遥感地理信息系统-海洋仪器网资料库

遥感地理信息系统
7 R0 K4 H5 N! j摘要：系统介绍了海洋渔业遥感、海洋地理信息系统（MGIS）的关系、发展和特点。以及具有自主知识产权、可业务化运行的海洋渔业遥感、地理信息系统技术应用服务系统的研制技术方法和功能特点。
关键词：RS GIS
. ]# @( A/ H0 h2 \/ [6 m' N1 引言
& C: r$ }6 Q  k. M$ U' P0 E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。
同时，为了满足渔业部门渔业生产指挥和管理需要，维护国家海洋权益，国家836海洋领域95期间设立专题项目‘海洋渔业遥感信息服务系统技术和示范试验’，研制了具有自主知识产权、可业务化运行的海洋渔业遥感、地理信息系统技术应用服务系统。
  ~6 m1 P- O, P- C4 m( {2 海洋渔业遥感与海洋地理信息系统的关系、发展和特点
2.1 海洋渔业遥感与海洋地理信息系统的关系
+ k( m9 l( w+ S0 H（1）RS信息在GIS中的运用
GIS的建立，首先问题是收集信息。RS技术具有宏观性、高分辨率、多波谱、多相时、动态性，及时性的特点。它的数字影像处理又是基于图像数据库的操作与管理，经过计算机图像处理技术所获取的大量图形图像信息数据为GIS提供了丰富的信息源，将RS信息应用于GIS，可以大大降低GIS中数据获取的成本，加快数据更新的步伐。
# ~1 F  u& {2 C- O$ o& ~（2）GIS对RS的有效支持
* a, L4 O# ^$ D1 \; l, YGIS是RS的合理“延伸”，GIS引入到RS图像处理和RS应用分析中，大大提高了RS 图像的可识别性。例如，在RS图像的分类处理中，将GIS的地形信息与陆地卫星图像处理结合起来，可在很大程度上提高RS数据的自动分类精度及应用价值。
其中，GIS对RS支持的具体内容包括：数据管理、数据支持、功能支持。
) a3 j% h  J. r, ~% @  |2.2 海洋渔业遥感与海洋地理信息系统的发展
1 A: z0 N. |6 g2 s8 f                               （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。
- m/ P' J/ _4 s7 ?' ?; C90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，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。
4 V5 {; b  [: c9 X; ?- {# A1995年Marine Geodesy杂志出版了海洋GIS研究的专辑。
" O& f" J3 ^6 P7 ^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。
（2）国外应用系统商业化软件的发展
; u. O, a' N: I' Y# |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。
3 k( O' v2 Y0 y- o) D+ C+ }" L1993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Arc View开发。
6 z$ i2 V0 F) ]! P- Z" k( \1991年，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[4]。
$ d$ T4 L1 J4 z6 n& y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。）
（3）国内海洋GIS的研究进展
+ m+ y' @4 M4 F& h/ }: ~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。
$ j1 l9 U4 m8 I& l8 f0 J* ^. p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。
2 g* ?$ }. K; H2 Y0 c6 o9 D“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、周成虎等研究人员提出了海洋渔业数据建模的扩展E2R 方法，邵全琴博士完成了博士论文“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》。
* Q% c) X* M5 ]5 N6 |5 W! N（4）国内外遥感的发展历程
$ D/ D! l" v' W$ Z0 y日本海洋渔业遥感的研究与应用起步早，在1977年日本科学技术厅和水产厅开展了海洋渔业遥感实验，逐步建成包括卫星、专用调查飞机、调查船、捕鱼船、渔业情报服务中心和通讯网络的渔业系统。情报中心每天以一定的频率定时向本国渔民发布渔海况信息。为日
! o- _4 ^0 d2 x1 f                               本保持世界渔业先进国家的地位起到了重要的作用。20世纪80年代以来，美国等西方临海国家也先后建立了渔业信息系统、利用遥感与GIS为海洋渔业服务[2]。我国早在20世纪80年代初就进行了海洋渔业遥感应用研究，但并未形成业务化系统。
2.3 海洋渔业遥感与海洋地理信息系统的特点
$ h( K( e2 N" i) S（1）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。
+ a5 e6 p  O! }5 k5 Z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。
2.具有多种数据源数据的集成能力和数据同化能力。
+ t, Q2 d7 M' F) I5 g1 i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。
  f  V% j4 g' N1 _" y9 w3.具有模型智能化和多功能性等特征
" v. {; f3 k" L: ^' J3 n8 ?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[6]；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。
4.MGIS提取特征流程图
! Q( I3 ]5 s" m8 S+ m

8 _  C, f, ]" j                               
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$ V- a% r$ m0 M3 {9 ~/ M                               （2）海洋渔业遥感特点
( ^6 x6 p# H# `& D3 }. A7 P% GRS信息的特点如下图所示：

                               
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/ i4 F' [" }' w, P: r: q8 Y( e以上特点决定了RS为GIS提供的信息主要是空间信息（数据），这种空间信息的基本特征表现在如下三个方面。
6 d+ V+ L% I% U5 B& S- n3 |8 U空间分布特征RS的信息涉及到分布于地球表面的自然现象，如有关土地资源的土地类型、土壤类型、土地利用条件（坡度、高度、土壤侵蚀程度等）；有关矿产资源的地层、构造、岩石、矿产的分布特征；有关水资源的水系分布及流域范围、洪水监测及治理、水资源的合理利用（如近年来黄河断流问题）等；也涉及社会、人文经济现象的空间分布特征：如城市地理信息系统中的行政界线、人口结构、工业布局、街区分布等。以上空间试题不仅具有一定的空间位置，，而且有一定的几何形态，如点矿（矿产、居民点等）、现状（水渠、公路、铁路等）、面妆（行政区、工业区等），这些空间分布特征均可由空间图形表达，即由x、y、z坐标值表示和确定。
属性特征因空间实体间存在着内在的本质差异，因而具有不同的属性，可进一步划分为不同的专题类型，以便进行信息的更新与查询。确定和认识一种事物或现象，必须依据它区别于其它事物或现象的本质差异，寻找代表它的一组属性，即它的识别标志。在GIS 中，空间实体的这种属性特征，一般是通过属性码来表示的。
时间特征任何一个位于地球表面的空间实体都处于不断发展变化着的时间序列中，遥感器所收集存储的有关它们的信息都只是某一瞬间或某一时间范围内的特征，不同时相的
" Y5 X0 L( ]6 S% w7 l! i: }& n) c2 ~                               所反映信息的对比联接又可揭示出它们的动态变化。在GIS中，空间实体的时间特征是作为一种属性码来表示的。
3 海洋渔业遥感、GIS应用服务系统关键技术
3.1 海洋渔业数据的表达和组织
8 G7 M, \# x% N2 O( O7 T（1）一种扩展的空间ER方法信息系统的研究热点和开发关键是建模，ER建模方法是主要方法之一[1]。ER方法也广泛应用于GIS数据库概念模型的设计。由于GIS处理空间数据和空间关系，因此，直接用ER方法建立的空间数据概念模型不能清楚地表达现实世界，Calkins于1996年提出了用于空间数据建模的扩展ER方法，称为空间ER方法。由于海洋环境具有流动性、模糊性和三维的特点。在海洋渔业遥感地理信息系统应用服务系统的概念建模中，改进扩展了Calkins的空间ER方法，提出了一套用于三维动态数据概念建模的扩展空间ER方法。该方法不仅成功应用于本系统的开发，而且被应用于厦门市环境管理空间决策支持系统。
（2）基于四级矢量化八叉树层次结构三维数据结构
9 Q5 A& }6 c8 X, A# N将适合于表达实体内部破碎复杂结构的不规则四面体网和适合于表达表面不规整的点、线、面与线性八叉树结构有机结合起来，形成统一的三维集成数据结构。该数据结构：继承矢量结构精确表达的优点，不但可在物体表面而且能在其内部进行精确表达；克服栅格结构表达越细致存贮量越大的缺点，在实行精确表达的情况下，同时减少数据量，节省存贮空间；容易与BR和CSG表达方法进行相互转化，这意味着基于这种数据结构的系统易与大量已经存在的基于BR和CSG方法的系统（如CAD/CAM系统[3]）相兼容，这一点克服了传统八叉树不能准确重建BR结构的缺点；保留了栅格结构和传统八叉树在布尔操作和可视算法上的优点，节省时间消耗，提高系统效率和性能；保留了传统八叉树结构中的层次性和结点的有序性，易于进行三维空间分析、布尔操作、空间索引和查询；矢量、栅格数据结构在栅格结构的总框架下实现了统一和简单化，克服了前人混合数据结构的复杂性，便于系统管理和数据集成；面三维与体三维在这一集成数据结构的基础上实现了较为完整有机的统一。
& ~3 R! G  T. A( m& R8 m（3）基于图层-地图-图集层次结构的地图数据组织方法
$ R8 T3 K+ X& ^8 _( H: D电子地图系统的数据结构一般采用层次结构，其层次结构通常可以分为要素—图层—地图。在面向对象的数据模型出现后，矢量电子地图系统的底层一般采用面向对象的数据模型，电子地图系统的数据结构层次一般为图层—地图，如可用作电子地图创作的桌面GIS ARCVIEW和桌面地图系统Mapinfo，以及电子地图系统Vistmap、EAword等[8]。图层—地图结构是一种电子地图数据组织管理的有效方法，缺点是没有考虑到电子地图集的数据组织管理。而电子地图阅读系统通常只考虑电子地图集的数据组织管理。即电子地图制作系统中采用图层—地图结构的数据组织管理方法，在电子地图阅读系统中树结构或其它方法进行图集的数据组织管理。
9 P! z. M; }, D4 d" f0 [本系统采用了图层-地图-图集一体化电子地图数据组织方法。该结构在电子地图创作系统和电子地图阅读系统中均可应用。采用该方法，可以增加地图制作的灵活性、扩展电子地图系统的功能，满足不同层次用户需要。图层创作采用面向对象的模板机制，不仅可以大大减轻大量同类图层创作的工作量，使图层制作工程化成为现实；而且可以使非制图专业人员可以轻松地制作高水平的专题图。图集管理树结构的叶结点存贮地图或图层，图层与图层或图层与地图的交叠显示，可使用户实现高层次的地图创作和创意。
" @9 P1 m9 p/ w                               3.2 渔情分析知识处理系统
3 S  @6 R* ]6 |9 k& k* s（1）中心渔场智能预报技术
9 B! t9 R6 m1 R6 \6 B7 e2 S由于大部分的渔情知识均带有不确定性，这种不确定性表现为随机性和模糊性。因此在中心渔场预报专家系统的开发研究中，对渔情分析知识采用建立范例库和规则库，通过基于范例推理为主，规则修正为辅的处理技术，实现中心渔场预报。针对东海海域范围内对中心渔场进行预测的复杂领域专家系统的推理算法问题，提出了一种基于范例推理同基于模糊推理模型相结合的推理解释算法。这一方法将传统复杂系统的经验预测模型分解为基于范例推理和基于模型化的模糊推理两类推理模型，其中基于范例推理完成对系统应用中的主要环境因素进行相似性计算，从而得出预测结果集的问题。而基于模型化模糊推理包含相对复杂环境因素的知识表示及模糊推理解释两部分，完成通过对次要环境因素的表示及推理解释完成对范例推理中得到的较粗糙结果集的优化过程。该方法大大简化了这一类预测系统的设计和实现，具有高智能化、同时又充分利用了基于模型化的模糊推理和基于范例推理的优点，具有很强的实用性。目前已成功应用于东海海域的中心渔场的预测及预测修正系统的设计中，并取得了良好的效果。
7 X7 i1 g, l! |0 l（2）面向对象渔业资源评估知识处理技术
系统将框架理论和语义网络相结合，采用面向对象的概念和技术来实现渔业资源评估知识表示。渔业资源评估知识库是由各种对象组成的树型结构。这些对象对应于树中的结点，它们有定义自身外观的属性和定义自身行为的方法。通过设置推理结点的属性和编写实现行为的方法脚本，可以将推理的规则和控制策略与对象有机的结合在一起。为了提供功能足够强大的推理机制，并最大限度地保持灵活性和方便性，系统引入了一种专用的高级语言：推理控制语言ICL，用来描述和操作专家知识与规则、以及控制推理过程。在面向对象推理机中，知识库中每个对象中的方法将按一定顺序执行。每一个对象可以有三个方法：先序方法，中序方法和后序方法。通过知识获取和管理工具，可以在这三种方法中编写推理控制语言（ICL）脚本。
4 海洋渔业遥感、GIS应用服务系统功能
& D) B( j1 R* Y6 W4.1 海洋渔业数据实时获取与处理
" r  r, G( `! [6 [4 k（1）海洋渔业遥感信息实时获取与处理
  e- s7 U" g9 l/ T) o8 Q建立了可实时接收NOAA和风云IC气象卫星地面接收站系统[7]。在解决遥感图像去云补云，二类海水叶绿素浓度遥感信息提取等关键技术基础上，充分利用我国海洋测站、历史海洋断面调查、以及船舶报和SeaBass数据集，用多通道法和非线性法建立了东海渔区不同月份海表温度（SST）反演模型13个，反演精度达到0.8摄氏度的要求；用蓝、红光比值法、荧光高度法，双通多道法等建立了一类海水叶绿素浓度提取模式2个、二类海水叶绿素浓度提取模式1个。采用构件式技术，研制开发了卫星遥感渔业数据处理和信息提取软件系统，实现了海表温反演，海表温度梯度计算、海水叶绿素浓度提取、等值线生成等功能。
（2）海洋渔业环境与生产信息网络系统
# P4 m1 }; h3 V* G. g. S6 O7 s建立了包括12个群众渔业点、4个大型国营渔业公司，覆盖江苏、浙江、福建和上海四省市的海洋捕捞生产和资源信息采集动态网络，可及时获取捕捞生产信息，温度、盐度等海洋渔业信息；并开发了基于SQL server的海洋渔业生产与环境数据处理软件系统，实现数据输入、质量控制、时空开窗、抽取变换、空间展布等数据处理与分析功能。
# z/ ]8 I% |  u0 V1 i9 Q/ m4.2 海洋渔业数据处理与分析
                               除了提供通用GIS数据分析功能以外，还针对海洋渔业数据动态、三维模糊等特点，进行了以下几个方面的研究与开发：
（1）基于范例推理的中心渔场智能预报
: @- S8 N1 x" g( w8 @1 e4 F由于中心渔场时空动态变化，预测没有稳健的数学模型，而可用的领域知识规则化困难，并存在很多例外的规则，使用传统专家系统技术不适用。将基于范例推理（CBR）技术引入中心渔场预报，在解决中心渔场范例人机交互获取与生成，中心渔场相似性度量指标体系，中心渔场多策略相似检索以及中心渔场预报修正专家规则等核心技术的基础上，开发了中心渔场预报智能系统。
（2）基于专业模型库和专家系统的海洋渔业资源评估
& ~' R/ [! q; v在解决模型增加、修改等技术难题的基础上，研制开发了包括实际种群分析模型、shaefer-fox剩余产量模型、Beverton-Holt综合模型、带环境参数的shaefer-fox剩余产量变种模型以及灰色模型等模型库和相应的模型库系统管理软件，具有模型运行、增、删、改，模型字典导航，数据库动态访问，结果可视化等功能。
3 ]4 o1 P% s9 E) u: p, k* g5 `同时采用面向对象知识表示方法，以及面向对象推理机制，开发专用推理控制ICL脚本语言，采用预置文本库和路径跟踪相结合的方法实现推理机的解释机制。研建了基于规则的资源评估模型自动拟合选择专家系统，使系统可以根据用户现有的数据情况自动选择合适的评估模型，以便于一般技术人员能进行工程化操作。
2 K: i( t9 S/ M1 t0 B/ c2 M3 {（3）海洋渔业资源空间分布特征分析
在利用地统计学的变异函数理论分析海洋渔业资源空间分布变异特征的基础上，开发了海洋渔业资源空间分布特征软件，具有空间数据统计特征分析、空间变异性分析、空间估值等功能。
（4）基于四级矢量化八叉树层次结构的海洋渔业三维数据分析
针对海洋渔业数据三维、模糊等特点，提出了四级矢量化八叉树层次结构三维数据表达。在此基础上，深入研究三维统计、三维查询、三维任意剖面切割、三维邻域分析、三维边界检测、三维连通性分析、三维缓冲区分析、三维叠加分析等算法，并开发了软件原型。
4.3 海洋渔业信息产品制作与发布
# j8 Z) Q1 }. c针对海洋渔业遥感、地理信息系统技术应用服务系统每周制作渔海况速报图以及根据用户需要即时制作各种海洋渔业信息产品的业务化要求，提出并实现了基于图层—地图—图集层次结构的电子地图数据组织方法，并提供信息产品制作模板机制，使海洋渔业信息产品制作工程化、业务化成为现实。针对海洋渔业统计观测数据空间化多样性的特点，提供了丰富的空间统计制图方法，并实现了随比例尺缩放，不同统计图型联动变换的创意，针对海洋渔业的动态特点，提供了动态显示工具，以及渔船GIS动态跟踪等。
8 T8 T! B# v  d) J针对不同用户具备的条件，海洋渔业信息产品发布介质有纸图和电子地图两种，发布方式有传真、邮寄及Internet网络三种。在此基础上，研制开发了方便、实用的具有自主知识产权的海洋渔业信息产品制作软件EA2000与发布软件EA Viewer。
& I( i$ [! A3 U: u4.4 海洋渔业综合数据库
# V2 J2 u+ t' J; c8 G为了满足海洋渔业遥感、地理信息系统技术应用服务系统业务化运行对数据的要求，设计并建设了海洋渔业综合数据库。针对海洋渔业数据三维、动态的特点，提出了海洋渔业时空数据库概念建模的EA方法，以及基于四级矢量化（点、线、面、体）八叉树结构的海洋渔业三维数据的表达方［$5，$8］法，引进了数据库OLAP技术，采用传统数据库与多维数据库并用，矢量与栅格紧密结合的数据组织策略。建设的海洋渔业综合数据库（东海渔区）包括：用于空间定位的背景数据库21个要素层；用于历史渔业非生物环境分析的水文气象
                               库，约438万个数据；用于历史中心渔场分析的渔捞统计库97万个数据；渔政管理数据6万多个数据，及渔业生物学与生态数据库。
4.5 渔政综合管理信息系统
4 W% x& Z. O- F& k根据用户对船舶登记证书、检验证书和捕捞许可证（简称三证）进行统一发放与管理的需求，开发出渔船“三证”管理系统，并在东海渔政局针对600马力以上渔船进行示范应用。对于生产作业中的渔船，开发了基于GPS和电子地图的渔船动态监控系统，具有渔船动态跟踪、轨迹回放、违规报警、安全报警等功能，已应用于远洋鱿钓示范信息船。根据中日渔业共同管理协定，对双方作业渔船进入有关海域（如渔业协定区）需进行作业通报的要求，开发了中日、中韩渔业作业通报管理系统已投入东海区20个县市,18家远洋海业单位日常使用。
5.结论
, G! B, q" V8 E海洋地理信息系统和海洋遥感应用模块的集成实现数据、功能和应用的一体化运行，为海洋信息的业务化运行提供技术保障。在中国海岸带及近海卫星遥感综合应用系统平台与海洋遥感应用模块集成实践过程中，提出数据层、功能层和应用层的三层集成机制和集成的总体框架体系，旨在建立国家级的、具有国际前沿的海洋地理信息通用提取平台，与此同时，也为国家“八六三”计划海洋技术监测主题的其他模块的集成提供借鉴。近年来，新兴信息技术的发展和完善，例如网格计算技术，为通用平台与专业应用模块集成指出了新的研究方向。
毫无疑问,地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统。随着科学技术的发展，海洋遥感卫星相继升空,海洋探测技术越来越先进，水下地形测量、重力测量仪器不断更新换代,为海洋地理信息系统的数据获取提供了保障。地理信息理论的日益完善，算法研究的不断深入，全球网络化的逐步实现，测绘工作者、海洋科学工作者的密切配合，都为地理信息系统的普及提高创造条件，最终为决策者提供高质量的服务和科学的建议。
参考文献
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