GIS海洋環境監測信息可視化

(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境，海洋在當今世界具有很多現實與戰略意義。隨著對海洋研究與開發的深入，海洋的觀測新數據增長異常迅速。海洋地理信息系統的研究，是在高效有序地管理和研究海洋的需求背景下發展起來的。海洋地理信息系統服務于海洋研究、管理和開發，可以用于存儲、管理和分析海洋數據，實現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據的視覺表現，也是一種重要的分析手段，可以通過它完成可視化分析，獲取蘊含在海洋環境中的物理、生物和化學特性、規律以及不同尺度的關系。海洋GIS的業務化對海洋信息可視化提出了新的需求[1]。與海洋數據模型相似，海洋GIS可視化工作也從二維走向高維，從靜態走向動態，從單一尺度向兼容多尺度過渡。計算機圖形學及硬件技術的發展，也使海洋信息可視化進入更加直觀更加現實化的階段。GIS在海洋環境監測中起著重要的作用，利用GIS技術能夠對海量的海洋環境監測數據進行高效、準確的管理和應用，海洋環境監測數據的可視化是其中的重要一環。

一、GIS可視化理論基礎

海洋科學研究效率的提高有賴于準確的海洋數據可視化技術。GIS 技術具有的空間位置具有查詢、選擇、空間分析等功能，可以在海洋數據可視化中發揮巨大作用。然而GIS技術目前主要應用于陸地上的各個領域，在海洋領域中應用較少且起步較晚。其中的原因是多方面的，主要與海洋環境的海量數據、海洋數據獲取比較困難和昂貴，以及GIS軟件缺乏處理海洋科學三維時空數據的能力有關[2-3]。

海洋的地理環境特殊，海洋各層現象及內波特征復雜，而借助GIS 數據可視化技術可以實現對海洋觀測數據更加全面、直觀地表達。然而，盡管GIS在海洋數據可視化中的應用越來越被人們所關注，但目前更多的應用是直接將基于陸上相關領域開放設計的GIS直接應用到海洋科學中去。陸地GIS系統一般處理2D平面或曲面上的問題，忽略垂直維的表現；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，在海洋科學研究應用中，當試圖準確表現海洋數據的空間分布時，傳統2D的GIS往往無法有效表達具有縱深信息的海洋數據，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為一個點，垂向線同樣表現為一個點，而垂直剖面則表現為一條線，體數據只能通過面要素來表達。顯然，傳統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據，導致GIS強大的空間分析功能無法在海洋科學研究中得到充分應用。如何能夠直觀、全面、準確地反映海洋數據空間位置的GIS系統，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據是研究重點。

二、GIS可視化步驟

(一)源數據的清洗

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

(二)數據的入庫

入庫操作時對源數據完成清洗后的一步操作。在數據入庫時，還需要對不同的監測數據采用不同的方法進行質量控制，減小數據的誤差，提高數據的準確性和可靠性。可以采用閥值法、相關系數法、方差分析等方法，保證入庫的數據不錯、不重復、不遺漏。

(三)數據的選擇

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

(四)GIS可視化繪圖

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

三、海洋環境監測數據的特點

海洋環境監測數據具有很強的異構性，它的異構性主要表現在以下幾個方面：

(一)具有較強的時空性

海洋是一個動態的信息載體，因而為了更準確的掌握海洋環境的信息，就要保證監測數據的時空性。一個沒有時間和空間位置的數據是沒有任何意義的。

(二)具有離散性

海洋環境監測數據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)具有連續性

在無人值守和惡劣的海上環境中，浮標和臺站觀測可以獲取連續的、長時間序列真實的現場觀測數據。這些數據都是實時的海洋環境數據，具有一定的連續性和真實性。

海洋監測數據產生會產生異構性，這對實現海洋監測數據的可視化造成了不良影響。而產生這種異構性的原因在于以下幾個方面。

首先，獲得海洋環境數據的數據源的多樣性。不同的監測方式和監測標準，不同觀測站點在不同時期所處的環境要素存在差異，多種原因造成了數據源的多樣性。

其次，海洋環境監測數據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測，這使得數據的時空分辨率不同。這種時空分辨率的差異的數據也造成數據的異構性的重要原因。

第三，海洋環境監測數據產品的多重級別。對于不同的用戶來說，所需要的數據級別也不同。如原始數據，經過過濾和校正的數據，不同級別的用戶得到的數據也不盡相同。

第四，數據存儲格多格式性。數據存儲多格式性也是海洋監測數據異構性最為直接的表現。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。不同格式的存儲數據也是造成數據異構性的主要原因。

四、GIS在海洋環境監測數據可視化中的研究

(一)地理數據可視化

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

shp元數據可視化的功能主要實現圖層增減、圖層是否可見及圖層顯示的先后順序。海洋環境數據中的海量遙感監測數據、海洋基礎地理數據、溢油監測數據等，這些數據經過解析形成.shp的文件，通過shp元數據可視化功能實現圖層的添加和刪除圖層，來展示數據信息。

(二)統計分析數據可視化

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

第一、依照研究的目的，明確研究試驗設計類型、研究因素與水平數；

第二、根據數據特征和樣本量大小；

第三、分析統計資料的類型，然后采用合適的統計方法，并結合合理的統計條件對該統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，在空間數據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，把空間數據按照空間位置的不同生成圖像，可以直觀的表現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這種變化。

五、基于GIS的海洋環境監測數據可視化平臺

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

數據操作、數據可視化、系統管理、系統設置是基于GIS的海洋環境監測數據可視化平臺包括的四個大功能模塊，其中數據操作于數據可視化兩個模塊最為重要。

數據的操作主要是數據的導入導出、數據的査詢、檔案數據管理、短期預報單、海洋站信息管理、綜合信息管理等功能。

數據可視化模塊可以生成各種海洋要素的分析和統計圖。這些可視化圖由海洋原始觀測數據和檔案數據經過統計分析，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據可是化模塊的內容。

系統管理模塊包括用戶信息管理模塊、權限管理模塊、數據庫備份與恢復模塊。系統設置模塊主要包括數據庫的配置、參數配置、通用字符配 置等功能。

通過基于GIS的海洋環境監測數據可視化平臺能夠實現對海量海洋環境監測數據進行數據的管理、顯示，并能夠對數據集進行選擇，并能生成各種要素的分析統計圖用作分析。

六、結論

本文通過介紹GIS可視化理論基礎、理論步驟，并分析海洋環境監測數據的特點，進而介紹GIS在海洋環境監測數據可視化中的研究現狀，并著重介紹了基于GIS的海洋環境監測數據可視化平臺的若干功能。

目前，利用GIS 對海洋環境監測數據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，分析海洋監測數據的異構性的原因，給出處理異構數據的準確合理的方法和步驟。

第二，對于不同格式的海洋環境監測數據，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境監測成果的目的。

第三，針對海洋環境監測數據的特點，采用不同的方法進行分析，實現海洋環境監測數據可視化表達。

未來對于海洋環境監測GIS可視化的研究有以下幾個發展重點：

第一，要更加注重對于多維數據的可視化方法。

第二，對于風、浪等矢量數據場形式的可視化。

第三，動態數據的可視化。