三维GIS在海洋地理信息系统中的应用

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　　 [摘要]
　　海洋地理信息系统(MGIS )是海洋科学研究的重要工具, 可以为海洋数据的收集、 存储、显示、 发布和应用提供技术支持。本文分析了MGIS发展过程以及三维GIS相对于二维GIS的优势，并总结了三维GIS在海洋领域的具体应用。
　　
　　前言
　　 海洋占整个地球表面积的71%以上,拥有丰富的生物资源、矿产资源、动力资源等人类发展所需重要资源,它是全球生命支持系统的一个基本组成部分和实现可持续发展的宝贵财富,21世纪是人类开发利用海洋的新世纪[1]。海洋及其资源和环境是人类共同的财富,需善加利用和保护。在20世纪后半叶得到迅速发展的海洋科学,其在地球系统中的关键位置已日益为人们所承认,在人类可持续发展中的重要地位也日益为人们所认识。大量多源数据向存储、管理、维护、快速访问、智能分析、可视化和自动制图提出了挑战.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，海洋地理信息系统（MGIS）的应用与发展是海洋科学的有机组成部分和高科技应用于海洋研究的重要进展,是“数字地球”之“数字海洋”建设必不可少的组成部分。
　　 海洋地理信息系统是以海底、水体、海表面、大气及海岸带人类活动为研究对象,通过开发利用地理信息系统的空间海洋数据处理、GIS和制图系统集成、三维数据结构、海洋数据模拟和动态显示等功能,为各种来源的数据提供协调坐标、存储和集成信息等工具,其在海洋科学上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[2-4]。
　　
　　MGIS的发展过程
　　 MGIS的研究和应用,最早可以追溯到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[5]。关于MGIS的第一篇文章,是美国海洋学家Manley与动态图形软件专家Tallet合作发表的,文章深入讨论了GIS的数据管理和显示功能,同时前瞻性地讨论了物理和化学海洋数据的真三维建模和可视化[6]。随后,陈述彭院士率先在国内提倡海岸与海洋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[7]。MGIS在国内外随即得到了迅速发展。
　　 以我国国家海洋信息中心在MGIS方面的建设为例,信息中心建设和维护海洋基础地理信息系统,负责海洋基础资料数据的搜集、处理、管理和服务;进行海洋遥感应用技术研究,收集整理海岸带地区的卫星遥感资料,建设海洋遥感数据库,生产海洋遥感信息产品;承担地理信息系统的研究开发项目,为海洋管理服务,建立全国海岛基础地理信息系统、提供海洋基础地理信息服务产品等。MGIS提供的服务包括:为信息中心信息传输提供技术保障,为履行行政管理职能提供技术支撑,为信息更新与发布的业务化运行提供平台,为各级海洋主管部门、科研机构和社会公众提供海洋信息共享服务等。
　　
　　三维地理信息系统的优势
　　 由于海洋数据具有多维、动态的特点，传统的二维GIS系统在处理海洋数据的时候具有一定的局限性，特别是在多维海洋数据的可视化表达方面。传统二维GIS系统往往只局限千对地球地表信息的抽象与描述，缺乏海面及水下纵深、自渲染与表达。因此，GIS系统在海洋领域的应用爱到很大的限制。将海洋数据进行准确的三维可视化表达有助于提高海洋科学研究及应用的效率。海洋数据三维可视化表达不仅仅要求数据以图形化方式展示出来，同时要求单个空间位置具有查询、选择和空间分析等功能，以获取更深层次的信息，因此，在海洋应用领域，三维地理信息系统可以发挥巨大作用。与传统二维GIS系统相比，三维地理信息系统在处理海洋信息数据上的优势也逐渐的显露出来。
　　 与传统二维GIS相比，三维地理信息系统的优势主要体现在以下几个方面：
　　海水、海面动态真实模拟。传统二维GIS系统无法实现海水、海面的渲染，而三维地理信息系统能够实现海面光照与海水流动效果模拟。三维地理信息系统在海洋表面颜色和明唁度表现上能够生成具有一定真实感的画面，从而达到模拟真实海水的视觉效果。
　　海底DEM数据支持。传统二维GIS系统在支持海洋海底DEM方面存在困难，而三维地理信息系统通过支持海洋海底DEM数据，能够对海底地形起伏进行渲染，与卫星遥感影像数据相结合，可实现海平面、海底、陆地等适应性数据的无缝贴台，实现对全球海底三维地形的可视化浏览展示。
　　海洋数据综合表达。海洋研究中的主要对象一一水体温度、盐度等物理特性及其形成是呈三维分布的，而且通常是在垂直方向采样数据。显然，传统的二维GIS系统无法有效表达具有纵深信息的海洋数据，也无法真实地可视化多维的海洋数据，因而不能准确反映海洋信息的空间特征，从而导致GIS强大的空间分析功能无法在海洋领域得到充分应用。而三维地理信息系统能够直观、全面、准确地反映海洋数据的空间位置，使用人员可以不同方位、不同距离查看和操作多维海洋数据。
　　海上船舶等物体碰撞动态模拟。传统二维GIS系统只能对海上船舶等物体进行信息查询、统计等操作，无法模拟碰撞效果，而三维空间信息幕统通过对三维模型的支持，可方便的将海上船舶等物体的三维模型加载到幕统中，梗拟船舶碰撞的效果。三维地理信息系统还支持三维模型的选中、属性查询、处理和内部浏览等操作，方便对水面和水下设施的动态管理。
　　鱼群分布与洄游可视化表达。传统二维GIS系统只能对鱼群分布与洄游进行简单的管理，无法将鱼群分布与徊游地点的水深、洋流、水温、盐度等信息进行可视化表达。而三维地理信息系统能够将鱼群分布与徊游地点的相关信息进行可视化首理，更加方便人类对鱼类的科学研究爰渔业资源进行管理。
　　 总之，借助三维空间信息数据可视化技术，可以将海洋调查数据尽可能全面、直观地表达，从而辅助海洋领域相关工作。
　　
　　三维地理信息系统在MGIS应用
　　海域使用管理
　　 三维地理信息系统可以模拟真实海水效果，实现海域环境的真实再现。系统提供的高分辨率遥感影像匹配了视图方位、经纬度、视图高度等辅助信息，通过放大缩小、改变视角、倾斜观察等操作，可实现全面观察海域及周边的地形地貌，海洋功能区划。系统还可放入点位标记、影像贴图及三维模型数据，而且基于其遥感影像的宗海图及海籍信息能更加生动形象的描绘海域使用情况，方便海域管理者按照海域的区位、自然资源和自然环境等自然属性来科学确定海域功能，提升海洋资源开发利用的整体水平。
　　 三维地理信息系统可以通过添加海岛遥感影像、数字高程模型以及对海岛、海水、海岸、大陆架等对象的模拟，建立海岛三维视图。系统还可以对海岛相关数据进行统计分析，并将海岛经济、资源、环境数据等信息以可视化的形式表现在三维地球上，方便到海岛的管理、开发、保护与建设。
　　 三维地理信息系统支持海底DEM．能够真实再现海床地形分布情况。便干对海洋油气、矿产资源的调查、评价与勘探。三维地理信息系统通过可视化展示海洋油气、矿产资源的分布、储藏情况，从而便于管理者对海洋油气、矿产资源开发的管理，依法规范海洋矿产资源开发秩序。
　　
　　海洋渔业资源管理
　　 利用三维地理信息系统可以通过对各种渔业资源的种类、数量、分布的信息分析，实现渔业水域的划分，以及对养殖区的分布、渔船状况等数据进行可视化管理，从而可以全面地、直观地掌握渔业资源的管理现状，提高工作效率。

　　 研究鱼类的分布对于建立鱼类种群的迁移模型和管理海洋渔业资源非常重要，三维地理信息系统可将鱼群分布与洄游地点的水深、洋流、水温、盐度等信息进行可视化表达，标识不同的地理种群并描述其主要分布，便于选择最佳捕捞地、划定海洋保护区等。
　　
　　海洋环境和生态保护
　　 三维地理信息系统可对海洋不同深度的环境数据进行可视化表达，例如海洋水文数据（包括温度、盐度、海浪、海流、潮汐潮流等要素）、海洋气象数据、海洋污染数据、海洋灾害数据（风暴潮、溢油、赤潮和海冰）等。三维空间信息系统通过对海洋工程、海岸工程、海洋倾废、船舶活动及港口环境开展跟踪监督，实施重点海域环境质量的预报
　　警报，以及对重点环境污染源的影响范围进行评估。
　　
　　海洋经济发展宏观管理
　　 三维地理信息系统将沿海地区社会经济信息、主要海洋产业信息（海洋水产、交通运输、盐业、油气、旅游等）以及海洋经济信息产品（统计和预测分析图表及海洋经济发展分析评价报告）信息进行可视化表达。便于管理者根据海洋资源环境承载能力、已有开发密度和发展潜力，在海洋功能区划基础上，对海域进行分析评价，明确各类海洋主体功能区的数量、位置、范围．以及每个主体功能区的定位、发展方向、开发时序、管制原则和政簧措施等，适时启动重点区域海洋开发规划。指导沿海地区开发活动，实施动态管理。
　　海洋调查与测绘
　　海洋调查与测绘所涉及信息的基本特点是其空间性，三维地理信息系统的最大长处是可以兼顾许多独立而又彼此相互有一定联系的海洋信息，只要它们之间有地理上的共通性．就可以将若干个这样的信息联系在一起考虑。如在海洋地质中同一测点的水深、沉积物的砂含量、生物化石种类及数量、重力、磁场等数据，都分别是单个的数据系统，三维地理信息系统能对它们进行分别的统计或计算，用表格和图像表示出来。便于在它们之间进行统筹考虑。
　　
　　海上交通管理
　　 三维地理信息系统可对海上船舶行驶进行仿真模拟，并根据海域的实际情况，计算船舶行驶航线。系统还可对船舶碰撞进行预警，避免海上交通堵塞．方便船舶进出入港口和海上安全行驶。
　　
　　海洋灾害应急管理
　　 三维地理信息系统能够将台风、海啸、风暴潮、赤潮及化学品泄漏、油泄漏、核泄漏、海难等灾害发生地点及影响范围进行可视化表达，并可结合不同海区沿岸状况和灾害特点的防御警戒标准进行分析操作，方便制定海洋灾害应急机制，加强应急处置的基础设施建设，提高海洋灾害应急演练效率。
　　
　　海洋执法与权益维护
　　三维地理信息系统可将我省海域范围在三维地球上直观展示，对海洋执法范围及地点进行精确定位，同时系统还可直观展示执法范围的详细信息，从而提高海上执法部门巡视、监察和处置速度，维护海域使用者合法权益。
　　
　　参考文献
　　[1]UnitedNationsConferenceonenviromentanddevelop-ment.21Agenda[R].Brazil:UNCED,1992.
　　[2]MANLEYTO,TALLETJA1Volumetricvisualization:aneffectiveuseofGIStechnologyinthefieldofoceanography[J].Oceanography,1990,(3):23―29.
　　[3]WRIGHTDJ,BARTLETTD.MarineandCoastalGeographicInformationSystems[M].London:Taylor&Francis,1999.205―206.
　　[4]WRIGHTDJ,GOODCHILDMF.Datafromthedeep:implicationsfortheGIScommunity[J].InternationalJournalofGeographicalInformationScience,1997,(11):523―528.
　　[5]陈述彭,吕学军,周成虎.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社,2001.CHENShupeng,LUXuejun,ZHOUChenghu.Introductiontomarinegeographicinformationsystem[M].Beijing:SciencePress,2001.
　　[6]MANLEYTO,TALLETJA.Volumetricvisualization:AneffectiveuseofGIStechnologyinthefieldofoceanogra-phy[J].Oceanography,1990,3(1):23-29.
　　[7]陈述彭,钟耳顺.中国地理信息系统发展透视[J].地理信息,1998(3-4):42-45.CHENShupeng,ZHONGErshun.PerspectiveofGISdevelopmentinChina[J].Geo-Informations,1998(3-4):42-45.

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