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海洋水文地图制作的基本原则和内容

海洋水文地图制作的基本原则和内容

-----海洋水文地图制作系列思考之三

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:在熟悉海图基本功能和作用的前提下,在海洋水文地图制作基本思路的框架下,基于不同海洋水文保障信息的应用需求,分析研究海洋环境信息的基本特性和结构,分析研究针对不同应用需求的海洋水文地图所承载的基本内容,科学开展海洋水文地图分类分幅,建立海洋水文地图与海洋水文信息的关联模式,有效实现海洋水文地图开发制作及应用的针对性和实用性;研究确立海洋水文地图制作过程应遵循的基本原则,梳理出海洋水文地图制作所面临的各种困难和关键技术,并评估这些关键技术和困难可能造成的影响,及时开展关键技术攻关,为海洋水文地图的制作提供基本依据和技术支持。

关键词:海洋水文;地图;海图;时变特性

 

The Basic principles and content of marine Hydrographic mapping

-------The Thoughts of the Manufacture Marine Hydrographic Map Series 3

 

Abstract: under the premise of being familiar with the basic functions and functions of nautical charts, the basic characteristics and structure of marine environmental information are analyzed and studied under the framework of the basic ideas for the production of marine Hydrographic maps, based on the application needs of different marine Hydrographic information. Analyze and study the basic contents of marine Hydrographic maps for different application needs, scientifically carry out the classification of marine Hydrographic maps, establish a pattern of association between marine Hydrographic maps and marine Hydrographic information, and effectively realize the pertinence and practicality of the development, production and application of marine Hydrographic maps. To study and establish the basic principles to be followed in the process of making marine Hydrographic maps, to map out the difficulties and key technologies encountered in the production of marine Hydrographic maps, and to assess the possible impact of these key technologies and difficulties, and to carry out key technical challenges in a timely manner, Provide basic basis and technical support for the production of marine Hydrographic maps.

 

Keywords:Marine hydrology;Map;Ocean Map;Time-varying Characteristics

 

1前言

在上期文章中已经提到,海洋水文地图的显著特点就是海洋环境特征信息的符号化、定量化和参数化,最大化减少文字描述,纯粹以图形符号和数学符号刻画出海洋环境的变化特性,一改传统的单一要素的等值线图显示方式,因此就需要对传统的产品进行综合性多要素多尺度联合分析研究,以获取可靠的相关特征信息数据。

海洋水文地图的显著特点之一是在同一幅海图上同时合理标注多重海洋环境特征信息数据,实现海洋环境信息与海图信息的有机融合,赋予海图新内容和新功能。在科学合理的布局设计下,这类产品展示的是分层海洋水文的基本要素的变化区间及其代表的时空范围,用统计特性数据刻画,而中尺度现象,主要用空间结构、变化范围及统计特征数据来刻画,主要描述这些变化所能覆盖的时空范围,这也是海洋水文综合信息地图的核心内容。例如黑潮,可以作为一类特殊的海洋现象,其典型的海洋结构可以用流速、流向、水温、盐度、跃层等要素的特征信息来描述、刻画,其空间结构如流幅、流轴及其三维垂向结构,包括黑潮结构体的影响深度等信息,可用地理信号刻画出黑潮的基本特征,通过分析各特征信息时间和空间的变化,获取具有能够代表时间空间物理特性的一组数据,来反映黑潮的基本变化规律和特征,有利于快速掌握黑潮对海上军事活动、武器系统的影响。这类产品是一个非常实用、好用的产品。再如海洋跃层、海洋水团,甚至海洋内波,将其时空特性数据通过挖掘分析,并合理标注在海图上,对用户而言,在翻阅地图时,就如同使用海图一样,快速直接掌握活动海域或目标海域的海洋环境威胁态势,对及时做出正确的决策或制定科学的活动预案,具有重要的指导意义。因此,海洋水文地图的制作,在数据、技术都完善的前提下,关键是对地图承载的环境信息进行科学合理的分析,确定体系化的标准规范。

2基本原则

任何产品的开发制作都需要制定一套原则,在坚持既定原则的前提下开展相关工作,不但有利于制作过程的规范化管理,也有利于做到事倍功半,同样,海洋水文地图的制作也需要坚持一定的原则,才可以实现产品的实用性、可靠性、安全性和代表性。海洋水文地图制作应坚持以下原则:

第一,可靠性和代表性原则。在地形图上所标绘的海洋水文特征信息不但要可靠,而且要具有典型的代表性,能够准确反映特定区域和特定时间域内海洋环境的基本特征。

第二,便捷性、直观性、易读性原则。典型的海洋水文地形图是一种专题图,是不需要非专业人员具有深厚的专业背景知识,就可使用的一种产品,图中所标注的信息清晰明了,简单、直观,能够保证非专业人员看的懂、看得明白,可以直接获取当前海域的基本特征,有利于指挥员快速做出决断。

第三,可更新性原则。随着数据的积累和新型认识的扩展,图中的海洋环境特征信息参数可以实现及时的更新、补充和订正,保证信息的可靠、真实;这就需要对各种信息特征参数的数据结构、类型等进行分析,与海图的数据结构相同,形成栅格矢量数据,便于信息的更新和完善。

第四,符号性标注原则。海洋水文地形图的信息量丰富,特征信息繁杂,数据多,若直接标绘数据,又容易相互掩盖、遮掩,导致信息模糊不清,导致易读性差,图面不够简洁、整洁,因此尽可能多的用图形符号与数据相结合的方式进行标绘,保证图面的整洁、美观。

第五,与海图功能融合性原则。在海图上所标绘的海洋水文特征量信息,能作为单独的图层,与海图信息完全融合,并能够实现图层的调阅和关闭,特征信息的复合性选取,以及图形的放大缩小漫游。

第六,信息关联性原则。在海图上所标注的信息之间既相独立,又相关联,不同特征量信息间不能相互矛盾。

以上六条原则,缺一不可,是海洋水文地图制作应遵循的基本原则,是指导开展海洋水文地图制作的基本规定和要求。

3基本内容

如前所述,在海洋水文地图制作的基本技术框架下,根据不同的应用需求,研究梳理不同地图的承载内容,才能够体现出专用图的基本使用功能,如同海图导航功能一样,有效发挥海洋水文地图的作用。通过系统的分析研究,海洋水文地图所承载的基本海洋环境特征信息有大致包含以下内容。

(一)海洋基本要素特征信息。海水温度盐度密度声速不同层深标准量值(按照科学分级)范围、平均值,以及这些信息所能够代表的海域廓线与时间区间;海洋跃层的剖面结构图谱,及该图谱所代表的海域廓线与时间区间;潮汐性质及最大超差、平均潮差及其所能代表的海域廓线;潮流的基本属性、潮流的最大流速,转流时刻以及主要流向及其当前条件下所能覆盖的海域;海流的最大流速、平均流速,最多流向及流系覆盖范围和当前环境条件下的时间区间;各要素或当前特征变化过程覆盖的过渡海域和时间域;

(二)中尺度海洋现象特征信息。

1.典型海洋中尺度涡的平均半径和中心位置,极值水温和平均水温,涡的冷暖属性,涡的移速和移向,极值流速和流向,平均流速和平均流向,生消周期,最大影响深度,涡的类型包括锥型、漏斗型和柱型;

2.海洋内波的平均出现频率,最强内波覆盖海域,内波较弱海域,传播速度和方向,最大振幅和平均振幅,内波生消周期,极值密度和平均密度及其空间范围,极值垂直流速和平均流速,最大和平均水平流速,内波类型(上凸、下凹);

3.海洋锋的分层强度,用要素梯度计算,包括最大梯度和平均梯度;海洋锋的物理空间范围,包括水平空间范围和影响深度;海洋锋的演变方向,以及海洋锋的生消规律,用时间刻画;

4.海洋水团的基本属性即冷水团还是暖水团,水团的三维空间范围,可用水团的球体半径和水团球心位置表示,水团内极值水温及其层深和平均水温、极值盐度及层深和平均盐度,水团变性周期,水团生消规律等。

(三)海洋环境特征信息显著变化的空间特性和时间过渡区间。海洋环境特征信息出现显著变化时,地图产品就需要更新,这时就存在这些特征数据变化带来的代表区域的变化和时间区间的变化,出现了过渡海域和时间区间特征数据。通常,在海图上刻画了对军事相对敏感的海洋环境信息特征数据,,以及这类特征数据所代表的海域和时间,而这类信息范围跨越到另一种范围时,出现了两种典型的不同环境,两种典型的环境特征变化过程中,出现了明显的空间和时间界面,包括过渡时间和过渡区域,即过渡带,这类信息可以用几何符号来刻画,这类数据代表了既定特征数据的变化趋势和特点,对应用非常重要,可以为用户提供重要的环境特性变化信息,尤其对航海安全保障至关重要,当船舶、潜艇、无人潜航器、无人艇,甚至鱼水雷等武器系统在穿越这样一个界面时,可以预先科学制定行动操作预案,针对不同的任务,选择合理的时间窗口,规避海洋环境带来的不安全因素,为决策者提供信息支持。

4关键技术

明确了海洋水文地图所应承载的内容之后,就需要对海洋水文地图制作过程进行科学的评估和分析,确定可能面临的困难和技术难点,有效的开展关键技术攻关和突破,是海洋水文地图的制作奠定技术基础,扫除技术障碍。海洋水文地图制作,主要面临的关键技术和难点包含以下几个方面。

第一,基础资料的精细化质量控制技术。从资料和产品中提取环境特征数据和信息,依赖于近乎真实、可靠的资料和产品,尤其对资料的质量问题必须有一个客观、完整的把控,剔除其中的虚假信息和错误数据。如,把本是一个完整剖面的多段数据重新接续,形成完整的剖面资料等;

第二,关联要素联综(联合、横向与纵向)分析技术。海洋水文各要素之间并不是孤立或者没有联系的,而是相互之间都有密切的关系,尤其反映不同海洋现象的水体环境中,各类要素都会反映出现象的典型特征,且相互之间都会联动,因此在提取相关特征信息时,必须考虑各要素之间的关系,避免出现矛盾;

第三,特征信息典型图符制作与表达技术。海洋水文地形图特征信息非常丰富,不比地理信息少,而且结构非常复杂,在地图上全部直接标数字的方式,势必造成图面的杂乱、模糊,信息不清,因此,用典型图形符号的形式来表达特征信息是非常整洁、完整的重要方式;

第四,基础数据应用分析与特征提取技术。可靠的水文特征信息的获取,依赖于大量的基础观测资料和精细化的产品,否则,各类特征信息的地理边界、时域边界的分析和提取将会非常模糊,甚至信息不够可靠,尤其在空间和时间的过渡区间也是对数据的精细化程度要求非常高;

第五,多元多维特征信息融合标注技术。各类不同结构的特征信息数据的数字标绘、图形符号表达等,是实现地形图的重要方式,而以数字海图为地图的前提下,必须实现水文特征信息与地理信息的有机融合,在信息管理方面,必须采用与地图一直得数据格式和结构,实现海洋水文特征信息的快速无缝准确展现;

第六,特征信息域界(空间区域边界、时间区间)分析与确定技术。这主要是如何提取某个或多个海洋环境特征信息所能覆盖的空间区域边界,以及所能够代表的时间范围或区间,这项技术直接影响海洋水文地图所能承载信息的完整性,也是实现海洋环境信息地理信号化的重要内容;

第七,标准特征信息分级标准。每一个特征信息能够代表一定区域,反之,一定区域说明某一信息特征量具有惟一性。在分析这些特征量时,必须考虑海洋中的真实情况,具有高度的综合性和概括性,如果没有特征量分级信息,或特征量的定义不合理,就很难获取其恰当的覆盖区域,或者区域缺乏代表性和合理性;与此同时,还必须以应用需求为前提,否则就脱离了实际应用价值。因此,在做信息特征提取之前,必须在应用需求的牵引下,科学合理的开展信息特征量的分级,这是海洋水文地形图制作的基础前提。

5结论

综上所述,只要有了明确的应用需求和方向,有了信息技术和数据资料基础,就可以制定海洋水文地图制作的基本原则,通过系统性的分析研究,确定海洋水文地图承载的内容和形式,提出可能面临的风险和困难,并针对这些风险和困难,可有效预先开展相关技术攻关,为海洋水文地图的规模化、业务化制作奠定技术基础。

 

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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