（环境工程专业论文）基于gis的海洋流场分析方法.pdf

基于gi s 的海洋流场分析方法 摘要 g i s 技术飞速发展，在自然科学及应用的许多领域已进入实用阶段。但由于 海洋结构复杂，动态多变，水体要素之间的相关性大、边界模糊，结构特衙4 i “ 观等原因，使得g i s 在海洋中的应用存在特殊的困难。本文试图以海流( ：1s 分析 为突破口，开展海洋的g i s 应用研究。显然，其首要问题是流场的g i s 表达问题。 为此，首先总结了物理海洋学家从海流数据中分析的主要信息类型；归纳了物理 海洋学中流场常用的五种表示方式，即断面平均流速矢量表示、大丽流场的分景 表示、定点时间序列和流径表示等。针对海流的上述表示方式，分别给“j 了相应 的g i s 表达，这构成了本文的主要工作。在上述工作的基础上，进一步给出了相 应的g i s 操作示例，以证明所发展的流场g i s 表达方式的可行性。最后指出了本 文所获得的结论及进一步的工作。 关键词：流场表达g i s a na n a i y s ism e t h o do f m a r ib ec u rr e n tb a s e do nt h eg i s a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fg i st e c h n i q u e s ，g i st e c h n i q u e sh a v ec o m ei n t o a p p l i e dp e r i o di nt h ef i e l do fn a t u r a ls c i e n c ea n do t h e ra p p l i c a t i o nf i e l d s f o rt h e r e a s o n so fc o m p l e xm a r i n es t r u c t u r ew i t hm u c hd y n a m i cc h a n g i n g ，c l o s er e l a t i o n s h i p a m o n gf a c t o r si nb o d yo fw a t e r , d i mb o r d e r l i n e ，a n ds t r u c t u r ec h a r a c t e ra r ei n d i r e c t l y p e r c e i v e dt h r o u g ht h es e n s e ，w h i c hi se s p e c i a l l yd i f f i c u l tf o ra p p l y i n gg i s t ot h ef i e l d o fo c e a ns c i e n c e t a k em a r i n ec u r r e n tg i sa n a l y s i sa sak e y , t h i sp a p e rt r i e st o d e v e l o pg i sa p p l i c a t i o ns t u d yi no c e a n o g r a p h yf i e l d i ti se v i d e n tt h a tt h ef i r s t p r o b l e mt h a tn e e d st ob es o l v e di sg i se x p r e s s i o no f m a r i n ec u r r e n tf i e l d t h e r e f o r e t m o s t l yi n f o r m a t i o nt y p e so fm a r i n ec u r r e n td a t at h a tm a n yp h y s i c a lo c e a n o g r a p h y s c i e n t i s t sa r eu s i n ga r ec o l l e c t e d f i r s t l y , f i v em o d e so f m a r i n ec u r r e n tu s e d c u s t o m a r i l yt oe x p r e s sa r es u m m e du pi np h y s i c a lo c e a i l o f 印h yf i e l d ：s e c t i o nv e c t o r e x p r e s s i o no fa v e r a g ef l o ws p e e d ；c o m p o n e n te x p r e s s i o no fm a r i n ec u r r e n tf i e l di n l a r g ea r e a ；t i m es e q u e n c ee x p r e s s i o nw i t hg i v e np o i n t sa n dt h ee x p r e s s i o no ff l o w p a t h ，e t c t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri st og i v ec o r r e s p o n d i n gg i se x p r e s s i o n r e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h ea b o v ee x p r e s s i o n so f m a r i n ec u r r e n t b a s e do nt h ea b o v e w o r k ，c o r r e s p o n d i n gg i so p e r a t i o n a li n s t a n t i a t i o ni sg i v e nf u r t h e rt op r o v et h e f e a s i b i l i t yo ft h ew a yt oe x p r e s st h em a r i n ec u r r e n tf i e l di ng i sl a s t l y , t h e c o n c l u s i o n sa n df u r t h e rw o r ka r ep o i n t e do u t k e yw o r d s ：m ar ir ec u r r e n tf i e i d ：e x p r e s s i o n ：g l s 基于g i s 豹海洋流场分析方法 o 引言 随着社会的发展，环境的破坏和陆地资源的消耗，人类将目光转向了海洋这 个资源宝库。2 1 世纪是“海洋的世纪”，海洋将成为这个世纪国际竞争和开发的 重点领域，掌握海洋的活动规律，调查海洋资源及促进海洋的合理丌发利用，已 经成为当前高科技发展的迫切任务。 尽管人们对海洋领域有着浓厚的兴趣，但是只有一些互相独立的单位分别进 行研究，收集数据的格式只有他们自己能使用。这种研究方式工作效率非常低， 造成数据的使用率也很低，从而导致各种信息资源的严重浪费。海洋地理信息系 统( m a r i n eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，以下简称m g i s ) 可以为各种来 源的数据提供协调坐标、集储和集成信息等工具。m g i s 的使用可以大大提高海 洋数据的使用率和工作效率，并改善海洋数据的管理方式。海洋地理信息系统存 海洋领域起到越来越重要的作用，因而日益受到人们的重视。 o 1 地理信息系统的概念 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，以下简称g i s ) ，是一项以 计算机为基础的新兴技术，围绕着这项技术的开发、研究和应用，形成了1 门交 叉性、边缘性的学科，是管理和研究空间数掘的技术系统，在汁算机软| i 盟! 件支持 下，它可以对空间数据地理坐标或空间位置进行各种处理，对数据的有效管理、 研究各种实体及相互关系。通过对诸因数的综合分析，它可以迅速获取满足应用 需要的信息，并能以地图、图形、数据的形式表示处理的结果。 0 2 海洋地理信息系统的概念 海洋地理信息与陆地地理信息差异较大，其改变主要受自然力的影日向，如海 水侵蚀和冲刷、海底地壳变迁、海水流体性等。海洋地理信息具有如卜特点： 直接获取难度大；信息多样性( 包括地形、矿产资源、水产、水文气象等) ； 变化尺度大，如瞬时变化的海啸、火山，季节变化的潮流至百力年的地质构造： 海洋边界信息的模糊性，如领海界限、大陆架、海岸线、经济专属区等界限不 清晰：海底信息的复杂性及海水动态性：海洋地理信息在数据标准、格式、 精度、采样密度、分辨率及定位精度方面均有特殊要求。 基于g i s 的姆洋流场分析方法 海洋地理信息系统( m g i s ) 是g i s 在海洋领域中的应用，在计算机软件平台 支持下，将一定海域内的信息输入、存储检索、运算、显示、更新和综合分析的 应用技术系统。其强大的空间分析能力使其有别于电子地图及海洋数据库，它以 海洋地理信息为基础，能对海洋资源进行管理和分析，在水产养殖、生态平衡、 盐度分析、灾情预报、污染治理等方面发挥着重要的作用。 0 3 海洋g l s 研究中的困难 地理信息系统提供了便捷的数据管理工具和人机交互环境，经过三十多年n 勺 发展和完善，已广泛应用于众多的领域中，发挥着重要的作用，例如，政府机构 利用g i s 来进行城市规划、农作物产量评估、土地利用分析、公艿交通管理和环 境规划治理等；资源管理部门利用g i s 进行国土资源管理、野生动植物管理、森 林资源管理以及能源和矿产资源的管理等等。g i s 对这些领域的运作机制和研究 方法有着深刻的影响。“数字地球”( t h ed i g i t a le a r t h ) 经过美国副总统a i ( m c 于1 9 9 8 年1 月3 1 日提出之后，更是将g 1 8 的开发和应用在全球掀起了又一次高 潮。g i s 的应用领域也得到了扩展，如可扩展到虚拟外交、虚拟旅游、数字农业、 数字城市等领域。 g i s 在陆上范围内已得到了广泛的应用，信息高速公路和数字地球的提出和 发展将g i s 的应用提到新的高度。然而g i s 在海洋环境中应用较少，原w 是多方 面的。主要和海洋环境的海量数据、对三维数据处理的要求以及海洋数据的获取 困难有关( d r d o n g x i n gl ie ta 1 ，1 9 9 3 ) 。海洋数据的来源很多，例如海洋 环境的基本数据、各个海洋专业的数据信息及数字模型的分析结果等等，数据量 很大。海洋数据的获取费时费力又费钱，造成海洋数掘具有较低的分辨牢、不同 的采样密度及数据标准。尽管每年有许多海域用很高分辨率的系统进行调查，但 其覆盖速度相对于整个海洋来说仍是相当慢的。因此，我们还必须使用历史上积 累的不同分辨率的数据。历史上积累的数据多是不同海域由不同的采样仪器进行 调查的，因而不同海域数据的数据标准、数据采样密度、数据精度和分辨率等不 尽相同，这样的数据给应用分析带来极大的困难。与此同时，许多高新技术也在 蓬勃发展，给海洋领域的研究又带来许多新的数据，新老数据的时空多维变化问 题，不同数据间的坐标协调问题，以及海量数据存储管理等等都给海洋领域的研 究带来了困难。 基于g l s 的海洋溢场分析方法 g i s 技术研究，起始于6 0 年代对空间数据的地学处理。随着g t s 的需求闩益 增大和计算机技术的不断进步，g i s 技术得到了长足的发展并已麻用到自然科学 与工程的许多领域“1 。海洋现象本身与地理属性密切相关，冈此( ；ls 应浚足海 节 研究与应用的重要分析工具。但由于上述种种原因，目前g i s 在海洋中的应用较 少，其重要性尚未被充分认识到。随着海洋观测技术的迅速发展，海洋工作者获 取的海洋信息量也正以指数形式增长。如能利用地理信息系统技术来分析处理海 洋数据，提取其中的有用信息，并通过对海洋信息的分析，揭示并再认识海洋的 规律，将会极大地促进和提高海洋研究与应用的水平。 0 4 海洋gs 研究在海洋基本表达方面的两种方法 当前海洋g i s 研究主要集中在海洋的基本表达和海洋数据的问题上。尤其是 前者在进行海洋g i s 的基本表达时，存在两种不尽相同的方法。 其中，l ir 3 以陆地系统的理论成果为根据，总结了海洋对象表达的8 种 模型，同时提出利用动态分段技术进行岸线建模，将超图数据结构应用于水深数 据的组织和管理。g o l d ”1 讨论了v o r o n o i 空间数据模型在海洋g i s 中潜在的几种 基本算法。l u c a s ”1 用基于过程的方法对r a t as e a 研究区的各种数据源进行综合， 分析了冲淡水的季节变化分布模式，已经涉及到了比较敏感的海水数据问题。上 述主要是只重视刚性界面的表达，缺乏对“海水”的表达研究。 将g i s 技术应用于海洋，首要的问题是海洋现象的g i s 表达问题。但是海洋 现象具有与陆地现象不同的特殊性质。海洋现象存在于流动的水体当中，在时空 分布上结构复杂，动态多变：水体要素之间的相关性大；边界模糊，结构特征不 直观等o 。另外，陆地表面提供了一个完整的牛顿框架，是刚性的二二维系统，t 叮 用于任何特征的定位，可是海洋缺乏刚性框架。因此，目前对海洋现象一般采用 “场”的形式表达。在g i s 中主要有g r i d 和t i n 两种数据结构可用作标量场的 处理，它可直接应用于海洋现象中的要素标量场，如温度场、盐度场、海底地形 等。但海洋的动态特性使人们不得不考虑水体运移规律的表达问题，这些上薹动足 一个动态变化的矢量场表达问题。对于动态变化的矢量场的表达与分析，目前的 g i s 还没有很好的解决方案，这就大大限制了g i s 在海洋研究中的应用范围和深 度。 流场是海洋中的最主要的动态变化的矢量场是海洋科学中的核心研究对 基于g i s 的海洋流场分析方往 象。我们选择以海流g i s 分析为突破口，开展海洋的g i s 应用研究。显然，其首 要问题是流场的g i s 表达问题。 0 5 本文的篇章结构 本文共分八章。 第一章简要介绍了g i s 的发展过程和g i s 的最新发展动态，分析了( ；【s 在理 论、技术和应用三方面的发展方向，在此基础上指出了海洋地理信息系统的发展 趋势； 第二章给出了流场的成因，海流数据的获取以及物理海洋。z 家常姚的数捌分 析工作。 第三章通过分析物理海洋学家对海流的常规表达方式，给出了相应的g i s 表 达。 第四章以东海黑潮调查实测一断面流场资料为例来说明流场的( ；i s 表达。 第五章以流场的一定点时间序列资料为例来说明流场的g i s 表达。 第六章以流场漂流浮标资料为例来说明流场的g i s 表达。 第七章采用a r c i n f o8 1 作为开发平台，基于其二次开发语言+ v b a 、 a r c o b j e c t 与系统工具箱a r c t o o l s ，实现了本文所发展的流场表达与分析。 第八章是本文的结论与讨论，以及进一步的工作设想。 4 基于g s 的海洋流场分析方法 1 g l s 技术及应用趋势 g i s 是计算机科学、地理学、测量学和地图学等多门学科的交叉，它足以地 理空间数为基础，采用地理模型分析方法适时提供多种空间的和动态的地理信 息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。 从表现形式来看，g i s 表现为计算机软硬件系统，其核心是管理、计算、分 析地理坐标位置信息及相关位置上属性信息的数掘库系统。它表达的是窄m 位胥 及所有与位置相关的信息，所以，g i s 又是地球空| 日j 实体的再现帛】综合，j i 点心 的基本表达形式是各种二维或三维电子地图。因此，g i s 也可简单定义为“用于 采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统”。 1 。1g i s 的发展简史 g i s 最早起源于2 0 世纪6 0 年代“要把地图变成数字形式的地图，便于计算 机处理分析”这样的目的。1 9 6 3 年，加拿大测量学家r ft o m l i n s o n 首先提出 了g i s 这一术语，并建成世界上第一个g i s ( 加拿大地理信息系统c ( ；【s ) ，用于自 然资源的管理和规划。那时的g i s 注重于空间数据的地学处理。 2 0 世纪7 0 年代以后，随着计算机软硬件水平的提高，以及政府部住f | 然 资源管理、规划和环境保护等方面对空恻信息进行分析、处理的需求，g i s 得到 了巩固和发展。 进入2 0 世纪8 0 年代、g s 的应用领域迅速扩大，商业化的软件丌始进入市 场，其应用从基础信息管理与规划转向空间决策支持分析。地理信息产业的雏形 开始形成。 2 0 世纪9 0 年代以后伴随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，g i s 的应 用也日趋深化和广泛。在国土资源、农业、气象、环境、城市规划等领域成为常 备的工作系统。尤其是1 9 9 8 年前美国副总统戈尔提出“数字地球”的概念以来， g i s 在全球得到了空前迅速韵发展，广泛应用于各个领域，产生了巨大的经济和 社会效益。 我国g i s 的发展自2 0 世纪8 0 年代初开始，以1 9 8 0 年中国科学院遥感应研 究所成立全国第一个g i s 研究室为标志，经历了准备( 1 9 8 0 1 9 8 5 年) 、发展 ( 1 9 8 5 1 9 9 5 年) 、产业化( 1 9 9 6 年以后) 3 个阶段。尤其是近年来，国内出了不 基于g | s 的海洋流场分析方法 少优秀的国产g i s 软件。 1 2g i s 的最新发展 ( 1 ) r 趋与计算机信息技术融合 近年来随着计算机软、硬件技术和通信技术的高速发展，( ；f s 技术也得到了 迅速的发展和更广泛应用，并r 趋与主流i t 技术融合，成为信息技术发展的一 个新方向。 g i s 发展的动力一方面来自于同益广泛的应用领域对g i s4 ；断提高的要求： 另方面，计算机科学的飞速发展为g i s 提供了先进的工具和手段。许多计算机 领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、图像处理和人t 智能技术邢町削妾 应用到g i s 中：同时，由于空间技术的迅猛发展特别是遥感技术的发展，提供 了地球空间环境中不同时相的数据，使g i s 的作用只渐突出，g 【s 不断丁卜级j 能 提供存储、处理和分析海量地理数据的环境。 组件式g i s 技术的发展，使之可以与其他计算机信息系统无缝集成、跨语言 使用，并提供了无限扩展的数据可视化表达形式。 ( 2 ) 动态、多源、多维化 最新g i s 技术将逐渐摆脱先前的主要处理静态的、二维的、数字式的地图技 术的约束，而从传统的静态地图、电子地图发展到能对空间信息进行可视化和动 态分析、动态模拟，支持动态的、可视化的、交互的环境来处理、分析、! t 6 尔多 维和多源地理空唰数据。 其中，可视化仿真技术，能使人们在三维图形世界中直接对具有形态的信息 进行实时交互操作：虚拟现实技术以三维图形为主，结合网络、多媒体、立体视 觉、新型传感技术，能创造一个让人身临其境的虚拟的数字地球或数字城市。先 进的对地观测技术、互操作技术、海量数据存储和压缩技术、网络技术、分布式 技术、面向对象技术、空间数据仓库、数据挖掘等技术的发展都为g i s 的发展干u 创新创造了新的手段。 ( 3 ) 第4 代g i s 技术 随着计算机硬件性能的提高以及面向对象、网络和数据挖掘等主流【t 技术 的发展，在科技部有关部门的倡导下，羁前国内学术界又提出了第4 代g s 技术 的概念。第4 代g i s 技术将主要有如下特点： 6 基于g i s 的海洋流场分析方法 支持“数字地球”或“数字城市”概念的实现，从二维向多维发展从静 态数据处理向动态发展，具有时序数据处理能力。 基于网络的分布式数据管理及计算、w e b g i s 和b s 体系结构，用户可 以实现远程空间数据调用、枪索、查询、分析，具有联机嘶务箭川( ( ) l ， 1 f ，) 和联机分析( o l a p ) 管理能力。 面向空间实体及其相互关系的数据组织和融合，具有矢量和遥感影像数 据互动等多源数据的装载与融合能力，多尺度比例尺数据无缝融合、h ： 动。 具有统一的海量数据存储、查询和分析处理能力、基j i 互；洲数据的数州 挖掘和强大的模型支持能力。 具有与其他计算机信息系统的整体集成能力。例如与m i s 、e r p 、o a 等 各种企业信息化系统的无缝集成：微型、嵌入式( ；i s 与各种学 ：终端设 备集成，如p d a 、手机、g p s 接收漫备等。 具有虚拟现实表达及自适应可视化能力，针对不同的用户 n 现不州的俐 户界面及地图和虚拟现实效果。 1 3g is 的发展方向 ( 1 ) 理论方面的发展方向 当前一些国家的科学研究工作者比较关注地球信息科学。这门科学是2 0 世 纪9 0 年代新兴起的地球科学研究的前沿领域，它是信息科学、系统科学和地球 系统科学的交叉学科，是卫星遥感、全球定位系统、地理信息系统、数字传输嘲 络等现代信息技术的高度集成“。北京大学马蔼乃教授也认为，地理信息系统将 发展到地理信息科学，她认为地理信息科学除了研究地理图形、图像与属性的信 息外，还要研究地理知识信息、地理逻辑信息、地理模型信息等层次的问题，即 研究地理现象的规律。 美国前副总统戈尔曾提出“数字地球”战略，我国的“2 l 世纪议程”和“数 字城市”工程均包括地理信息系统方面的内容。地理信息科学的主要内容与“数 字地球”系统是一致的“。而地理信息系统与地球信息科学也是紧密相关的。卫 星遥感、全球定位系统、地理信息系统、数字光缆通讯等现代信息技术的发展以 及“信息高速公路”与“数字地球”等发展成果的推动对地球信息科学的产生起 7 基于g i s 的海洋流场分析方法 到了极大的促进作用。这些都说明：地球信息科学将对全球性问题o j 可持续发展 研究提供新的理论依据与技术方法的支持。 ( 2 ) 技术方面的发展方向 根据地理信息系统存在的问题和现代信息社会的特征，如何获取海量数掘并 进行集成和分析，在不同系统中操作并获取所需的数据信息变得异常晕要。家 预测，未来的地理信息系统将向着数据标准化( i n t e r o p e r a b l e ( ；i s ) 、空间多维 化( 3 d & 4 d g i s ) 、结构部件化( c o m p o n e n tg i s ) 、民用微型化( dis t rb u t e d ( ：is ) 、 系统智能化( c y b e rg i s ) 、平台网络化( w e bg i s ) 、应用社会化( d i g i t a le a r t h ) 等方面。各种新的i t 技术为6 i s 的发展提供了新的机遇，可以对g i s 的体系结 构( 如组件化) 、应用方式( 如w e b ) 带来革命性的变化。当然，充分利用这些技术， 将它们与g i s 技术有机结合还需要做大量的工作。具体技术包括：丌放式( ：t s 、 时态g i s 、面向对象技术、g i s 集成技术( 3 s 集成、与c a d 、i n t e r n el 、m i s 、多 媒体动画、虚拟现实专家系统、神经网络等技术集成) 。 ( 3 ) 应用趋势 近年来，g i s 技术在我国愈发得到重视，由于全球环境变化研究及海洋资源 和环境管理的需求，其应用从传统的城市规划、土地利j ；= | 、洲绘、环境保护、i u 力、电信、减灾防灾等陆地领域，逐步渗透到海洋资源调查与管理、矿产资源酬 查等方面“3 1 ”。众所周知，2 1 世纪是海洋的世纪，开发海洋资源、保护海洋环境 和维护海洋权益已引起世界各沿海国家的广泛关注和高度重视。“数字海洋”是 “数字地球”必不可少的重要组成部分。海洋为g i s 的发展提供了广阔的发展空 间，是g i s 发挥优势、施展才华的地方。将g i s 技术引进海洋领域，使海洋信息 数据的建库和管理向科学化、可视化、便捷化方向发展，实现海洋信息数据的自 动化成图和成果资料的网络发布、共享，符合未来“数字地球”、“数字海洋”的 发展趋势。 1 4m g i s 的发展趋势 人类已进入网络时代，测绘技术、信息处理技术、智能技术推进了海洋地理 信息系统的发展，而网络化引发了深刻变革。m g i s 应该是开放性系统，数据共 享、软件重用、跨平台运行、易于集成；适用于在网络环境中运行；支持数据分 布和分布式计算分布“”圳。m g i s 技术的社会作用和影响范畴不断扩大，正确认识 捧于g i s 的海洋流场分析方法 其效用，掌握其发展方向，将有助于科学工作者进行技术丌发和实现海洋地理信 息系统的产品化。 ( 1 ) 网络化分布式的数据群 随着海洋信息量不断增大，数掘处理的难度也相应增大。同l 狩各级政府均要 建立网络互联的，以数据管理、分析、服务为主要宗旨的数据中心群。针对网络 化发展的特点，科研人员把研究的重点放到网络环境下数据的传输、分析与互操 作，制定数据标准，对地理信息进行语义研究等，以实现数据最泛的共享。 ( 2 ) 海洋信息快速反应系统、决策支持系统和专家系统信息的及时反馈是制定决 策的前提，为满足决策支持的需要，海洋地理信息系统将准确、及时、快述地把 海洋信息反映给决策者。 海洋地理信息系统在两个方面具有快速反应能力：信息处理方面：由于海 洋信息系统的数据是多来源、多精度、多格式的，因此，需要及时对来自不同渠 道的数据进行整理，转化成系统存储形式，实现对系统数据的迅速更新。信息 综合方面：以图形或图像的方式将海洋变化反映出来，表现出对外界变化的快速 反应能力。因此，政府决策和预灾防灾的快速反应系统是m g s 的主要发展趋势 之一。同时，随着人工智能、神经网络与g i s 的结合，使m ( h s 具有知识处理和 进行启发式推理的能力、能够完成复杂的空间分析，在海洋丌发与管理及研究中 发挥作用。 ( 3 ) 海洋虚拟现实系统 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 是当代信息技术高速发展、各种技术综合集成 的产物，是一种有效地模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技 术。通过m g i s 与虚拟技术的有机结合，对海洋世界进行虚拟将有利于海洋空阳j 分析、资源开采、海上工程建设等活动的进行，使海洋世界可视化。 基于g i s 的海洋流场分析方法 2 流场及其分析 2 1 海流的成因 海水运动是乱流、波动、周期性潮流与稳定的“常流”综合作用的结果。大 洋中的海水终年不息的沿着比较固定的路线流动着，这就是海流( o c e a n c u r r e n t s ) 。又称洋流。海洋中海水从一个海区水平或垂直地流向另个海区的 大规模的非海水流动具有不同尺度、速度与周期，且随风、季节和年份而变化。 掌握海流的运动规律，对研究水团的形成、环流结构及其变化、海水内部及海气 界面之间的热量交换以及对生物、化学、地质的影响都是极其重要的。 海流一般是三维的，不但存在水平方向的流动，而且也存在垂直方向的流动 当然，出于海洋的水平尺度远远大于其垂直尺度，因此水平方向的流动远比雨九 方向上的流动强得多。 海流形成的原因很多，但归纳起来基本为两种。第一种原因是【_ 【海面上风的 驱动而形成的风海流。由于海水运动中粘滞性对动量的消耗，这种流动随深度的 增大而减弱，直至小到可以忽略，其所涉及的深度通常只为几百米，相对于几t 米深的大洋只是一个薄层。第二种原因是海水的温盐变化引发的冈为海水街度 的分布与变化直接受温度、盐度的支配，而密度的分布又决定了海洋压力场的结 构，这种压力场的等压面往往是倾斜的，即等压面与等势面不一致，这就在水平 方向上产生了一种引起海水流动的力，从而导致了海流的形成。”“ 2 2 海流数据的获取 要了解研究海水的运动规律，就一定要进行海流观测。然而，由于海洋上不境 的复杂多变，所以海洋实测流资料的获取是比较困难的。目前，常规的海流观测 有在研究海区布设锚碇浮标或潜标的定点连续观测：有在研究海域施放漂流浮 标，并通过卫星对浮标的漂流轨迹进行跟踪的漂移测流：还有利用船只进行的 断面走航式测流。观测仪器有海流计，电磁海流计及声学多普勒流速剖面仪( a d c p ) 等1 。一般海流观测要素包括流速和流向，观测方法大体划分为随流运动进行观 测的拉格朗日方法和定点的欧拉方法。 海流数据的获取除了现场调查以外，还可利用卫星遥感资料结合实测数据通 o 基于g i s 的海洋流场分析方法 过反演而获得，也可通过数值模式进行时空的扩展，形成时空覆盖较完整的流场 资料。 2 3 海流数据分析 物理海洋学家从海流数据中分析的主要信息有： 最大流速的方向、大小、位置等； 海流的流轴、流幅、边界、流量、最大可达深度等； 逆流及有关特征： 流核及其位置、个数、间距等： 涡及其特征，如：中心位置、尺度、旋向、成熟度； 上升流、下降流及其特征； 潮流及其特征； 沿岸流及其特征； 流场特征量的梯度变化及其特征； 流场特征量的月、季节、年变化等统训。 某十g i s 的海洋流场分析方法 3 流场的g is 表达 3 1 流场的常规表达 ( 1 ) 断面平均流速矢量表达 根据调查海区的实测海流流向，水文断面的设置应尽可能与经过观测海区的 主导海流相垂直。将所获取的断面测流资料绘制成平均流速的矢量分布图，如： 1 9 9 7 年夏季a d c p 测流在2 5 7 5 米层次的平均流速矢量分布图，其表达形式见l 矧 3 1 。 1 2 1 。1 2 2 。1 2 3 。1 2 4 。1 2 5 。1 2 6 1 2 7 。1 2 8 1 2 9 。e 图3 11 9 9 7 年夏季a d c p 测流在2 5 7 5 米层次的平均流速欠量分布图 ( 2 ) 大面流场的分量表达 通过遥感、数模与现场实测资料结合，可以生成空问覆盖完整的流场资料。 利用这些资料，绘制每个分量各层的水平、垂直分布图，如北分量表层水平分巾 图，其表达形式见图3 2 。“。 拍n 船 甜 孙 娌 引 悖 旧 基于g i s 的海洋流场分析方法 图3 2 南海潮流北分量等值线图 ( 3 ) 大面流场的矢量表达 更常用的是流场各层的矢量图。如中国东海黑潮潮流矢量图，其表达形式见 图3 3 。 图3 3 中国东海黑潮潮流矢量图 ( 4 ) 定点时间序列 通过悬挂式海流计或a d c p 可获取海流的时间序列资料，它的表达形式称为 过程矢量图，见图3 4 。 图3 4 南海a d c p 获取的流矢量幽 图3 4 中，横坐标轴是时f n j 轴，每个时间点上线段的大小和方向分别代表海 流的流速和流向。 基于g i s 的海洋流场分析方法 ( 5 ) 流径资料 通过漂流浮标，可以获取流径及其流速资料，其表达形式见图3 j 。 图3 51 9 9 1 1 9 9 6 年冷季卫星漂流浮标运移轨逊 3 2 流场的g i s 表达 ( 1 ) 断面平均流速矢量表达 设空间坐标系为o x y ，速度空间坐标系为o u v ，断面曲线为。取l 上的某 一端点为起始点，上的任一点与该端点之间沿的弧长为，则l 曲线可表示 为： ，f x = 工( ，) l ： 【y = y ( t ) ( 3 1 ) 于是在上的每一点( x ，y ) 的平均速度矢量为 “= “( x ，y ) = ( “( 工( ，) ) ，v ( y ( d ) ) = ( “( f ) ，v ( o ) ( 3 2 ) 所以，断面的平均矢量图是速度空间o u v 中的一条曲线，我们可存陔空l 刈中 建立相应的图层。 ( 2 ) 大面流场分量的g i s 表达 这是一个栅格数据，就像数字高程一样，可以直接进入g i s 系统”。针对分 4 基于g i s 的海洋流场分析方法 量图这种表达形式，对每个分量类似于数字高程处理，做成一个图层，分璧序号 作为属性值处理。 ( 3 ) 大面流场矢量的g i s 表达 针对矢量图的表达形式，由于g i s 无法识别，但是该种表达的最大优势是可 直观的分析出流程的方向变化。为此，我们在直角坐标系o x y 中设第f 层流场 二g ，_ y ) = 0 g ，y l v ( x ，y ) ) ， 令如y ) = 陆y 喀如小矧，砥塘示成极坐标形式。“表示 流速矢量的大小，o 表示流速矢量的方向。b l , 0 的计算公式如下： u ( x ，y ) = “2 + v 2 ，0 的计算公式如下： 0 ：石+ a r c t g v _ u 将“0 分别做成类似于数字高程的图层。 这种表达方式在g i s 中的应用弥补了传统u 、v 分量分别进入g i s 分析，不 能直接得到流场结构的缺点，实现了单个分量研究流场结构的目标，使得在g i s 中分析流场矢量得以实现。 ( 4 ) 定点流速矢量时间序列 定点x o ，y o ，z 。) 处的流速分量时间序列可表示为u ( t ，y 。，z 。) ，其中t 代表时 间。 ：( f ，工。，y 。，z 。) = ( “( f ，y 。，：。) ，v ( f ，儿，z 。) ) ，以o u v 为直角坐标系，则 留 群。一 石一2 k 一2 眦 孤 摧十g i s 的枷洋流场分析方泣 i “= “0 ，x o ，：o ) l v = v ( t ，x o ，y o ，z o ) ( 3 4 ) 代表该坐标下的一条曲线，其中t 是参变量，j 。，y 。，z 。是常量，于是可将定 点流矢量时问序列作为g i s 空间中的一条曲线。定点坐标作为属性值。 ( 5 ) 流径资料 在直角坐标系o x y 中，流径可表示为 x = x ( t ) 【y = y ( f ) ( ：3 5 ) 其中，f 是参变量，显然它是o x y 空闻中的一条曲线，可直接作为( f i s 的 个图层。 基于g i s 的海洋流场分析方法 4 流场断面资料g ls 分析 产 8 0 0 1 ：) ：车：二二二= 、一 基于g i s 的海洋流场分析方法 g i s 中，按照上面分析，分别调用g i s 功能对该流场断面资料进行分析，具体分 析如下面几部分介绍。 4 1 空间位置查询 将流场断面资料输入g i s 后，在其断面图面上可查询并显示任意点的空间位 置及流速大小。具此，我们可以直接查询到该断面流场中的最大流、最小流位置 等。如图4 2 所示的即是查询到的最大流速及其位置。 4 2 阈值查询 图4 2 按照空间位置查询示意图 利用g i s 阈值查询功能，对流场断面资料分析，可以按照流速的任何阈值进 行查询，不但可以查询某一闽值的位置及分布情况，也可以查询某一阈值范围的 位置及分布情况。如图4 3 所示的是流速在2 0 c m s 到4 0 c m s 范围内的空间点 位置( 蓝色区域) 。 图4 3 按照阈值查询示意图 基于g i s 的海洋流场分析方法 4 3 流幅宽度查询 根据物理海洋学家确定的流幅宽度的计算办法，在图面上可方便实现。如图 4 4 所示，4 0 c m s 等值线的水平尺度被认为流幅宽度，经g i s 简单操作得到该值 为0 5 0 8 3 0 6 度。 图4 4 流幅宽度查询示意图 4 4 主流深度查询 根据流速大小确定出主流后，直接从图面上操作获得主流深度。如陶4 5 4 5 逆流存在区查询 图4 5 主流深度查询示意幽 可按阈值直接查询而得。如图4 6 所示，图中下方绿色区域所示即逆流存在 区，位于水面下7 8 9 米以下。 图4 6 逆流存在区查询示意图 基于g i s 的海洋流场分析方法 4 6 流核间距查询 在图面上用系统标尺测量流核中心点的水平跨度。如图4 7 所示，查询到浚 流核间距为o 5 6 。 图4 7 流核间距查询示意图 通过上述流场断面资料g i s 分析例子，我们可以看出流场断面资料g i s 表达 是可行且有效的，它充分的将g i s 的分析能力有机的与流场断面资料结合起来， 提供了一种新的流场断面资料分析手段，实现了在g i s 中对流场断面资料的分析 研究，上述分析例子只是一些流场断面资料典型特征的分析。具此分析推j 、后， 显然可以得到，本文提出的流场断面资料g i s 表达是完全可以实现在g i st ，对流 场断面资料中关于流场断面的所有特征的分析，解决了流场( ；】s 的表达与分析中 的一个重要的问题流场断面资料的g i s 表达与分析。 基于g i g 的海洋流场分析方法 5 流场定点时间序列资料g i s 分析 在对流场的测量和研究中，流场中定点时间序列流速的测量和研究也是其中 的重要手段之一，是常规流场的表达之一。为了说明流场定点时间序列资料g i s 表达，我们选择某一流场中一定点时间序列资料进行分析研究。 我们所选择的一个真实流速定点时间序列如图5 1 所示。 嘶蒂些争施咚擀煺黜书斧鬈 图5 1 定点时间序列矢量 定点时间序列的转向时刻是物理海洋学的重要信息，我们欲通过g i s 以实 现。为此，首先需要对其进行g i s 表达，然后进行有针对性的操作。根据本文第 三章定点时间序列的g i s 表达方式，通过操作获得上述定点时问序列的( ；1 s 表边， 它是速度空间的一条曲线，见图5 2 。 图5 2 定点时间序列g i s 表达 这旱横轴代表流速的大小，纵轴代表流速的方位加。 判断准则及原理：当流速的方位角在【o ，丌】内，它的方向与丁f 方向一致；当 流速的方位角在( 石，2 石) 中时，它的方向与正方向相反。因此如果定点时间序列的 g i s 表达曲线与角度为丌的线( 图中红线) 相交时，交点处的时刻就是流的转向 时刻。 我们选取的数据是以1 0 分钟为时问问隔，持续2 4 小时，共1 4 4 个采样点。 根据上述的准则及原理，调用g i s 的有关功能，分析得到有3 5 个转向点。其具 体出现时刻如下表所示，其中转向时刻一行中的数字，出现小数时，如1 0 5 代 表的是转向点出现在第1 0 个和第1 1 个采样点之间。 基于g i s 的海洋流场分析方法 表1 转向点时间序列 转向时序 123456789 转向时间1 51 0 51 1 51 5 51 7 52 0 52 1 52 8 53 3 5 转向时序l o1 1 1 2 1 31 41 51 61 71 8 转向时间 3 7 53 95 6 55 7 5 5 9 5 6 0 56 1 56 256 7 5 转向时序 1 92 02 12 22 32 42 52 62 7 转向时间6 9 58 1 58 2 58 6 58 7 5 9 2 5 9 351 1 751 2 0 5 转向时序2 82 93 03 l3 23 33 43 53 6 转向时间1 2 5 51 2 6 51 2 8 51 2 9 51 3 2 51 3 5 51 3 851 4 0 5 转向点的时间序列闽定点时间序列矢量图的叠置，见图5 3 ，容易看出，所 找到的转向点是正确的。 嘶痔冬蟛丝丝鹂烈缨鲣烈l 干谚，一 图5 3 定点时间序列矢量幽与g i s 分析得到的转向点费岿1 蚓 通过以上对流场定点时间序列资料g i s 分析表明，流场定点时叫序列资料 g i s 表达是正确的，且在g i s 中分析应用也体现了该g i s 表达的可行性。流场定 点时涮序列资料g i s 表达实现了常规流场表达之一流场定点时问序列资制 的g i s 表达及其在g i s 中的分析，为流场的g i s 表达与分析解决了_ j 个重要问 题流场定点时间序列资料的g i s 表达与分析。 基于g i s 的海洋流场分析方法 6 流场漂流浮标资料g i s 分析 6 1 流径资料的获取 漂流浮标分为两类：一类称为表层漂流浮标，浮体位于海面，测量的是浮体 下面悬挂的水帆所处深度的海流：另一类称为次表层漂流浮标，浮体位于水下 1 0 0 0 2 0 0 0 m 之间某一深度( 在该深度上浮体所收的浮力呈中性，故又称中性浮 标) ，测量的是该深度的海流。利用漂流浮标获取海流流径资料是海流研究的一 个重要手段。我国从6 0 年代中期开始研制海洋浮标，“七五”计划被列为重点科 学技术攻关项目，1 9 8 5 年以后，进入大发展时期。在引进英国海洋浮标的基础 上，研制了大型和小型浮标，到9 8 年已拥有大型、小型、深海型等1 6 套海洋锚 泊浮标和两套漂流浮标，以及浅海使用的潜标。这些浮标己构成资料浮标网，并 成为我国海洋环境监测系统的重要组成部分，这为流径资料的获耿提供了方便的 条件。 2 0 世纪8 0 年大以来，卫星跟踪漂流浮标逐渐被用来进行较长时间的海流观 测。漂流浮标测的是表、上层( 1 5 米或3 0 米) 的海流，可以用来分析表、上层 的流场。如果投放较多浮标，可以较好的分析流场的结构和环流特征，较好的品 示水体的真实运移情况，从而真实的描绘出海流的漂流轨迹。如米所川的j 于枷i 洌： 流的时间长、距离远，可以较好的观测出海流是否处在涡旋旋区，海流在经过涡 旋区时轨迹会随之转圈，而离开涡旋区时轨迹顿时变的平直些。 随着漂流浮标探测海流流径技术手段的发展，越来越多的海流流径数据通过 漂流浮标获得，而对该数据的分析还是停留在常规的原始分析r 蛩j 。 6 2 漂流浮标资料的常规表达 通过漂流浮标，可以获取流径及其流速资料，图6 1 表示的是漂流浮标的跟 踪轨迹。 基十g i s 的海洋流场分析方往 图6 i 漂流浮标的跟踪轨迹 6 3 漂流浮标流径的g i s 分析 漂流浮标属于拉格朗日海流，我们用( n ，6 ) 来区别不同的流体质点，那么它 的运动规律在数学上可表示为下列两种形式 矢量形式 i = i ( ，6 ，t ) ( 6 ，1 ) 其中f 表示的是流体质点的矢径，f 表示时间。 在直角坐标系中它的运动形式 f z = x ( a ，6 ，t ) l y = y ( a ，6 ，f ) ( 6 2 ) 上面的矢量方式很容易转换为直角坐标中表示