（环境科学专业论文）基于gis的渤海湾生态系统研究.pdf

a b s t r a c t b o h a ib a yi sat y p i c a ls e m i e n c l o s e ds e ab a yw i t hs h a l l o ww a t e r ，m u ds i l t i n ga n d p o o rw a t e re x c h a n g e w i t h t h er a p i d d e v e l o p m e n to fe c o n o m ya l o n gt h ec o a s t ， e u t r o p h i c a t i o ni nb o h a ib a yh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l y + s e r i o u s i no r d e rt os u p p o r tt h e p r o t e c t i o n a n dr e s t o r a t i o no fm a r i n e e c o s y s t e me n v i r o n m e n t a n de n s u r et h e c o o r d i n a t i o nd e v e l o p m e n to fe c o l o g ya n de c o n o m y ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s ha s y s t e mt oe v a l u a t ea n dp r e d i c tt h ee u t r o p h i c a t i o ni nt h eb o h a ib a y t h eu n c e r t a i n t yo f t h ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r sa n dh u g ea m o u n to fd a t aa r et w oi m p o r t a n ti s s u e si nt h e s t u d yo fc o a s t a le n v i r o n m e n t t h u s ，t h ei n t e g r a t e da p p l i c a t i o no fg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，f u z z yt h e o r ya n dn e u r a ln e t w o r kt h e o r yi nt h er e s e a r c ho n e u t r o p h i c a t i o no fb o h a ib a yw a sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r , a n dag i s b a s e dm o d e lo f e v a l u a t i n gt h ee u t r o p h i c a t i o no f t h eb o h a iw a sd e v e l o p e d b a s e do nc o m g i st e c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o no fg i si nd e v e l o p i n ge c o l o g i c a l e v a l u a t i o ns y s t e mw a ss t u d i e da n dar e s e a r c hp l a t f o r mt os t u d yt h ee c o s y s t e mi n b o h a ib a yw a sd e v e l o p e d i nt h i sr e s e a r c h ，a r c g i se n g i n ew a su s e da st h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m c n e tw a su s e da s t h ev i s u a lp r o g r a m m i n gt 0 0 1 t h e t e c h n o l o g i e so fs p a t i a la n a l y s i sa n ds p a t i a ld a t am a n a g e m e n tw h i c hp r o v i d e db y a r c g i se n g i n ew e r ea d o p t e d c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t u d y0 1 1 e c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a l ，t h ee u t r o p h i c a t i o na s s e s s m e n tm o d e l sw h i c hb a s e0 1 1t h e f u z z yt h e o r ya n dn e u r a ln e t w o r kt h e o r yw h i c hd e v e l o p e dm a d eo u rg r o u pw e r e s t a n d a r d i z e da n do p t i m i z e d t h em o d u l ef o rt h ee v a l u a t i o no fm a r i n ee c o l o g yw a s d e v e l p e du s i n gm a t l a ba n di n t e g r a t e dt og i s t h ei n t e g r a t e dr e s e a r c hp l a t f o r mc a l l b ea p p l i e dt ot h ee v a l u a t i o no fe u t r o p h i c a t i o ni nt h eb o h a ib a y ，a n di ti se a s yt ob e m a i n t a i n e da n de x t e n d e d i nt h i sp a p e r ，t h ee c o s y s t e mp l a t f o r mo fb o h a ib a yw a sa p p l i e dt oe v a l u a t et h e e u t r o p h i c a t i o nd e g r e eo fb o h a ib a y t h r o u g hc a s es t u d i e st h ec a p a b i l i t i e so ft h e p l a t f o r mw a sv e r i f i e d ，a n ds o m ec o n c l u s i o n sa b o u tt h ee u t r o p h i c a t i o no ft h eb o h a i b a yw a so b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m g i s b a s e de c o s y s t e mr e s e a r c h p l a t f o r mc a np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h es t u d yo f t h ec o a s t a le c o e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：m a r i n ee c o s y s t e m ，c o m g i s ，m a t l a b ，e u t r o p h i c a t i o n a s s e s s m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 氟一虢群屹中期i 卅铂f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤凄盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：沙驴7 年6 月j 日 导师签名： 似午 签字日期：q “盯日 笫一章绪论 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 生态系统是在一定的空间和时间范闱内，在各种生物之间以及生物群落与其 无机环境之间，通过能量流动和物质循环而相互作用的统一整体。生态系统是生 物与环境之间进行能量转换和物质循环的基本功能单位，是由自然因素形成，并 间接、潜在、长远地对人类的生存和发展产生影响。随着人口和社会经济的增长， 科学技术进步和人类开发资源能力的增强，生态环境系统所承受的压力日益增 大，生态环境平衡受到破坏，人们面临的生态环境危机层出不穷，各种生态环境 问题相互交织，生态环境研究更加复杂化和综合化。 渤海湾生态系统的健康指数在5 0 7 5 之间，生态系统基本维持其自然属性， 生物多样性及生态系统结构发生一定程度的改变，但生态系统主要服务功能尚正 常发挥，生态环境压力已经超出生态系统的承载能力【l 】。海水氮磷比失衡，大部 分水域无机氮浓度劣于四类海水水质标准，部分水域活性磷酸盐浓度劣于四类海 水水质标准。沉积物环境质量总体良好。部分生物体内总汞、砷和镉的含量偏高。 生物群落结构状况较差，春季浮游植物细胞数量偏低，春季和夏季浮游动物密度 偏高，夏季底栖生物栖息密度偏低，鱼卵仔鱼密度低。 连续数年的监测结果表明，渤海湾水体始终处于严重的富营养化和氮磷比失 衡状态，渤海湾底部氮磷比值高达2 0 0 以上，远超过生态平衡状态氮磷比1 6 ：l ( 图l 。l 和1 2 ) ，滩涂海岸开发过多，天然滨海湿地面积大幅减小，导致许多重 要经济生物的栖息地丧失，生物种类多样性迅速下降。陆源污染和围填海工程是 影响渤海湾生态系统健康的主要冈素。 辘一章绪论 蚓1 22 0 0 8 年8 月渤海湾海水氦磷比值状况f l 地理信息系统( g e o g r a 曲i ci n f o r m a t i o ns y s ”m ，简称g 1 s ) 具有强大空间数 据投属性数据的存储、分析和显示能力，是多学科交叉的产物，可以为海湾生态 环境研究提供有效觥术支持。g i s 可以将不| i 司来源、不| i 司类型的数据进行练台 从而为海湾生态环境研究者和扶策着提供数据与信息支持，同时可以对生卷环境 信息进行提炼与升华，加工和再生以获得某一生态环境问题衅决的口的、计划和 策略，随着海洋监测技术的提高、监测数据的日益丰富吼及g i s 在相关领域的 迅速推广和使用充分利用g i s 的强大空间数据管理和分析功能对于海湾生态 系统研究越来越重要。闻此，u 渤海湾为背景，研究g i s 技术与生态模型的集成 第一章绪论 具有重要的现实意义。 1 2g i s 在海湾生态系统研究中的重要价值 g i s 是一个能用于有效的搜集、存储、更新、处理、分析和显示所有形式地 理信息的计算机硬件、软件、地理数据和有关人员( 用户) 的有机集合。地理信 息系统是与人类生存、发展、进步密切相关的一门信息科学与技术，是地球空间 信息科学的重要组成部分，在近年来得到了快速的发展，成功的应用于许多领域， 成为一个跨学科、多方向的研究领域【2 。3 】。与此同时，研究人员在进行海洋生态 系统研究的过程中也越来越重视g i s 相关技术【4 。5 】，其原凶在于： 1 ) 高效率管理和整合多种类型的环境数据。 对于近岸海域进行系统观测和研究历史不过几十年，但是仍然积累有大量的 环境基础数据，数据的形式可能包括地图( 海图) 、图表、文本、图片、影像等 多种类型，格式难以统一；海洋生态系统的调查工作十分庞杂，海上监测限制多、 条件恶劣的特点促进了遥感技术在海洋监测中的应用，因此，随着时间的推移， 观测方法、技术和设备迅速发展升级，积累的数据可以用海量来形容。 g i s 可以将这些不同形式的空间数据全部转化为同一坐标体系下的矢量数 据或栅格数据，进而进行统一的管理操作。同时g i s 还可以将建立的空间数据库 与管理一般属性的相关数据库进行关联，一方面可以使原有的数据表格得到重复 利用；另一方面，由于环境的空间特征是相对稳定不变的，需要经常更新的是一 般的属性数据，因此通过空间数据库和一般属性数据库的分别管理，可以极大的 提高管理效率。 2 ) 丰富的空间分析函数和强大的组件式扩展能力。 目前，环境数学模型的研究和应用已经比较成熟，建立了稳态模型和动态模 型、确定性模型和不确定性模型，从模型空间维数讲已经包括零维、一维、二维 甚至三维的模拟计算，从应用范围讲已经被应用于河流、水库、湖泊、海洋等的 水质模拟计算，并在实际应用中取得了较好的效果，充分显示了水质模型计算能 力强的特点。但是，它对于空间数据的处理以及计算结果的显示输出方面还有很 大难度。 对于空间数据的管理和分析是g i s 独有的特性和优势。g i s 能够利用其丰富 的空间分析专用模型，进行图上测量、图像生成、空间插值、统计分析、拓扑叠 加、地形表面操作、网络分析等特殊的空间分析操作。同时，现在很多g i s 的开 发商如e s r i 已经开发出像a r c o b j e c t s 等各种类型的通用组件，通过嵌入这种组 件就可以在更通用的开发环境下，如c n e t 平台环境下，将环境数学模型作为 第章绪论 分析功能的一部分并借助于g i s 的开发语言集成并运行于g i s 内部，对空间数 据进行更深入的模型计算，实现对海洋生态系统状况的评价、模拟和预测。 3 ) 易用的可视化功能 一般情况下，空间分析和水质数值模拟计算的结果都要被存放于数据库之 中，对这些数据进行处理与制图需要相当的技能，而且通常在处理过程中不得不 做重复性的工作，这样就导致了工作周期长、对科研工作者要求多、科研成果移 植性差。这样就需要运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生 的数据和计算结果转换为图形或图像，在屏幕上显示出来，并能在屏幕上进行交 互处理，使繁多枯燥的计算数据变得更加直观。 g i s 能够通过自身强大的、有效的地图可视化系统将复杂的空间和属性数据 以地图的形式展现出来，将获取的数据直接或经过数学模型处理后转化为符号、 图像甚至动画来表示出来，从而使环境信息的空间分布情况和模型模拟计算的结 果一目了然，更能直观地显示环境质量、生态环境的现状及其发展变化情况，从 而挖掘数据之间的关联性和发展趋势，并使水质模型的检验、校正更加容易。 综上所述，g i s 可以运用数据库技术方便高效地对环境基础数据和空间数据 进行存储，管理、维护和更新，可以运用自带的专业空间分析函数和扩展的环境 数学模型对数据库管理的数据进行分析处理可以得出一些有用的信息，可以运用 可视化技术将获取的数据直接或经过数学模型处理后转化为符号、图像甚至动画 来直观地表示地理对象或地理现象，通过分析这些信息获得新发现，诱发新思想， 因此，g i s 是研究人员对海湾生态系统进行研究时必不可少的有力工具。 1 3 国内外研究现状概述 1 3 1 海洋生态系统研究的现状6 】 1 3 1 1 研究对象的时空尺度趋于长期化和区域化 面对复杂化和综合化的海洋生态环境问题，短时间尺度的海洋生态环境研究 己经不足以解释复杂的综合的生态环境问题和现象，要求进行长期的海洋生态环 境定位研究和网络研究。当前人们所关心的热点问题主要是区域性的海洋生态环 境问题( 如富营养化、生物多样性保护和可持续发展等) ，生态环境研究也逐渐 把空间尺度扩展到了区域尺度。 1 3 1 2 研究手段趋于定量化和现代化 过去的海洋生态环境研究多以定性的描述为主，随着生态环境研究问题的更 第一章绪论 加复杂化和综合化、研究对象时空尺度的不断扩展以及信息技木的进步，基于生 态系统以及区域的生态环境研究也逐渐趋于定量化，科研工作者希望借助数学模 型来模拟与预测生态环境系统的现状和未来发展趋势，希望利用现代的地理信息 和遥感技术来监测和分析生态环境现象。 1 3 1 3 研究的目的转向生态环境系统的管理与决策 过去的海洋生态系统研究主要是以解释生态环境现象和规律，分析海洋生态 环境系统的结构和功能为主要目的，目前海洋生态环境研究越来越关注生态环境 系统的价值和生态环境的服务功能，生态环境资源的可持续利用与保护，在思想 观念上已经开始从对海洋生态系统的适应转向对海洋生态环境系统的科学管理 与决策。 1 3 2g i s 在海洋生态研究中应用的现状及存在的问题 目前，g i s 在海洋生态系统研究中的应用主要表现在两个方面：基本功能应 用和拓展应用。前者利用g i s 来处理与海洋研究有关的数据，实现数据的采集、 处理、管理、编辑和简单分析；后者以g i s 为技术平台，与海洋生态系统领域的 各种专业模型集成，利用其开发函数库二次开发出适合专业用户使用的分析模 型，但应用相对独立。 1 3 2 1 基本功能应用 地理信息系统的发展始于地图制图，传统手工制图方式存在周期长、更新慢、 成本高、数据可扩展性差的问题，而且不利于共享。基于此，g i s 从最早的电子 地图制作逐渐发展到目前的状况，因而g i s 主要功能之一是通过数据的采集和管 理，建立空间数据库，实现快速、经济的地图制图功能，可以达到一次投入、多 次产出的效果。g i s 在海洋生态系统研究中的应用始于电子海图的制作，利用 a r c l n f o 、m a p l n f o 等工具软件对海区地形图进行数字化，并将有关属性数据与空 间数据建立关联。 d o n o g h u e 等( 1 9 9 4 ) 利用遥感和海岸带监测g i s ，监测英国东部海岸受潮 汐影响地带，用这两种技术制作了w a s h 河1 3 区受潮汐影响地带的专题图【7 】； b e t t i n e t t i 等( 1 9 9 6 ) 以意大利威尼斯近海岸浅水区为研究区域，针对该区域内因 海岸侵蚀和高营养物负载引起的潮汐湿地退化问题，将该区域划分为岛屿区、潮 汐湿地区、潮汐平原区、浅滩区和海峡，然后利片jg i s 计算出各类分区的面积， 并实现了选定目标区域类型的验证和临界区域的识别【8 】：h e n n e c k e 等( 2 0 0 0 ) 将 澳大利亚海岸带作为研究区域，收集了1 ：2 5 ，0 0 0 地形图系列和实测的不同比例尺 第一章绪论 地图等各种地形数据，将h y b r i d b r u u n 模型、扩大模型和平移模型等各种模型 集成到g i s 中，通过改变模型中的不同参数值，生成输出由海平面上升所引起的 灾害的空间分布刚9 1 ；o g u c h i 等( 2 0 0 0 ) 利用g i s 研究了h u m b e r 流域的区域水 质问题，将地图数据与环境监测数据关联，并以图形方式显示，在此基础上分析 了水质变化的原因0 1 。 穆迪等( 2 0 0 6 ) 应用a r c g i s 地理信息系统自身的功能对渤海湾监测数据迸 行了空间分布特性和时间变化趋势分析及渤海湾水体营养状况的评价，取得了较 满意的结果【j ；张艳杰等( 2 0 0 2 ) 以天津市试点海域的电子海洋地图研制为例， 探讨电子海洋地图系统的研制过程，有效地提i 苗海洋管理和决策的科学性及时效 性【i2 1 ；唐诚等( 2 0 0 2 ) 采用g i s 方法，对南沙群岛海区海底灾害地质进行空间 叠加分析。利用模糊数学方法，对不同灾害地质因素赋予不同的模糊影响权值； 运用模糊叠加模型，得到南沙群岛海区海底灾害地质综合评价刚1 3 】；张二凤等 ( 2 0 0 3 ) 通过实地调查和收集长江下游1 9 5 0 2 0 0 0 年水文、水利工程资料，建立 了长江大通以下枯季径流量变化地理信息系统，分析了影响长江大通水文站以下 径流量变化的水文过程，探索了这一区间桔季径流量变化的成凶与过程【1 4 】。 g i s 在海洋生态研究的基本应用中存在的主要问题是海洋环境基础数据获 取、数据存储结构及数据共享三个方面【1 5 i 。 1 ) 海洋环境基础数据的获取 g i s 在海洋生态系统研究中的应用离不开数据的支持，但是海洋浩瀚，环境 恶劣，时空变化频率高，实时同步立体数据的收集非常困难。目前g i s 获得数据 的方式主要有野外数字测图、手工和扫描数字化、航空摄影测量等方式，这些手 段对海洋数据获取，无论从数量、质量、分辨率、精度都比过去要有效的多，但 是数据在时空维上仍然是离散的；卫星遥感器对常规监测和海面数据收集是巨大 的进步，但其传感器无法获取水体内的信息；通过采样设计和插值优化的工作， 可以部分消除数据离散的影响，但是又必须研究数据误差产生、传播、质量控制 等方面的问题。 解决此问题的关键在于大力发展和升级技术设备，同时提高对海洋环境基础 数据基础设施的投资力度和建设速度。美国计划建立2 个海床基数据自动收集网 络，将把所获得的数据实时地通过浮标传输到岸上。我国“九五”计划的8 6 3 8 1 8 项目“海洋环境立体监测系统上海示范区”，实时立体获得空间数据、时间数据 和属性数据，包括物理方面( 波、流、温、盐及其他化学测量) 和生物方面( 位 置、数量、营养) 。 2 ) 海洋环境数据的存储结构 海洋环境的变化包括时间上的变化和空间上的变化，其动力和影响因素很 第一章绪论 多，比如混沌性质的风、河流冲淡水、潮汐异常等，g i s 在海洋应用面临了较为 全面较为典型的时空问题。由于海洋生态数据内在的动态和多维特性，使得普通 的关系型数据库难以非常理想的存储，目前的解决办法是g i s 软件厂商或者数据 库软件开发厂商提供一个空间引擎，与商用的关系型数据库组成一个对象一关系 数据库来管理大型海洋环境空间数据，实现了将空间数据和时间数据统一在大型 关系型数据库中进行管理，但是用户不能自由定义空间数据模型，只能使用开发 商已定义好的空间数据模型，不能完全解决海洋生态数据内在的动态和多维特 性。 解决此问题的关键在于开发面向对象数据库。面向对象的方法非常适合处理 具有内在的动态和多维特性的海洋生态环境数据，在面向对象的g i s 数据库中， 最终用户可以设置每一数据对象的状态和行为，模型与数据库的设计和应用融为 一体，从而对海洋生态环境数据的收集、存档、发布和分析都极为有效。 3 ) 数据共享 根据应用目标的不同、专业用户的不同，数据的定义、组织、质量等千差万 别，目前国际上在海洋领域至少同时存在3 0 种数据标准( 格式) 。按各自需求定 义数据格式或标准，有灵活性，但缺点也明显：数据往往不能相互转换，或者说 不能融合在一起使用；数据质量的损失、误差传递或结果的不确定；数据应用在 不恰当的位置。 解决数据共享问题的关键在于标准的统一，这将依赖于全球的专家和国际组 织。在坐标体系方面，w g s 8 4 已经为全球提供了一个水平数据标准( d a t u m ) 。 同时，全球高程标准也正在积极研究中，这将为海洋数据的空间定位提供全球统 一的标准。 1 3 2 2 拓展应用 利用g i s 工具获取和管理海洋环境数据，并得到初步处理数据后，将专业海 洋生态系统数学模型集成在g i s 上，实现专业模型的功能，以命令、函数和分析 模拟程序的方式来处理这些数据，模拟出事物的发生发展过程以及未来趋势，对 未来的结果做出定性或定量的趋势分析预测，从而获得新发现，诱发新思想。这 是g i s 在海洋生态系统研究领域的拓展应用，亦成为海洋生态研究的发展趋势之 一o b u z z e l l i ( 1 9 9 8 ) 用g i s 与分析模型相结合来模拟l o w e rc h e s a p e a k e 海湾潮 间带的初级生产力和物质交换情况，建立起分布模型，指出浮游植物生物量的季 节性变化与河水排泄有关，但底泥中微藻生物量并不随时空变化而波动，而在潮 中带、潮下带的大型浮游植物表现出与大西洋其它海湾生态系统一致【】6 】； 第一章绪论 c o n g l e t o n 等( 1 9 9 9 ) 利用g i s 、近红外线影像、底质类型图、拓扑图、水深图、 航海和g p s 测量的高程等数据，结合t i n 网络分析、数值模型，在网格数据形 式的基础上勾勒出适宜双壳类养殖的分布斟1 7 】；h a r t n e t t 等( 2 0 0 2 ) 对爱尔兰东 南部重要河口w e x f o r d 营养物通量进行调查研究时，利用g i s 技术建立了生态系 统管理模型【1 8 】。 林珲等( 1 9 9 7 ) 在地理信息系统( g i s ) 、海洋流体动力学模型的支持下，对 东中国海区现代潮汐潮流系统特征、潮波系统的形成机制和演变过程的系统研 究，研究了有关g i s 与潮汐数值模拟系统及海水运动可视化系统的集成问题【19 j ； 李国胜等( 1 9 9 8 ) 研究了利用r s 和g i s 技术推导海洋初级生产力的基本原理和 方法。根据表层海水叶绿素遥感信息反演模型，利用g i s 建模技术，研究了具有 空间特征的海洋初级生产力的g i s 理论估算模型，并得出了此模型的求解方法 【2 0 】；贾建军等( 1 9 9 9 ) 在海岸环境调查与动态监测、海岸与近海动力模拟、水下 地形三维显示与演进模拟、海岸带地理信息系统建设、海岸带开发与管理等研究 领域研究并应用3 s 技术，并从数据精度与规范、g i s 分析功能、模型整合与嵌 套三方面研究了g i s 技术与海岸工程研究的集成【2 1 】；孙以义等( 2 0 0 0 ) 运用地 理信息系统方法把数字模型和数学模型有机结合的方法，创建了四维地貌数据 库，建立分形地貌模拟模型，用计算机模拟实现了地貌的分形特征【2 2 】；马劲松等 ( 2 0 0 2 从g i s 角度研究了潮流数值模拟系统的数据模型，提出了适合水文数值 模拟的对象模型方法，探讨了空间流场的可视化技术，阐述了虚拟现实在潮流数 值模拟中的作用，并在南黄海辐射沙洲等的潮流数值模拟试验中进行了实际对比 检验【2 3 1 。 g i s 在海洋生态研究的拓展应用中存在的主要问题是三维立体分析、模糊不 确定性分析和动态分析。 1 ) 三维立体分析 g i s 在陆地上的应用主要是以二维或二点五维的表面模型为基础的，对于近 地面的陆地来说，这已经足够了，但是在海洋生态系统研究中，需要同等地考虑 三维，也就是说垂向的影响因素不可忽略，在某些情况下，垂向因素可能会占主 导地位。因此，g i s 必须扩展第三维分析能力，也就是立体分析的能力，以适应 其在海洋生态系统研究中的应用。 解决三维立体分析问题的关键在于大力发展三维模型，同时由于目前的数据 库管理系统不直接提供此种功能，数据库系统也需要同步发展。 2 ) 模糊不确定性分析 陆地表面是一个符合牛顿框架的刚性二维系统，可以定位任何特征，因此 g i s 可以用确定性边界来刻画在时间上相对静态的数据或那些相对刚性的对象， 第一章绪论 海洋生态环境中各种水体边界往往是渐变的，因此，要素分布也是一个渐变的过 程。渐变发生在空间维上，也表现在时间维上，往往无法用人为划定的确切边界 来处理。 解决此类问题，目前采用的方法是在g i s 中使用模糊数学的方法对现实对象 进行分析和操作，包括数据收集过程，提取、分析和显示过程。模糊数学的逻辑 建立在自然语言的基础上，对数据的精确度要求不高。系统的数据主要来自语言 描述的知识，而不确定性是语言信息的一个重要特点。模糊数学建模一般被用于 处理复杂的、难以定义的、传统的数学建模难以得到满意结果的不确定系统，因 此对于处理海洋生态环境中具有渐变特性的要素信息特别合适。 3 ) 动态分析 海洋相对于陆地而言，更加强调的是其发生发展的过程，这样就使在分析海 洋生态环境时需要处理大量的时间序列数据。然而大部分g i s 并未发展处理时间 序列数据的能力，这一缺陷根源于对时间数据的概念的不完全理解，特别是在海 洋生态环境中应用时，表现得更为明显。同时，目前的数据库管理技术的发展受 银行和交易时间数据需求影响，并不适合于支持空间数据的时间序列分析和显 示，许多g i s 专家不得不将g i s 与些专门的时间序列分析程序相连( 如傅立 叶变换，功率诺，随机模拟等) ，但终究是相对割裂，在实际的使用中不能得到 很好的应用。 解决动态分析的关键在于发展具有处理时间序列数据的能力适合于动态分 析的g i s 模型，并开发面向对象数据库，以存储支持动态分析的海洋环境动态基 础数据。 1 4 本文工作 本文基于对渤海湾生态环境研究的认识，综合渤海湾附近海域海洋环境调查 获取的数据和历史资料，讨论有关g i s 在渤海湾生态系统中的应用，初步利用组 件式g i s 建立一个渤海湾生态系统研究平台，并以此为基础对渤海湾的富营养化 问题进行了研究与讨论。 本文的研究主线是首先搜集积累渤海湾海域环境数据资料；然后对这些原始 数据资料进行标准化、规范化处理，建立环境模拟模型库；将本课题组研究的富 营养化评价生态模型成果进行规范化后与生态系统研究平台进行集成，并使用这 些模型对标准化后的数据进行模拟，分析和评价；最后将处理结果存入分析成果 数据库或在可视化平台进行可视化直观分析，将获取的数据直接或经过数学模型 处理后转化为符号、图像或者动画来直观地表示模拟结果和分析评价结果。 第一章绪沦 本文分为下面几个部分： 第一章首先介绍渤海湾的环境概况和g i s 作为研究工具在海洋中应用的重 要性，然后分析了g i s 在海洋生态环境中应用的现状和存在的问题。 第二章对本文所采用的理论和技术基础进行了介绍，包含作为渤海湾研究平 台开发工具的组件式g i s ，作为海洋生态系统研究理论基础的海洋生态模型，以 及作为具体实现渤海湾富营养化模糊评价模块和渤海湾富营养化神经网络评价 模块的m a t l a b 软件。 第三章对富营养化模糊评价模型和富营养化神经网络评价模型进行了介绍， 具体分析了这两个模型进行富营养化评价的原理和选择评价指标的依据。 第四章选用a r c g i se n g i n e 做为组件式g i s 开发工具，选用c i 做为可视化 开发平台，实现了渤海湾海洋地理信息系统研究平台的初步设计与开发。首先进 行了接口契约的设计实现、插件引擎的实现、框架基础平台的设计实现；然后在 其上集成了g i s 的通用组件；最后，在m a t l a b 环境中，利用c o m 组件编程 实现富营养化模糊评价模型，利用自动化方式编程实现富营养化神经网络评价模 型，并将评价模型集成于研究平台之上。 第五章根据国家海洋局天津海洋环境监测中心站0 5 年对渤海湾水质环境的 监测数据，利用渤海湾海洋生态系统研究平台对渤海湾的富营养化程度进行评价 和分析，对研究平台集成的功能进行检验。 第六章概要地总结本文的主要研究内容及取得的成果，并展望有待进一步研 究的问题。 第二章研究的技术理论基础 第二章研究的技术理论基础 2 1 组件式g i s 技术 组件式g i s ( c o m g i s ) ，是指基于组件对象平台，以一组具有某种标准通 信接口的、允许跨语言应用的组件形式提供的g i s 。这种组件称为g i s 组件， g i s 组件之间以及g i s 组件与其他组件之间可以通过标准的通信接口实现交互， 这种交互可以跨计算机实现。 2 1 1 组件技术简介 组件是独立于特定的程序设计语言和应用系统、可重用和自包含的软件成 分。组件是基于面向对象的，支持拖放( d r a ga n d d r o p ) 和即插即用( p l u g a n d p l a y ) 的软件开发概念。基于组件技术的开发方法，具有开放性、易升级、易维护等优 点。它是以组合( 原样重用现存组件) 、继承( 扩展地重用组件) 、设计( 制作领 域专用组件) 组件为基础，按照一定的集成规则，分期、递增式开发应用系统， 缩短开发周期。在开发过程中遵循以组件为核心原则、组件实现透明原则及增量 式设计原则。 组件具有以下两个特点： 1 ) 组件是被封装完全的软件模块，只提供接口供开发人员使用，而隐藏了 具体的源码实现细节。这就使研究开发人员可以直接使用而不必去了解组件的内 部细节，并且基于组件架构的程序可以更加方便和灵活的进行升级。 2 ) 组件可以方便的将应用扩展到网络，极大的提高软件和数据的共享性。 组件能被部署到联网的各个计算机上，它们之间可以通过某种机制相互通讯，从 而构筑基于网络环境的分布式应用程序。 2 1 2 组件g i s 的基本思想 组件g i s 技术的基本思想就是把g i s 各大功能模块根据性质的不同划分为 不同的控件，每个控件完成不同的功能。组件具有面向对象、语言无关等特性， 把g i s 的各大功能模块划分成几个组件，用户可根据实际需要选择购买和安装所 需的g i s 组件。各个g i s 组件之间，以及g i s 组件和其它非g i s 组件之间，可 以方便地通过可视化开发工具集成起来，形成兼有属性数据处理和空间数据处理 筇二章研究的技术理论基础 的应用系统。g i s 组件产品在功能上丝毫不比传统的g i s 软件逊色，而且可以象 搭积木一样，方便地嵌入到通用的开发环境中实现g i s 功能。 2 1 3 组件g i s 的特点 组件式g i s 符合当今软件技术的发展潮流，极大地方便了应用和系统集成。 同传统的g i s 比较，这一技术具有以下几方面特点t 2 4 】： 1 ) 小巧灵活，成本低 由于传统g i s 结构的封闭性，往往使得软件本身变得越来越庞大，不同系统 的交互性差，系统的开发难度大。组件式g i s 平台集中地提供空间数据管理能力， 并且能以灵活小巧且功能强大的方式与数据库系统连接。另一方面，组件式g i s 本身又可以划分为多个控件，分别完成不同功能。用户可以根据实际需要选择所 需控件，最大限度地降低了用户的经济负担 2 5 1 。在保证功能的前提下，组件g i s 开发成本仅是传统g i s 开发工具的十分之一，甚至更少。这就满足了系统高性价 比的要求。 2 ) 能够进行高效无缝的系统集成 g i s 系统开发实际上是对g i s 数据处理、基本空间分析功能与各种应用模型 进行集成。各种资源和设施管理的g i s 应用更是要求g i s 和m i s 乃至办公自动 化( o a ) 有机结合，这对g i s 系统集成方案提出了很高的要求。组件的生产建 立在严格的标准之上，因此，凡符合标准的组件都可在目前流行的各种开发工具 上使用。组件式g i s 不依赖于某一种开发语言，可以直接嵌入通用的开发环境中 实现g i s 功能，其它非g i s 功能可由通片j 的开发环境来实现。这样，c 撑、v b 、 v c 、d e l p h i 、p o w e rb u i l d e r 等都可直接成为g i s 或m g i s 的优秀开发工具，它 们各自的优点都能够得到充分发挥。这就达到了系统与其它系统如数据库系统和 其他模型计算工具如m a t l a b 集成的要求，可以开发出复杂的信息系统。尤其 是在此研究平台上对渤海湾富营养化的分析计算以及数据的输出与可视化，组件 式g i s 显得更加适用和方便。 3 ) 开发难度低、周期短 组件式技术已经成为业界标准，用户可以像使用其他a c t i v e x 控件一样使用 组件式g i s 控件，使非专业的普通用户也能够开发和集成g i s 应用系统，推动 了g i s 大众化进程。新的g i s 组件都是基于3 2 位系统平台的，采用i n p r o c 直接 调用形式，所以无论是管理大数据的能力还是处理速度方面均不比传统g i s 软件 逊色。小小的g i s 组件具有强大的拼接、裁剪、叠合、缓冲区等空间处理能力和 丰富的空间查询与分析能力。这样可以让我们将工作的重- t 3 放在模型计算和可视 化方面，大大减轻了工作量，开发难度大大降低，开发周期也减为最短。组件式 第二章研究的技术理论基础 g i s 的出现使g i s 不仅是专家们的专业分析工具，同时也成为普通用户对地理相 关数据进行管理的可视化工具【2 6 】。 4 ) 升级方便 由于组件式g i s 遵从c o m 规范，而c o m 具有接口不变性的特点，所以当 g i s 组件进行了升级以后，整个g i s 应用程序不需重新修改。这样只需对g i s 组件进行升级就可以实现对整个g i s 应用的升级。 2 1 4 组件g i s 的结构 组件式g i s 开发平台通常可设计为三级结构【2 7 】： 1 ) 基础组件 这些组件主要为空间数据管理服务，提供了数据组织、存取和输出等基本功 能，并提供基本的交互过程，与数据库系统连接方式灵活且功能强大。基础组件 是组件式g i s 最底层的技术平台。 2 ) 高级通用组件 高级通用组件是组件式g i s 的一个重要特征。主要是为通用功能提供面向对 象的用户界面，简化用户开发过程而开发的。提供的通用功能有显示工具、选择 工具、编辑工具、属性浏览器等。它们之间的协同控制消息都被封装起来。这级 组件基于基础组件，在封装了一定功能以后，提供给开发人员。很多用户需要的 功能，利用高级通用组件，只需几句程序就够了，而用基础平台开发，需要编写 大量的源代码。 3 ) 专业扩展组件 每个行业、每个领域都有与其它行业和领域差异很大并需要借助专有的函数 进行处理的问题，g i s 自带的空间分析模型和函数不可能达到理想效果的。因此， 很多学者利用面向对象技术，将其属性和算法抽象，封装成为功能组件，进一步 提高开发效率、加速开发过程。 本文实例采用的是组件式g i s 三级结构中的第三级，也就是将渤海湾富营养 评价模型封装成为富营养评价组件，在渤海湾生态系统研究平台上集成，并对渤 海湾的富营养化程度进行分析评价。 2 2 海洋生态模型 海洋生态系统模型是海洋生态系统中各种变化关系的数学公式的集合，是海 洋生态系统的简化和抽象描述。海洋生态系统模型研究的最终目的在于揭示其变 化的机制，模拟和预测其变化，为维持海洋生态系统的健康水准及重建受损的海 第二章研究的技术理论基础 洋生态系统，提供科学的决策依据。 2 2 1 海洋生态模型的分类 1 ) 从海洋生态模型的原理来看，主要分为质量守恒模型和模拟模型两种。 前者是一个平衡稳态模型，后者为一个模拟状态变量时间和空间演变特征及其机 制的模型。两类模型的共同特点是，确定了模型研究范闱，考虑了与外部的物质 和能量交换，划分功能单元，功能单元之间有物质和能量传输，同时这些模型中 普遍没有考虑到水动力学变化的影响。 2 ) 按照模型考虑的变量函数和结构的不同，海洋生态系统模型可以分为： 浮游植物一自养浮游植物( n p ) 模型、营养盐一自养浮游植物一食植浮游动物 ( n p z ) 模型、营养盐一自养浮游植物一碎屑( n p d ) 模型、营养盐一自养浮游 植物一食植浮游动物一碎屑( n p z d ) 模型和营养盐一自养浮游植物一食植浮游 动物一碎屑一细菌( n p z d b ) 模型。 3 ) 从模型的空间处理上来划分，海洋生态系统模型分为网种：箱式模型， 该模型把研究区域按照一定的水文及生态特征，在空间上划分为一个或多个区 域，每个区域内部所有生态变量是均匀的，箱子之间与箱子与外界之间通过物质 交换来联接。欧洲近年来开发的模型大都是这类模型【2 8 】；垂向一维模型，该模型 忽略生态变量水平方向的变化，常用于模拟生态系统垂向结构随时问的演变；水 平二维模型，常用来模拟水深较浅，生态变量水平分布特征明显的海域【2 9 】；三维 模型，用于模拟生态系统在三维空间的分布特征。近几年来随着观测数据种类和 数量的不断增多，三维模型得到迅速发展。 4 ) 按模型中的变量是否为随机变量可分为确定性模型和随机性模型。对于 一组给定的输入条件( 如水力、水文、排污情况等) ，由确定性模型可以输出一 组确定的对应值。而随机性模型的输入是随机的，而且输入的特性也是不可预计 的，输入的随机性也导致解的不稳定，不具有唯一性。 2 2 2 海洋生态模型的发展趋势 近年来，海洋生态模型的研究取得了很大进展，从这些进展巾我们可以看出 海洋生态模型的主要研究方向和发展趋势。 2 2 2 1 生态模型与动力学模型的耦合 海洋生态模型通常只考虑各个因子问的生物化学作用，不考虑水动力过程的 影响。在海洋环境中，水动力学过程对生态环境因子的空间分布和变化有重要的 影响【3 0 1 ，只考虑生物化学作用的生态模型对海洋环境的描述是不精确的，也不能 第二章研究的技术理论基础 反映状态变量空间上的变化规律。因此，很多学者提出建立新的交叉学科“生态 水动力学”。天津大学环境科学与工程研究院对于渤海湾生态、水动力学特性进 行了长期研究，初步建立了模拟渤海湾浮游生态系统氮循环、水质变化等过程的 生态水动力学模型。 2 2 2 2 模糊数学在海洋生态模型中的应用 如前所述，海洋水文环境条件有很大的随机性，要定量分析相关关系经常得 不到正确的结论。此外，海洋水质的变化是连续的，而我国的海洋水质标准中的 污染物浓度的标示却是不连续的。为了解决这一矛盾，很有必要应用模糊数学中 的相关概念，模糊数学在海洋环境方面己有应用。彭云辉等首次将模糊数学理论 应用于近海( 包括河口区) 水体富营养化水平评价，其根据珠江河口的调查资料， 采用模糊数学结合营养状态质量指数( n q i ) 对珠江河口的富营养化水平进行了 评价 3 l 】。 2 2 2 3 与人工神经网络( a n n s ) 相结合 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) 就是模仿人脑的工作方式而设计 的一种计