超级计算机在海洋信息系统中应用

超级计算机在海洋信息系统中应用

12计科二班   张琦

摘要：本文介绍了超级计算机的的强大功能和及其在海洋信息系统构建中的应用，海洋蕴藏着丰富的能源和矿产资源，而海岸带又是经济发展迅速人口聚集稠密的地区，但海洋带着神秘的面纱，对它的探索和深层次的挖掘有着一定难度，超级计算机在构建地理系统中取得巨大的突破，因此超级计算机的超级运算能力无疑是解决这一问题的关键所在。所以利用超级计算机完善的海洋信息系用对人类探索海洋起着巨大帮助的作用。

关键词：超级计算机，地理信息系统，海洋地理信息信息系统

1、计算机概述

超级计算机最近几年中发展迅速，我国自主研制的超级计算机“天河”系列，美国IBM公司制造的”蓝色的基因”等都具有每秒万亿次级别的运算能力，并且我国最近新研制的天河二号突破每秒亿亿次的运算能力，这种突破解决了大规模复杂的计算问题。并运用在实际德生活中，高速汽车的碰撞模拟，天气气象的准确快速的推测，基因研究，石油勘探，把普通计算机需要长达几年的才可实现的运算，在短时间内完成。通过超级计算机构建三维模地理型并模拟地理变化收集地理信息，专家已经成功构建了地理信息系统GIS。

2、地理信息系统

“海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分，是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富”（联合国《21世纪议程》，1992），海洋中的矿产资源将是人类今后赖以生存的，陆地资源日益短缺，海洋的开发与利用已经成为很多国家的重要发展战略，很多重大国际行动也把国际关系的焦点逐步转向海洋领域，海洋成为国际争夺权力，利益的焦点。

2.1地理信息系统

专业处理地理信息的管理系统---地理信息系统GIS。地理信息系统作为对蕴涵空间位置信息的数据进行采集、存储、管理、分发、分析、显示和应用的通用技术以及处理时空问题的有力工具 ,愈来愈被海洋领域的专家所关注。

早在二十世纪九十年代初，GIS 在管理和显示海洋数据，三维模型的建立、可视化和定量分析中的重要意义 ,受到海洋学家和动态图形专家的关注,随后欧美对 GIS 在海洋应用中进行了多方面探索 ,如美国全球变化计划支持的 RID GE 调查计划 ,采取利用 GIS 缓冲功能设计航线、判断和划定声呐的探测范围、确定测点 ,实时整理测量数据并存档 ,实现对多传感器数据的查询检索、专题图制作、叠加分析建立各要素关系 ,并由此讨论东太平洋洋中脊的地质解释和阐述了 GIS 在陆地和海洋应用中的某些重要差别. Mason 等将遥感数据和实验调查数据结合起来解释中尺度海洋特征 ,并预测气候变化。

2.2海洋地理信息系统

海洋地理信息系统 (MGIS) 是 地理信息系统GIS在海洋领域中的应用 ,在超级计算机的强大的运算能力下 ,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海图及海洋数据库 ,它以海洋地理信息为基础 ,能够对海洋资源进行管理与分析 ,在海洋非生物资源定位，生物资源监控，海洋气候预测等方面发挥重大作用。近年来 ,海洋经济、海洋政治、海洋科学等新问题的出现 ,促使政府、管理部门及学术界尽快地、系统地掌握海洋信息 ,在客观上促进了M GIS 的发展。由于海洋地理信息的上述特点 , MGIS有其特殊性 : ①对全球定位系统 ( GPS) 的依赖性更强 ,以便更精确地定位 ; ②与遥感 (RS) 配合更加紧密 ,通过 RS 全天候、大范围、长周期的观测 ,及时更新系统数据 ,了解海洋动态变化 ; ③是一种时序的信息系统 ,具有很强的动态模拟功能 ,通过观测海水的动态变化 ,来反映信息的时空变化。

2、3海洋地理信息系统的构建

 “ 数字海洋”技术

在我国 ,MGIS 前景十分广阔。海底地形地貌及地质地球物理等专业资料的综合解释方面仍属空白 ,需要对海底进行迫切而深入的调查与研究。计算机、电子、声学、信息工程等高新技术在海洋领域的应用 ,极大地推动了海洋海底探查技术的快速发展。海底信息数据量的激增 ,利用超级计算机将多来源、多类型、多层次的空间信息有效组织起来 实现空间数据的分析、管理、解释和成果显示 , GIS 技术在海底信息领域的应用势在必行。在“数字地球”形成的金字塔型结构框架下 ,建设“数字海底”与整个“数字地球”、“数字海洋”的观念和实现方式息息相关 ,也有赖于它涉及的海底科学各专业门类“数字海底”技术作为 M GIS 的重要组成部分之一 ,是“数字海洋”系统的主要支持技术 ,立足于海底资源有关资料的标准化、可视化、信息化、网络化、系统化和国际化发展 ,满足海底资源环境调查、国防安全、海洋工程和相关产业的需要。在“863”计划中已立项海洋 GIS 研究 ,在建立海底地形地貌、声学探测剖面、重力场、地磁场、地热、底质类型与结构、地球化学等各类地质、地球物理海量数据库的基础上 ,构建海底信息管理系统的基本框架 ,实现信息资料的快速检索和管理、常规空间分析 ,并研究综合成图成像技术 ,已成为海洋地球科学中的主导趋势。

3、计算机在MGIS中的应用

3、1  MGIS的数据

海洋中各要素及其动力因素均是在时 - 空中连续场分布的 ,从 GIS 的观点看是一个具有模糊过渡的时 - 空分布 ,此栅格的表达和计算在客观上要比矢量更为方便和接近现实 ,特别是对航天遥感器、多波束回声仪等所获的栅格数据或可以转变为栅格数据的传统海洋测量数据 ,如断面、船测报、ADCP ,AR GO 等更方便、更现实。

MGIS旨在为海洋学家提供可选择的、适当的方式和平台以分析处理大量数据 ,提取有价值的信息: 通过对海洋信息的分析、综合、归纳、演绎及科学抽象等方法 ,研究海洋系统的结构和功能 ,揭示和再认识海洋现象的各种规律 ,特别强调对海洋现象空间形态的表达、符合海洋要素数据特点的综合信息管理、智能化海洋遥感信息分析和专题信息提取、动态现象的时序特征分析以及现象的尺度精度评估等方面 ,从而为海洋信息科学的管理、分析和应用提供强有力的手段 ,实现信息的挖掘和再开发。

3、2利用超级计算机处理的数据

  如前所述 ,M GIS 处于对海洋测量数据、遥感反演数据、数值模型输出数据的管理、集成、分析、提炼的框架内 ,因此有必要探讨在 M GIS 的支持下海洋研究工作是如何开展的. 如图 2所示 ,为便于说明 ,以分析某些海洋动力特征 ,如锋面、跃层或水团等为例 ,原来的许多手工或半自动的工作可以由 M GIS 来完成. 这样 ,对数据的处理操作和信息的分析等具有严格统一的标准 ,避免不同处理者采用不同的标准 ,也避免同一处理者在不同的时次采用不同的标准. 上述情况主要存在以下几个方面的需求 :

1）数据融合,将各种海洋现场测量数据和遥感数据融合为统一标准的数据集 ,如从大数据集中获取在一定空间范围内具有统一投影或高程基准的、具有一定数据质量的同期或准同期的分析数据 ;

(2) 插值 ,对数据的质量进行评估 ,对缺失的数据进行插补 ;这里的插值是特指三维空间插值和时空四维插值 ;

(3) 场运算 ,空间域的基本运算和操作、等值线和要素场剖面线图等的自动绘制 ;频率域的 EOF 变换、傅里叶变换、小波分析等 ;专业运算的温度锋、涡旋、水团的提取与划分等 ;

(4) 多维显示与分析需求 ,包括断面可视化、多维时 - 空要素的多元表达和动态显示、结果的多元表达和输出等.从更广泛的意义上来说 ,特征的含义不仅指可以用点、线、面、体等来表达其时 - 空位置的几何特征 ,还包括可以用于表征该数据的统计分析特征 ,如场要素分布的统计分析描述及其频率域的特征等.

          

    对数据的处理操作和信息的分析等具有严格统一的标准 ,避免不同处理者采用不同的标准 ,也避免同一处理者在不同的时次采用不同的标准. 上述情况主要存在以下几个方面的需求 :

(1)        数据融合 ,将各种海洋现场测量数据和遥感数据融合为统一标准的数据集 ,如从大数据集中获取在一定空间范围内具有统一投影或高程基准的、具有一定数据质量的同期或准同期的分析数据 ;

(2) 插值 ,对数据的质量进行评估 ,对缺失的数据进行插补 ;这里的插值是特指三维空间插值和时空四维插值 ;

(3) 场运算 ,空间域的基本运算和操作、等值线和要素场剖面线图等的自动绘制 ;频率域EOF 变换、傅里叶变换、小波分析等 ;专业运算的温度锋、涡旋、水团的提取与划分等 ;

(4) 多维显示与分析需求 ,包括断面可视化、多维时 -空要素的多元表达和动态显示、结果的多元表达和输出等.从更广泛的意义上来说 ,特征的含义不仅指可以用点、线、面、体等来表达其时 - 空位置的几何特征 ,还包括可以用于表征该数据的统计分析特征 ,如场要素分布的统计分析描述及其。

 

数据输入、提取、操作

(1) 海洋数据类别和种类多 ,格式繁杂 ,必须定义统一的输入标准 ,并提供格式转换工具 ,对数据库内数据结构作出严密定义 ,从而为系统的操作提供便利.

(2) 相对于陆地 GIS 平台 ,应特别注意时间动态的问题. 在数据的提取和显示时都必须对时间进行限定 ,所有的提取均是对一定时 - 空范围的限定.

(3) 尽管海洋数据量在急剧地增长 ,但对一定的时 - 空进行限定时 ,数据却往往极为稀少 ,这凸现出插值在 M GIS中的重要性.

(4) 正因为数据相对稀少 ,数据的珍贵性得到重视 ,为此对 M GIS 必须强调数据质量评估的重要性.

(5) 相对 于 陆 地 应 用 的 GIS , 对M GIS 必须重视高程基准的统一. 投影变换的重要性可以相对下降 ,一般用经纬网作为统一坐标体系.

(6) 陆地上有地物或边界可对位置作标示或参照 ,而对 M GIS 只能用经纬网来标示其位置 ,故在显示时需要调入经纬背景或标尺.

 

 

时空测量数据的运算

海上实测数据中常见数据种类有台站数据、船舶报数据、断面测量数据、ADCP 测量数据和浮标数据(包括 AR GO) 等. M GIS 针对各种数据定制其功能 ,其中与陆地 GIS 不同的数据分析功能 ,除前面所述外 ,还包括 :

(1) 区域数据统计和过程曲线绘制,包括动态过程曲线 ,即空间上设定时间段和时间间隔静态或动态地显示要素值的过程曲线 ,也可将各区域过程曲线静态或动态显示在同一弹出窗口上 ;利用过程线的无级缩放分析不同时间尺度的规律 ;缩放过程中设定数据的选取方式 ,包括中数、平均数或极值等 ;

(2) 对多区域或多点位 ,按要素项 (单项或多项) 动态显示 ,比如柱状图动态 ,即在各空间位置上显示要素值的柱状图 ,高度随时间变化 ,时间间隔和起止时间可选 ;除按空间位置显示外 ,可选择它们显示在同一弹出窗口上 ,处于同一水平线上 ,以便比较 ;

(3) 对有纵深的测量 ,比如断面数据 ,除上面所述外还具备可视化选定空间点 ,自动绘制其要素图及其密度和声学特征曲线 ,并同步显示曲线的拐点、驻点和相互间距离(如衡量跃层厚度) 及要素值与距离的比值(用于衡量要素变化率 ,如跃层强度) 等特征 ;选定测线后则自动绘制等值线 ;选定多条测线重建三维测点 ,任意三维面切割 ,自动插值生成其要素数据和图表 ;

(4) 矢量分析 ,对于如 ADCP ,ARGO 等数据 ,除以上数据分析外 ,可对矢量场进行插值和绘制、方向概率统计、矢量场时间序列动态显示、单点矢量的时间轴显示等。

4、结语

  在构建海洋信息系统MGIS，必然存在着这庞大的计算工作，超级计算机在这个时代的横空出世，得心应手的解决普通计算机无法胜任的计算问题，在模型构建，三维场、时空场的建立，数据的分析中，以及模拟变化的过程中在可变化相对位置和值的空间数据结构、零星数据的插值、体分析、大数据集管理和输入等，超级计算机得到了广泛的应用。

 

参考文献：

苏奋振 周成虎 杨晓梅 杜云艳 骆剑承 仉天宇   《洋地理信息系统理论基础及其关键技术研究》  March 2003  Vol.29 № 4

刘宝银 ,张 　杰. 海洋科学前沿 ———“数字海洋”[J ] . 地球信息科学 , 2000, 2(1) : 8 —11.

王兴涛 ,翟世奎   《理信息系统的发展及其在海洋领域中的应用》  海 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质  May ,2003 Vol. 23 ,No. 2

    杨德麟，孙 俊，陈 辉.地理信息系统现状和发展趋势CAGIS&CPGIS年会论文集，1998