GIS在海洋技術(shù)的應(yīng)用 gis在海洋技術(shù)的應(yīng)用研究

舉例說(shuō)明地理信息技術(shù)在地貌學(xué)中的應(yīng)用？

從 20 世紀(jì)80 年代起國(guó)內(nèi)外科學(xué)家開(kāi)始探索利用 RS/ GIS 技術(shù)來(lái)提取海岸帶地貌特征和解譯它的理論和方法，并且成功地進(jìn)行了河口三角洲、海岸灘涂、潟湖沙壩、珊瑚礁等地貌類(lèi)型的監(jiān)測(cè)和制圖。20 世紀(jì)在 90 年代利用 GIS 技術(shù)研究海岸地貌進(jìn)入了新的階段，這一時(shí)期海岸科學(xué)家注意到 GIS 技術(shù)在海洋和陸地應(yīng)用中的差別，提出了海岸帶本身的地形數(shù)學(xué)模型，如 Liet al.提出了海底地形概念數(shù)據(jù)模型，Hatcher提出專(zhuān)業(yè)的海洋網(wǎng)格系統(tǒng)，并把它應(yīng)用到美國(guó)的納拉甘西特(Narragansett)灣海岸帶地質(zhì)數(shù)據(jù)的處理和制圖；近年來(lái)利用 GIS 技術(shù)研究海岸海洋地貌向著更高層次的三維可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)和復(fù)雜地形數(shù)據(jù)建模方面發(fā)展；應(yīng)用GIS技術(shù)集成多源數(shù)據(jù)建立從陸地到海洋的綜合地理信息平臺(tái)，研究海岸帶地貌空間分布、演變機(jī)理，為海岸帶開(kāi)發(fā)、管理和規(guī)劃提供決策支持。

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gis對(duì)海洋熱浪的作用

污染觀測(cè)。gis在使用過(guò)程當(dāng)中，對(duì)于海洋熱浪的作用是污染觀測(cè)，防止因高溫爆發(fā)赤潮現(xiàn)象。GIS系統(tǒng)又稱(chēng)地理信息系統(tǒng)，是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)。

海洋多源時(shí)空數(shù)據(jù)組織與管理

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，海洋數(shù)據(jù)的組織與管理也經(jīng)歷了幾個(gè)不同的階段，對(duì)應(yīng)著幾種不同的組織與管理方式，主要有五種方式。

2.2.2.1 文件的組織與管理方式

海洋時(shí)空特征數(shù)據(jù)和海洋專(zhuān)題特征屬性數(shù)據(jù)都以文件的形式表達(dá)，而文件是由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)在計(jì)算機(jī)外存儲(chǔ)器上進(jìn)行組織管理的。在地理信息系統(tǒng)技術(shù)形成和發(fā)展的初期，空間數(shù)據(jù)管理研究的重點(diǎn)大都在于如何實(shí)現(xiàn)空間圖形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、空間圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)查詢(xún)等一些問(wèn)題。這個(gè)時(shí)期設(shè)計(jì)研制的系統(tǒng)在空間數(shù)據(jù)管理模式上大多數(shù)采用數(shù)據(jù)文件來(lái)存儲(chǔ)和管理空間數(shù)據(jù)(謝玳英等，2007)。海洋時(shí)空數(shù)據(jù)組織管理系統(tǒng)也不例外。

2.2.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)與文件混合的組織與管理方式

在該方式下，海洋時(shí)空特征數(shù)據(jù)仍以文件的形式管理，而海洋屬性數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。

2.2.2.3 空間數(shù)據(jù)庫(kù)一體化的組織與管理方式

隨著空間數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展，對(duì)海洋一體化數(shù)據(jù)庫(kù)管理方式又包括如下三個(gè)階段:

(1)全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫(kù)組織與管理:全關(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是指圖形和屬性數(shù)據(jù)都用現(xiàn)有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)管理，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的軟件廠商不作任何擴(kuò)展，由GIS軟件商在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使之不僅能管理結(jié)構(gòu)化的樹(shù)型數(shù)據(jù)，而且能管理非結(jié)構(gòu)化的圖形數(shù)據(jù)(謝玳英等，2007)。

(2)對(duì)象—關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)組織與管理:由于直接采用通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的效率不高，而非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)又十分重要，所以許多數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的軟件商紛紛在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中進(jìn)行擴(kuò)展，使之能直接存儲(chǔ)和管理非結(jié)構(gòu)化的空間數(shù)據(jù)(謝玳英等，2007)。

(3)面向?qū)ο罂臻g數(shù)據(jù)庫(kù)組織與管理: 傳統(tǒng) GIS 的數(shù)據(jù)組織思想是把空間信息與屬性信息結(jié)合起來(lái)，很少考慮時(shí)態(tài)信息。因而，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要是基于關(guān)系理論的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。由于在海洋現(xiàn)象的分析過(guò)程中，海洋現(xiàn)象的時(shí)態(tài)信息至關(guān)重要，因而，底層的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)必須引入海洋現(xiàn)象的時(shí)態(tài)信息。在傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中引入時(shí)態(tài)信息，不僅使數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，而且使時(shí)空信息的檢索變得幾乎不可能，尤其是對(duì)時(shí)刻都在發(fā)生變化的海洋現(xiàn)象。面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展及在 GIS 領(lǐng)域中的應(yīng)用，使得運(yùn)用該技術(shù)的相關(guān)理論和方法對(duì)時(shí)空一體的海洋現(xiàn)象進(jìn)行 GIS 的組織與表達(dá)成為可能。面向?qū)ο竽Ｐ妥钸m用于空間數(shù)據(jù)的表達(dá)和管理，它不僅支持變長(zhǎng)記錄，而且支持對(duì)象的嵌套、信息的繼承和集聚。面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)允許用戶(hù)定義對(duì)象和對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及它的操作。但是當(dāng)前面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)還不夠成熟，目前主流的仍然是數(shù)據(jù)庫(kù)引擎加關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)以及基于對(duì)象-關(guān)系的空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

2.2.2.4 基于 XML 的海洋時(shí)空數(shù)據(jù)的組織與管理方式

大量海洋時(shí)空數(shù)據(jù)資料被越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)和不同研究目的的科學(xué)家所收集，國(guó)際上對(duì)建立區(qū)域和全球數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享的呼聲越來(lái)越高。聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)的國(guó)際海洋資料交換委員會(huì)(IODE)一直致力于海洋數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化研究，旨在簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)交換，推動(dòng)全球海洋技術(shù)的發(fā)展，但由于種種原因未能取得成功(朱光文，2001; 畢強(qiáng)等，2004)。自 1998 年 2 月萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟 W3C(World Wide Web Consortium)推出可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言 XML(Extensible Markup Language)以來(lái)，國(guó)際上一些海洋強(qiáng)國(guó)及研究機(jī)構(gòu)逐漸意識(shí)到 XML 技術(shù)在處理多種格式的海洋數(shù)據(jù)、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)交換方面存在的巨大潛力(畢強(qiáng)等，2004)。2000 年 5 月，OGC 推出了基于 XML DTD(Document Type Defini-tions，文檔類(lèi)型定義)和 RDF(Resource Description Frameworks，資源描述框架)的 GML1.0 版。2001 年 2 月，OGC 又推出了完全基于 XML Schema 的 GML 2.0 版。XML 具有自我描述數(shù)據(jù)的功能。XML 與平臺(tái)無(wú)關(guān)，可以完成異質(zhì)系統(tǒng)間的通信，XML 的這些特點(diǎn)使它很快成為一個(gè)直接處理全球數(shù)據(jù)的通用方法以及基于 Web 應(yīng)用的描述數(shù)據(jù)和交換數(shù)據(jù)的有效手段。

對(duì)于海洋時(shí)空數(shù)據(jù)集成與交換來(lái)說(shuō)，最重要的是進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的雙方要對(duì)數(shù)據(jù)格式達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，只有采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)流轉(zhuǎn)、處理等功能(龔健雅，2001，蘇奮振等，2004)。而基于 XML 技術(shù)可以很好地解決這一問(wèn)題，為海洋時(shí)空數(shù)據(jù)的組織管理與集成提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式描述。

2.2.2.5 網(wǎng)格環(huán)境下海洋時(shí)空數(shù)據(jù)的組織與管理方式

網(wǎng)格技術(shù)的出現(xiàn)是為了解決科學(xué)與工程中所面臨的基本原理問(wèn)題。國(guó)際上對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)格進(jìn)行了比較深入研究(Chervenak et al.，2000; 2002; Stockinger et al.，2002)，提出和建立基于文件的數(shù)據(jù)網(wǎng)格和基于數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)網(wǎng)格?；谖募臄?shù)據(jù)網(wǎng)格，其代表性研究項(xiàng)目有歐盟的數(shù)據(jù)網(wǎng)格計(jì)劃 Data Grid。旨在訪問(wèn)隸屬于不同機(jī)構(gòu)的地域上分布的計(jì)算能力和存儲(chǔ)工具，將為不同學(xué)科的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的海量數(shù)據(jù)處理提供所需的資源，該計(jì)劃包括三個(gè)數(shù)據(jù)密集型計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域: 高能物理、生物和醫(yī)學(xué)圖像處理和地球觀測(cè)。

Data Grid 是一個(gè)為 e-Science 提供數(shù)據(jù)解決方案的系統(tǒng)框架。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)的網(wǎng)格研究代表性項(xiàng)目有: 歐盟的數(shù)據(jù)網(wǎng)格 Work Package 2 和全球網(wǎng)格論壇(GGF)下屬的 DAIS研究組。數(shù)據(jù)網(wǎng)格 work package2 是數(shù)據(jù)網(wǎng)格(Data Grid)的后續(xù)工作，主要目標(biāo)是為關(guān)系型 DBMS 提供包括數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、副本管理、工作流優(yōu)化在內(nèi)的網(wǎng)格應(yīng)用服務(wù)接口，將其并入數(shù)據(jù)網(wǎng)格。空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格是利用網(wǎng)格技術(shù)、空間信息基礎(chǔ)設(shè)施、空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范，形成一個(gè)虛擬的空間信息管理與處理環(huán)境，將地理上分布、異構(gòu)的各種設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行集成，是實(shí)現(xiàn)空間信息和資源共享，為用戶(hù)提供一體化的空間信息服務(wù)的智能化信息平臺(tái)(陳廣學(xué)等，2005)。它是實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)資源有機(jī)集聚與全面連通的核心與基礎(chǔ)?？臻g數(shù)據(jù)網(wǎng)格與 “分布式空間數(shù)據(jù)庫(kù)”不是一個(gè)概念，空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格的數(shù)據(jù)庫(kù)雖然也具有地理上分布以及跨平臺(tái)等特點(diǎn)，但它們要么具有一致的開(kāi)放結(jié)構(gòu)(語(yǔ)義、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)格式)，要么具有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格接口。不像傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，具有異構(gòu)、異態(tài)、自封閉甚至異質(zhì)等致命缺點(diǎn)，必須經(jīng)過(guò)面向網(wǎng)格的改造與整合，建立標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格接口才能成為空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格的結(jié)點(diǎn)?？臻g數(shù)據(jù)網(wǎng)格為 GIS 所需要的海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、共享與應(yīng)用提供了方便與可能。網(wǎng)格環(huán)境下空間數(shù)據(jù)組織管理與集成的研究重點(diǎn)不在于如何解決 GIS 空間數(shù)據(jù)本身的問(wèn)題，而是基于現(xiàn)有模式，如何將空間數(shù)據(jù)并入網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境，形成空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格，使其能夠被網(wǎng)格應(yīng)用有序地訪問(wèn)和協(xié)調(diào)地調(diào)用?？臻g數(shù)據(jù)網(wǎng)格是利用網(wǎng)格技術(shù)、空間信息基礎(chǔ)設(shè)施、空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范，形成一個(gè)虛擬的空間信息管理與處理環(huán)境，將地理上分布、異構(gòu)的各種設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行集成，是實(shí)現(xiàn)空間信息和資源共享，為用戶(hù)提供一體化的空間信息服務(wù)的智能化信息平臺(tái)。國(guó)內(nèi)外都對(duì)網(wǎng)格環(huán)境下空間數(shù)據(jù)的組織管理與集成技術(shù)進(jìn)行研究。目前 ISO 和 OGC對(duì)于如何提供地理信息服務(wù)有了相應(yīng)的抽象規(guī)范，OGC 已經(jīng)開(kāi)始制定相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)規(guī)范。國(guó)際對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星聯(lián)合會(huì)(CEOS)于 2001 年開(kāi)始了在 GRID 框架下，如何實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)全球范圍內(nèi)的共享和原型研究。國(guó)際對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星聯(lián)合會(huì)的 Bill Johnston提出了基于 OGC Web Services 的 GRID 架構(gòu)。

圖 2.3 OGC 提出的網(wǎng)格架構(gòu)

如圖 2.3 所示，OGC 提出的網(wǎng)格架構(gòu)主要特點(diǎn)是把 OGC Web 服務(wù)與 GRID 結(jié)合起來(lái)，是指 OGC 所規(guī)定的組件同時(shí)就是 GRID 的界面組件。GRID 對(duì)用戶(hù)是透明的，用戶(hù)可以利用網(wǎng)絡(luò)上的各類(lèi)信息資源實(shí)現(xiàn)綜合制圖?？梢哉J(rèn)為 GRID 在 Internet 環(huán)境下主要提供計(jì)算和數(shù)據(jù)管理服務(wù)，Web 服務(wù)主要提供描述、傳輸、管理、應(yīng)用服務(wù)。Web 服務(wù)與 GRID 的結(jié)合能提供動(dòng)態(tài)和強(qiáng)有力的計(jì)算和數(shù)據(jù)環(huán)境。

網(wǎng)格環(huán)境下海洋時(shí)空數(shù)據(jù)的組織管理是隨著空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展的，網(wǎng)格環(huán)境下基于 Web 服務(wù)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行海洋時(shí)空數(shù)據(jù)的組織管理與傳統(tǒng)的海洋時(shí)空數(shù)據(jù)組織管理方式相比有很多優(yōu)點(diǎn)，其中最重要的一點(diǎn)就是，網(wǎng)格環(huán)境下海洋時(shí)空數(shù)據(jù)的組織管理是基于現(xiàn)有模式，研究如何將海洋時(shí)空數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)并入網(wǎng)格環(huán)境，形成海洋時(shí)空數(shù)據(jù)網(wǎng)格，使其能夠被網(wǎng)格應(yīng)用有序地訪問(wèn)和協(xié)調(diào)調(diào)用，進(jìn)而可以很好地解決海洋時(shí)空數(shù)據(jù)互操作和共享的問(wèn)題，為用戶(hù)提供一體化、完全透明的應(yīng)用。

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