Recent Progress of Marine Geographic Information System in China: A Review for 2006 minus; 2010
CHEN Ge*, LI Wenqing, KONG Qianqian, LIU Shouxin, LV Chongjing, and TIAN Fenglin
Engineering Research Center of Marine Information Technology, College of Information Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, P. R. China
(Received February 25, 2011; revised May 11, 2011; accepted September 6, 2011)
copy; Ocean University of China, Science Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012
Abstract In this article, the progress of marine geographic information system (MGIS) in China during 2006minus;2010 is reviewed with emphases on generic MGIS, advanced MGIS and MGIS-based applications. Generic MGIS can be divided into two categories: data-oriented MGIS and user-oriented MGIS, recent achievements of which by Chinese researchers are summarized respectively. Advanced MGIS mainly involves the establishment of 3D virtual marine environment and lsquo;Digital Oceanrsquo;. An overview of the 3D MGIS based simulations in the context of ocean phenomena, ocean engineering and ocean battlefield is also presented. Several suggestions for future development of MGIS in China are proposed, and trends of development are addressed.
Key words marine geographic information system; virtual marine environment; digital ocean; dynamic visualization; ocean simulation
1 Intruduction
With the rapid development of science and technology and the serious challenges of population growth, envionmental degradation, resource depletion, climate anomalies and so on, people are paying more attention to the ocean which comprises 71% of the earthrsquo;s surface. As a powerful tool for dealing with ocean issues, the marine geographic information system (MGIS) has been attached increasing importance by both marine scientists and decision makers. Generic MGIS, which is used for data integration, data visualization and user interaction, has played an important role during a long period. 3D marine environment simulation, which becomes the advanced form of MGIS, provides participants with a true feeling of realism as is widely recognized. In addition, prototype of lsquo;Digital Oceanrsquo; provides a great many effective means to display information to users. In this article, the research and development progress of MGIS in China during 2006minus;2010
is reviewed with emphases on oceanographic applications of generic and advanced MGIS, the future trends of which are also discussed. The classification of MGIS can be illustrated in Fig.1.
2 Generic MGIS
The huge amount of multi-source data brings challenges to its storage, management, maintenance,
Fig.1 The classification of MGIS.
fast access, intelligent analysis, visualization, and automatic mapping. As a common technology of spatial information processing and a powerful tool for dealing with complex spatiotemporal problems, more and more attention is being paid to MGIS by ocean experts.
In recent years, the development of MGIS can basically be classified into two categories: data-oriented MGIS and user-oriented MGIS. The former aims mainly at marine
data itself, such as data organization, model investigation, data services and sharing, etc. It is usually treated as an extension of GIS from land to ocean. The latter, however, focuses more on GIS itself. Nowadays, MGIS applications involve more than just marine data itself, they have been widely found in user interaction and demonstration.
2.1 Data-Oriented MGIS
2.1.1 Marine data integration
Marine data integration and sharing plays an important role in MGIS. Li et al. (2007) developed a marine hydro-logical information system by using the functions provided in MapObjects. This system realizes the functions of data management, map browsing, information query, automatic drawing of hydrological thematic maps, etc., as solutions to the problem of query, visualization and analysis in traditional management systems. Based on components technology, Kong et al. (2008) developed a marine meteorology information system using MapX5.0, Visual Basic 6.0 and SQL Server 2000, which realizes GIS- based applications to marine meteorological disaster prevention and mitigation. Liu (2008) developed an ActiveX component, with which a maritime management system is established to realize a number of functions such as ocean function zoning, multi-source spatial data integration, dynamic display of Jiaozhou Bay pollutant dispersion, etc. Combining ArcEngine with Google Earth API, Xie et al. (2009) developed a Shanghai ocean function zoning system which integrates 2D and 3D display services. The system is a good reference for the development of 3D GIS. Feng et al. (2009) designed and implemented a database management system for marine geological survey. The methods of implementing key functions such as distance and area measures, contours generation, spatial distribution analysis are discussed. Niu and Zhao (2008) reviewed the applications of remote sensing and GIS technologies in marine fisheries in two aspects: sea surface temperature (SST) and chlorophyll concentration. In order to meet the needs of the offshore oil industry, Zhang et al. (2009) proposed a GIS model which is developed by establishing a GIS spatial-object database and introducing a Service Oriented Architecture. This model can integrate application services of several professional databases such as offshore oil exploration, development, engineering, and so on.
2.1.2 Marine data visualization
With the exponential increase of marine and atmospheric observation data, more efforts are made to develop specialized visualizatio
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译文
中国海洋地理信息系统研究的进展：2006-2010.
摘要
在中国海洋地理信息系统（MGIS）的2006 - 2010年期间的进展与一般的军事地理信息系统，先进的军事地理信息系统和军事地理信息系统为基础的应用重点审查。一般军事地理信息系统可分为两类：面向数据的军事地理信息系统和用户为导向的军事地理信息系统，最近的成就，其中中国研究人员分别总结。先进的军事地理信息系统主要涉及建立3D虚拟海洋环境和“数字海洋”。在海洋现象的背景下，3D MGIS基于模拟进行了概述，海洋工程和海洋战场也呈现。提议的军事地理信息系统在中国未来发展的几点建议和发展趋势进行讨论。
关键词 : 海洋地理信息系统; 虚拟海洋环境; 数字海洋; 动态可视化; 海洋模拟
1 引言
随着科学技术和人口的增长，降解伴有环境，资源枯竭，气候异常等，人们更加注重包括地球表面71％的海洋严峻挑战的快速发展。作为一个强大的工具来处理海洋问题，海洋地理信息系统（MGIS）已通过连接两个海洋科学家和决策者越来越重要。通用MGIS，其用于数据集成，数据可视化和用户交互，已经在很长的时期中发挥了重要的作用。 3D海洋环境模拟，成为军事地理信息系统的高级形式，为学员提供现实的真实感觉，得到广泛的认可。此外，原型数字海洋的提供显示信息给用户带来了极大的许多有效的手段。在这篇文章中，军事地理信息系统在中国2006 - 2010年期间的研发进度与在通用和先进的军事地理信息系统应用海洋学重点审查，其中的未来发展趋势进行了讨论。
图1 MGIS的分类。
2 通用MGIS
海量、多源的数据带来的挑战，包括它的存储，管理，维护快速接入，智能分析，可视化和自动映射。作为空间信息处理的共性技术和强大的工具，处理复杂问题的时空，越来越多的关注正在由海洋专家支付给军事地理信息系统。
在最近几年，MGIS的发展基本上可分为两类：面向数据MGIS和面向用户MGIS。前者的目的主要是在海洋数据本身，如数据组织，模型研究，数据服务和共享等，这通常被视为地理信息系统，从陆地到海洋的延伸。后者，然而，更多地侧重于GIS本身。如今，军事地理信息系统应用涉及的不仅仅是海洋数据本身，他们已经广泛存在于用户交互和示范。
2.1面向数据的军事地理信息系统
2.1.1海洋数据集成
海洋数据集成和共享起着MGIS重要作用。 Li等人。 （2007年）通过使用MapObjects的提供的功能开发的海洋水文逻辑信息系统。该系统实现了数据管理，地图浏览，信息查询，水文专题图等，自动绘图的功能，作为解决方案的查询，可视化和分析，传统的管理系统中的问题。基于组件技术，香港等。 （2008年）开发利用MapX5.0一个海洋气象信息系统，Visual Basic 6.0和SQL Server 2000中，它实现了基于GIS-应用到海洋气象防灾减灾。刘（2008）开发了一个ActiveX组件，与海事管理系统被建立以实现若干功能，例如海洋功能区划，多源空间数据集成，胶州湾污染物扩散的动态显示，等。结合ArcEngine的与谷歌地球API，谢等人。 （2009）开发的上海海洋功能区划制度，集成了2D和3D显示的服务。该系统是三维GIS的发展提供了良好的参考。 Feng等。 （2009）设计并实现了数据库管理系统，用于海洋地质调查。实现关键功能，如距离和面积测量，轮廓生成的方法，空间分布分析，进行了讨论。牛和赵（2008）回顾了两方面的遥感和地理信息系统技术在海洋渔业的应用：海表温度（SST）和叶绿素浓度。为了满足近海石油工业，Zhang等人的需求。 （2009）提出了一种通过建立GIS空间对象数据库，并引入面向服务架构开发的GIS模型。这种模式可以整合多个专业数据库应用服务，如海上石油勘探，开发，工程，等等。
2.1.2海洋数据可视化
随着海洋和大气观测数据的指数级增长，都更加努力，开发专门的可视化软件，用于数据演示。随着中国海洋资源利用的发展，海洋环境监测已成为一个重要的研究课题。考虑海洋环境数据的特点，黄（2008）提出了一个海洋环境为导向的时空数据组织模型和基于GIS的可视化技术集成框架。通过对海洋环境的现有GIS数据模型的不足，他设计了一个面向对象的数据模型,它集成领域和功能。随着资源的充满活力的组织，他设计了“多网格”系统，用于海洋环境数据可视化。 Xu等人。（2009）开发的多维动画的可视化系统，为海洋和大气环境。该系统是在Java平台上开发的;使用特殊Java和VisAD的API的图形包，交互式可视化得以实现，多维数据的呈现的实施，并且还提供了一种人机接口。网络可视化表达对海洋标量场点和多边形处理由刘等人的影响。 （2009C）。在这个系统中一种新的方法以满足海洋时空过程的远程可视化建议;一个原型已经建立可视化的台湾海峡通过Web的SST;某些功能，例如，在整个过程中的值的查询，任何随机点在SST的字段的过程的曲线图，和视觉分析中的SST场多边形的过程中，正在实现。对于矢量数据，杨等人的可视化。 （2008）进行分析，需要对海洋矢量场及其TECHNOLOGIC困难，这是该系统的理论基础，然后引入Web服务和网络地理信息系统技术的实时动态互联网可视化。他们讨论的海洋环境中详细的矢量场的可视化的方法和结构。最后，以海流数据为例，他们开发了实时网络可视平台海流数据与从ArcGIS和从ArcEngine的网络服务的支持可视化的服务。
2.2面向用户的军事地理信息系统
MGIS通过多种用户互动提供GIS功能。如今，互联网已经成为环境监测和资源开发的重要手段，它可以有效地减少生命和经济损失的海洋灾害预警的结果。基于分布式数据库和网络地理信息系统（WebGIS系统），陈等人。 （2006）设计了一个海洋动力环境监测信息管理系统和共享福建省，中国。要构建进行了研究，对有效框架的海洋环境信息系统，立（2007）数据仓库为基础的海洋环境数据集成，基于组件的海洋环境数据处理方法的整合，以及Web服务和基于本体的海洋知识整合，导致新一代海洋和大气地理信息系统（MAGIS）的。根据
海洋信息共享的特点，Zhang等。 （2008年a）研究的元数据为基础的海洋信息的目录服务。他们设计了一个海洋信息资源目录服务系统，提供高效的搜索，安全访问和管理控制功能供用户使用。为了满足不同用户对实时，姜等海洋监测的要求。 （2009年）相结合的WebGIS与其他信息技术，建立基于ArcIMS平台，海洋信息网络系统。这个系统提供的信息在图中，数据文件，产品报告等的形式根据PANDA的背景（普里兹湾埃默里冰架与冰穹A天文台 - 中国的主要国际活动的IPY）部分海洋信息数据库的开发项目，Zhou等人。 （2009年）实现了基于WebGIS的数据共享系统的可视化数据查询功能。显示和查询的方式是多样化的，通过海洋信息数据的共享和应用的推广。鉴于对spatial-时间分析，邵等人的复杂性。 （2009）讨论了MAGIS的订购服务模式的特点。随着多线程，Web服务和批处理技术，他们开发的订单处理和时空分析为核心功能的新的集成解决方案。以中国南海作为自己的研究领域，肖等人。 （2009）选择了3种代表性的海洋环境范例建立一个原型多源海洋环境信息网格平台的，这一直是
被证明是可行的。为了充分利用海量数据的海洋，张等人。 （2010）设计了一种基于一个ASP.NET三层架构的海洋信息共享系统。该系统可以从信息采集子系统获取海洋数据，并通过共享与服务提供海洋信息共享服务子系统。为了满足从手动改进海洋观测资料的管理，计算机为智能为目前国内海洋环境监测任务，李等人的需求。 （2010）设计了一个实用的数据管理系统，为海洋环境监测。该系统从现有的观测设备，集数据，并实现了智能化操作，从而有效地降低了海洋观测系统的管理成本，通过提供海洋数据共享网站的详细动态信息。通过联合运用GIS技术，网格技术，Web服务技术，以及远程可视化技术，并考虑中国南海作为一个试验区。 （2010年）开发了一个原型海洋环境信息网格服务平台。该原型可显著提高效率，减少重复投资，并且解决在网络环境中的异质性和数据和应用程序服务的分散性的问题。
3高级军事地理信息系统
三维虚拟现实（VR）是一种流行区的计算机模拟，因为它可以为参加者提供现实的真实感受。因此，渲染场景的海洋,并表达以直观的方式的海洋数据已成为以显示信息给用户的最有效手段。在这方面的研究和开发活动可分为两个层面：三维虚拟海洋环境和“数字海洋”的原型。
3.1虚拟海洋环境的三维地理信息系统
在本节中，我们描述VR技术的某些方面在海洋环境中的情况下使用。它主要包括海浪模拟，海底展示和水体渲染。
3.1.1海面模拟
海浪是在海表面上，这是不规则在时间和空间中的复杂的物理过程。模拟海浪的是计算机图形学的最困难的任务之一，它不仅是海洋勘测和军事环境模拟，而且在水力研究，液体和波动力学和海上娱乐非常重要的。石江（2006）提出了一种基于模拟的龙格 - Higsis模型和波频谱3D浅浪，他们用真实的波谱控制海浪。为了得到完美的真实波的影响，他们提出了用于改进波的细节，颜色和照明的图像处理方法。
此外，在浅水中3D波还模拟。基于C图形（CG）和OpenGL，马等。 （2006年）中使用的技术，包括对缓冲区，凹凸地图绘制，投影纹理映射和动态纹理映射合成以模拟实时水面。在该仿真中，效果如反射，折射，波浪和焦散得以实现，其中所述水表面由两个三角形只构成。罗钟和（2008）建立了海浪模式的基础上其光谱和细节级别的（LOD）技术，其中在海洋表面被照明和纹理映射渲染。 Li等人。 （2009年a）提出了一个实用的算法对现实和无边的海洋实时渲染。依托可编程图形单元（GPU）的最新特点，他们采用了并行计算技术产生海洋表面的GPU和高效的使用人次阴影渲染海洋表面的光学效果。 Liu等人。（2009年b）建立一个海洋环境使用维加现实的海洋表面对于总理交互式实时3D仿真。各种波的模拟根据数值模型或取样的实验波数据已被开发。通过将CAD模型打开飞行模型，该船舶运动可以显示在虚拟海洋环境。考虑到球体形状的影响力和
自由观点考虑，Li等。 （2009年b）提出了与海浪对球和屏幕细分算法为核心的造型呈现碧波荡漾的新方法。 Chen等人。 （2010）中使用的最新的GPU的着色器，以减少波动模型的复杂性。其波模拟分为四个阶段：波生成，表面镶嵌，光学仿真，并且水表面绘制，导致了满意的结果。
3.1.2海底显示器
在以高帧频一个复杂的自然环境数字海底地形绘制是一个具有挑战性的问题。伟等人。 （2006）系统地研究了3D海洋环境及其建模技术。海洋地理环境信息直接从二维电子海图获得。三维地形数据被转换成DED文件（文件格式陈等人。/ J。通过MultiGen中支持），这可以作为的地形三维建模数据。几何Clipmap，这是一种图形基于硬件的地形可视化算法的主要思想，使用由Kang等。 （2007）。他们专注于细节的简化和讨论纹理映射的方法。的渲染效果是由一种新的高性能域剔除方法和裂缝填充技术的提高。他们的实验结果表明，该方法可以达到精细执行-ANCE大规模地形数据集相结合的瓦片金字塔模型和多线程的实时渲染。
3.1.3水体渲染
为了表达在数字海洋系统，Liu等水体的信息。 （2009年a）提出水立方数据建模和建筑的方法。基于该三维地理信息系统软件，如Terrasuite和EV-地球，他们研究海洋表面建模，水信息显示，以及3D海洋风光sumulation，尤其是水景与“立方网格”。以海洋温度的数据类型和收集方式进去，涂（2007）分析了3D海洋功能温度场和用于多二次插值方案来创建一个不间断的3D海洋温度场。随着体积的可视化技术，3D海洋温度场进行分类，以实现自己的三维可视化的一种有效方法也很发达。
3.2“数字海洋”：3D军事地理信息系统的原型
在本节中，我们专注于数字海洋原型和各种海洋元素的造型结构。 Han等。 （2006）中所定义的虚拟海洋环境的一个概念，并提出的虚拟海洋环境，它由一个计算网络层，一个海洋数据层，一个多维表示层，个人感知/认知层的一个整体概念架构，和一个多用户协作层。此外，他们还提出了构建根据信息传输和处理的过程中虚拟海洋环境，随后有关用于获取，处理，模型和代表海洋信息的技术和方法的详细讨论的一个技术框架。他们还讨论了虚拟环境和地缘合作的感知/认知。最后，他们指出了几个显著还很难相关的虚拟海洋环境的建设问题。基于海洋，Su等的特性。 （2006年）建造的中国海数码的原型与中国沿海行的数据。他们强调空间分辨率，这不同于其它数字领域中，数字海，沿海线数据组织和操纵的特别的结构的问题，数据集成，逻辑运算和数据的可视化和方法。 Chen等人。 （2007）提出的综合模拟海洋环境，包括天空球，大气系统和海浪模型的实时方法。用这种方法，通过纹理扰动获得云漂浮在天空球体的效果，而空气散射和吸收效应实现在大气系统。
海浪模式
构建由正弦波海洋表面网格，实现了海洋表面经过凹凸贴图的正常扰动的颠簸效应。为了减轻海浪的计算，在入射光线可以通过采样天空球体可获得和反射光线可通过反射镜反射的原理来计算。Sun等人（2008）进行的基本原则和“数字海洋”的
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