现代海洋测绘现代海洋测绘赵赵 建建 虎虎第十五章第十五章 海洋地理信息系统海洋地理信息系统Marine Geographical Information System(MGIS) 赵建虎赵建虎本本章章内内容容|MGIS研究的主要内容|时空过程|海洋GIS框架|海洋现象特征及其栅格化|海洋时空数据模型|海洋GIS分析方法|海洋GIS集成环境与模式集成|思考题 地理信息系统(Geographical Information System)是空间信息处理、分析、管理和显示的一种强有力的手段。近年来, 由于全球环境变化研究及海洋资源与环境管理的需求, 海量的海洋数据综合分析和管理促使海洋地理信息系统MGIS (Marine GIS) 学科领域的兴起。 MGIS的研究对象包括海底、水体、海表面及大气及沿海人类活动5个层面,其数据标准、格式、精度、采样密度、分辨率及定位精度均有别于陆地。在发展MGIS过程中, 对计算机应用软件的特殊需求为：l能适应建立有效的数字化海洋空间数据库；l使众多海洋资料能方便地转化为数字化海图；l在海洋环境分析中可视化程度较高, 除2-D、3-D 功能 以外, 能通过4-D系统分析环境的时空变化和分布规律；l能扩展海洋渔业应用系统和生物学与生态系统模拟；l能增强对水下和海底的探测能力；l能改进对海洋环境综合分析的效果；l能作为海洋产业建设和其它海事活动辅助决策的工具。 一般GIS处理分析的对象大都是空间状态或有限时刻的空间状态的比较，MGIS则主要强调对时空过程的分析和处理。 MGIS研究的主要内容聚集在海洋数据获取、结构、共享及分析理论与技术方面。 数据获取、结构及共享 （1）时空数据的获取 目前利用自动数据收集器水下自治机器人（AUV)进行数据的获取发展极为迅速。其他海台基自动技术的发展同样迅速，如声呐设备，浮标，海底探测系统等。航空和航天遥感也越来越多介入到数据获取中。这些先进手段结合传统数据采集手段，已形成了海洋观测的立体态势，对海洋数据获取，无论从数量、质量、分辨率、精度来说都是革命性变化。 151 MGIS研究的主要内容研究的主要内容尽管如此，数据在时空维上仍是离散的，目前尚未有一种时空一体大范围同步观测的方法。 （2）时空数据的存储 如果用任务要素来划分GIS工作，可以分成7个要素，即时间、水平面、垂直面、对象、过程、对象动态和过程动态。海洋GIS还必须考虑一些要素，比如混沌性质的风、河流冲淡水、潮汐异常等。这对海洋时空数据的存储提出了难题。 （3）时空数据的表达 时空表达是相对于空间静态表达而言，属于过程研究的范畴。通常海洋GIS将时间假设为静态，以表达现象在二维或三维空间上的特征与属性。时空表达的解决途径主要有两方面：一是沿用陆上GIS典型的时空模型；二是从海洋的实际情况出发，针对其研究对象的特征，运用新的信息技术和理论，构造新的数据模型。 （4）标准与共享 数据标准是研究与应用的重要问题，对于海洋GIS来说，清晰明确的标准对数据定义、质量控制和数据交换更显重要。建立和应用一个合理的数据标准是问题的关键，需兼顾灵活性与统一性。目前国际上在海洋领域至少同时存在30种数据标准或格式。 分析理论与技术 （1）模糊性与不确定边界 海岸线因自然力量而处于变化中，其自然过程在大空间尺度上一般较少发生变化，但其界线的划定一般比较模糊。海洋环境中各种水体边界往往是渐变的，与此相应的要素分布也是一个渐变的过程。解决此类问题目前采用的方法是在GIS中使用模糊数学方法对现实对象进行表达和操作。 （2）时空动态的尺度 不同的海洋现象、模式、关系存在于不同的时空尺度中，因此无论是静态的或动态的显示，需要将数据在不同尺度下进行可视化。一般的做法是按照需要从数据库中提取出某一尺度的数据，然后按不同的算法，将数据转化为另一尺度的数据，再将它显示出来。这里的关键在于如何确定合适的尺度，以及如何科学地实现尺度的转换。（3）可视分析与三维分析 海洋要素值的分布是渐进的，如何将渐进的值可视化是非常关键的。当前的GIS是以二维或二点五维的表面模型为基础(Raper 1999)的，而海洋领域需要同等地考虑三维，不仅要实现三维数据的可视化，还要实现其三维数据的空间分析。 （4）动态显示与动态分析 相对于陆地而言，海洋更加强调的是其过程。这就需要海洋GIS继承原有的分析方法，并在技术上使用户更易于使用，比如绘制过程曲线，需要在不同时空尺度进行转换或推移等。 （5）时空要素相互关系 研究要素间的相互关系时最常用的数理方法是相关分析和回归分析，或者空间相关与自相关方法。相关分析用于研究两个或数个变量共同变化的程度，回归分析则通过建立变量间函数关系，达到根据一个或一些变量的取值来估计或预测另一变量的目的。空间相关与自相关方法的原理源于相关分析方法。 （6）计算模型和实验流程 GIS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。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计算工具，使在模型之间和与GIS间提取数据，输入结果更为简便。 海洋水体是时空动态的三维空间，其中的组成成分及其相互关系也处于动态中。鉴于这种研究对象的时空复杂性，需要从以下两方面开展研究工作：一是需要改造旧的或设计新的底层GIS分析模型，同时积极吸收和融合各学科的最新理论和技术，针对海洋时空特征不断界定技术标准，发展技术方法；二是需要改造旧的或设计新的海洋数学模型，使其更易于集成在GIS平台上运行。 152 时空过程时空过程 海洋世界永远处于不断变化中，需要处理的是海洋动态现象，要完整地表达和分析海洋动态现象的特征与变化规律，必须使GIS具备对海洋现象过程的管理、处理和分析能力。亦即海洋GIS需要将“过程”纳入其研究范围。 MGIS中过程是对现实海洋的模拟、记录或抽象，与现实过程一样是一个尺度概念。MGIS中的时间表现有多种模式，将过程作为一个有序空间状态列来记录；也可用改变空间状态的一个时空事件有序列来记录；可以记录过程进化模式，周期模式等；模式可以是统计的也可以是机理的。最恰当的方式是依科学应用目的而确定其过程的存储、表达与处理的方式。 海洋时空是海洋物质、能量、信息的数量及过程在海洋范畴中的广延性存在形式。MGIS所表现的时空是一种数字虚拟时空，即利用GIS理论与技术方法，在数字世界中对海洋现实时空进行符合人们思维时空理念的一种抽象。 海洋时空主要用于表达：海洋中各现象在时空中宏观分异规律与微观变化特征；海洋中各现象在时空中的分布形态、分布方式和分布格局；海洋各现象在时空中互相作用、互相影响的特点；海洋过程在时空中所表现的基本关系以及此种关系随时空拓扑关系变化的状况；海洋现象的时空效应特征；海洋现象的时空充填原理及规则；海洋现象的时空行为表现；海洋时空对于物质、能量和信息的再分配问题；海洋现象的时空耦合；海洋时空优化及区位选择等。 MGIS中的海洋过程是一个逻辑缩小的、高度信息化的对象，MGIS中强调海洋中各种要素场及其特征随时间的变化特征。过程的组织与处理的目的在于：认识有限时段内的变化规律。对于未来可能发生的行为进行模拟和预测。 研究过程与过程间、过程与事件间、过程与状态间的耦合关系，从而把规律统一于时间与空间的共同基础之中。 组成过程的各个事物，在数量上的比例、空间中的格局以及时间上的联系方式，表示过程内部各事物间的关系。通常反映在以下几个主要方面：物质的时空组成。能量的时空组成。 时空表现。 MGIS所要处理的对象是海洋时空过程，是空间数据在时间上的乘积，其数据量是海量的。由此MGIS的结构应符合三层体系结构（如图）MGIS结构 MGIS既要提供实现海洋过程逻辑思维的技术手段，也要提供实现海洋过程形象思维的技术表现。为实现这两种技术方法，需要解决对时空过程数据模型的构建，实现对时空过程的有效的管理。MGIS的时空功能主要体现在如下几个方面： MGIS完成对过程数据的管理，这些数据不再是相互割裂的，而是把海洋客观世界抽象为模型化的过程数据，用户可以按应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内容，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策。 时空过程管理 时空过程可视化 MGIS可视化将抽象的数据信息转化为静态或动态的图形图像，以便研究者能够观察其模拟和计算的过程和结果。可视化包括图像的理解和综合，用来解释图像数据和根据复杂的多维数据生成图像。 时空过程导航 时空过程导航包括时空插值、时空聚合、时空导航、过程特征化、时空过程对象化、时空过程逻辑思维以及时空符号化。l时空插值 一般用来对时空上分布不均匀的数据进行插值，或是将时空大粒度的数据进行插值从而获得更小时空粒度的数据。l时空聚合 MGIS能够完成对全局、局部和细部的查看。该功能深入到我们更感兴趣的时空中去研究。 l时空导航 完成过程的时空尺度交换，利用时空导航，可以直观了解时空过程的生消演变和相互间关系，可以了解蕴涵在过程数据间的知识，支持研究者完成“视觉一心象一形象思维创新”的认知过程。 l过程特征化 不是一种简单的图形化或数值统计，而是所获数据全体的浓缩，是这些数据所反映的过程的本质。时空过程的特征化为过程的处理分析和可视化提供了便利。时空过程特征化的过程也是完成时空过程逻辑思维的过程。l时空过程对象化 其内涵是由计算机程序和时空数据组织而成的时空过程信息模型。l时空过程逻辑思维 MGIS为用户提供时空过程思维的工具，使人脑的思维过程用计算机的逻辑计算与推理进行实现和验证。l时空符号化 符号化完成对海洋温、盐、密、浪、潮、流、声、光、电自然或人为分析结果的前端符号表达。 海洋GIS的最终目的是为海洋工作者提供可选择的、适当的方式，以分析处理海量数据，提取有价值信息，并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，揭示并再认识海洋现象的各种规律。 海洋GIS被定位为对海洋测量数据、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。则海洋GIS的功能需满足如下要求：l统一框架。将各种海洋现场测量数据(表格和文本)、遥感数据(栅格)和矢量数据融合为统一标准的数据集。153 海洋海洋GIS框架框架l场生成。评估数据质量，对缺失数据进行插补，从而为下一步分析准备数据。 l场运算。包括空间域运算，频率域运算和专业运算 。l多维分析。发展多维分析方法，或对之降维处理。l输出：对原始数据和分析结果用有效的方式表现出来，以利于人眼的判读与分辨。 根据上述要求，则海洋GIS整体框架应该包括数据输入与抽取、数据操作与分析、海洋特征提取、结果输出。如图：MGIS基础平台功能构成 数据输入、抽取和操作。数据输入，包括海洋测量数据(表格和文本)、遥感数据(栅格)和矢量数据。输入方式包括键盘录入、文件导人、数据库连接和模式集成。 模式集成。针对海洋GIS，其模型集成暂且考虑： 将传统的数值模型与GIS进行松散的集成。利用GIS生成模型昕需网格及初始场。将一系列模型利用GIS联系为一个科学逻辑过程。动力系统边界问题处理，即海洋GIS提供栅格系统处理边界的算法或方式。插值功能。海洋GIS的插值选择包括：成熟算法，包括距离反比法、趋势面法、克里格插值；适合海洋的插值方法，如利用时间序列和空间分布进行时空插值。线型插值 探索性数据分析 海洋GIS提供的数据分析功能包括： 质量控制和插值 特定区域数据统计和过程曲线绘制。 对多区域或多点位，选定要素项(单项或多项)进行动态显示。场分析 海洋GIS是以栅格数据或可转换为栅格的数据为处理对象的工具或容器，为此栅格处理和分析算法是丰富和灵活的，从简单到复杂包括基本算子、栅格运算、分类处理、梯度运算和空间分析等。海洋平面场几何特征分析 这里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其特征。 三维场分析 三维场分析首先是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。三维坐标上显示经纬度与深度。时空场分析 时空场分析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，并将其显示在时空中对时间序列数据以动态变化显示，分析其时空动态的量化描述。显示 显示的目的在于更加有利于人眼的判读与分辨，故需要对显示的颜色和符号上做一些处理，以适应人的生理和心理习惯另一方面要提供选择的工具。 海洋现象可用定性语言或数值模型来描述，也常用图形图像或动画来描述，GIS则属于最后一种。对于海洋现象，海洋地理信息系统要完成其特征化及对象化工作。特征化正是将海洋现象抽象成GIS的点、线、面、体等几何图形或图像来表达。 特征化涵盖的范围较广，这里仅讨论与几何图形相关的特征提取。从现象中提取特征，可利用相关的特征提取技术来客观地获取海洋现象的几何形态特征。 154 海洋现象特征及其栅格化海洋现象特征及其栅格化海洋几何形态特征及其时空尺度 海洋信息在空间上的分布和在时间上的延展都具有一定的尺度。同时，海洋信息所包含的空间数据和非空间属性数据都依赖于一定的时空尺度，在不同的尺度下描述信息所表达的信息密度不同。 尺度按其组成可以分为空间尺度、时间尺度和语义尺度。空间尺度 空间数据以其表达的空间范围大小和地理系统中各部分规模的大小分为不同的层次，即不同的尺度。时间尺度 指数据表示的时间周期及数据形成周期有不同的长短。时间尺度与空间尺度有一定的联系，较大空间尺度对应于较长的时间周期，较小的空间尺度对应于较短的时间周期。 语义尺度 是描述海洋形态语义变化的强弱幅度以及属性内容的层次性的概念。语义尺度在一定意义上同时空尺度存在密切的联系。较大的时空尺度下所具有的语义尺度具有较高的抽象概括能力，而较低的语义尺度往往和较小的时空尺度相联系。 从遥感要素场中，利用空间信息的多尺度表达特征来进行海洋信息的特征边缘提取，关键是海面形态在遥感影像中的多尺度表达。 遥感影像的多尺度表达主要依赖于遥感影像的空间分辨率。下面介绍空间分辨率的一些特征。 空间分辨率 空间分辨率与空间尺度存在着对应关系，大的空间尺度海洋现象对应着大的空间分辨率，对海洋形态特征的综合与抽象的能力更强；反之，在研究小尺度现象时往往采用小的空间分辨率，能够更为详细地描述信息的细节信息。 空间分辨率与有效尺度也存在着一定的关系。同一空间分辨率下的遥感影像所覆盖研究区域内的海洋现象的空间尺度是不同的，这就需进行有效尺度或者最佳尺度的选择。 空间分辨率、有效尺度和海洋现象空间尺度之间的关系 几何形态尺寸大于或等于空间分辨率的海洋现象并不一定都能够在影像上得到很好表示。 海洋现象栅格多尺度描述 海洋现象的多尺度特征使目标的尺度确定和最优提取方法变得复杂，这就迫切需要对海洋现象进行多尺度表达。 （1）多尺度描述 就一个特征尺度提取算子来说，其所能提取的形态特征主要依赖于海洋现象的尺度和探测算子尺寸(分辨率)大小之间的关系。信息的多尺度分析和提取的一个强有力的方法是对原始的影像数据进行多尺度分解，形成多尺度图像结构。由海洋现象到遥感信息及遥感信息在传输过程中的空间尺度变化关系如图： 从图中可以得知海面信息依赖于时空尺度，遥感信息依赖于空间分辨率，而海面信息与遥感信息之间存在一定量关系，通过有效尺度的选择形成影像分析，并最终提取用户所需信息。几乎所有的时空过程都依赖于尺度，如在某一空间尺度下表现为同一性质的目标在另一尺度下则呈现不同性质。 影像信息在空间尺度间的分布情况，与海洋现象尺度和遥感影像的空间分辨率密切相关。可以利用逐渐降低影响空间分辨率的方法分析各个分辨率下的影像信息的分布关系，并利用信息之间的分布关系来进行多尺度特征提取。 （2）多尺度特征与特征信息提取多尺度分析与提取的关键涉及以下五个问题：信息的多尺度表达 该问题涉及选择什么样的多尺度表达模型描述多尺度信息，实现用最小的存储空间表达最丰富的有用信息。一般利用图像金字塔结构来存储和表达信息 ，只有这样，才能实现信息由底层向上层的抽象概括和由上层信息向下层信息的分解。特征尺度范围的确定 由于海洋现象尺度是不尽相同的，经过系列传输过程，其在遥感要素场形成的信息尺度也是不同的，对应的特征信息尺度也是不同的。因此，要根据实际情况，确定合适的尺度范围。 多尺度特征提取中最佳滤波尺度的选择 分别用不同尺度的滤波器检测边缘，获得不同的特征图像，再根据特征在尺度空间具有的内在因果性，采用不同的方式组合它们，从中确定较合适的特征。特征信息在各个尺度上的分布确定 特征信息在各个尺度上的分布机制是设计从各个尺度上的特征信息提取最佳特征信息的基础，只有理解了特征信息在各个尺度上的分布情况，才能更好地提取特征信息。最终特征信息的提取 在各个特征影像中，设计相对应的尺度滤波算子进行特征提取，然后对提取的各个尺度特征信息进行图像融台，形成特征信息。 多尺度特征信息提取过程，包含两个重要步骤：其一，多尺度滤波算子的设计。其主要思想是把不同类型，不同尺度的高斯滤波算子的偏导数组成一系列算子，作为多尺度滤波算子。 其二，特征信息的融合形成最终的特征信息。特征的融合可以对序列尺度特征图像直接相加的方法，或者根据各尺度间特征信息量的不同采用加权相加的方法。 海洋数据包括传统的断面、船舶、站点等海洋观测数据，也包括ADCP、航天遥感器、多波束等先进设备所获取的数据。 如按照学科划分，可以将海洋数据类型分为海洋物理、化学、地质、生物、渔业、气象等诸多领域；如果按照海洋数据的时空形态来划分，则可以划分为海洋场数据和海洋点数据；在物理海洋学中为了研究的方便，一般将海洋数据类型分为海洋要素数据和海洋现象数据；按照数据源可以分为遥感数据、站点数据、海上测量数据、基础地图数据以及数值产品。 155 海洋时空数据模型海洋时空数据模型 海洋数据获取不同于陆地数据的获取，其最大的特点是在运动的平台上获取的，因而海洋数据的最显著的特点是具有动态性。 时空数据模型 海洋数据具有时空多维性，为了很好的反映海洋现象，就需要建立适合其特点的数学模型。目前的时空数据模型可归纳为如下6类：时空立方体模型 也称为三维立方体，是用一个立方体表示二维空间和一维时间的一种时空数据模型。时空快照序列模型 该模型是由一系列不同时间内的空间数据层所组成，用一个时刻的空间数据层记录地理现象的状态，通过一系列不同时间内空间数据层的集合便可以反映地理现象的时空演化过程。 基态修正模型 该模型是在时间序列变化的基础上，记录基本状态和地理现象的空间变化。它同快照模型相比较，节省大量存储空间，减少了数据冗余量。 时空复合模型 该模型为时空一体化模型，是对不同时间段的地理现象叠加的结果，其实质上是对基于状态修正模型的发展。它将时空组合成为一个具体的时空集，把三维的时空体变为一个二维的空间，通过非空间属性来说明时间序列产生的时空组合。 时空三域模型 三域是指空域、时域和专题域。时空三域集成后比简单的时空模型更能反映地理现象的时空体。在这种数据模型中，时间位置成为用于记录变化的组织基础。 基于特征的时空模型 该模型是一种面向对象的技术，对空间对象以类和实例对象两个层次来表达，近年该模型已成为研究热点之一。综上可以发现，这些模型在表达海洋数据的时候都会出现一些问题，追其原因是这些模型均源于陆地应用中发展起来的模型，而海洋数据又有其独有的特点，从而导致这些模型在应用中出现了问题。 海洋时空数据模型 基于特征的时空过程数据模型 基于特征的海洋数据包括两大部分，一是海洋实测数据，包括离散点观测数据和连续扫描数据；二是从海洋现象等数据中提取出来的点、线、面、体的过程特征数据。 l点数据可分为点观测数据和点过程数据。点观测数据主要是指那些可离散成点的观测，点过程数据主要是指海洋现象中提取出来的一些特征点数据，如涡漩的中心点。l线数据同样分为线观测数据和线过程数据 。线观测数据是指那些由点观测数据聚合而成的数据，例如一条水深的测线数据。线过程数据可以根据线上各点属性值是否相同再进一步分为两类。l面状数据比较复杂，可看作是由一系列的观测点数据聚合而成，也可以看作是面状的过程数据。l体数据即立体观测数据，是由点观测、线观测和面观测构成的一个整体。另外也可以把体状数据看成是体状的过程数据。 基于场的时空格网模型 基于场的时空格网模型是一种多级格网数据模型。在该模型中，需要对海洋数据或海洋现象数据进行三方面的剖分：在空间上采用栅格进行离散化、在时间上进行离散分段和在属性上要进行分层。 海洋中的场数据可以分为两大类，一种类型是标量场数据，另外一种类型是矢量场数据；前者只有大小，没有方向，如温度、盐度；而后者既有大小，也有方向。 不管是全球范围，还是近海区域，都可以使用这种基于场的时空格网模型来进行描述。在这种模型中，首先要对空间进行离散栅格化，具体栅格的大小要根据研究对象本身的特征以及要求来确定。 在此，仅以全球的格网化方案为例，对离散栅格化的方法进行探讨。 格网化的解决方案通常包括两种，一种是等角的格网系统另一种是等面积的格网系统。 等角格网化方案是以全球经纬度作为基本格网来构建全球的格网系统，它实际上是一种地球投影方法。这一投影方法在解决大尺度问题以及中、低纬度问题时就已经能够满足要求，但是研究某些高纬度海域的问题仍然不能满足要求。 等面积格网化方案的重要特点在于不但可以形成具有基本排列规律的矩形格网体系，并且兼顾到以后数据处理和存储能力的结合，它一方面需要考虑到潜在空间海洋数据的应用，另一方面还需要设定常用的最小空间分辨率。主要是针对高纬度地区和对格网的面积、形状要求特别高的使用情况而制定的。 全球格网方案中，每个矩形格网的边长大小约是9.28 公里，即全球9公里格网方案。确定每一行中格网数目的方法如下：首先需要初步估算纬度L所在行中需要的格网数Np： 式中，X是赤道上纬线方向上的距离(9.28 公里)，r为纬度L处的小圆半径，r的计算公式：Re是地球赤道平面的半径。Np采用四舍五入方法取整。Np确定以后，这一行中的格网的大小也随之确定，对于每一行来说，这个值都有所不同。 在该网格化方案中地球周长被平分为2160个9.28 km的格网，在这种情况下很容易构建新的格网，对于更小的格网可以根据需要采用合适的拆分方式，更大的格网则适合用很多常数进行简单的合并。 海洋GIS分析是对分析空间数据有关技术的统称，根据作用和数据性质的不同，可分为： 基于空间图形数据的分析方法； 基于非空间数据的运算； 空间和非空间数据的联合运算。 空间分析赖以进行的基础是地理空间数据库，其运算手段包括几何的逻辑运算、数理统计分析、代数运算等数学手段，最终的目的是解决人们所涉及到的海洋空间的实际问题，提取和传输海洋空间信息特别是隐含信息，以辅助决策。 156 海洋海洋GIS分析方法分析方法1561 海洋场基本几何量算海洋场基本几何量算 几何量算包括空间距离、面积、几何中心、形状等问题。距离量算 如果度量空间被看成是均质的，则距离最常用的是欧氏距离(n维空间)，即两点间的差值平方和的平方根形式。 在所有的距离定义中，地球球面距离是最为重要的。即地球上大圆弧的长度是球面上两点之间的最短距离 ，这个距离用经纬度表示。 对于任意点A，其经度为L1，纬度为B1，任意点B，其经度为L2，纬度为B2，AB代表两点间所对应的大圆的夹角，R是地球半径，角以弧度为单位，根据球面三角形的余弦定理有： 则两者之间的球面距离d为： 同一条纬线上的两点之间的纬线距离d为： 面积量算 面状对象的面积可以直接通过栅格数据来获得，通过最小栅格面积值的计算，即可获得面状对象的面积。下面以等角格网为例。在等角格网情况下，假设点A，B，C，D构成一个四边形格网，如图A和B在同一条纬线上，C和D在同一条纬线上，A和D在同一条经线上，B和C在同一条经线上。四个点的经纬度坐标分别是A(L1，B1)，B(L2，B1)，C(L2，B2)，D(L1，B2)，则格网的球面面积的公式为 ： 或以弧度表示为：几何中心平均以质量为权，通过加权平均，可以获得几何中心的位置（LG，BG）。 其中，i为离散对象，i为该对象权重，L和B是其坐标。空间方位和空间拓扑 方位计算一般是以正北方向为起算方向，并沿顺时针方向进行的。球面上A点相对于B点的方位角定义为过A、B两点的大圆平面与过B点的子午圈平面间的夹角。若球面存在两点A(L1，B1)，B(L2，B2)，则B相对于点A及A相对于点B的方位角a、分别为： 空间拓扑是不考虑度量和方向的空间物体之间的空间关系。变形问题和形状变换 在建立数据模型时，需将用于数据存储的数据模型和用于数据显示和结果表达的模型分开设计。坐标变换是经常采用的一类三维变换，在大气动力学中也是一种常用的坐标系，在海洋动力学中常作如下变换： 其中，h是水深，是海面起伏。在海面z时，1；在海底处zh，0。 1562 海洋场基本栅格运算海洋场基本栅格运算 栅格运算包括算术运算、布尔运算、关系运算、位运算、集合运算、逻辑运算、)累积运算以及赋值运算。栅格系统函数主要包括局部函数、焦点函数、区域函数和全局函数。局部函数 该函数输出值只取决于输入栅格的同一位置单元值。其主要包括采用的函数、重分类、选择、处理和统计。焦点函数 其实施步骤是首先确定邻域范围和焦点位置，然后设定权重，最后进行统计计算。区域函数 利用输入的区域确定目标栅格中位于该区域中的单元为统计对象，并将统计结果输出在这些区域上。全局函数 用于统计全局单元，然后统计（最大、最小、中数、平均数、方差、和，范围）参数的个数、相同值的单元划定、按给定表重分类、按等面积和按等间距划分。 海洋场栅格运算中，空间结构分析包括空间自相关法、空间变异和多尺度分析三种方法。空间自相关法有两种指数计算模型：Moran I指数计算： Geary c指数计算： 式中，n为样本点总数，i，j为任意两个空间相临的样本点，Di为i点上的值，Dm为平均值，点i与j是四邻域时ij为1，否则为0。空间变异以区域变量理论为基础，研究分布的结构性和随机性。 设D(x，y)为随机场，对于每一个确定的点(x，y)有一D(x，y)与之对应，若设场为D(X)，X代表空间点位(x，y)，则：空间结构分析定义变异函数为 由于D(X)具有自相关的特性，在一定尺度内(x，h)仅依赖于h而与位置X无关，则：对应于栅格数据则有： 其中，(h)表示变异函数，D(Xi)表示在位置Xi处的密度，D(Xi+h)表示与Xi距离为h处的密度，n为所有距离为h的点对数。多尺度分析或多分辨率逼近是研究海洋GIS结构的重要手段，这里只介绍数学形态学和小波分析两种方法。 数学形态学基于集合论，易于实现并行算法，在图像的边缘特征提取方面，比其他空域或频域方法具有明显的优势。 小波分析是将空间域中复杂的卷积运算转换为频率域中简单代数乘积运算，其窗口随着频率增高而变窄，而且适当离散化后能构成正交系，有较好的局部化特征。场相关分析方法 场相关分析方法主要用于研究两个场或多个场的相互关系的一种分析方法。场相关分析方法常采用多元回归分析和在空间制约关系下的相关分析两种方法。 多元分析即计算两个栅格场的相关系数通过如下回归方程式，建立二者之间的关系。其中，D、Ci分别为因变场和自变场，f为从C到D的函数关系。1563 海洋梯度海洋梯度 假设二维平面如图，海洋要素值以Z表示，则计算梯度的方法与计算坡度的方法是类似的。其定义为： cellsize是标准格网的边长，计算坡度在二维空间内的方向算法是：S为坡度，以角度为单位。tan(S)代表梯度，一般是有量纲的物理量。忽略方位角的细小误差， 则1564 插值与拟合插值与拟合 插值与拟合是海洋地理信息系统中广泛应用的一种时空数据处理方法，指通过时空上已知点的值推求与其时空相关位置上数值的方法。 插值与拟合常采用的方法有：最近邻法、算术平均值、时空距离反比插值法、多项式插值、样条插值、时空克里金法和时间插值法。最近邻法 将插值点的变量值与时空中距离它最近的测点的变量值赋予相同的值。优点：不需其它前提条件，方法简单，效率高。缺点：对时空连续变化因素考虑太少。受样本点的影响较大，有时容易产生不光滑过程。算术平均值 以区域内所有测值的平均值来估计插值点的变量值。优点：比较简单，容易实现。缺点：没有顾及其他的时空因素，实际应用中效果不理想。时空距离反比插值法 是加权移动平均方法的一种。加权移动平均方法的计算公式：其中，权重系数由函数d(xj,xi)计算，要求当d0时(d )，一般取倒数或负指数形式。其中d(xj,xi)最常见的形式是距离倒数加权函数，形式如下：式中，xj为时空中未知点，xi为已知数据点。多项式插值 利用一定的函数模型拟合研究区域。多项式的一般数学表达式为： 其中ve为待估点(xe，ye，te)的变量值，ak为第k项的系数,k为依据坐标xe，ye，te的第k项，m为在上式中由拟合次数所决定的多项式的总项数。样条插值 通过每一个用于插值的型值点，寻找一表面，使它满足最优平滑原则。时空克里金法 根据区域性变量理论，假设任何变量的时空变化都可以表示为与恒定均值或趋势有关的结构性成分、与时空变化有关的随机变量、与时空无关的随机噪声项或剩余误差项这三个主要成分的和。 时间插值方法 利用待求空间点在不同时间的已知值来求该点在某一时间的未知值。数据点在变化幅度很小的情况下比较适合进行时间插值。最近时间距离法 最近邻法在时间轴中的投影。优点：不需其他前提条件，方法简单效率高。缺点：对其他因素考虑太少，受样本点的影响较大，有时容易产生不光滑表面。 1565 等值线的生成等值线的生成 等值线的生成和追踪可通过网格和不规则三角网两种途径生成，是先判断、计算和追踪型值点的过程。利用网格生成等值线 等值线生成的原理是根据等值线要素值与两个网格点的要素值的关系，检查等值线是否通过当前网格的四条边。判断当前等值线要素值是否在网格点a和b的要素值之间，如果成立，说明这两个网格点间通过等值线，否则没有等值线通过。 通过这种方法生成的等值线都是由两个点组成的一条单一直线。为此还要进行等值线的追踪，即把属于同一要素值的各线连接起来。利用Delaunay三角网生成等值线 Delaunay三角网的定义是：有公共边的V一多边形称为相邻的V一多边形。连接所有相邻的V一多边形的生长中心所形成的三角网称为Delaunay三角网。 Delaunay三角网两个重要性质，即空外接圆性质、和最大的最小角性质。利用Delaunay三角形各边上通过内插能够产生的等值点，采用前面格网等值线追踪方法，最终可以绘制等值线。 1566 数据融合与配准数据融合与配准数据融合(Data Fusion)被定义为针对应用目标，对多源信息进行多层次、多方面的信息处理，以提高数据或信息的质量。 融合可以消除多源数据间的冗余性，获得比单一数据更加准确可靠的信息；通过多源信息互补性，获得比单一信息更丰富的环境信息；融合可弥补单一数据集在某个时间段或空间域上的缺失，扩展数据的时间和空间的覆盖范围，使数据更趋完整。 具体的融合方法很多，如彩色空间变换法、主成分分析法、高通滤波法、Brovey融合法、统计Bayes方法、神经网络方法、Dempster-Shafer等。数据融合需要解决如下相关问题：数据转换 格网配准 态势数据库 融合推理 数据损失 1567 海洋时空过程可视化海洋时空过程可视化 海洋GIS支持不同维对象的可视化，如零维的点、一维的线、二维的面、三维的体，并由此实现点过程、线过程、面过程、体过程的可视化分析。所谓过程可视化就是将点、线、面、体状对象及其属性表现在时间维上。点过程可视化 所针对的是空间点对象，此方法所表现的是空间点的物理值在时间维上的变化过程。线过程方法 是以线状目标为研究对象的，所表现的是一条线上各点的物理值随着时间的变化而变化的过程。线过程的可视化分两种，一种是空间的线放在空间坐标中，用颜色表示线上各点的要素值。另一种，则将线放在人为直角坐标系中。 面过程方法 以面状目标为研究对象，面状目标可以是水平面，可以是斜面，也可以是竖直的剖面。面过程的显示非常直观，人们可以很容易的通过面过程的显示重现该面上的物理值变化过程，并从中可以发现一些规律。体过程方法 这是一种三维时空过程重现的可视化方法。首先，选定一个空间范围作为研究对象，在其中选取足够多的特征点，用不同的颜色来表示这些点，将这些按时间序列由地理属性数据生成的三维图像(中间缺少的帧可以由插值的方法进行补齐)通过应用程序或者三维动画工具处理后产生动画。另外，这种方法也可以用来反映一个几何体中的统计信息。 1571 集成目标集成目标一般地，海洋模型与G1S集成，要达到一系列的目的。从模型角度，主要目的如下：模型的输入输出界面友好 数据管理方便 实现可视化表达 GIS与模型的集成，为人们分析、比较、挖掘时空数据中的规律提供了重要手段，使人们对不同对象、不同空间、不同时间和不同属性进行比较模拟分析的可能。 157 海洋海洋GIS集成环境与模式集成集成环境与模式集成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GIS的功能和定位中具有重要作用，可形成“动力模型GIS系统”一体化集成软件平台，可对数值模型进行有效地调控；在此基础上，按照模型的研制理论，可以在该软件平台基础上进行二次开发和拼装。 海洋模式集成有松耦合、紧耦合和半耦合三种方法。松耦合采用中间数据文件或公共数据环境的方法。 该方法原理简单，实现起来容易。紧耦合是今后发展的趋势，也是目前的研究难点。半耦合模式介于前两者之间。目前大量的模型系统都属于这一类，如ArcInfo、ERDAS等。 海洋数值模型的集成关键是数值模型的集成环境，要求具有一般的开放性，有利于模型与其他系统的结合研究。 1573 集成的体系结构集成的体系结构 按照模型与GIS之间的关系可以将集成结构分为：对称结构、嵌入结构、动态链接结构、基于构件的集成结构和嵌入式紧密集成等集成结构。 对称结构是一种广泛使用的体系结构，通常用于连接两个彼此独立的软件系统。其特点是利用或建立两个独立系统A和模式B，用数据的输入输出功能T完成数据在两个独立系统之间的交换。对称结构 嵌入式集成系统是以地理信息系统为核心系统，利用地理信息系统的命令语言集编写事件驱动程序，在运行时激活客户系统的操作，从而提供了一个无缝的操作环境。 模块C为主系统功能调用，模块A为客户开发的应用模型，模块T为数据模块。 动态链接结构可以把地理信息系统核心系统与外部服务程序及客户程序通过对象连接与嵌入方法动态地连接起来，能够很好地完成数据在不同系统间的转换与共享。 嵌入结构 动态链接结构 构件方式。新的模型把目前仍然巨大的两段式的客户机服务器体系的地理信息系统分解为可以自我管理的构件。这些构件间可以跨越网络、跨越操作系统进行互操作 。功能构件是整个结构的核心，提供系统特定的地理信息系统的功能服务。应用构件是最上层的地理信息系统构件，它直接与专用的用户连接，响应用户的操作请求，并为特定的应用服务。 基于构件方式的系统集成结构 构件式的地理信息系统与传统的地理信息系统相比，一些新的单元加入到新的模型中。这些单元的加入是为了适应分布式计算环境下的要求。 1574 集成需求分析集成需求分析 集成需求分析主要分析集成的应用目标与功能需求。除了进行需求分析外，还要对目前的工作基础进行分析。这些分析包括现有集成平台分析、各模块评价以及综合集成整体设计分析。 集成的基础平台直接决定了集成后平台的优劣，为此在集成前必须完成对集成平台的测试工作和评价工作。平台的测试最好由第三方进行，容易发现问题，也更加客观公正。 由于各个模块的开发是各自进行，因此，在需求分析中还应考虑接口的需求分析。接口分析考虑的接口类型包括输入输出接口、运算接口、文件系统接口、软件资源接口等。 1575 集成工作内容与流程集成工作内容与流程 集成工作的内容主要包括集成系统结构设计、集成平台的改造、各模块的改造、集成调试四大部分。 系统设计必须根据应用目标和系统的工作流程来确定，完成各模块的合理配置。 集成平台的改造应结合应用需求和集成功能需求，去除部分冗余内容补充部分平台应用性功能。 模块改造的技术标准由总体集成方根据实际情况制订。 总体集成方需要对满足集成要求的模块进行集成，在统一框架下完成综合调试，安装调试和试运行，模块开发方与集成方应共同完成常规维护工作。 系统集成主要技术流程如图 在集成的整个流程中，质量控制与规范的遵循具有突出的重要性。质量控制一般从两方面进行，即遵循专业技术指标和软件技术指标。 n海洋GIS的定义？n海洋GIS的基本框架和功能？n海洋时空数据模型存在哪些类型？n海洋GIS有哪些分析方法？ n简述海洋模式集成方法思考题思考题