海洋地理信息系统国内外研究进展
) m% h- C4 s3 p6 h- S* @王红梅朱振海& ~" o( k4 {+ G6 @4 o+ T
(中国科学院遥感应用研究所北京 100101)
% ]$ A9 M& S1 Y: W9 |/ _- P9 F摘要二十一世纪将是“海洋的世纪”，海洋将成为下世纪国际竞争和开发的重点领域。 海洋地理信息系统可大大提高海洋数据的使用率和工作效率，并改善海洋数据的管理方式。海洋地理信息系统在海洋研究领域所起到的重要作用,日益受到人们的重视。本文在分析了海洋地理信息系统的研究背景后，总结了国内外学者在此领域的研究状况，并对其发展前景作了简单的评述。
# K5 T6 r. p) ~关键词海洋领域地理信息系统海洋地理信息系统
. z& l4 z9 _+ s6 S, J1引言
) b4 x4 {8 }0 ?! M' w2 t# w随着社会的发展、环境的破坏和陆地资源的消耗，人类将目光转向了海洋这个自然资源宝库。二十一世纪将是“海洋的世纪”，海洋将成为下世纪国际竞争和开发的重点领域。掌握海洋的活动规律，调查海洋资源及促进海洋合理开发利用，已成为当前高科技发展的迫切任务。
$ Y: s0 k6 b' q9 [- m0 ^尽管人们对海洋领域有着浓厚的兴趣，但是只有一些互相独立的单位分别进行研究，收集数据的格式只有他们自己能使用。这种研究方式工作效率非常低，造成数据的使用率也很低，从而导致各种信息资源的浪费。海洋地理信息系统( Marine Geographic Information System, 以下简称MGIS )可以为各种来源的数据提供协调坐标、存储和集成信息等工具。MGIS的使用可大大提高海洋数据的使用率和工作效率，并改善海洋数据的管理方式。海洋地理信息系统在海洋研究领域起到越来越重要的作用，因而日益受到人们的重视。
6 ?* ]2 [# E* ^" [1 S8 A2 海洋地理信息系统研究背景
: k- q/ E' u: [0 j7 J( }4 E地理信息系统(Geographic Information System，以下简称GIS)给人们提供了便捷的数据管理工具和友好的人机交互环境，经过三十多年的发展与完善，已广泛应用在众多领域中，发挥着重要的作用。例如，政府机构利用GIS来进行城市规划、农业产量评估、土地利用分析、公共交通管理和环境规划治理等；资源管理部门利用GIS进行国土资源管理、野生动植物管理规划、森林资源管理以及能源及矿产资源的管理等等。GIS对这些领域的运作机制和研究方法有着深刻的影响。“数字地球”(the Digital Earth)经过美国副总统Al. Gore于1998年1月31日提出后，更是将GIS的开发和应用在全球掀起了又一个高潮。GIS的应用领域也得到了扩展，如可扩展到虚拟外交、虚拟旅游、数字农业、数字城市等领域。
6 U' i! B, N& }' {尽管GIS已在一些基于陆地的各个领域得到广泛应用，很少应用在占地球面积70%的海洋领域中。原因是多方面的，主要和海洋环境的海量数据、对三维数据数据处理的要求以及海洋数据获取的困难有关(Dr. Rongxing Li et al., 1993)。海洋环境的数据来源很多，例如海洋环境的基本数据、各个海洋专业的数据信息及数字模型分析的结果等等，数据量很大。海洋数据的获取费时费力又费钱，造成海洋数据具有较低的分辨率、不同的采样密度及数据标准。尽管每年有许多海域用很高分辨率的系统进行调查，但其覆盖速度相对整个海洋来说仍是相当慢的。因此，我们还必须使用历史上积累的不同分辨率的数据。历史上积累的数据多是不同海域由不同的采样仪器进行调查的，因而不同海域数据的数据标准、数据采样密度、数据精度和分辨率等都不尽相同。这样的数据给应用分析带来很大困难。例如，某一海域的一部分数据采样密度很高，可以产生均匀的数据体，便于各种处理分析，而海域的另一部分数据采样密度又相当稀疏，以致画不出可信的等值线，给数据分析带来很大困难。当然，对于低分辨率的数据，我们也可以利用相关的高分辨率的数据进行误差分析，提高其使用的精度和效率。另外，在高质量数据的使用中，我们也可以从一种数据推算另一种数据，高质量数据中的一些空缺也可以得到弥补。( k/ C8 I2 A4 Z$ C+ M# c8 t, ^: `
与此同时，各高新技术也正在蓬勃发展，给海洋领域的研究又带来各种新的数据源。新老数据的时空多维变化问题，不同数据间的坐标协调问题，以及海量数据存储管理问题等等都给海洋领域的研究带来了困难。建立合理的数据体系，数据管理系统和综合分析工具等将会提高海洋数据的利用率，并改善海洋领域研究的环境和条件，最终提高海洋工作者的工作效率。海洋工作者们越来越认识到这方面的必要性。
8 v& b* c/ K3 ^" q& W3 MGIS的研究概况3 s2 B0 x' T O; T# E1 l9 o
随着遥感技术等现代高新技术在海洋领域的应用，人们越来越认识到建立合理的海洋数据体系、管理体系及综合分析的必要性和重要性。另一方面，GIS技术也正在蓬勃发展，为很多领域带来了友好的工作平台。面对海洋领域越来越多的信息和GIS提供的便利的工具，八十年代末以来，国内外许多学者开始考虑MGIS的概念并陆续着手建立相关的地理信息系统，并取得了一些可喜的成果，引起了海洋领域研究者的瞩目。
5 ]/ K7 u' U6 R0 o8 X" `2 m3.1 MGIS的概念6 A1 v$ N: K/ Y( d, X
最初的一些研究者只是简单的把GIS直接应用海洋环境的管理上，如Hill J.M.研究了GIS 在海岸带管理上的初步应用(Hill J.M.,1985)；Maher R.V.探讨了GIS 在海岸环境中的应用(Maher R.V., 1987)。随着GIS在海洋领域的初步应用，人们开始考虑海洋地理信息系统的概念和内涵。( g/ G( _. B/ {9 V1 d8 ?
随着MGIS技术的不断发展，MGIS概念本身也在发展变化。随着遥感技术的迅猛发展，遥感数据和数字模型在海洋研究中拥有越来越重要的位置。Manfred Ehelers指出：一个MGIS可以为遥感数据、GIS和数字模型信息提供协调坐标、存储和集成信息的系统结构( Manfred Ehelers et al., 1990)(见图1)。另外，它也可以提供工具来分析数据、可视化变量之间的关系和模型。
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图1：MGIS概念
; P4 h9 G- C1 M* |Fig. 1: MGIS Concept9 q7 s) H- ~/ R3 _8 V
由此看来，MGIS是一个集成系统的概念，需要集成GIS、数据库和结合实际应用的数字模型，对空间海洋信息进行输入、查询、分析、表达和管理等，给用户提供一个友好的人机交互环境，大大提高了工作效率。
) |3 q+ o- v6 b/ P( ^3 n3.2 MGIS应用研究概况# p H; T+ V* D! U
随着MGIS概念的提出和技术的不断发展，人们开始探索MGIS在各个海洋研究领域中的应用。$ @# W2 \, @% y, K
1)海岸带管理
n$ P" t/ U3 g* c6 C6 O0 d8 f最初的一些研究者只是简单的把GIS直接应用海洋数据的管理上，如前文提到的的一些研究。随着MGIS技术的发展和研究的深入，其在海岸带管理方面应用也越来越广泛和深入,尤其是在专属经济区(Exclusive Economic Zone)的管理上。
! m* Q; W3 @; a6 I" I2 J3 }7 \2 s( b美国的夏威夷大学的太平洋制图中心为开发、管理和发展美国太平洋岛屿的专属经济区而设计和开发了一个集成的海洋信息系统( Rongxing Li et al., 1993)。该系统着重开发了空间海洋数据的处理、GIS 和制图系统的集成、三维数据结构、海洋数据的模拟和动态显示等功能。这里搜集的海洋数据主要有海洋测深数据、重力数据和磁力数据等，数据量很大。该海洋信息系统是以ARC/INFO V7.0为软件平台进
2 l% ^ ^2 M- q+ h+ Q2 C 行开发的，所设计的菜单界面系统可被任何不熟悉ARC/INFO系统的人容易地操作(Atanu Basu, 1995), 下图2是由它的一个主菜单界面所显示的图形和数据：! @* q9 a- O* L9 W
图2. 使用Marine Information System around Oahu系统显示的图形和数据/ K! \$ M: f* r7 q* S* q. z
Fig. 2. Map and data display using Marine Information System around Oahu1 o6 \4 i: e! n( @' q2 }3 {$ J, R
, R* G9 S! k$ V- r* }* T( L美国三角洲数据系统公司(Delta Data System Inc.)和海王星科技公司(Neptune Sciences Inc. )也进行了MGIS的设计和建立(Ferron Resinger et al., 1996)。该系统在GIS 的基础上，集成了数据库(包括遥感数据)和各种数字模型，用以支持岸上后勤管理(Logistics Over the Shore, 简称LOTS)的合理规划、可运行的监测和分析任务。目前，第一阶段已初步完成，包括数据库的建立、GIS与数据模型的集成。第二阶段准备根据其需要建一些具体应用模块，并完善整个系统。
0 a* L( M" K( c) h" S9 r2)海洋环境监测评价2 o! h& i7 l7 V* B9 ^
随着MGIS技术的进一步发展，其在海洋环境的污染监测和保护等方面的应用也越来越广泛。 g6 L- T `4 X9 B. ` D5 w
美国环境保护组织(EPA)派遣一个调查队(D.A. Carey et al., 1992)，对Massachusetts海湾内采矿现场的放射性和危险废料进行调查。其研究就是建立在一个区域性的相关海洋地理信息系统数据库基础上，对相关信息进行处理，从而得出相应的规划和管理决策。该数据库的数据主要来源于其在马萨诸塞海湾(Massachusetts Bay)进行的一次侧视声纳调查。据该调查结果充分肯定了其海洋数据库的作用。8 q3 B/ ]( ~2 Z/ ~' X
国内，也有研究者应用GIS技术对海洋环境质量进行了评价。如国家海洋局海洋环境保护研究所的赵玲等人(1998, 赵玲等)在大连海域内采用GIS技术，通过开发和利用海域资源综合信息，解决了资源与环境的合理利用与保护方面的问题，对海域环境质量进行了评价。在该项研究中，是利用ArcView软件平台提供的Script语言实现了模型的连接和评价结果与地理空间数据的综合。
% I+ u. u+ X) Q' h3)海洋渔业% h: {9 _1 A- i0 K) ^7 ?. ~& N; ~+ f
国内外许多政府部门和科研机构都对MGIS在海洋渔业领域的应用进行了研究和实践。
" Q" R! n/ e, t; N# c! o3 \% j3 y 西班牙圣第亚哥大学(University of Santiago) (J.A. Trinanes et al.，1994)的系统实验室利用专家知识建立有效的数据库结构和专家系统，已初步完成了一个实用的渔业信息系统(TUNAFIS, 见图3)。该系统已被一个政府支持的项目所证实，系统预测结果与实际调查结果基本一致。该系统主要借助卫星通过交通船提供信息服务，用以获取鱼群活动信息和环境变化信息，开发和改善渔业策略，提高最终渔业的产量。通过实验证明，该系统能够较好地完成其预定的目标。 C3 ?8 q5 N# L* C$ g" y# S7 \
& S! Q0 d0 P0 ^图3 TUNAFIS 渔业信息系统结构
; ]/ Y+ r/ B# X: S( J' zFig.3 Structure of TUNAFIS+ i0 X; G! u9 R
另外，美国的弗罗里达海洋渔业委员会(The Florida Marine Fisheries Commission)和弗罗里达自然资源部(the Florida Department of Natural Resources)也一起联合开发GIS在渔业上的应用( Haddad, Kenneth. D. et al., 1993)，使得该技术得以应用在弗罗里达的渔业管理上，得到了较好的效果。4 W) R9 h9 s; D- ]; r' _
目前，国内已经有一些研究单位在进行尝试性工作。例如，中科院地理所等单位(周成虎等, 1998)近年来在海洋863计划818专题中，通过集成遥感、数据库管理系统、专题分析模型和专家系统，来为海洋渔业开发GIS平台。该渔业GIS由几个子系统组成，主要应用在中国东海海域。
4 v' J9 y+ q! `4)海洋油气6 y) I% ], }, G$ }
海洋油气的开发和勘探涉及到很多学科领域的知识，要进行海洋油气的勘探须管理和分析大量的、各种各样的数据，这就需要有合适的管理和分析工具。国内，这方面的工作主要有中科院遥感应用研究所在进行。在“渤海海洋油气遥感探测机理研究”院重点项目(1996-2000年)中，以遥感数据信息为基础，建立海洋数据库(其中包括地质、油气、遥感、地球物理、地球化学、海洋环境和气候等数据)，结合研究目标开发应用模型(海洋油气评价模型)，加强信息综合分析功能，实现其成果的可视化显示，提高海洋数据的应用潜能，取得了较好的成果。目前，该项研究正在提高和完善之中。目前，在海洋863计划820专题中，中科院遥感所的这些研究人员正把该项研究应用在南海海域。# t$ Y9 T" o/ ?; m1 N
5) 其他8 l0 p/ R7 [9 I, I! U
除了以上介绍的研究应用领域外，MGIS技术还和许多具体海洋学科结合，提高这些学科数据的使用率和使用效率。例如，GIS技术在海洋地球物理学科中的应用(1994, C. Drutman et al.)。另外，也有一些综合的MGIS, 为海洋研究者们服务。美国蒙特利海湾水族馆研究所(1997, Yafang Su)以ArcView软件为开发平台，建立了蒙特利海湾海洋地理信息系统(Monterey Bay Marine GIS, 简称MBMGIS) (见图4)，主要由蒙特利海湾GIS数据库及相关应用模块组成，其搜集了几乎所有的有关该海域的各种海洋数据(包括以前的低分辨率、低采集密度的数据和最近的相对较高分辨率和相对较高采集密度的数据)。通过利用最近的高质量数据进行误差分析，而使以前由于缺乏使用而搁置起来的老数据得以利用，大大提高了以往老旧数据的使用率，充分利用了现有信息资源。MBMGIS帮助科学家们充分利用其数据库中的各种数据，进行各种各样的科研活动，例如，设计新的出海考察路线，给采样现场布标以及进行不同的精度分析和分析结果的可视化等等。该系统的另一个优点就是设计的非常便于非地理信息系统专业的海洋科学' W: M/ M4 v" w/ Y) ?4 m
家研究使用。/ w; O' g N' |3 \" }
总而言之，目前各海洋国家都在积极开展MGIS 的应用研究，并取得了可喜的研究成果，尤其是MGIS在某些海洋领域已达到实用化。国内在某些领域也作了一些初步工作，有待进一步开展和深化。MGIS大大提高了海洋数据的使用率和人们的工作效率，日益受到海洋工作者的重视。' J$ J$ z' |$ K8 r% U$ \
1 y' n( f' N* u/ M+ x图4蒙特利海湾海洋地理信息系统
7 v+ \% S8 A' E% v _* pFig.4 Monterey Bay Marine GIS
; j$ i& O9 i/ v8 h: `' ^" p4 MGIS研究展望4 V' q5 V5 A: g( _
GIS 在陆上范围内已得到了广泛的应用，信息高速公路和数字地球的提出和发展将GIS的应用提升到新的高度。然而，GIS在海洋环境中的应用较少。原因是多方面的，主要在于海洋环境的数据源较为复杂。随着各高新技术的蓬勃发展，又给海洋领域的研究带来各种新的数据源。这些时间不同、记录格式不同及收集标准不同的数据难于综合利用。集成海洋数据、遥感数据和数字模型的海洋地理信息系统，无疑大大提高了海洋领域的工作效率。6 }4 j9 M- n) [0 g! V! ?) }
从海洋地理信息系统在各个海洋领域的应用可看出，MGIS在处理海洋数据上的强有力的能力。因为MGIS在海洋领域的应用都与该领域具体学科有关，所以，在实际应用中，MGIS应该是集成系统，其中应该包括该海洋领域的应用系统。在此集成系统中，应充分理解数据的不同参照系之间的转换，所涉及的各个空间海洋系统的集成。在MGIS的进一步发展中应进一步深入开展以下工作：6 ]5 s' G x& y4 ], T7 r7 m" ?
1) 研究更有效的方法来获取和存储空间海洋数据。
' d' y8 }8 I& ]2) 开发更多的海洋领域工作的空间分析的处理功能。
- g2 ]8 [; B& Z% o+ z, _3 k3) 提高MGIS的网络功能、多维分析及动画的能力。6 { W- a/ `; ]% ~& W
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& t8 B9 j8 @; pWang, Hongmei Zhu, Zhenhai
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- J: c9 c9 ]# C6 x2 Y1 sAbstract/ B1 t4 j& I/ k( @1 a
The ocean will be very important in the 21th Century and will become one focal field which human will contest for and develop in next century. Management of marine data and people’s work efficiency can be greatly improved by using Marine Geographic Information Systems (MGIS). The attention has been increasingly paid to the importance of studying MGIS. In this paper, authors analyze MGIS’ study background, then, review existing studies about MGIS and discusses its application perspective.
( g: ]* S% K. t* i" B0 [Key words Marine field, Geographic Information Systems, Marine Geographic Information Systems |
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