GIS海洋環(huán)境監(jiān)測信息可視化

(交通運輸部北海航海保障中心天津海事測繪中心 天津 300202)

作為人類重要的生存環(huán)境，海洋在當(dāng)今世界具有很多現(xiàn)實與戰(zhàn)略意義。隨著對海洋研究與開發(fā)的深入，海洋的觀測新數(shù)據(jù)增長異常迅速。海洋地理信息系統(tǒng)的研究，是在高效有序地管理和研究海洋的需求背景下發(fā)展起來的。海洋地理信息系統(tǒng)服務(wù)于海洋研究、管理和開發(fā)，可以用于存儲、管理和分析海洋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對海洋進行高效有序地管理和研究。

海洋信息可視化，不僅僅是針對海洋數(shù)據(jù)的視覺表現(xiàn)，也是一種重要的分析手段，可以通過它完成可視化分析，獲取蘊含在海洋環(huán)境中的物理、生物和化學(xué)特性、規(guī)律以及不同尺度的關(guān)系。海洋GIS的業(yè)務(wù)化對海洋信息可視化提出了新的需求[1]。與海洋數(shù)據(jù)模型相似，海洋GIS可視化工作也從二維走向高維，從靜態(tài)走向動態(tài)，從單一尺度向兼容多尺度過渡。計算機圖形學(xué)及硬件技術(shù)的發(fā)展，也使海洋信息可視化進入更加直觀更加現(xiàn)實化的階段。GIS在海洋環(huán)境監(jiān)測中起著重要的作用，利用GIS技術(shù)能夠?qū)Ａ康暮Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行高效、準確的管理和應(yīng)用，海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化是其中的重要一環(huán)。

一、GIS可視化理論基礎(chǔ)

海洋科學(xué)研究效率的提高有賴于準確的海洋數(shù)據(jù)可視化技術(shù)。GIS 技術(shù)具有的空間位置具有查詢、選擇、空間分析等功能，可以在海洋數(shù)據(jù)可視化中發(fā)揮巨大作用。然而GIS技術(shù)目前主要應(yīng)用于陸地上的各個領(lǐng)域，在海洋領(lǐng)域中應(yīng)用較少且起步較晚。其中的原因是多方面的，主要與海洋環(huán)境的海量數(shù)據(jù)、海洋數(shù)據(jù)獲取比較困難和昂貴，以及GIS軟件缺乏處理海洋科學(xué)三維時空數(shù)據(jù)的能力有關(guān)[2-3]。

海洋的地理環(huán)境特殊，海洋各層現(xiàn)象及內(nèi)波特征復(fù)雜，而借助GIS 數(shù)據(jù)可視化技術(shù)可以實現(xiàn)對海洋觀測數(shù)據(jù)更加全面、直觀地表達。然而，盡管GIS在海洋數(shù)據(jù)可視化中的應(yīng)用越來越被人們所關(guān)注，但目前更多的應(yīng)用是直接將基于陸上相關(guān)領(lǐng)域開放設(shè)計的GIS直接應(yīng)用到海洋科學(xué)中去。陸地GIS系統(tǒng)一般處理2D平面或曲面上的問題，忽略垂直維的表現(xiàn)；而在海洋研究中，水體的溫度、鹽度等物理特征及其變化是呈3D分布的，一般觀測采樣為垂直方向。所以，在海洋科學(xué)研究應(yīng)用中，當(dāng)試圖準確表現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的空間分布時，傳統(tǒng)2D的GIS往往無法有效表達具有縱深信息的海洋數(shù)據(jù)，因為2D的GIS并不能有效表達垂直方向空間信息。例如，在傳統(tǒng)GIS中，水平位置一樣而垂直方向空間位置不一致的系列采樣點將表現(xiàn)為一個點，垂向線同樣表現(xiàn)為一個點，而垂直剖面則表現(xiàn)為一條線，體數(shù)據(jù)只能通過面要素來表達。顯然，傳統(tǒng)GIS完全不能準確反映海洋信息的空間特征，無法真實地可視化多維的海洋數(shù)據(jù)，導(dǎo)致GIS強大的空間分析功能無法在海洋科學(xué)研究中得到充分應(yīng)用。如何能夠直觀、全面、準確地反映海洋數(shù)據(jù)空間位置的GIS系統(tǒng)，讓海洋研究人員可以從不同角度、不同方位、不同距離查看和操作多維海洋數(shù)據(jù)是研究重點。

二、GIS可視化步驟

(一)源數(shù)據(jù)的清洗

源數(shù)據(jù)中可能存在大量的噪聲數(shù)據(jù)、孤立數(shù)據(jù)，即所謂的“臟數(shù)據(jù)”。由于臟數(shù)據(jù)的存在可能導(dǎo)致垃圾數(shù)據(jù)的入庫，而此類垃圾數(shù)據(jù)會導(dǎo)致分析評價結(jié)果質(zhì)量不高，從而影響實際的研究與決策。因此，對源數(shù)據(jù)進行清洗，剔除不符合要求或規(guī)范的“臟數(shù)據(jù)”是進行可視化之前的必要步驟。

(二)數(shù)據(jù)的入庫

入庫操作時對源數(shù)據(jù)完成清洗后的一步操作。在數(shù)據(jù)入庫時，還需要對不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)采用不同的方法進行質(zhì)量控制，減小數(shù)據(jù)的誤差，提高數(shù)據(jù)的準確性和可靠性?？梢圆捎瞄y值法、相關(guān)系數(shù)法、方差分析等方法，保證入庫的數(shù)據(jù)不錯、不重復(fù)、不遺漏。

(三)數(shù)據(jù)的選擇

用戶根據(jù)某種條件，有規(guī)則的選擇符合自身需要的數(shù)據(jù)，對龐大的數(shù)據(jù)進行提取，選擇出能反映實際情況的數(shù)據(jù)集，并且該數(shù)據(jù)集可以起到最大限度的表達原始數(shù)據(jù)作用。

(四)GIS可視化繪圖

可視化繪圖需要選擇要繪制的數(shù)據(jù)，根據(jù) GIS可視化的算法進行渲染和繪圖。當(dāng)想要繪制的數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量較小，不能繪制出某一大片海域該物理量的等值線圖時，還需要對選擇的數(shù)據(jù)進行插值，通過插值獲得 GIS 地圖可視化需要的數(shù)據(jù)集，然后利用 GIS 渲染出不同顏色的等值線。

三、海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點

海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)具有很強的異構(gòu)性，它的異構(gòu)性主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(一)具有較強的時空性

海洋是一個動態(tài)的信息載體，因而為了更準確的掌握海洋環(huán)境的信息，就要保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的時空性。一個沒有時間和空間位置的數(shù)據(jù)是沒有任何意義的。

(二)具有離散性

海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的離散型包括空間離散性和時間離散性。空間離散性是指觀測是在某些特定空間位置上進行，時間離散性是指觀測在特定的時間進行。

(三)具有連續(xù)性

在無人值守和惡劣的海上環(huán)境中，浮標和臺站觀測可以獲取連續(xù)的、長時間序列真實的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都是實時的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，具有一定的連續(xù)性和真實性。

海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生會產(chǎn)生異構(gòu)性，這對實現(xiàn)海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化造成了不良影響。而產(chǎn)生這種異構(gòu)性的原因在于以下幾個方面。

首先，獲得海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源的多樣性。不同的監(jiān)測方式和監(jiān)測標準，不同觀測站點在不同時期所處的環(huán)境要素存在差異，多種原因造成了數(shù)據(jù)源的多樣性。

其次，海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的時空分辨率多樣性。在海洋上，由于觀測手段的限制，只能在某些站點進行監(jiān)測，這使得數(shù)據(jù)的時空分辨率不同。這種時空分辨率的差異的數(shù)據(jù)也造成數(shù)據(jù)的異構(gòu)性的重要原因。

第三，海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品的多重級別。對于不同的用戶來說，所需要的數(shù)據(jù)級別也不同。如原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過過濾和校正的數(shù)據(jù)，不同級別的用戶得到的數(shù)據(jù)也不盡相同。

第四，數(shù)據(jù)存儲格多格式性。數(shù)據(jù)存儲多格式性也是海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)異構(gòu)性最為直接的表現(xiàn)。其存儲格式如下幾種：

dat文件、txt文件、excel文件、word文件、圖片文件、shp文件等等。不同格式的存儲數(shù)據(jù)也是造成數(shù)據(jù)異構(gòu)性的主要原因。

四、GIS在海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化中的研究

(一)地理數(shù)據(jù)可視化

地理數(shù)據(jù)的可視化是可視化基本的功能，此類數(shù)據(jù)包括的省界、地級市(全國)、區(qū)縣級行政區(qū)劃(全國)、縣級居民點(全國)、省界、地級區(qū)劃、縣級居民點、海洋站、浮標位置等信息，將這些數(shù)據(jù)融合到一張地圖上。主要是shp元數(shù)據(jù)可視化和空間信息查詢可視化[4]。

shp元數(shù)據(jù)可視化的功能主要實現(xiàn)圖層增減、圖層是否可見及圖層顯示的先后順序。海洋環(huán)境數(shù)據(jù)中的海量遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、海洋基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、溢油監(jiān)測數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過解析形成.shp的文件，通過shp元數(shù)據(jù)可視化功能實現(xiàn)圖層的添加和刪除圖層，來展示數(shù)據(jù)信息。

(二)統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)可視化

合理的統(tǒng)計方法是通過統(tǒng)計方法得到準確結(jié)果必要條件，然而選擇統(tǒng)計方法的過程是一個很艱難的過程。對于同一份統(tǒng)計資料而言，選擇不同的統(tǒng)計分析方法，得到的結(jié)論也大有不同[5]。所以選擇統(tǒng)計方法時需要做到以下幾點。

第一、依照研究的目的，明確研究試驗設(shè)計類型、研究因素與水平數(shù)；

第二、根據(jù)數(shù)據(jù)特征和樣本量大小；

第三、分析統(tǒng)計資料的類型，然后采用合適的統(tǒng)計方法，并結(jié)合合理的統(tǒng)計條件對該統(tǒng)計資料進行正確的計算和分析。

(三)空間等值線、等值面分析可視化

面可視化所面向的對象是面狀屬性，在空間數(shù)據(jù)可視化中占有重要地位。水平面、曲面均可進行面可是話，最為常用的是等值面。等值面主要利用不同顏色的面表示不同的屬性值，把空間數(shù)據(jù)按照空間位置的不同生成圖像，可以直觀的表現(xiàn)屬性值在不同的物理空間或時間上的變化過程，類似的也可以使用等值線的方式表現(xiàn)這種變化。

五、基于GIS的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化平臺

基于GIS的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化平臺的主要功能是對海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行一體化管理，并且利用技術(shù)實現(xiàn)對海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化分析，并且利用圖表等可視化的方式展示數(shù)據(jù)，為相關(guān)人員全面的、正確的、快速的、方便的、直觀地掌握海洋環(huán)境的狀況和基本規(guī)律及海洋環(huán)境的預(yù)報提供較為有力的依據(jù)[6-7]。利用對海洋數(shù)據(jù)的分析可以很大程度的提高海洋環(huán)境監(jiān)測成果的綜合應(yīng)用水平，提髙海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)使用效率，為開發(fā)海洋、利用海洋提供科學(xué)的技術(shù)支持和保障。

數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)可視化、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)設(shè)置是基于GIS的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化平臺包括的四個大功能模塊，其中數(shù)據(jù)操作于數(shù)據(jù)可視化兩個模塊最為重要。

數(shù)據(jù)的操作主要是數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出、數(shù)據(jù)的査詢、檔案數(shù)據(jù)管理、短期預(yù)報單、海洋站信息管理、綜合信息管理等功能。

數(shù)據(jù)可視化模塊可以生成各種海洋要素的分析和統(tǒng)計圖。這些可視化圖由海洋原始觀測數(shù)據(jù)和檔案數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計分析，按照一定標準生成。除此之外，地圖的基本處理和查看功能也是數(shù)據(jù)可是化模塊的內(nèi)容。

系統(tǒng)管理模塊包括用戶信息管理模塊、權(quán)限管理模塊、數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)模塊。系統(tǒng)設(shè)置模塊主要包括數(shù)據(jù)庫的配置、參數(shù)配置、通用字符配 置等功能。

通過基于GIS的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對海量海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的管理、顯示，并能夠?qū)?shù)據(jù)集進行選擇，并能生成各種要素的分析統(tǒng)計圖用作分析。

六、結(jié)論

本文通過介紹GIS可視化理論基礎(chǔ)、理論步驟，并分析海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點，進而介紹GIS在海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化中的研究現(xiàn)狀，并著重介紹了基于GIS的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化平臺的若干功能。

目前，利用GIS 對海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行可視化的研究還在不斷地進行，主要需要解決的有以下幾個問題：

第一，分析海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的異構(gòu)性的原因，給出處理異構(gòu)數(shù)據(jù)的準確合理的方法和步驟。

第二，對于不同格式的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用不同的分析模型進行可視化的分析，從而達到清晰地揭示海洋環(huán)境監(jiān)測成果的目的。

第三，針對海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點，采用不同的方法進行分析，實現(xiàn)海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化表達。

未來對于海洋環(huán)境監(jiān)測GIS可視化的研究有以下幾個發(fā)展重點：

第一，要更加注重對于多維數(shù)據(jù)的可視化方法。

第二，對于風(fēng)、浪等矢量數(shù)據(jù)場形式的可視化。

第三，動態(tài)數(shù)據(jù)的可視化。