蘇奮振，吳文周，平博，易嘉偉，張宇

（中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；中國(guó)科學(xué)院資源與環(huán)境信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海洋GIS 中心，北京 100101；中國(guó)南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023）

海洋是人類(lèi)重要的生存環(huán)境，在當(dāng)今世界，海洋體現(xiàn)出更多的現(xiàn)實(shí)與戰(zhàn)略意義。近些年海洋科學(xué)的研究日新月異，許多先進(jìn)的方法和儀器不斷涌現(xiàn)，新數(shù)據(jù)增長(zhǎng)異常迅速。為了高效有序地管理和研究海洋，用于存儲(chǔ)、管理和分析海洋數(shù)據(jù)，服務(wù)于海洋研究、管理和開(kāi)發(fā)的海洋地理信息系統(tǒng)的研究迅速發(fā)展，并成為海洋領(lǐng)域和地理信息科學(xué)領(lǐng)域交叉的新興學(xué)科。新興交叉學(xué)科的發(fā)展依賴(lài)于自身理論技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展和吸納改造其它學(xué)科的理論技術(shù)。在繼承和發(fā)展傳統(tǒng)陸地地理信息系統(tǒng)的理論技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，海洋地理信息系統(tǒng)當(dāng)發(fā)展自身的理論技術(shù)方法，并同時(shí)吸納計(jì)算科學(xué)、信息科學(xué)、物理海洋學(xué)等理論技術(shù)方法（Su et al，2006）。以下從海洋時(shí)空數(shù)據(jù)模型、海洋時(shí)空?qǐng)鎏卣鞣治?、海洋信息可視化和海洋信息服?wù)四個(gè)方面來(lái)討論海洋GIS 的最新研究進(jìn)展。

1 海洋時(shí)空數(shù)據(jù)模型

海洋時(shí)空數(shù)據(jù)模型是海洋GIS 研究和建設(shè)的基礎(chǔ)。隨著海洋GIS 研究的發(fā)展，一些針對(duì)海洋客觀世界的描述和抽象的海洋時(shí)空數(shù)據(jù)組織模型得以提出、發(fā)展和應(yīng)用。近年來(lái)，該方面研究比較重視海洋的三維性和時(shí)間維的變動(dòng)或連續(xù)性，同時(shí)開(kāi)始關(guān)注尺度性。這些模型可以按維數(shù)、主題或連續(xù)性等來(lái)分，這里根據(jù)其最小或最底層描述或表達(dá)的對(duì)象來(lái)分，即以場(chǎng)或特征為核心的模型兩類(lèi)。

1.1 基于場(chǎng)的數(shù)據(jù)模型

Varma（2000） 基于HH 編碼，通過(guò)對(duì)空間的等分，從而索引空間對(duì)象。Meaden（2000） 則提出了一種通用層次3D 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用Magnitude碼索引，用網(wǎng)狀瓦片切分海洋空間。蘇奮振（2001） 采用多層多分辨率格網(wǎng)來(lái)統(tǒng)一海洋多要素的時(shí)空分布，其在海洋漁業(yè)的研究和管理應(yīng)用中表明該模型具有直觀簡(jiǎn)潔的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于資源管理和機(jī)理分析提供了有效的數(shù)據(jù)組織管理基礎(chǔ)。仉天宇（2002） 通過(guò)總結(jié)海洋GIS 的要求和設(shè)計(jì)原則，提出了海洋場(chǎng)模型。該模型采用自適應(yīng)多級(jí)格網(wǎng)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行組織，能夠在較高層次上準(zhǔn)確把握海洋現(xiàn)象的整體動(dòng)態(tài)變化。季民（2004） 在面向場(chǎng)對(duì)象模型和海洋場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上，提出了基于格網(wǎng)的時(shí)序快照修正模型與海洋GIS 時(shí)空數(shù)據(jù)組織框架，并將該框架模型理論應(yīng)用到具體案例中，取得了較好的試驗(yàn)效果。

蘇奮振（2006） 從海洋漁業(yè)數(shù)據(jù)所具有的不同時(shí)空粒度的柵格特性出發(fā)，提出了海洋柵格時(shí)空層次聚合模型，該模型可以方便地獲取不同區(qū)域、不同時(shí)間粒度和不同層次的時(shí)空對(duì)象數(shù)據(jù)。Cova 等（2002） 提出了一個(gè)能夠連接地理空間對(duì)象和場(chǎng)的表示方法。該方法采用一系列映射將連續(xù)場(chǎng)中的空間位置映射成離散的對(duì)象，能夠向用戶提供多種基元數(shù)據(jù)模型，包括點(diǎn)、線、多邊形、像素，或它們的組合等。Kjenstad（2006） 也提出了基于場(chǎng)和基于對(duì)象集成的模型，能夠同時(shí)表達(dá)在空間域連續(xù)變化的地理實(shí)體與孤立的地理實(shí)體。

蘇奮振（2003） 提出了以過(guò)程為核心發(fā)展海洋時(shí)空數(shù)據(jù)模型的思想，并將該模型應(yīng)用于海洋地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)MaXplore 中。Hofer（2009） 為表現(xiàn)過(guò)程信息，提出了地理自然過(guò)程的組合模型，即過(guò)程描述語(yǔ)言。它基于數(shù)學(xué)模型，采用微分方程和差分方程兩種等價(jià)語(yǔ)言，用來(lái)描述原型地理自然過(guò)程的一般行為。Karssenberg 等（2010） 采用基于場(chǎng)的時(shí)空過(guò)程數(shù)據(jù)模型模擬現(xiàn)實(shí)世界的現(xiàn)象隨著時(shí)間的演變過(guò)程，并提出了適合表達(dá)該模型的軟件框架，該軟件框架同時(shí)還能夠通過(guò)數(shù)據(jù)同化集成模型結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)。Peter 等（2010） 則提出了一種5D 數(shù)據(jù)模型的方法，它將三維空間位置、第四維時(shí)間特征及第五維尺度特征充分集成，并給出地理5D 連續(xù)體定義及地理數(shù)據(jù)的操作方法，保證了地理數(shù)據(jù)在尺度維和時(shí)間維的連續(xù)性。

1.2 基于特征的數(shù)據(jù)模型

基于特征的數(shù)據(jù)包括兩部分：一部分是海洋中實(shí)際觀測(cè)的數(shù)據(jù)，如航線或漂流浮標(biāo)進(jìn)行的“線”測(cè)量，可以認(rèn)為是由系列點(diǎn)構(gòu)成；另一部分是從海洋現(xiàn)象等數(shù)據(jù)中提取出來(lái)的一些點(diǎn)、線、面、體的過(guò)程特征數(shù)據(jù)。這些現(xiàn)象或?qū)ο?，具有時(shí)間、空間、形態(tài)、屬性動(dòng)態(tài)的特性。

蘇奮振等（2003） 對(duì)海洋數(shù)據(jù)來(lái)源、處理過(guò)程和處理結(jié)果進(jìn)行了梳理，以面向?qū)ο蟮姆绞?，根?jù)特征數(shù)據(jù)的形狀將海洋數(shù)據(jù)分為點(diǎn)特征對(duì)象模型、線特征對(duì)象模型、面特征對(duì)象模型和體特征對(duì)象模型，融入了時(shí)間維度用以描述過(guò)程，特別地，在該模型中不僅將海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了考慮，而且對(duì)海洋現(xiàn)象進(jìn)行了充分的分析。Jin 等（2007） 針對(duì)現(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)模型缺乏通用性、靈活性等缺點(diǎn)，提出了一種基于對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一時(shí)空數(shù)據(jù)模型，并對(duì)其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、查詢操作及實(shí)現(xiàn)做了闡述。Dawn 等（2008） 對(duì)海洋數(shù)據(jù)來(lái)源、特點(diǎn)以及海洋用戶實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行了總結(jié)，提出了ArcMDM（ArcGIS Marine Data Model） 海洋數(shù)據(jù)模型。該模型基于傳統(tǒng)GIS 表達(dá)地理對(duì)象的思想，將海洋要素劃分為點(diǎn)、線、面、網(wǎng)格等幾種類(lèi)型，并將時(shí)間維加入到海洋要素屬性域中，同時(shí)采用對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)模型Geodatabase 存儲(chǔ)隨時(shí)間變化的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)與其反演數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了海洋時(shí)空數(shù)據(jù)的查詢、可視化、處理及分析，解決了部分海洋時(shí)空數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)、可視化及分析等問(wèn)題。

Yuan 等（2010） 根據(jù)Clifford 代數(shù)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，擴(kuò)展了現(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建了時(shí)空統(tǒng)一表達(dá)的層次體系，并定義了相應(yīng)的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間、空間與屬性的一體化表達(dá)，并將時(shí)空代數(shù)應(yīng)用于最短路徑分析、高維Voronoi 以及統(tǒng)一的時(shí)空過(guò)程分析。薛存金（2012）在蘇奮振（2003） 提出的過(guò)程地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出了以過(guò)程為核心的海洋時(shí)空過(guò)程數(shù)據(jù)模型，該模型將海洋過(guò)程泛化為點(diǎn)、線、面、體時(shí)空過(guò)程，并將整個(gè)海洋過(guò)程抽象為過(guò)程狀態(tài)對(duì)象、過(guò)程序列對(duì)象、過(guò)程階段對(duì)象、過(guò)程對(duì)象4 個(gè)等級(jí)，同時(shí)給出了該模型的邏輯結(jié)構(gòu)、物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)時(shí)空過(guò)程操作，最后通過(guò)原型系統(tǒng)模擬了海洋峰、渦漩等具體海洋時(shí)空過(guò)程。

1.3 海洋數(shù)據(jù)模型研究的思考

海洋數(shù)據(jù)模型是對(duì)海洋這一客體的描述，前面從海洋數(shù)據(jù)模型的最小或最底層描述或表達(dá)的對(duì)象來(lái)分析海洋數(shù)據(jù)模型的研究狀況。事實(shí)上，無(wú)論海洋客體的客觀性是否具備場(chǎng)和特征兩種對(duì)象，信息系統(tǒng)都會(huì)充分反映這兩種特性，由此分別產(chǎn)生了以場(chǎng)和特征為核心的數(shù)據(jù)模型。這樣的二元性，往往會(huì)導(dǎo)致不同系統(tǒng)或同一系統(tǒng)的不同數(shù)據(jù)表達(dá)不一致或難以集成等問(wèn)題。因此，如何采用更本原的方式進(jìn)行海洋客體的反映，應(yīng)該是相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里海洋數(shù)據(jù)模型關(guān)注和著力的一大重點(diǎn)。

2 海洋時(shí)空?qǐng)龇治?/h2>

海洋數(shù)據(jù)分析的目的在于揭示海洋現(xiàn)象與要素的時(shí)空分異，以及海洋過(guò)程的相互影響與制約。海洋現(xiàn)象包含著大量的柔性信息，表現(xiàn)出模糊性、復(fù)雜性和不精確性，正因?yàn)槿绱?，在海洋GIS 研究中場(chǎng)概念的重要性被凸顯（蘇奮振，2003）。在海洋場(chǎng)分析上，可以吸納物理海洋學(xué)常用的EOF 和地理信息系統(tǒng)的場(chǎng)分析方法，同時(shí)對(duì)于場(chǎng)的分析可以借鑒物理場(chǎng)的分析方法，也可以借鑒數(shù)學(xué)的矩陣?yán)碚摰取?/p>

2.1 海洋場(chǎng)重建

海洋場(chǎng)數(shù)據(jù)一般可以由數(shù)值模擬、海洋調(diào)查內(nèi)插和遙感反演等3 種途徑獲得。然而由于分辨率或獲取阻礙等因素往往導(dǎo)致這些數(shù)據(jù)空間缺失或不完備，引起數(shù)據(jù)分析結(jié)果的偏差或失效，成為數(shù)據(jù)不確定性的主要原因之一。高精度地快速恢復(fù)缺失值能夠?yàn)楹Ｑ髷?shù)據(jù)分析提供可靠依據(jù)，可以加寬數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

空間缺失數(shù)據(jù)的估算一般采用空間插值方法，分為確定性插值和地統(tǒng)計(jì)插值。對(duì)于最臨近點(diǎn)插值、四鄰域插值、樣條函數(shù)插值等確定性插值方法，由于它們只考慮了缺值點(diǎn)與周?chē)鷶?shù)據(jù)之間的距離，并沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，導(dǎo)致得到的缺值數(shù)據(jù)估算值精度相對(duì)較低，難以達(dá)到某些空間分析的要求。對(duì)于地統(tǒng)計(jì)插值，如kriging 等算法，它通過(guò)半方差來(lái)描述空間相關(guān)性與空間分布模式，從而估算未知點(diǎn)的屬性值。

平博等（2011） 提出一種基于矩陣填充理論的海洋場(chǎng)重建方法，首先針對(duì)缺值像素選取窗口，基于方差方法確定窗口的大小，對(duì)選定尺寸的窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣填充算法，實(shí)現(xiàn)局部數(shù)據(jù)的恢復(fù)。

2.2 海洋場(chǎng)鋒面特征提取

海洋鋒是海洋水團(tuán)特性（溫度、鹽度、葉綠素等） 在水平梯度上明顯不同的狹窄過(guò)渡帶。其檢測(cè)可采用數(shù)字圖像處理中的邊緣檢測(cè)的思路進(jìn)行，過(guò)去更多地采用一些確定性的方法，其當(dāng)前和未來(lái)則應(yīng)更加注意概率或不確定性、尺度性和時(shí)間動(dòng)態(tài)3方面問(wèn)題。

Huh（1982） 基于大范圍的遙感數(shù)據(jù)對(duì)西太平洋的溫度鋒進(jìn)行了研究。Cayula 等（1992） 提出了基于直方圖方法的海洋鋒面檢測(cè)算法，算法包括3個(gè)層次——圖像層次，窗口層次和區(qū)域/像素層次。首先在圖像層次進(jìn)行云檢測(cè)，若數(shù)據(jù)受云影響大，則不進(jìn)行鋒面檢測(cè)。在窗口層次，當(dāng)窗口的直方圖呈雙峰結(jié)構(gòu)時(shí)，表明窗口可能存在鋒面。對(duì)雙峰結(jié)構(gòu)的窗口數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)一致性分析，以確定窗口內(nèi)數(shù)據(jù)是否可分，是否可確定鋒面位置。在像素層次，對(duì)檢測(cè)到的鋒面進(jìn)行邊緣跟蹤，獲得連續(xù)鋒面。Cayula 等（1995） 提出基于上述方法的多影像鋒面檢測(cè)算法，在進(jìn)行單一鋒面檢測(cè)之后，每一個(gè)單一影像的鋒面與相鄰影像的邊緣進(jìn)行比較，得到穩(wěn)定的邊緣信息。這些穩(wěn)定的邊緣信息用于第二次迭代的輸入，來(lái)提高檢測(cè)邊緣的概率。

Ullman 等（2000） 對(duì)上述的單一影像直方圖方法及多影像直方圖方法和單一影像梯度算法進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，直方圖方法能夠檢測(cè)到更少的錯(cuò)誤鋒面，但相比于梯度算法，直方圖算法會(huì)丟失更多尺度小于10km 的鋒面信息。Belkin（2009a） 應(yīng)用Cayula 等（1992） 方法，對(duì)世界大洋生態(tài)系統(tǒng)的快速暖化進(jìn)行了研究，得到近20年世界主要海域海洋溫度變化情況。Yao 等（2012） 應(yīng)用Cayula等（1992） 方法，對(duì)南海鋒面進(jìn)行了檢測(cè)，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，證明算法的有效性，并對(duì)南海部分鋒面進(jìn)行了動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

Miller（2004） 應(yīng)用Cayula 和Cornillon 的方法于多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)去探索海洋物理過(guò)程和海洋生物過(guò)程之間的關(guān)系，提出了一種合成鋒面圖像方法，將多影像檢測(cè)結(jié)果中，各個(gè)單一鋒面圖像加權(quán)合并為一景鋒面圖像。文中，作者將CHLA、懸浮物和海洋表面溫度進(jìn)行合并，探索這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。Oram 等（2008） 使用Canny 算法對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯平滑濾波，根據(jù)高低閾值定位鋒面，并對(duì)檢測(cè)出的邊緣進(jìn)行連接，去除較短邊緣。Belkin（2009b） 提出雙中值濾波方法，可以有效抑制海洋表面溫度數(shù)據(jù)的噪聲，并能保持鋒面信息的連續(xù)。

薛存金等（2007） 針對(duì)海洋鋒信息的尺度特性，利用小波多尺度分析特性，提出最佳尺度確定的算法模型，考慮到形態(tài)學(xué)算子具有的尺度特性，次年給出了形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)元素尺寸與海洋鋒橫斷面寬度和海流流幅的空間尺度的定量關(guān)系（薛存金等，2008）。陳捷等（2010） 針對(duì)各種海洋現(xiàn)象在SAR影像中反映出來(lái)的海浪波形的不同，采用不同的連續(xù)小波變換基提取SAR 圖像中的海洋現(xiàn)象。平博等（2013） 提出基于引力模型的海洋鋒面檢測(cè)，采用濾波后數(shù)據(jù)去零處理和局部歸一化，提高了噪聲免疫力。

2.3 海洋場(chǎng)渦漩特征提取

中尺度渦是近幾十年來(lái)物理海洋學(xué)領(lǐng)域研究的熱門(mén)。隨著海量、高精度、長(zhǎng)時(shí)間海洋遙感衛(wèi)星資料及其反演的海洋要素場(chǎng)數(shù)據(jù)快速增加，如何從這些歐拉式場(chǎng)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確、有效地自動(dòng)提取出海洋中尺度渦漩過(guò)程演變信息，是近年來(lái)海洋場(chǎng)信息提取及中尺度渦定量研究的重要內(nèi)容。

海洋渦漩信息提取可分為識(shí)別和跟蹤兩部分。從識(shí)別方法看，最早的渦漩識(shí)別方法可追溯到1970年，Okubo 等（1970） 提出了一種Okubo-Weiss（OW） 物理參數(shù)法，用于從海表面高度數(shù)據(jù)中提取渦漩信息。OW 方法也是目前影響最深遠(yuǎn)的渦旋識(shí)別方法之一，至今仍有不少研究采用該方法進(jìn)行海洋渦漩信息提取與研究。Fang 等（2003）和Morrow 等（2004） 在研究中都采用了設(shè)置SLA閾值約束法來(lái)提取渦漩面積，Chelton 等（2011）為了做全球海洋渦漩信息的提取，則在此類(lèi)方法的基礎(chǔ)上提出了一種無(wú)閾值約束的SSH 方法。Chaigneau 等（2008） 和Nencioli 等（2010） 則根據(jù)海洋渦漩流場(chǎng)存在封閉環(huán)狀的流線矢量特征，分別提出了Wind-Angle（WA） 方法和Vector-Geometry（VG） 方法。

在渦漩跟蹤方法研究方向上，Morrow 等（2004） 提出了最簡(jiǎn)單直觀的空間距離搜索法，通過(guò)空間鄰近關(guān)系來(lái)判別不同時(shí)刻渦漩是否同屬于一個(gè)演變過(guò)程。Penven 等（2005） 則提出將空間距離遠(yuǎn)近與渦漩基本屬性相似性結(jié)合，通過(guò)整體相似程度來(lái)追蹤不僅距離近而且形態(tài)屬性相似的渦漩狀態(tài)。Chaigneau 等（2008） 在該方法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，并應(yīng)用于南太平洋東部海域的渦漩追蹤。Henson 等（2008） 則從相鄰時(shí)刻渦漩形態(tài)面積疊加的角度，提出了一種基于像元連通性的追蹤方法，但這種方法不適用于追蹤渦漩形態(tài)變化復(fù)雜而不穩(wěn)定的渦漩過(guò)程。

近年來(lái)我國(guó)學(xué)者也開(kāi)始嘗試在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上提出或改進(jìn)渦漩自動(dòng)識(shí)別與跟蹤算法。Yong 等（2006） 提出了一種多重分形濾波的方法來(lái)從遙感數(shù)據(jù)源中提取渦漩形態(tài)。Wang 等（2013） 對(duì)Chelton 等（2011） 提出的SSH 算法進(jìn)行了改進(jìn)，以克服渦漩多渦構(gòu)造給識(shí)別跟蹤算法帶來(lái)的困難。Yi 等（2013） 則嘗試結(jié)合傳統(tǒng)的OW 方法和SLA極值點(diǎn)提出一種混合式的方法，充分利用了兩者優(yōu)勢(shì)，提高了渦漩識(shí)別的準(zhǔn)確性，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)多渦復(fù)雜結(jié)構(gòu)的識(shí)別計(jì)算。

2.4 海洋時(shí)空?qǐng)龇治龅乃伎?/h3>

前面從海洋場(chǎng)重建、鋒面特征和渦漩特征提取的方法回顧了海洋時(shí)空?qǐng)龇治龅难芯窟M(jìn)展。事實(shí)上，這3 方面并不能涵蓋海洋時(shí)空?qǐng)龇治鏊械木唧w案例研究，每一方面也難以進(jìn)行概括性總結(jié)，比如時(shí)空?qǐng)鲋亟ㄖ?，關(guān)于插值或恢復(fù)的算法不計(jì)其數(shù)，那么哪些當(dāng)屬于海洋時(shí)空?qǐng)龇治龅膬?nèi)容呢？海洋時(shí)空?qǐng)龇治鲎鳛楹Ｑ驡IS 重要的構(gòu)成部分，應(yīng)當(dāng)研究哪些內(nèi)容，從何種角度進(jìn)行研究才會(huì)對(duì)海洋GIS 的時(shí)空分析理論方法具有最直接的推動(dòng)作用？這些都是值得海洋GIS 研究者思考的地方。當(dāng)前研究大體采用思路是針對(duì)特定問(wèn)題，采用一種可能適合該場(chǎng)景的方法，于是方法紛呈且散亂。那么是否可以構(gòu)建一個(gè)成體系的理論或方法體系，以作為海洋地理信息系統(tǒng)時(shí)空分析獨(dú)特的基礎(chǔ)理論或方法體系，將會(huì)成為海洋時(shí)空?qǐng)龇治鲇兴黄频碾y點(diǎn)！

3 海洋信息可視化

海洋信息可視化，不僅僅是針對(duì)海洋數(shù)據(jù)的視覺(jué)表現(xiàn)，也是一種重要的分析手段，可以通過(guò)它完成可視化分析，獲取蘊(yùn)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(duì)海洋信息可視化提出了新的需求（Chen et al，2009；He et al，2010）。與海洋數(shù)據(jù)模型相似，海洋GIS 可視化工作也從2 維走向高維，從靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)，從單一尺度向兼容多尺度過(guò)渡。計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及硬件技術(shù)的發(fā)展，也使海洋信息可視化進(jìn)入更加直觀更加現(xiàn)實(shí)化的階段。海洋信息的可視化可以按維數(shù)、方法或主題等來(lái)分，這里按表現(xiàn)數(shù)值或表現(xiàn)現(xiàn)實(shí)來(lái)分。

3.1 海洋要素?cái)?shù)值可視化

海洋要素可視化多著重于對(duì)海洋溫度、鹽度的研究，通常利用連續(xù)的海洋場(chǎng)實(shí)現(xiàn)海洋溫度、鹽度的可視化，一般表示為曲面或者體。在傳統(tǒng)的三維表現(xiàn)方面，多采用插值算法生成海洋要素場(chǎng)，如涂超（2007） 采用多重二次型插值算法，高錫章等（2011） 采用擴(kuò)展克里金和距離反比插值算法，馮杭建等（2010） 對(duì)二、三維模擬分別進(jìn)行插值并討論海洋多維可視化效果，范麗民等（2012） 采用基于三角網(wǎng)格和模糊聚類(lèi)，李德仁等（2012） 利用四面體計(jì)算三維等值面。

隨時(shí)序數(shù)據(jù)的增加，人們開(kāi)始在海洋GIS 上采用動(dòng)態(tài)方式表現(xiàn)海洋過(guò)程，展現(xiàn)時(shí)間連續(xù)的海洋場(chǎng)景（孫曉宇，2005；黃杰，2008；Liu et al，2010）。Li 等（2011） 開(kāi)發(fā)4 維系統(tǒng)，模擬分析不同位置海洋溫度剖面情況。Song 等（2010） 基于數(shù)據(jù)類(lèi)型和海洋數(shù)據(jù)采集方法，提出了海量多維海洋數(shù)據(jù)處理模型，可模擬海洋溫度和壓力變化。Wei 等（2010） 利用GPU 技術(shù)，從體渲染角度表現(xiàn)海洋溫度情況。劉文亮等（2009）、肖如林等（2010） 則從遠(yuǎn)程可視化的環(huán)境中采用柵格層的多幀連續(xù)傳送方式實(shí)現(xiàn)海洋溫度場(chǎng)的可視化。渲染方式除傳統(tǒng)的面渲染，也發(fā)展了基于體渲染的可視化（Berberich et al，2009，）。在確定性的可視化外，也發(fā)展了基于不確定性分析的可視化（Dinesha，2012）。

海洋動(dòng)力要素可視化既可以通過(guò)求解數(shù)學(xué)物理方程實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的模擬，也可以通過(guò)矢量場(chǎng)的形式用符號(hào)表現(xiàn)出來(lái)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于海洋動(dòng)力學(xué)要素可視化的研究多集中在海洋流場(chǎng)信息的可視化上。He 等（2010） 通過(guò)將海洋流場(chǎng)的多層表達(dá)和時(shí)刻動(dòng)態(tài)幀的方式，通過(guò)WebGIS 來(lái)遠(yuǎn)程表現(xiàn)海流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Butkiewicz（2011） 設(shè)計(jì)三維立體渲染系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海流不同深度處流態(tài)的可視化模擬。

3.2 海洋虛擬現(xiàn)實(shí)可視化

海洋虛擬現(xiàn)實(shí)可視化探討如何利用虛擬技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)海洋這一客體的可視化，突出真實(shí)感和沉浸性。目前海洋虛擬現(xiàn)實(shí)的研究較多在于“虛擬”，急需開(kāi)展利用虛擬技術(shù)將實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行“現(xiàn)實(shí)”的可視化。

海表面可視化的主要對(duì)象是海浪，逼真的海浪應(yīng)當(dāng)在時(shí)間和空間上都具有不規(guī)則性和非重復(fù)性。目前模擬方法主要有幾何模型、統(tǒng)計(jì)模型和物理模型等，但往往采用這幾種方法的結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)逼真效果。

幾何模型法有凹凸紋理映射方法（bump mapping）、高度場(chǎng)方法（height field） 和Gerstner-Rankine 模型方法等，Chiu 等（2006） 采用高度場(chǎng)方法獲得海面的高度紋理，并用于海面的動(dòng)態(tài)變化；李蘇軍（2006） 在Gerstner-Rankine 模型中引入概率，采用視點(diǎn)相關(guān)的圓形網(wǎng)格完成海面高度場(chǎng)的采樣，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)連續(xù)分辨率海浪表現(xiàn)的建模與繪制；韓元利（2007） 改進(jìn)了Gerstner 模型，通過(guò)引入一些物理運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)可實(shí)現(xiàn)更為逼真的效果。

統(tǒng)計(jì)模型可以對(duì)海浪外觀特征進(jìn)行描述，或?qū)Σ▌?dòng)構(gòu)成譜（Spectrum） 內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。皮學(xué)賢（2006） 提出了基于Perlin 噪聲分形面的海面場(chǎng)景建模與繪制算法，采用不同頻率的Perlin 噪聲疊加實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)海面模擬。呂文靜（2007） 在Perlin 噪聲的基礎(chǔ)上，采用余弦波模擬由風(fēng)力造成的方向波，并通過(guò)光照加強(qiáng)達(dá)到模擬海面的逼真效果。陳?。?011） 采用粒子系統(tǒng)方法產(chǎn)生了較為逼真的浪花。李晨輝（2011） 采用Phillips 譜構(gòu)建基本的海浪模型。

物理模型則可以對(duì)海浪內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬，一般通過(guò)求解納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation，簡(jiǎn)稱(chēng)NSE） 來(lái)實(shí)現(xiàn)流體的模擬，物理真實(shí)感和視覺(jué)真實(shí)感都比較高。其還衍生出光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法（Losasso，2008）和淺水方程（Chentanez，2010） 等。

在對(duì)海洋模擬渲染時(shí)，多采用LOD 技術(shù)，主要方法有矩形網(wǎng)格方法、靜態(tài)網(wǎng)格方法、投影網(wǎng)格方法和圓形網(wǎng)格方法等。Yuri（2005） 提出放射性網(wǎng)格采樣方法，實(shí)現(xiàn)了鳥(niǎo)瞰方式較自然的LOD 效果。Xin（2006） 提出了多分辨率嵌套規(guī)則網(wǎng)格的方法，可有效地繪制海面區(qū)域，利于GPU 加速效果的實(shí)現(xiàn)。Eric（2010） 考慮了雙向反射分布（BRDF） 對(duì)海水著色的影響，較大程度地提高了海水著色的效果。李晨輝（2011） 提出了一種類(lèi)似Geomipmapping 的模型，將海面劃分為近遠(yuǎn)網(wǎng)格，以適用于大規(guī)模海面的繪制。

海中水體環(huán)境的模擬涉及光線與海水的交互作用?？涛g（caustic） 是常見(jiàn)的水下光聚集現(xiàn)象。Musawir（2007） 為避免復(fù)雜的幾何檢測(cè)提出基于圖像空間的刻蝕圖算法。Wyman（2008） 提出了分層次刻蝕圖方法，該方法能夠提高繪制速度，并且支持多光源。Spencer（2009） 提出松弛光子（photon） 算法，刻蝕效果更為柔和。Cem（2009）基于高度場(chǎng)模擬水刻蝕效果。海洋水體內(nèi)光的表現(xiàn)也是虛擬的關(guān)鍵之一，Hu（2010） 基于刻蝕體的理論及光線繪制法，考慮了點(diǎn)光源對(duì)光線衰減的影響，較為逼真地模擬了水下光束效果。

3.3 海洋現(xiàn)象可視化

前面的海洋場(chǎng)數(shù)值可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)可視化，主要還是基于場(chǎng)或柵格得以實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，根植于海洋離散場(chǎng)上的一些海洋現(xiàn)象，如大型西邊界流、渦漩、流隔、躍層、水團(tuán)等，常常能希望以矢量對(duì)象來(lái)可視化，這方面的研究目前較少。

在海洋現(xiàn)象的表達(dá)過(guò)程中，海風(fēng)和海霧分別通過(guò)對(duì)波浪、以及天空背景的霧化效果來(lái)表現(xiàn)。波浪的跌宕起伏在一定程度上顯示了海風(fēng)的大小，一般是在對(duì)海浪模擬的同時(shí)，加入模擬海風(fēng)的方向性函數(shù)。對(duì)于海洋現(xiàn)象的其它方面，Berberich（2009）實(shí)現(xiàn)了對(duì)臺(tái)風(fēng)的模擬。馮文娟（2007） 提出時(shí)空過(guò)程網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)技術(shù)，模擬臺(tái)風(fēng)動(dòng)態(tài)變化。薛存金（2008） 提出了基于特征的線過(guò)程時(shí)空數(shù)據(jù)模型，并利用此模型實(shí)現(xiàn)了海洋鋒的動(dòng)態(tài)模擬。Williams（2011） 從獲得的高分辨率海洋數(shù)據(jù)中模擬分析渦漩變化。

3.4 海洋可視化研究的思考

從前面的海洋信息可視化研究分析來(lái)看，大體上可以分成體現(xiàn)科學(xué)數(shù)值的可視化和滿足視覺(jué)感受的可視化，區(qū)別是可視化結(jié)果是否可以讀出數(shù)值。事實(shí)上，從海洋地理信息系統(tǒng)的角度來(lái)要求，是需要兩者的統(tǒng)一，即能讀出數(shù)值又能滿足主觀感覺(jué)需求。由此，與數(shù)據(jù)模型的二元性相似，海洋可視化也存在二元統(tǒng)一問(wèn)題，這也是未來(lái)海洋信息可視化研究值得注意的地方。

4 海洋信息服務(wù)

面對(duì)海洋領(lǐng)域中日益增強(qiáng)的數(shù)據(jù)獲取能力、日益廣布的海洋機(jī)構(gòu)、日益增多的海洋應(yīng)用，海洋地理信息服務(wù)的需求日益迫切。海洋數(shù)據(jù)的集成、共享和服務(wù)主要面對(duì)的問(wèn)題和研究主要有：1） 數(shù)據(jù)資源來(lái)源廣泛而形式異構(gòu)；2） 數(shù)據(jù)表達(dá)和語(yǔ)義差別導(dǎo)致不可比較而無(wú)法集成分析；3） 數(shù)據(jù)和系統(tǒng)功能重復(fù)開(kāi)發(fā)而復(fù)用程度低；4） 信息系統(tǒng)因各自開(kāi)發(fā)或業(yè)務(wù)不同，彼此間流程、機(jī)制和形式等存在差異而無(wú)法協(xié)同；5） 數(shù)據(jù)、設(shè)備和人員在網(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)和行為各異而不能有效獲取或聯(lián)合。

當(dāng)前研究則更多地強(qiáng)調(diào)處于網(wǎng)絡(luò)中的海洋信息如何快速精準(zhǔn)地被獲取、融合和動(dòng)態(tài)聚合等。主要涉及的研究包括海洋數(shù)據(jù)的異質(zhì)性、動(dòng)態(tài)性、海量性在網(wǎng)絡(luò)中的統(tǒng)一、封裝和漸進(jìn)式傳輸?shù)龋╔ue et al，2008；Li et al，2011；周成虎 等，2013）。未來(lái)的發(fā)展將是融入更多的智能化以實(shí)現(xiàn)信息的主動(dòng)服務(wù)。

我國(guó)在海洋環(huán)境信息集成與服務(wù)的理論方法研究方面，主要開(kāi)展了海洋信息服務(wù)的本體方法、異構(gòu)數(shù)據(jù)歸一化、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)一站式服務(wù)、服務(wù)的描述與查找、海洋過(guò)程遠(yuǎn)程可視化、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的服務(wù)聚合等研究（He et al，2010；Li et al，2011；王敬貴等，2004），在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，較早地進(jìn)行了數(shù)字海洋原型系統(tǒng)、海洋信息網(wǎng)格、海岸帶海洋遙感信息云處理等方面的探索（蘇奮振等，2006；He et al，2010）。當(dāng)前研究在于模型的集成和虛擬數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等（周成虎等，2013）。

各國(guó)的海洋數(shù)據(jù)中心紛紛開(kāi)展海洋地理信息服務(wù)的相關(guān)工作，比如美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心（NODC）、中國(guó)國(guó)家海洋信息中心（NMDIS）、日本國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心（JODC）、英國(guó)的國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心（BODC）、荷蘭國(guó)家海洋數(shù)據(jù)委員會(huì)（NODC of Netherlands） 等。全球數(shù)據(jù)中心（WDC）網(wǎng)絡(luò)把海洋信息網(wǎng)列為重要組成部分，提供了大量海洋、海岸帶的數(shù)據(jù)。美國(guó)的WDC-A 海洋學(xué)中心已建立了國(guó)家級(jí)的海洋資料數(shù)據(jù)庫(kù)群和世界海洋資料 數(shù) 據(jù) 庫(kù)WOD94、WOD98、WOD01、WOD05，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將多個(gè)分布式海洋資料數(shù)據(jù)庫(kù)集成在一起，提供元數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)查詢和產(chǎn)品查詢等共享服務(wù)功能（李海濤，2007）。

在海洋空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，美國(guó)、英國(guó)、加拿大、澳大利亞、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都在大力建設(shè)空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（SDI），一些發(fā)展中國(guó)家如伊朗、馬來(lái)西亞等國(guó)也都在積極推進(jìn)。這些SDI 建設(shè)都十分注重海洋空間信息問(wèn)題（夏登文，2006）。由國(guó)家海洋局組織實(shí)施的“中國(guó)近?！?dāng)?shù)字海洋’信息基礎(chǔ)框架構(gòu)建”匯集了我國(guó)海洋信息化服務(wù)的相關(guān)單位，集成了相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)，在數(shù)字海洋系統(tǒng)建設(shè)方面取得了可喜進(jìn)展（石綏祥等，2011；張峰等，2012）。

在歐盟MAST 計(jì)劃的倡導(dǎo)、EESD 計(jì)劃擴(kuò)展下建立了Sea-search 門(mén)戶網(wǎng)站，提供有效的導(dǎo)航工具，以方便快捷地存取歐洲各國(guó)海洋數(shù)據(jù)中心所管理與發(fā)布的海洋學(xué)數(shù)據(jù)，共享歐洲各國(guó)在海洋學(xué)、海洋數(shù)據(jù)和信息管理方面的經(jīng)驗(yàn)和技能，如數(shù)據(jù)監(jiān)控、跟蹤、質(zhì)量控制、處理、建檔、深加工、數(shù)據(jù)分析、元數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)、同化和數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署則利用Internet 的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，為用戶提供一個(gè)注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)、訪問(wèn)、分發(fā)和使用的一站式（one-stop） 方法，提供了污染源分類(lèi)、海域、海岸帶管理框架和經(jīng)濟(jì)部門(mén)等四個(gè)門(mén)戶入口。

美國(guó)海洋觀測(cè)知識(shí)集成網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)室（LOOKING） 項(xiàng)目將海洋觀測(cè)集成為一個(gè)知識(shí)網(wǎng)格（knowledge grid），以實(shí)現(xiàn)終端用戶控制可擴(kuò)展的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、?；鶄鞲衅骱蛣?dòng)力監(jiān)測(cè)儀器的數(shù)據(jù)流無(wú)縫集成、基于網(wǎng)格的海洋數(shù)據(jù)管理、海洋建模和數(shù)據(jù)同化的集成的遠(yuǎn)程計(jì)算、分析、綜合、可視化，并建立與其它海洋觀測(cè)計(jì)劃的互操作和數(shù)據(jù)交換工具。英國(guó)NERC DataGrid（NDG） 項(xiàng)目是受?chē)?guó)家e-Science 計(jì)劃資助的海洋數(shù)據(jù)網(wǎng)格項(xiàng)目，旨在利用網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)、傳輸和利用，讓網(wǎng)絡(luò)用戶以可視化服務(wù)方式訪問(wèn)分布在英國(guó)不同機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)。

美國(guó)的海洋元數(shù)據(jù)互操作項(xiàng)目（MMI，Marine Metadata Interoperation），可以實(shí)現(xiàn)海洋領(lǐng)域數(shù)據(jù)共享。它提供了一個(gè)開(kāi)放的海洋資源共享平臺(tái)，任何組織和個(gè)人都可以將海洋相關(guān)的信息注冊(cè)到MMI中，并利用MMI 平臺(tái)為用戶注冊(cè)的資源做統(tǒng)一的管理、組織和宣傳，以便其他組織發(fā)現(xiàn)和使用這些資源。

當(dāng)前海洋信息服務(wù)的研究紛呈，實(shí)際應(yīng)用也熱鬧非凡，各家往往也會(huì)關(guān)注元數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)本體的研制。每一個(gè)系統(tǒng)都將數(shù)據(jù)與海洋客體對(duì)象進(jìn)行映射，于是每個(gè)系統(tǒng)存在一個(gè)系統(tǒng)力圖表達(dá)的海洋客體和用于表達(dá)客體的數(shù)據(jù)，這也是一種二元結(jié)構(gòu)。問(wèn)題在于海洋客體本身是裝不進(jìn)系統(tǒng)的，于是本體作為海洋客體而存在以供人們查找、管理和使用這些數(shù)據(jù)。進(jìn)一步地，這個(gè)本體依然是大腦的產(chǎn)物，盡管客體對(duì)象相同，但客體對(duì)象的思維反映卻難以相同，因此如何利用本體完成海洋信息服務(wù)，將會(huì)成為未來(lái)海洋GIS 信息服務(wù)研究的一個(gè)重點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

前面從近年來(lái)海洋數(shù)據(jù)模型、海洋時(shí)空?qǐng)龇治?、海洋信息可視化和海洋信息服?wù)等方面對(duì)當(dāng)前海洋GIS 研究做了概要描述，以反映海洋GIS 的最新研究進(jìn)展。這些研究一方面反映了研究的深入，另一方面也引發(fā)了思考，特別是對(duì)立性思考或二元性在海洋GIS 研究中無(wú)處不在。

隨著海洋研究與開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，海洋觀測(cè)技術(shù)與相關(guān)信息技術(shù)手段的推陳出新，長(zhǎng)時(shí)間高密度海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，海洋GIS 作為對(duì)多變量、超空間海洋數(shù)據(jù)的多層次、多視角訪問(wèn)與分析的基礎(chǔ)理論、方法和技術(shù)，正加強(qiáng)在快速、時(shí)空互動(dòng)的人機(jī)交互過(guò)程方面的研究，使塵封的、歷史的、當(dāng)下的和實(shí)時(shí)的，乃至虛擬的數(shù)據(jù)發(fā)揮應(yīng)有作用。

與此同時(shí)，海洋GIS 在數(shù)字海洋和智慧海洋中，扮演了一個(gè)基礎(chǔ)而又核心的理論、方法和技術(shù)角色，其前端是一個(gè)可交互的可視的虛擬海洋，支撐它的是一個(gè)海洋信息完全多向流動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)，以接納海洋信息采集與傳輸，為海洋信息服務(wù)提供界面和途徑，滿足決策支持、公眾信息服務(wù)的需要，為海洋開(kāi)發(fā)、綜合管理、執(zhí)法監(jiān)察和國(guó)家安全決策提供服務(wù)，它將有效地提高社會(huì)公益水平，實(shí)現(xiàn)社會(huì)持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)與同類(lèi)技術(shù)的大融合大發(fā)展。

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