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海洋水文地图制作的基本思路


 

海洋水文地图制作的基本思路

------海洋水文地图制作系列思考之二

 

 张学宏 张晓娟 郝志娟 方长芳 

(中国人民解放军91001部队,北京,100161)

摘要:海洋水文地图是一类鲜明、简练、信息描述准确的产品图,是对海洋环境时空特性和变化规律进行高度抽象、概括描述而形成的海洋环境信息组合,不是单纯的一个要素或一个现象的分析,而是将众多相关联的环境因素综合分析提炼,兼顾相互影响条件下的信息分析而形成的产品图,可作为海图的一个重要组成部分,应用与海洋科学研究、资源开发、海洋安全与防灾减灾等各领域。本文就海洋水文地图的基本概念和特征、国内外的现状、地图制作的基本技术框架和要求等方面开展了系统的分析,为相关产品制作提供一个依据。

关键词:海洋水文;海图;时变特性;时域;地域;一张图

 

The Basic Ideas of Manufacture Marine Hydrographic Map

--------The Thoughts of the Manufacture Marine Hydrographic Map Series 2

 

Abstract: ocean Hydrographic map is a kind of vivid, concise and accurate product map. It is a combination of marine environmental information formed by highly abstract and general description of the space-time characteristics and changing laws of the marine environment. It is not a simple analysis of an element or a phenomenon. It is a product map formed by synthesizing and refining many related environmental factors and taking into account the information analysis under the condition of mutual influence, which can serve as an important part of the chart. Applications and marine scientific research, resource development, marine security, and disaster prevention and reduction. This paper systematically analyzes the basic concepts and characteristics of marine Hydrographic maps, the current situation at home and abroad, the basic technical framework and requirements for map production, and provides a foundation for the production of related products.

 

Keywords: Hydrographic Map;Ocean Map; Time domain; Region;Time-varying Characteristics; "One Map"

1前言

通常地图或海图是测绘地理多维信息数据的组合,除了如海上井架、石油平台等碍航物信息外,其它信息随着时间变化不大,如岛礁、水深、海底山等,除了受地壳板块运动影响会出现较大变化外,基本属于静态性质,而海洋是动态变化的,具有明显的时变特性,因此海洋环境存在可预报性,这与测绘地理完全不同。从宏观角度或较长周期出发,除非受恶劣天气系统影响,特定区域特定时间范围内,典型海洋环境时空特征变化幅度较小,如黑潮、中尺度涡、海洋锋面等,其基本的特征和规律具有明显的月季变化特性和固有区域特征,再如潮汐潮流、南海内波等具有典型的周期特性等,这些海洋环境特性,完全可以用一组带有时空属性的特征数据来描述。目前随着海洋观测手段的不断完善、观测技术的不断发展与应用,在全球范围内,海洋观测资料越来越丰富,同时资料同化技术、再分析技术和数值预报技术的广泛应用,揭示的海洋基本规律和特征越来越多,人们对海洋的认识越来越深入,对海洋环境的基本特征和规律有了更深层次的认知,虽然对其中具体数据如内波的振幅、波长等还掌握的不够清晰,但是对哪些区域哪个时间范围,海洋的基本特征有了初步掌握,可经过系统的观测分析研究验证,量化提取能够反映它们特有时空属性的基本特征及其变化规律的方法和技术日臻成熟,为研制海洋水文地图产品奠定了信息技术基础。

以海图为载体,将一系列量化的海洋环境特征信息作为海图的一种或一类元素,叠加在海图上可以直观反映出区域性三维海洋环境基本特征和规律,保证用户像使用普通海图一样,快速掌握所需要的环境特征,是一类由专业人员提供给非专业人员使用的重要的海洋水文信息工具。例如海冰外缘线随时间的变化、海冰厚度及变化等信息,再如黑潮流幅、流轴、黑潮延伸体(黑潮大弯曲)的空间范围及其随时间的变化,以及吕宋冷涡、南海海洋内波等典型中尺度海洋现象的范围、强度、出现时间等,具有典型的区域和时间特性,可以直接在海图进行标注,实现与海图信息完全融合,形成具有典型环境特性的专用地图。这类专用地图,能够反映诸如水团、海洋锋面、涡旋、内波、海流、大浪等海洋环境特征,主要特点就是突出其地域性和危害性,忽略其短周期的时变性,一旦出现重大变化时,可及时对地图信息进行更新更正,体现其实用性。因此根据不同应用需求和目的,以海图为载体,实现海洋水文要素、中尺度海洋现象基本特征信息与海图的有机融合,是一种全新的海洋水文信息产品形式,支撑制作各种不同应用需求的专用海洋水文地图的信息技术手段已经非常成熟。

2基本原理

海洋水文地图制作的基本原理就是以海图的展现方式,在海图上实现多类海洋环境特征信息与海图信息的有机融合,并以海图的基本操作功能,实现海洋环境信息的一键式浏览查看。其核心思想就是从多源海洋环境信息中通过系列方法算法,挖掘、提取并分析能够反映海洋环境特征的基本信息,以海图的矢量化特征存储这些特征数据,从而实现信息的完整融合。用一系列海洋环境特征数据,刻画海洋环境特征变化规律的海洋水文地图,是一类信息高度概括和凝练的专用海洋环境信息表现形式,用户通过应用这种产品,可以直观、快速的掌握和了解海洋环境综合性特征,不再需要翻阅大量的专业性要素专题图,不但可提高决策效率,而且可大大提高信息使用价值。这类产品,虽然数据不多,但信息量非常丰富,每一组数据都是通过海量海洋环境信息数据的综合性挖掘分析和提炼,由专业和专职人员的智能加工分析而获取的特征信息数据,这类特征数据之间既相互联系又相互独立存在,彼此之间不能出现矛盾,这就需要制定合理的工作技术流程,选择科学、合理的计算分析方法,并对计算分析结果进行科学性、合理性和代表性验证,确保信息应用安全。

海洋水文地图制作的基本方法,除了对多源海洋环境数据进行处理(本文不做赘述)之外,主要是综合利用大数据挖掘和神经网络技术,在各种海洋环境特征数据诊断计算提取的基础上,结合信息处理相关标准规范,利用模糊数学、聚类分析算法,获取相关特征信息,并结合主观、客观分析方法,开展必要的检验验证和评估,分析确定海洋环境综合特征信息数据,形成海洋环境地图元素数据,在海图上制作综合特征地图。其制作过程主要包括数据准备和处理、计算分析方法试验和甄选评估,特征信息挖掘和智能提取,特征信息输出与存储,特征信息验证和评估,综合特征信息显示布局设计与地图制作等六个重要环节,其中第二、第三和第五个环节是特征信息数据获取的关键过程。基本技术流程如图3.1所示。

 

5.1海洋水文综合特征信息地图技术流程示意图

4基本要求

如前所述,海洋水文地图可以制作成为专用地图,也可制作成为通用地图。前者能够与具体任务或军事活动关心的海洋环境信息相关联,不必要的信息可以不用加载或标绘,提高地图的可读性和直观性,专用性强、有效期较短、适用性受限;而后者则是不用区分任务形态,而直接制作的通用地图,信息量比较丰富,通用性强、有效期长、适用性广。无论是专用地图还是通用地图,都必须依赖于大量的海洋环境特征信息,只是在制作地图时,进行有选择性的提取、标记、制作;而这些海洋环境特征信息,其形式基本是量化数据,不但能够刻画出环境的多维动态变化,还要突出这些变化能够代表的时间、空间范围及其趋势,就需要对海量的海洋环境数据进行系统性计算、分析、提取、验证,工作量之大,计算量之巨,应是前所未有。

既然能够叫做地图,那么地图上的信息必须能够保证准确、可靠,信息格式要符合海图基本规范,实现环境特征信息域海图信息的完全融合,信息描述要简约、直观、清晰,不允许二义性现象存在,同时当部分信息出现变化时,要确保对海图信息及时快速有效更新,而不能影响使用,对出版物及时订正或校正。无论电子地图还是出版地图,必须紧密结合不断增长的应用需求,并随着海洋环境信息的不断积累,开展周期性的更替、更新,保证海洋水文地图的实用性、可靠性和推陈出新,同时,原有海图的操作与使用功能完全不便,仅仅是丰富了海洋环境信息而已。

 要实现与海图信息的融合,必须同步开展以下几项工作:

第一,做好调研分析。实地考察海图生产的技术流程、技术体制、信息存储格式等,因势利导的制定确定海洋水文地图信息的相关技术要求;

第二,海洋水文地图制作标准制定。为了确保海洋环境特征信息与海图信息的有机全面融合,必须制定海洋水文地图制作的标准规范,包括海洋环境水文地图信息的提取方法、技术流程、信息存储格式、信息标绘等内容;

第三,海洋环境特征信息符号库制作。针对不同形式的海洋环境特征信息,如海洋环流、中尺度现象等特征信息制作特征符号库,实现与海图的快捷标绘;

第四,专用地图和通用地图与海洋环境特征信息关系模型建立。针对不同应用需求,根据使用对象,及地图的功能和作用,分别建立关联关系模型,形成标准关系库;第五,专用地图校正和通用地图周期性更替办法制定。对专用地图上海洋环境特征信息,通用地图的周期性更新、地图出版印刷等,制定相关法定程序,强制约束产品的校正更新频率,保证产品的可靠性。

通常专用地图包括艇载地图,水面舰舰载地图,陆战地图、联合作战地图、航空反潜地图,武器装备试验地图,专用任务地图等几大类,而通用地图通常适用于教学、科研和各类重大任务等,除具备专用地图的信息外,还包括其它的环境特性信息。

第六,海洋环境特征数据的分段标准制定。通过综合分析全时空范围内的海洋环境信息特征,分海域制定海洋环境特征数据的分段标准,作为综合信息地图数据制作的依据。

4基本要求

如前所述,海洋水文地图可以制作成为专用地图,也可制作成为通用地图。前者能够与具体任务或军事活动关心的海洋环境信息相关联,不必要的信息可以不用加载或标绘,提高地图的可读性和直观性,专用性强、有效期较短、适用性受限;而后者则是不用区分任务形态,而直接制作的通用地图,信息量比较丰富,通用性强、有效期长、适用性广。无论是专用地图还是通用地图,都必须依赖于大量的海洋环境特征信息,只是在制作地图时,进行有选择性的提取、标记、制作;而这些海洋环境特征信息,其形式基本是量化数据,不但能够刻画出环境的多维动态变化,还要突出这些变化能够代表的时间、空间范围及其趋势,就需要对海量的海洋环境数据进行系统性计算、分析、提取、验证,工作量之大,计算量之巨,应是前所未有。

既然能够叫做地图,那么地图上的信息必须能够保证准确、可靠,信息格式要符合海图基本规范,实现环境特征信息域海图信息的完全融合,信息描述要简约、直观、清晰,不允许二义性现象存在,同时当部分信息出现变化时,要确保对海图信息及时快速有效更新,而不能影响使用,对出版物及时订正或校正。无论电子地图还是出版地图,必须紧密结合不断增长的应用需求,并随着海洋环境信息的不断积累,开展周期性的更替、更新,保证海洋水文地图的实用性、可靠性和推陈出新,同时,原有海图的操作与使用功能完全不便,仅仅是丰富了海洋环境信息而已。

 要实现与海图信息的融合,必须同步开展以下几项工作:

第一,做好调研分析。实地考察海图生产的技术流程、技术体制、信息存储格式等,因势利导的制定确定海洋水文地图信息的相关技术要求;

第二,海洋水文地图制作标准制定。为了确保海洋环境特征信息与海图信息的有机全面融合,必须制定海洋水文地图制作的标准规范,包括海洋环境水文地图信息的提取方法、技术流程、信息存储格式、信息标绘等内容;

第三,海洋环境特征信息符号库制作。针对不同形式的海洋环境特征信息,如海洋环流、中尺度现象等特征信息制作特征符号库,实现与海图的快捷标绘;

第四,专用地图和通用地图与海洋环境特征信息关系模型建立。针对不同应用需求,根据使用对象,及地图的功能和作用,分别建立关联关系模型,形成标准关系库;第五,专用地图校正和通用地图周期性更替办法制定。对专用地图上海洋环境特征信息,通用地图的周期性更新、地图出版印刷等,制定相关法定程序,强制约束产品的校正更新频率,保证产品的可靠性。

通常专用地图包括艇载地图,水面舰舰载地图,陆战地图、联合作战地图、航空反潜地图,武器装备试验地图,专用任务地图等几大类,而通用地图通常适用于教学、科研和各类重大任务等,除具备专用地图的信息外,还包括其它的环境特性信息。

第六,海洋环境特征数据的分段标准制定。通过综合分析全时空范围内的海洋环境信息特征,分海域制定海洋环境特征数据的分段标准,作为综合信息地图数据制作的依据。

5结论

利用各种技术手段,对海洋环境数据进行系统有效综合分析,提取对海上经济活动、军事活动等具有严重威胁的海洋环境现象特征信息,以海图为载体,制作具有与海图同等功能的,操作方便、表现直观、易于辨识和理解的海洋水文地图,成为海洋产品开发和应用的重要方向;同时海洋水文地图的制作是一个学科融合的专业产品的生产过程,需要相关学科专业人员的通力合作,如地图、软件、信息技术等方面的专业人才,还需要对海洋科学有基本认识的专业人员来完成。该类产品可根据应用方向、应用模式制作不同的地图产品,其共同点就是简约、直观、可靠、安全,易于使用,所需要信息全部在海图上呈现,真正实现“一张图”的海洋环境信息保障和应用理念。

 

参考文献:

1)专著:中国海军百科全书(第二版),军事海洋环境Ⅳ(门类分册)(军事海洋测绘 海洋水声环境)北京:中国大百科全书出版社,2014.12;

2)专著:中国海军百科全书(第二版),军事海洋环境Ⅳ(门类分册)(军事海洋水文 军事海洋气象)北京:中国大百科全书出版社,2014.12;

3)专著:“十三五”国家重点出版物出版规划项目,深远海创新理论及技术应用丛书,范开国,徐青,傅斌等,星载合成孔径雷达海洋遥感导论(下册).北京:海洋出版社,2019.03;

4)专著:中华人民共和国国家标准GB12763.7-91.海洋调查规范 海洋调查资料处理,北京:中国标准出版社,1992.04;

5)期刊:王关锁,赵彪,赵昌等.超强台风强度与其过境海域上层海洋热力结构关系研究.海洋科学进展.2018.07,Vol.36,No.3:363-371,海洋出版社;

6)电子文献:Digital Geospatial Data Products-AGEOP-19,Additiontal Military Layers(AML),https://www.document-center.com/standars/show/STANAG-7170//STANAG-7170

7)电子文献:AML软件,http://softwaretopic.informer.com/additional-military-layer/

8)电子文献:AML样式,http://softwaretopic.informer.com/military-layer-style/

9)电子文献:《中国自然地理图集》,https://www.osgeo.cn/map/mbe53

 

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