信息尺度也是不同的。 因此，要根據(jù)實際情況，確定合適的尺度范圍。 多尺度特征提取中最佳濾波尺度的選擇 分別用不 同尺度的濾波器檢測邊緣，獲得不同的特征圖像，再 根據(jù)特征在尺度空間具有的內在因果性，采用不同的 方式組合它們，從中確定較合適的特征。 特征信息在各個尺度上的分布確定 特征信息在 各個尺度上的分布機制是設計從各個尺度上的特征信 息提取最佳特征信息的基礎，只有理解了特征信息在 各個尺度上的分布情況，才能更好地提取特征信息。 最終特征信息的提取 在各個特征影像中，設計相 對應的尺度濾波算子進行特征提取，然后對提取的各 個尺度特征信息進行圖像融臺，形成特征信息。 多尺度特征信息

25、提取過程，包含兩個重要步驟： 其一，多尺度濾波算子的設計。其主要思想是 把不同類型，不同尺度的高斯濾波算子的偏導 數(shù)組成一系列算子，作為多尺度濾波算子。 其二，特征信息的融合形成最終的特征信息。 特征的融合可以對序列尺度特征圖像直接相加 的方法，或者根據(jù)各尺度間特征信息量的不同 采用加權相加的方法。 海洋數(shù)據(jù)包括傳統(tǒng)的斷面、船舶、站點等海洋觀 測數(shù)據(jù)，也包括adcp、航天遙感器、多波束等先進 設備所獲取的數(shù)據(jù)。 如按照學科劃分，可以將海洋數(shù)據(jù)類型分為海洋 物理、化學、地質、生物、漁業(yè)、氣象等諸多領域； 如果按照海洋數(shù)據(jù)的時空形態(tài)來劃分，則可以劃分為 海洋場數(shù)據(jù)和海洋點數(shù)據(jù)；在物理海洋學中為了研

26、究 的方便，一般將海洋數(shù)據(jù)類型分為海洋要素數(shù)據(jù)和海 洋現(xiàn)象數(shù)據(jù)；按照數(shù)據(jù)源可以分為遙感數(shù)據(jù)、站點數(shù) 據(jù)、海上測量數(shù)據(jù)、基礎地圖數(shù)據(jù)以及數(shù)值產品。 155 海洋時空數(shù)據(jù)模型海洋時空數(shù)據(jù)模型 海洋數(shù)據(jù)獲取不同于陸地數(shù)據(jù)的獲取，其最大 的特點是在運動的平臺上獲取的，因而海洋數(shù)據(jù)的 最顯著的特點是具有動態(tài)性。 時空數(shù)據(jù)模型 海洋數(shù)據(jù)具有時空多維性，為了很好的反映海洋 現(xiàn)象，就需要建立適合其特點的數(shù)學模型。目前的時 空數(shù)據(jù)模型可歸納為如下6類： 時空立方體模型 也稱為三維立方體，是用一個立 方體表示二維空間和一維時間的一種時空數(shù)據(jù)模型。 時空快照序列模型 該模型是由一系列不同時間內 的空間數(shù)據(jù)層所組成，

27、用一個時刻的空間數(shù)據(jù)層記錄 地理現(xiàn)象的狀態(tài)，通過一系列不同時間內空間數(shù)據(jù)層 的集合便可以反映地理現(xiàn)象的時空演化過程。 基態(tài)修正模型 該模型是在時間序列變化的基礎上， 記錄基本狀態(tài)和地理現(xiàn)象的空間變化。它同快照模型 相比較，節(jié)省大量存儲空間，減少了數(shù)據(jù)冗余量。 時空復合模型 該模型為時空一體化模型，是對 不同時間段的地理現(xiàn)象疊加的結果，其實質上是對基 于狀態(tài)修正模型的發(fā)展。它將時空組合成為一個具體 的時空集，把三維的時空體變?yōu)橐粋€二維的空間，通 過非空間屬性來說明時間序列產生的時空組合。 時空三域模型 三域是指空域、時域和專題域。 時空三域集成后比簡單的時空模型更能反映地理現(xiàn)象 的時空體。在這種

28、數(shù)據(jù)模型中，時間位置成為用于記 錄變化的組織基礎。 基于特征的時空模型 該模型是一種面向對象的 技術，對空間對象以類和實例對象兩個層次來表達， 近年該模型已成為研究熱點之一。 綜上可以發(fā)現(xiàn)，這些模型在表達海洋數(shù)據(jù)的時候都會 出現(xiàn)一些問題，追其原因是這些模型均源于陸地應用 中發(fā)展起來的模型，而海洋數(shù)據(jù)又有其獨有的特點， 從而導致這些模型在應用中出現(xiàn)了問題。 海洋時空數(shù)據(jù)模型 基于特征的時空過程數(shù)據(jù)模型 基于特征的海洋數(shù)據(jù)包括兩大部分，一是海洋實 測數(shù)據(jù)，包括離散點觀測數(shù)據(jù)和連續(xù)掃描數(shù)據(jù)；二是 從海洋現(xiàn)象等數(shù)據(jù)中提取出來的點、線、面、體的過 程特征數(shù)據(jù)。 l點數(shù)據(jù)可分為點觀測數(shù)據(jù)和點過程數(shù)據(jù)。點觀

29、測數(shù) 據(jù)主要是指那些可離散成點的觀測，點過程數(shù)據(jù)主要 是指海洋現(xiàn)象中提取出來的一些特征點數(shù)據(jù)，如渦漩 的中心點。 l線數(shù)據(jù)同樣分為線觀測數(shù)據(jù)和線過程數(shù)據(jù) 。線觀測 數(shù)據(jù)是指那些由點觀測數(shù)據(jù)聚合而成的數(shù)據(jù)，例如一 條水深的測線數(shù)據(jù)。線過程數(shù)據(jù)可以根據(jù)線上各點屬 性值是否相同再進一步分為兩類。 l面狀數(shù)據(jù)比較復雜，可看作是由一系列的觀測點數(shù) 據(jù)聚合而成，也可以看作是面狀的過程數(shù)據(jù)。 l體數(shù)據(jù)即立體觀測數(shù)據(jù)，是由點觀測、線觀測和面 觀測構成的一個整體。另外也可以把體狀數(shù)據(jù)看成是 體狀的過程數(shù)據(jù)。 基于場的時空格網(wǎng)模型 基于場的時空格網(wǎng)模型是一種多級格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型。 在該模型中，需要對海洋數(shù)據(jù)或海洋現(xiàn)象

30、數(shù)據(jù)進行三 方面的剖分：在空間上采用柵格進行離散化、在時間 上進行離散分段和在屬性上要進行分層。 海洋中的場數(shù)據(jù)可以分為兩大類，一種類型是標 量場數(shù)據(jù)，另外一種類型是矢量場數(shù)據(jù)；前者只有大 小，沒有方向，如溫度、鹽度；而后者既有大小，也 有方向。 不管是全球范圍，還是近海區(qū)域，都可以使用這 種基于場的時空格網(wǎng)模型來進行描述。在這種模型中， 首先要對空間進行離散柵格化，具體柵格的大小要根 據(jù)研究對象本身的特征以及要求來確定。 在此，僅以全球的格網(wǎng)化方案為例，對離散柵格化的方 法進行探討。 格網(wǎng)化的解決方案通常包括兩種，一種是等角的格網(wǎng)系 統(tǒng)另一種是等面積的格網(wǎng)系統(tǒng)。 等角格網(wǎng)化方案是以全球經緯度

31、作為基本格網(wǎng)來構 建全球的格網(wǎng)系統(tǒng)，它實際上是一種地球投影方法。這 一投影方法在解決大尺度問題以及中、低緯度問題時就 已經能夠滿足要求，但是研究某些高緯度海域的問題仍 然不能滿足要求。 等面積格網(wǎng)化方案的重要特點在于不但可以形成具 有基本排列規(guī)律的矩形格網(wǎng)體系，并且兼顧到以后數(shù)據(jù) 處理和存儲能力的結合，它一方面需要考慮到潛在空間 海洋數(shù)據(jù)的應用，另一方面還需要設定常用的最小空間 分辨率。主要是針對高緯度地區(qū)和對格網(wǎng)的面積、形狀 要求特別高的使用情況而制定的。 全球格網(wǎng)方案中，每個矩形格網(wǎng)的邊長大小約是9.28 公里，即全球9公里格網(wǎng)方案。確定每一行中格網(wǎng)數(shù)目 的方法如下：首先需要初步估算緯度l

32、所在行中需要的 格網(wǎng)數(shù)np： 式中，x是赤道上緯線方向上的距離(9.28 公里)，r為緯度l處的小 圓半徑，r的計算公式： re是地球赤道平面的半徑。np采用四舍五入方法取整。np確定以 后，這一行中的格網(wǎng)的大小也隨之確定，對于每一行來說，這個 值都有所不同。 在該網(wǎng)格化方案中地球周長被平分為2160個9.28 km的格網(wǎng)， 在這種情況下很容易構建新的格網(wǎng)，對于更小的格網(wǎng)可以根據(jù)需 要采用合適的拆分方式，更大的格網(wǎng)則適合用很多常數(shù)進行簡單 的合并。 海洋gis分析是對分析空間數(shù)據(jù)有關技術的統(tǒng)稱， 根據(jù)作用和數(shù)據(jù)性質的不同，可分為： 基于空間 圖形數(shù)據(jù)的分析方法； 基于非空間數(shù)據(jù)的運算； 空間和

33、非空間數(shù)據(jù)的聯(lián)合運算。 空間分析賴以進行的基礎是地理空間數(shù)據(jù)庫，其 運算手段包括幾何的邏輯運算、數(shù)理統(tǒng)計分析、代數(shù) 運算等數(shù)學手段，最終的目的是解決人們所涉及到的 海洋空間的實際問題，提取和傳輸海洋空間信息特別 是隱含信息，以輔助決策。 156 海洋海洋gis分析方法分析方法 1561 海洋場基本幾何量算海洋場基本幾何量算 幾何量算包括空間距離、面積、幾何中心、形狀 等問題。 距離量算 如果度量空間被看成是均質的，則距離最常用的 是歐氏距離(n維空間)，即兩點間的差值平方和的平 方根形式。 在所有的距離定義中，地球球面距離是最為重要 的。即地球上大圓弧的長度是球面上兩點之間的最短 距離 ，這個

34、距離用經緯度表示。 對于任意點a，其經度為l1，緯度為b1，任意點b，其 經度為l2，緯度為b2，ab代表兩點間所對應的大圓的 夾角，r是地球半徑，角以弧度為單位，根據(jù)球面三角 形的余弦定理有： 則兩者之間的球面距離d為： 同一條緯線上的兩點之間的緯線距離d為： 面積量算 面狀對象的面積可以直接通過柵格數(shù)據(jù)來獲得， 通過最小柵格面積值的計算，即可獲得面狀對象的面 積。下面以等角格網(wǎng)為例。 在等角格網(wǎng)情況下，假設點a，b，c，d構成一個四邊形格網(wǎng)， 如圖a和b在同一條緯線上，c和d在同一條緯線上，a和d在同 一條經線上，b和c在同一條經線上。四個點的經緯度坐標分別 是a(l1，b1)，b(l2，

35、b1)，c(l2，b2)，d(l1，b2)，則格網(wǎng)的球面 面積的公式為 ： 或以弧度表示為： 幾何中心平均 以質量為權，通過加權平均，可以獲得幾何中心的位 置（lg，bg）。 其中，i為離散對象，i為該對 象權重，l和b是其坐標。 空間方位和空間拓撲 方位計算一般是以正北方向為起算方向，并沿順時針方向進行的。 球面上a點相對于b點的方位角定義為過a、b兩點的大圓平面與 過b點的子午圈平面間的夾角。若球面存在兩點a(l1，b1)，b(l2， b2)，則b相對于點a及a相對于點b的方位角a、分別為： 空間拓撲是不考慮度量和方向的空間物體之間的空間關系。 變形問題和形狀變換 在建立數(shù)據(jù)模型時，需將用

36、于數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)模型和用于數(shù)據(jù) 顯示和結果表達的模型分開設計。坐標變換是經常采用的一類 三維變換，在大氣動力學中也是一種常用的坐標系，在海洋動 力學中常作如下變換： 其中，h是水深，是海面起伏。在海面z時，1；在海底 處zh，0。 1562 海洋場基本柵格運算海洋場基本柵格運算 柵格運算包括算術運算、布爾運算、關系運算、 位運算、集合運算、邏輯運算、)累積運算以及賦值 運算。柵格系統(tǒng)函數(shù)主要包括局部函數(shù)、焦點函數(shù)、 區(qū)域函數(shù)和全局函數(shù)。 局部函數(shù) 該函數(shù)輸出值只取決于輸入柵格的同一位 置單元值。其主要包括采用的函數(shù)、重分類、選擇、 處理和統(tǒng)計。 焦點函數(shù) 其實施步驟是首先確定鄰域范圍和焦點位

37、置，然后設定權重，最后進行統(tǒng)計計算。 區(qū)域函數(shù) 利用輸入的區(qū)域確定目標柵格中位于該區(qū) 域中的單元為統(tǒng)計對象，并將統(tǒng)計結果輸出在這些區(qū) 域上。 全局函數(shù) 用于統(tǒng)計全局單元，然后統(tǒng)計（最大、最 小、中數(shù)、平均數(shù)、方差、和，范圍）參數(shù)的個數(shù)、 相同值的單元劃定、按給定表重分類、按等面積和按 等間距劃分。 海洋場柵格運算中，空間結構分析包括空間自相關法、 空間變異和多尺度分析三種方法。 空間自相關法有兩種指數(shù)計算模型： moran i指數(shù)計算： geary c指數(shù)計算： 式中，n為樣本點總數(shù)，i，j為任意兩個空間相臨的樣本點，di為 i點上的值，dm為平均值，點i與j是四鄰域時ij為1，否則為0。 空

38、間變異以區(qū)域變量理論為基礎，研究分布的結 構性和隨機性。 設d(x，y)為隨機場，對于每一個確定的點(x，y)有一d(x，y) 與之對應，若設場為d(x)，x代表空間點位(x，y)，則： 空間結構分析 定義變異函數(shù)為 由于d(x)具有自相關的特性，在一定尺度內(x，h)僅依賴于h而 與位置x無關，則： 對應于柵格數(shù)據(jù)則有： 其中，(h)表示變異函數(shù)，d(xi)表示在位置xi處的密度，d(xi+h) 表示與xi距離為h處的密度，n為所有距離為h的點對數(shù)。 多尺度分析或多分辨率逼近是研究海洋gis結構的重 要手段，這里只介紹數(shù)學形態(tài)學和小波分析兩種方法。 數(shù)學形態(tài)學基于集合論，易于實現(xiàn)并行算法，在

39、 圖像的邊緣特征提取方面，比其他空域或頻域方法具 有明顯的優(yōu)勢。 小波分析是將空間域中復雜的卷積運算轉換為頻 率域中簡單代數(shù)乘積運算，其窗口隨著頻率增高而變 窄，而且適當離散化后能構成正交系，有較好的局部 化特征。 場相關分析方法 場相關分析方法主要用于研究兩個場或多個場的相 互關系的一種分析方法。場相關分析方法常采用多元回 歸分析和在空間制約關系下的相關分析兩種方法。 多元分析即計算兩個柵格場的相關系數(shù)通過如下回 歸方程式，建立二者之間的關系。 其中，d、ci分別為因變場和自變場，f為從c到d的函數(shù)關系。 1563 海洋梯度海洋梯度 假設二維平面如圖，海洋要素值以z表示， 則計算梯度的方法與

40、計算坡度的方法是類 似的。其定義為： cellsize是標準格網(wǎng)的邊長，計算坡度在二維空間內的方向算法是： s為坡度，以角度為單位。tan(s)代表梯度，一般是有量綱的物理量。 忽略方位角的細小誤差， 則 1564 插值與擬合插值與擬合 插值與擬合是海洋地理信息系統(tǒng)中廣泛應用的一 種時空數(shù)據(jù)處理方法，指通過時空上已知點的值推求 與其時空相關位置上數(shù)值的方法。 插值與擬合常采用的方法有：最近鄰法、算術平 均值、時空距離反比插值法、多項式插值、樣條插值、 時空克里金法和時間插值法。 最近鄰法 將插值點的變量值與時空中距離它最近 的測點的變量值賦予相同的值。優(yōu)點：不需其它前提 條件，方法簡單，效率高

41、。缺點：對時空連續(xù)變化因 素考慮太少。受樣本點的影響較大，有時容易產生不 光滑過程。 算術平均值 以區(qū)域內所有測值的平均值來估計插 值點的變量值。優(yōu)點：比較簡單，容易實現(xiàn)。缺點： 沒有顧及其他的時空因素，實際應用中效果不理想。 時空距離反比插值法 是加權移動平均方法的一 種。加權移動平均方法的計算公式： 其中，權重系數(shù)由函數(shù)d(xj,xi)計算，要求當d0時(d )，一 般取倒數(shù)或負指數(shù)形式。其中d(xj,xi)最常見的形式是距離倒 數(shù)加權函數(shù)，形式如下： 式中，xj為時空中未知點，xi為已知數(shù)據(jù)點。 多項式插值 利用一定的函數(shù)模型擬合研究區(qū)域。多 項式的一般數(shù)學表達式為： 其中ve為待估點(

42、xe，ye，te)的變量值，ak為第k項的系數(shù),k為依據(jù)坐標xe， ye，te的第k項，m為在上式中由擬合次數(shù)所決定的多項式的總項數(shù)。 樣條插值 通過每一個用于插值的型值點，尋找一表面， 使它滿足最優(yōu)平滑原則。 時空克里金法 根據(jù)區(qū)域性變量理論，假設任何變量的 時空變化都可以表示為與恒定均值或趨勢有關的結構性成 分、與時空變化有關的隨機變量、與時空無關的隨機噪聲 項或剩余誤差項這三個主要成分的和。 時間插值方法 利用待求空間點在不同時間的已知 值來求該點在某一時間的未知值。數(shù)據(jù)點在變化幅度 很小的情況下比較適合進行時間插值。 最近時間距離法 最近鄰法在時間軸中的投影。 優(yōu)點：不需其他前提條件，

43、方法簡單效率高。缺點： 對其他因素考慮太少，受樣本點的影響較大，有時容 易產生不光滑表面。 1565 等值線的生成等值線的生成 等值線的生成和追蹤可通過網(wǎng)格和不規(guī)則三角網(wǎng)兩 種途徑生成，是先判斷、計算和追蹤型值點的過程。 利用網(wǎng)格生成等值線 等值線生成的原理是根據(jù)等值線要素值與兩個 網(wǎng)格點的要素值的關系，檢查等值線是否通過當前 網(wǎng)格的四條邊。判斷當前等值線要素值是否在網(wǎng)格 點a和b的要素值之間，如果成立，說明這兩個網(wǎng)格 點間通過等值線，否則沒有等值線通過。 通過這種方法生成的等值線都是由兩個點組成 的一條單一直線。為此還要進行等值線的追蹤，即 把屬于同一要素值的各線連接起來。 利用delaun

44、ay三角網(wǎng)生成等值線 delaunay三角網(wǎng)的定義是：有公共邊的v一多邊形稱 為相鄰的v一多邊形。連接所有相鄰的v一多邊形的 生長中心所形成的三角網(wǎng)稱為delaunay三角網(wǎng)。 delaunay三角網(wǎng)兩個重要性質，即空外接圓性 質、和最大的最小角性質。利用delaunay三角形各 邊上通過內插能夠產生的等值點，采用前面格網(wǎng)等 值線追蹤方法，最終可以繪制等值線。 1566 數(shù)據(jù)融合與配準數(shù)據(jù)融合與配準 數(shù)據(jù)融合(data fusion)被定義為針對應用目標，對多 源信息進行多層次、多方面的信息處理，以提高數(shù)據(jù) 或信息的質量。 融合可以消除多源數(shù)據(jù)間的冗余性，獲得比單一 數(shù)據(jù)更加準確可靠的信息；通

45、過多源信息互補性，獲 得比單一信息更豐富的環(huán)境信息；融合可彌補單一數(shù) 據(jù)集在某個時間段或空間域上的缺失，擴展數(shù)據(jù)的時 間和空間的覆蓋范圍，使數(shù)據(jù)更趨完整。 具體的融合方法很多，如彩色空間變換法、主成分分 析法、高通濾波法、brovey融合法、統(tǒng)計bayes方法、 神經網(wǎng)絡方法、dempster-shafer等。 數(shù)據(jù)融合需要解決如下相關問題： 數(shù)據(jù)轉換 格網(wǎng)配準 態(tài)勢數(shù)據(jù)庫 融合推理 數(shù)據(jù)損失 1567 海洋時空過程可視化海洋時空過程可視化 海洋gis支持不同維對象的可視化，如零維的點、 一維的線、二維的面、三維的體，并由此實現(xiàn)點過程、 線過程、面過程、體過程的可視化分析。所謂過程可 視化就是

46、將點、線、面、體狀對象及其屬性表現(xiàn)在時 間維上。 點過程可視化 所針對的是空間點對象，此方法 所表現(xiàn)的是空間點的物理值在時間維上的變化過程。 線過程方法 是以線狀目標為研究對象的，所表現(xiàn) 的是一條線上各點的物理值隨著時間的變化而變化的 過程。線過程的可視化分兩種，一種是空間的線放在 空間坐標中，用顏色表示線上各點的要素值。另一種， 則將線放在人為直角坐標系中。 面過程方法 以面狀目標為研究對象，面狀目標 可以是水平面，可以是斜面，也可以是豎直的剖面。 面過程的顯示非常直觀，人們可以很容易的通過面 過程的顯示重現(xiàn)該面上的物理值變化過程，并從中 可以發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律。 體過程方法 這是一種三維時空過程

47、重現(xiàn)的可視化 方法。首先，選定一個空間范圍作為研究對象，在 其中選取足夠多的特征點，用不同的顏色來表示這 些點，將這些按時間序列由地理屬性數(shù)據(jù)生成的三 維圖像(中間缺少的幀可以由插值的方法進行補齊)通 過應用程序或者三維動畫工具處理后產生動畫。另 外，這種方法也可以用來反映一個幾何體中的統(tǒng)計 信息。 1571 集成目標集成目標 一般地，海洋模型與g1s集成，要達到一系列的目的。 從模型角度，主要目的如下： 模型的輸入輸出界面友好 數(shù)據(jù)管理方便 實現(xiàn)可視化表達 gis與模型的集成，為人們分析、比較、挖掘時 空數(shù)據(jù)中的規(guī)律提供了重要手段，使人們對不同對象、 不同空間、不同時間和不同屬性進行比較模擬分析的 可能。 157 海洋海洋gis集成環(huán)境與模式集成集成環(huán)境與模式集成 1572 海洋模式集成方法海洋模式集成方法 海洋模式集成是海洋gis中不可缺少的部分，在 海洋g