海洋地理信息系统的应用现状及其发展趋势

联合国环境与发展大会（UNCED，1992）提出21世纪是开发利用海洋的世纪，随着海洋科学的迅速发展，拥有资源丰富的广阔海洋已经成为国际竞争的重要领域。海洋科学考察工作通常需要耗费大量的人力物力进行实地探测，进而获得海洋科学研究和开发工作所需要的数据，所获得的数据往往保密性较高，同时这些数据资料还具有动态性、海量性等不同于陆地调查数据的特点，对这些数据资料的合理管理和应用将有利于推进海洋科学的发展，这离不开信息技术的支持。地理信息系统（以下简称GIS）经过30多年的发展与完善，因为其在空间信息存储、处理、分析、管理、显示及应用方面展现出的强大优势，及在众多领域的成熟应用，已逐渐被应用于海洋研究领域。海洋地理信息系统（以下简称MGIS）是GIS技术结合海洋科学特点形成的海洋领域研究的强有力的工具和工作平台，日益受到人们的重视。

一、MGIS

经过多年的研究应用发现，如果说GIS是在计算机硬件和软件系统支持下对整个或部分地球表面与空间分布的各类空间数据进行采集、存储、管理、检索、分析和可视化表达的技术系统，那么，MGIS则不仅仅是GIS在海洋环境中的直接应用，而是适应海洋科学发展趋势和海洋数据环境特征的信息系统。MGIS是海洋科学、信息科学、计算机科学与测绘科学的交叉学科，与数据库技术、GIS、RS、GPS等技术息息相关。

MGIS是在计算机硬件条件和软件系统的支持下，以海底、海面、水体、海岸带及大气的自然环境与人类活动为研究对象，对各种来源的空间数据进行处理、存储、集成、显示和管理，进而作为平台为用户提供综合制图、可视化表达、空间分析、模拟预测及决策辅助等服务，并且结合Web技术可以实现海洋数据和相关MGIS功能的实时共享，其在海洋科学上的使用将改善现有的海洋数据的管理方式，大大提高海洋数据的使用率和工作效率，为海洋科学各领域的研究深化开展提供了有力的技术支持，其基本概况如图所示。

MGIS是先进的GIS技术与海洋科学的有机结合，它的发展离不开GIS技术的发展和海洋科学研究的深入。GIS技术脱胎于地图，自1963年加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出“地理信息系统”概念后发展至今已趋成熟，ESRI等专业GIS软件公司相继成立。国内GIS技术起步较晚，但发展迅速，目前我国已陆续完成地形图数据库生产与建库，并且在诸多领域得到应用，还研制推出了SuperMAP、MapGIS等具有自主版权的GIS软件。GIS作为对空间信息数据进行收集、存储、快速访问、综合管理、智能分析和解决实际空间问题的有力工具，得到了海洋各领域专家的广泛关注。

20世纪60年代美国国家海洋测量局进行的航海自动化测图，是目前可以追溯到的最早的MGIS的研究和应用。自此，GIS技术在海洋领域得到应用，进入发展初期，部分研究者将GIS直接应用到海洋环境中，进行了GIS在海岸带管理上的初步应用，以及GIS在海岸带环境中的应用尝试。而真正意义上关于MGIS的第1篇文章，是由Maniey与Tallet合作发表的，在讨论了GIS在海洋数据的管理和显示功能的同时，还针对物理和化学海洋数据的真三维建模、可视化和定量分析进行了探讨，这标志着MGIS概念的真正确立，MGIS自此发展迅速。诸多欧美国家的海洋学家和地理学家对GIS在海洋应用中进行了多方面探索，如美国设立了RIDGE调查计划，利用GIS的空间分析功能进行航线、测点等的设计，管理多传感器数据以及制作专题地图等。前期MGIS的相关研究都是在现有的为陆地应用开发的GIS平台基础上进行的，有研究者就针对GIS在陆地和海洋应用中的重要差别，设计开发了具有海洋数据可视化、空间分析和专题地图制作等多功能集成的海洋信息系统。也开始出现一些综合性的MGIS为海洋研究者提供服务，例如，美国蒙特利海湾水族馆建立的蒙特利海湾海洋地理信息系统利用获得的高质量数据进行误差分析，来提高被搁置老数据的使用率。MGIS发展至今，全世界范围内MGIS技术相关系统平台也逐渐增多，大部分集中于海岸带管理、环境分析监测、海洋渔业等方面，例如，西班牙圣地亚哥大学在已有的专家数据库基础上构建了TUNAFIS渔业信息系统，为渔民提供鱼群活动信息以提高渔业产量；美国国家海洋大气局（NOAA）建立了海洋规划与管理系统，为海洋开发人员提供法律允许范围内的海域范围的显示和分析功能，同时为解决海事争端提供帮助；针对加利福利亚海洋生命保护行动的需求设计并建立了MGIS系统来为决策者提供相关技术支持。

我国自20世纪90年代初开始，陈述彭院士就提出“以海岸链为基线的全球数据库”，大力倡导海洋GIS的研究与开发工作的全面开展。武汉大学资源与环境信息系统国家重点实验室自20世纪90年代中期以来就开展了海岸带空间应用系统预研究。众多研究者也纷纷将海洋研究中的诸多模型与GIS技术相结合进行研究，例如，在GIS平台的基础上根据潮流模型研究中国海的潮波系统以及建立用于极端海面风速预测及其结果可视化的MGIS等。目前，我国海洋基础数据库的建设取得了很大的进展，众多研究部门均在试图或已经初步构建满足各自需求的数据库；同时随着MGIS的成长与发展，已逐步形成了较为成熟的MGIS模型，如海洋渔业数据建模的扩展E-R方法，我国的MGIS应用领域也越来越广泛，出现了利用WebGIS技术构建与水动力数学模型耦合的MGIS平台以实现水动力数值模拟结果的动态生成和可视化等方面的研究。

二、MGIS的应用现状

随着对MGIS系统研究的不断深入以及相关技术手段的不断发展，MGIS作为海洋研究的重要手段开始被有意识地应用于海洋研究的各个领域。

⒈ 海洋渔业

自20世纪80年代起发展至今，国际上已经形成了一些较为成熟的渔业MGIS系统和软件。例如日本Saitama环境模拟实验室研发的MarineExpiorer，美国杜克大学、NOAA等联合研发的Are Marine和ArcGIS Marine Data Model，由Mappamondo GIS公司开发的Fishery Analytfor ArcGIS9.1等。我国直到20世纪90年代中期才开始相关研究，但是目前已有根据海洋863计划需求开发的海洋渔业GIS平台；基于东海渔业数据库搭建的实现生产指挥调度、资源保护的东海渔业渔政综合管理系统；东海经济渔业资源预测预警辅助决策支持系统；还有研究者利用GIS软件相关空间分析功能按年分析1967～2004年间印度洋金枪鱼生产数据，获得捕获种类产量及分布情况；分析单个环境因子对渔场产生的作用，进行渔情预报。虽然我国目前建立的渔业管理和服务系统大都具有地方性特点，但这些都是MGIS在海洋渔业方面的开发和应用进行的有益尝试。MGIS在海洋渔业方面的应用主要涉及渔业资源评估、动态监测与预报、渔业资源分布与环境的关系、水产养殖选址、鱼类栖息地制图与综合分析管理等。

⒉ 海洋资源开发与管理

海洋中蕴藏丰富的矿产资源，MGIS的空间分析功能和虚拟现实技术能出色完成海洋成矿特点和规律的探索，为海洋资源的开发与管理提供科学依据。美国矿产资源管理服务部门与ESRI公司合作针对墨西哥湾的海洋油气资源勘探和开发，建立了深水GIS系统；国内也基于MapGIS平台探讨了海洋矿产资源评价中的某些方法的应用方案和实现途径；中科院遥感应用研究所以遥感信息数据位基础建立了海洋数据库，开发了海洋油气评价模型，并实现了其结果的可视化。这项研究在海洋863计划海洋探查与资源开发专题中在南海海域进行了应用，以GIS为中心集成各种技术开发了一整套经济、快速、有效的海洋油气资源预测集成系统，为我国海洋地理信息系统的研究奠定了一定的基础。

⒊ 海洋环境评价、监测和保护

美国卡罗莱纳州区域海洋观测预报系统将研究区实时的观测资料与GIS结合，快速准确定位灾害影响区，为卡罗莱纳州及周边海域的相关部门提供灾害预防和救助工作辅助。国内则出现了面向管理决策层的可视化环境监测评价动态系统——河北省海洋环境保护信息系统，对海洋环境质量进行评价和监测；以SuperMap为基础平台实现环境分析、三维动态模拟，流场动态显示和查询功能的长海县海域生态环境评估信息系统；还有利用WebGIS技术对海洋环境监测数据进行实时聚类分析整合，实现有害藻类密度快速预测。MGIS利用环境监测统计、水文、气象、化学、地质、地球物理和灾害等数据，实现环境质量监测评价、灾害预测预报及决策辅助，为保护海洋环境、保证海洋资源可持续发展和海上生产安全服务。

⒋ 区域海洋综合管理

海岸带是地球表面最为活跃的自然区域，而专属经济区则蕴藏有丰富的矿产和生物资源，MGIS就是对这些区域进行全面调查、监测、合理规划和管理的有力工具。欧洲北海四国支持SEAGIS工程开发了海岸带管理规划系统框架；美国在州一级的海洋管理地理信息系统基础上开发了包括卡罗莱纳州、佐治亚州、佛罗里达州、专属经济区周边的海洋区域以及海洋边界的区域性模式；国内几家单位联合研制出了中国海岸带与近海环境遥感监测与信息系统集成技术体系；也有研究者以SuperMap为基础平台构建了南海分局基础地理信息系统，系统对管辖海域海图和功能区划、海底管缆、石油平台、遥感影像图等数据进行综合管理，为南海分局指挥决策提供准确、及时、全面的信息支撑。

⒌ 其他领域

除以上介绍的应用领域外，MGIS还广泛应用于海洋划界、海洋工程、海上旅游、海运交通和海洋监察执法等方面。例如，利用MGIS技术，结合虚拟现实和碰撞检测，建立一个实时交互的三维海上溢油可视化信息系统，实现了溢油漂移扩散的动态模拟，为溢油紧急处理提供决策辅助。海洋生物地理信息系统（OBIS）作为45个国家共同参与的国际海洋生物普查计划的重要组成部分，是包含有海洋生物多样性、分布和丰度等信息的全球在线网络系统，实现了多来源生物、物理和化学海洋数据评估、集成分析以及多维动态再现。也有研究者在海洋数据管理和可视化等方面进行了尝试，例如设计开发三维虚拟海洋实现了网格环境下多源海洋环境信息多维时空特征分析和三维海洋环境场景构建；以及针对海洋调查数据的保密性及安全性需求，设计了基于C／S模式的海洋地质调查数据保密框架等。

三、应用中面临的问题

随着MGIS在海洋各研究领域应用的不断深入，相较于陆地GIS的不同也愈加明显，由于海洋数据的特殊性和国内海洋科研实际情况，MGIS在应用过程中也面临着一些问题。

⒈ 数据缺乏

虽然海洋探测技术和相关信息技术飞速发展，环境、生物、地质、地球物理、地球化学等数据资料呈指数增长，但是由于海洋面积广阔，这些数据资料往往分布离散，而且由于信息技术更新速度快，以前调查获得的许多数据由于精度不够，存储格式不统一，数据字段不足等种种原因无法使用于MGIS，需要挖掘与提取所需的信息，进一步开展大范围的海洋科学调查，同时注意海洋科考数据精度的进一步提高。

⒉ 数据异构性

海洋科学考察工作一般是由不同单位部门在不同时期甚至使用不同的设备进行，同时由于实际工作过程中存在很多不可预知的情况，数据的时间参考标准、空间参考标准、结构标准和存储格式等，需要由各个部门考虑具体情况来确定，采样密度、数据精度和总体分辨率也不尽相同，这样造成的海洋调查资料数据的异构性无疑对MGIS的应用造成了一定困扰。

⒊ 数据表达困难

数据如何合理表达是MGIS面临的难题，在海洋这个研究环境中，事物和数据的表达往往不是那么直观，大部分没有固定的特征，静态特性较少，即使海岸线也不是一成不变的，因此，陆地的地理数据产品例如多比例制图就不能直接应用于海洋。同时，海洋科学在处理问题的过程中，通常要用到要素场这一概念，但是如何对要素场进行合理的组织表达目前还没有统一的看法。此外，海洋现象包含的信息一般还具有模糊性和不确定性，缺乏硬性框架，这诸多因素使得海洋数据的表达区别于陆地空间现象的表达，陆地GIS中相对成熟的数据结构和组织方法无法得到应用，因此，造成数据表达上有一定的困难。

⒋ 缺乏专业的MGIS软件

目前设计构建的诸多海洋地理信息系统中很大一部分是基于ArcGIS或mapGIS、SuperMap等平台构建，甚至是独立开发的专用软件都借鉴了这些传统GIS软件的处理模式，因此存在着传统GIS的一些共性问题，如对大范围区域处理能力弱，三维空间数据组织、表达和综合分析能力不足，而海洋数据具有离散性，数据在较大范围内可能分散分布，需要进行综合分析，且时空特性明显，一般是三维甚至四维的数据，因此，现有的诸多MGIS并不能准确表达海洋数据，实现高精度的空间分析，需要更针对海洋数据特征的能实现大范围空间分析和多维数据表达的专业的MGIS软件的出现。

⒌ 开放性不足

由于海洋调查通常都耗费了大量的人力物力，部分数据在军事、国防建设上也具有重要的价值和意义，海洋数据通常保密性较高，但是大部分非保密海洋数据由于所在系统开放性不足及不同系统间构建标准不一等原因无法实现数据和服务的共享，这种研究方式工作效率不高，数据使用率低下，导致了各种信息资源的浪费，面向大众更加开放化的MGIS系统仍然有待建设。随着海洋科考的大范围展开和海洋调查仪器的不断更新，海洋数据精度不断提高，数据量迅速累积，如数据缺乏等问题将会得到改善；而由于MGIS技术的快速发展，众多研究者对于MGIS研究应用的不断深入，相信数据异构性、表达困难、缺乏专业的MGIS软件及开放性不足等问题也会得以解决。

四、发展趋势

目前，我国地理信息技术和应用已取得了巨大的发展，地理信息产业也初具规模，结合GIS未来的发展方向和MGIS在实际应用中面临的困难综合分析，具体来说，今后MGIS的发展主要有以下几个方面：

⒈ Web技术与MGIS的结合

目前，我国的MGIS的研究与应用的主要范围集中在一些政府部门和科研机构，社会普及程度不高，无法进行共享，无形之中造成了许多资源和信息的浪费。是Internet技术与GIS技术的完美结合，在Web上发布空间数据，用户通过Internet的任意节点就可以浏览WebGIS系统的空间数据、制作地图及进行各种空间检索和分析，甚至提供预测和决策支持。利用Web技术与MGIS平台的完美结合，提高数据的共享与开放程度，让广大科研工作者将有限的数据资料发挥更大作用，减少MGIS重复建设和数据的重复获取，这样不仅提高信息获取的效率，同时也降低了信息服务者的工作强度，可以通过网络方便、快速、及时地提供强大的地理信息服务功能到需要的地方，发挥MGIS在科学研究、政府决策、国防建设和文化教育等行业的应用价值，这对推动海洋科学研究进程是十分必要的。

⒉ 三维、四维MGIS与虚拟现实技术结合

现阶段大部分的MGIS平台都支持点、线、面三类空间物体，是二维分析显示的。但是海洋环境特殊，海洋数据空间属性较强，用二维的形式进行这些三维甚至是四维海洋数据的表达从某种程度上来说是不够完整的。同时，虚拟现实技术与MGIS的结合可以模拟现实中的海洋环境形成虚拟的立体实体，进而改善数据成果表达与输出方式，提高MGIS的人机交互程度和空间数据表达的真实性，甚至可以通过视觉、听觉、触觉等来感知海洋环境。三维和四维MGIS的数据结构，空间对象描述方法，与虚拟现实技术的结合等都是MGIS的一个重要研究方向，也是MGIS发展的必然。

⒊ 多学科综合

GIS技术是多学科交叉派生的综合科学，3S（GIS、RS、GPS）和5S（3S加上数字摄影测量系统DPS、专家系统ES）的集成，使得测绘、制图、地理、遥感、管理和决策科学相互融合，成为实时空间分析和决策支持的工具。同样，MGIS的研究和应用也应该不仅仅局限于海洋科学，更多的还要涉及社会科学、自然科学、管理科学和决策科学等诸多领域，是全球性、综合性的，MGIS与诸多学科的集成研究，能满足人们的实际需求，使其发展更贴合现实，是MGIS发展的必由之路。

⒋ MGIS产业化

我国GIS产业从无到有发展至今已有相当的产业规模，目前，全球GIS产业及我国GIS企业发展迅速。因此，MGIS的发展也有产业化趋势，通过产业化发展，将推动专业MGIS软件的出现，为海洋科学研究提供更为合适、专业和先进的MGIS服务。

⒌ 全球尺度的MGIS

随着海洋科学的研究的不断深入，很多研究人员发现，海洋的许多变化并不能与大范围尺度割裂开来，海洋变化是全球范围的，海洋研究也应该逐渐向全球尺度发展，而这些全球性的研究课题并不是单独的某几个国家或学者就能完成的，需要国际性质的合作，全球尺度的技术合作是发展的趋势。全球性的海洋研究必须建立在大量的全球性、实时性、动态性的观测资料基础上，常规方法很难处理而且不易提取专业信息，为了更有效的对全球尺度的海洋科学研究进行数据存储、分析和处理、输出，全球尺度的MGIS已是大势所趋。

五、结论

广阔的海洋，拥有丰富的各项资源，是现在和未来世界各国经济发展的重点区域和争夺的焦点。由于GIS技术的迅速发展、强大的空间处理能力及其在各领域的广泛应用，MGIS也必将在海洋各领域的研究、管理、应用和决策等各层面中起到重要的作用。MGIS技术作为一个新的研究领域，在很多方面还不够成熟，我国在MGIS领域的工作也才刚刚起步，大力加强MGIS技术的研究力度，深入开展其在海洋各领域的实际应用，将推动我国海洋科学的发展，具有的经济、社会和战略意义。

转载自：http://uzone.univs.cn/news2_2008_751368.html