SCI论文（www.lunwensci.com）:
摘 要：“海洋地理信息工程”课程的建设旨在使学生在了解海洋的多维、多样、动态、综合等固有特点的基础上，以标准化的理念系统掌握海洋地理信息的知识体系，并能够有力支撑在海洋科学技术领域的研究工作。国际海道测量组织（IHO）开发的 S-100 海洋测绘数据模型提供了一个现代化的海洋地理空间数据框架，可与海洋测绘相关的多样化数据源，与国际主流的地理空间标准（特别是 ISO 19100 系列标准）相兼容，将逐渐取代现行海道测量数据交换标准，实现广泛应用。依据 S-100 模型框架和标准化的海洋地理信息表示与服务理念，从海洋地理信息认知、表示、管理、分析、服务几个方面开展“海洋地理信息工程”的课程建设工作。
关键词：海洋；地理信息；S100；标准化；案例化
本文引用格式：常帅，翟京生. 面向S100 的“海洋地理信息工程”课程建设[J]. 教育现代化,2021,8(41):106-109,129.
Construction of Marine geographic Information Engineering Based on S100CHang Shuai, ZHaI Jingsheng
(School of Marine Science and Technology, Tianjin University, Tianjin)
Abstract: The construction of “Marine Geographic information Engineering” course aims to enable students to understand the oceans’ features, such as multidimensional, diverse, dynamic and comprehensive, and master the concept of standardization. The S-100 universal hydrographic data model developed by iHO provides a modern ocean geospatial data framework. it can be compatible with various data sources related to ocean surveying and mapping, as well as the international mainstream geospatial standards (especially iSO 19100 series standards).. According to the S-100 model and the standardized concept of marine geographic information representation and service, the construction of “Marine Geographic information Engineering” course is carried out from the aspects of cognition, representation, management, analysis and service of marine geographic information.
Keywords: marine; information engineering; S100; standardization; teaching cases
一 引言
地理信息系统课程是高校地理、测绘、导航、海洋科学、海洋技术等相关学科或专业广泛开设的一门重要课程。海洋地理信息相比于陆地地理信息在空间基准、观测模式、数据特性等方面既有共性， 又有明显的差异。数据作为地理信息研究的核心载体，其重要作用不言而喻。因此，从数据的角度出发， 以工程的思维梳理海洋地理信息的知识体系，开设海洋地理信息工程课程，支撑海洋技术学科方向的教学科研工作，有很强的必要性。
随着测绘和大数据技术的发展，地理信息系统的教学也得以融入很多新的知识元素。陶国芳等从能力培养、教学模式、过程考核、教学质量评价等多方面探讨了《地理信息系统原理》课程改革的思路 [1]； 张献伟等围绕地理信息通系统的实践教学环节， 进行了课程的规范化设计，并进一步完善实践教学环节的 [2]；范冬林将 PBL 教学方法应用于 WebgIS 教学过程中并取得良好效果 [3]；孙伟伟、张飞等分别结合地理信息系统课程的教学，阐述了课程思政内容建设的重要意义，探讨了 gIS 课程教学与思政教育的有机结合举措 [4-5]。
赵建虎等从海洋大地测量、海洋导航定位、水深及水下和海岸带地形测量、海洋遥感、海洋水文测量、海底底质探测、海洋工程测量、电子海图和海洋地理信息系统 9 个方面介绍了海洋测绘技术的发展现状，并总结出海洋测绘中的立体化、高精度、信息高效率获取等特点正日益凸显 [6]。杨如军以大数据技术为背景，讨论了海洋地理信息共享平台的设计 [7]；陈鹏等探讨了大数据背景下，提出了以海洋地理信息系统为基础平台，构建海洋时空大数据库的
发展方向 [8]。
海洋观测技术的进步，如遥感、浮标、水下机器人技术手段的不断丰富，使得我们对海洋地理信息的获取量正爆炸式增长。
随着海洋观测技术和科学研究的不断深入，人们对于海洋开发利用的程度不断加深，对海洋对全球环境及人类活动的影响的认识也日益深刻，在进一步发展海洋科技理论、提高海洋利用水平的需求下，对海洋地理信息进行全面管理和有效分析使海洋地理信息工程逐渐演变成一个相对独立的学科分支 [9]。
海洋地理信息是海洋观测和测绘的成果形式， 是在计算机世界中表达、认识、管理、分析海洋地理现象的载体，也是基于海洋科学研究和专业化应用服务的重要基础。根据研究对象的空间属性，可将海洋gIS 工程的研究内容划分为海底、海体、海表、海空及海岸。由于海洋具有时变性、空间性、综合性、长期性、多样性、相关性等固有特点，使得海洋地理信息在对象类型、属性特征、数据精度、采样分辨率以及数据表达规范等方面与传统空间数据有明显差异。
不同的海洋环境要素在空间和实践尺度上、变化方式上有显著不同，而且海洋要素不断处于四维时空上的变化之中，这也决定了各种数据在获取方式和质量控制上的具体差异。而海洋从数据的生命周期来看，海洋地理信息工程可以分为海洋地理信息的获取、海洋地理信息的表示、海洋地理信息的管理、海洋地理信息的分析、海洋地理信息的服务几个方面，这与不同的海洋数据融合交叉形成综合知识体系。
S100 通用海道测量数据模型是严格继承于 ISO TC/211 19100 标准而建立起来的，利用面向对象的设计思想，将概念模式语言作为描述客观世界实体的方式，从而将海洋地理信息映射到数据表达世界 [10]， 对栅格、矢量数据，及其空间、时间特征的表示都有良好的支撑。同时，S100 支持在线注册机制，使得对海道测量数据的管理和更新更加便捷。S100 模型的显著优势在于其具有良好的交互性、共享性以及可扩展性，对专业应用系统的开发以及提供数据层面的服务有很好的支撑作用。
S100 为海洋地理信息工程发展提供了重要基础[11]， 基于S100 的特点和要求进行海洋地理信息工程课程建设是保证学生掌握知识的前沿性，顺应海洋地理信息系统的发展趋势，用海洋地理信息工程知识规范科研工作，提升工作价值的重要途径。
二 海洋地理信息工程的认知与表示内容建设
围绕“数据”的核心地位，构建以海洋地理信息数据的生命周期为主线的认知方式，进而结合物理意义梳理海洋地理信息的表示方法。
（一） 海洋地理信息工程的认知
海洋地理问题是指与位置相关的海洋问题，从尺度上，可分为大尺度、中尺度、小尺度问题，从时间上，可分为静态、动态、突发、易变的问题；从目的上，可分为科学、技术、工程、社会的问题。认识世界海洋现象是解决海洋问题的必要条件，海洋的复杂性使得其具有综合的复杂特性，包括：时变性、空间性、综合性、长期性、多样性、相关性。位置信息是描述海洋现象的关键基础要素，因此海洋地理现象可以称为与位置相关的海洋现象。从客观海洋现象，到研究的具体海洋问题，这个抽象过程可用图 1 来表述。
这个过程涵盖了我们认识海洋、研究海洋的所有环节。以海洋的某些典型现象为例，即可使学生对海洋现象的认知过程具有直观的掌握。以海流为例，“客观现象：海水的流动”→“ 海流观测：漂浮物方法、现代 aDCP 方法”→“ 海流管理：文本、数据库管理”→“ 海流应用：电子海图，服务航海安全”→“ 海流原因与规律：自身物理因素及外界力学作用”。
（二） 海洋地理信息的表示
海洋地理信息的表示是指在不同尺度下与海洋地理现象相关的数据模型。自古至今，海图都是表示海洋环境信息的一个典型且重要的途径。
由于海洋地理现象的复杂性和海洋地理要素的多样性、时空变化性，使得难以找到一个完美的手段来对海洋地理信息进行完整的表示，因此海洋地理信息表示是面向特定的研究或应用，以一定的精度要求为基础来进行的，需在尺度、类别级别、时间、空间上进行一定的取舍。而最根本的问题在于要表示对象的类型，以及确定具体的表示方法。
海洋地理要素是现实论域中的海洋地理现象的抽象和表示，实现了空间、属性与时间的联系。要素模型描述了一个抽象的现象与数据的关系，面向问题，记录和表示海洋地理要素的属性和空间等特征和关系的模型，由属性模型和空间模型组成。
三 海洋地理信息的管理与标准化内容建设
海洋地理信息的管理是海洋地理信息获取后的重要环节，海洋地理信息的需求也指引着海洋地理信息的获取技术方法。
（一） 海洋地理信息的管理方法
海洋的物理属性绝对了其动态、连续、边界模糊的基本特点。随着对日益增多的海洋数据的深入认知，海洋地理信息的各类特征也不断得到挖掘。同时海洋并非一个独立的空间，它时刻处于动态变化之中，海洋与大气、陆地之间的空间邻接关系使得它们在这个变化过程中紧密相关。海洋地理信息以其所蕴含的广泛性、多类性、模糊性、时空过程性等特征， 使得其在大数据的研究应用领域称为新的典范。
海洋地理信息的管理首先在于对观测数据进行预处理，补充残缺数据、纠正错误数据、去除多余数据、消除多余属性、集成所需数据，并转化为适当的数据格式，实现数据类型相同化、数据格式一致化、数据信息精练化和数据存储集中化，提高数据质量、数据服务精度和决策准确度。
海洋元数据描述海洋地理信息集的名称、目录、内容、质量、位置等基本内容的数据，是进行数据质量管理。空间数据元数据标准的建立是空间数据标准化的前提和保证，只有建立起规范的空间数据元数据才能有效利用空间数据。
（二） 海洋地理信息的标准化描述方法
根据面向对象的基本思想，类是S-100 通用海道测量数据模型进行真实世界数据表示的核心。类是对具有相同属性和关系的对象的统一表达，是将研究对象（论域）映射到数字化地理数据的具体方法。在统一建模语言中，类表示的是具有相同结构和关系的一组对象，这些对象的名称、属性，以及相关的操作和表达不同对象之间的约束关系均附在类中。根据实体之间在依赖、包含、归属等关系，一个类可以参与多个关联。
下面，以浮标为例展示 S-100 以属性来描述一个海洋特征物的方法，表 1 描述了国际航标组织（IaLa）给定的浮标类型，包括侧面标志、方位标志、孤立危险物标志、安全水域标志、专用标志，每种标志的基本特征和使用功能。
进而，为了详细表述每种浮标的具体特点，给定了可以描述浮标所有特点的属性库，如形状、颜色、顶标类型，以及所配灯光特点。进而，针对每种具体功能的浮标，给定属性表，用以生动的描述。
四 海洋地理信息分析与服务内容建设
基于对海洋地理信息的管理和标准化表示，可进一步开展海洋地理信息的空间分析、统计分析、时空联合分析等。在此基础上，面向不同的应用需求，介绍海洋地理信息的数据服务、技术服务和咨询服务模式。
（一） 海洋地理信息分析方法
传统的空间分析方法，如叠置分析、缓冲区分析、网络分析在海洋地理信息分析中有重要的作用。如海岸线的长期变化监测、海洋环境污染程度的时间变化、海洋环境对生物种群的影响等都是空间叠置分析的典型应用。而如何有效利用各类浮标对安全、危险水域进行标识，船舶如何有效躲避碍航物，均需要缓冲区分析方法提供支持。航运中的港口选择、货物运输、海陆联运等则需要由网络分析方法辅助提供最佳方案。
针对海洋地理信息所具有的海量、多类、模糊等特性，统计分析方法可支持海洋现象时空变化规律及空间统计特性的挖掘。目前，面向海洋地理信息的存储、分析和处理能力仍在一定程度上滞后于观测技术的发展。传统的统计分析及高阶的海洋模式、海洋同化等手段均需进一步发展以适应数据分析及预测预报等方面的需求。典型的传统统计分析方法，如聚类分析方法将距离较小、相似系数较大的数据分为同一类，集群之间有显著的差异性，可用于分析海底底质的分布情况、生物种群或群岛的聚集情形等。
（二） 海洋地理信息服务方法
海洋观测数据的爆炸式增长决定了海洋大数据服务模式是重要发展趋势。海洋大数据以大数据的理论和技术为支撑的海洋科学实践，是大数据在海洋相关领域的价值实现。与传统的大数据体系结构相似， 海洋大数据架构班阔数据层、技术层、应用层几个主要部分，以高效的数据管理基础，以先进的检索访问、挖掘分析、预报预测、可视化等技术为支撑，面向数据共享、海洋管理、教学科研等开展服务。
以海洋地理信息为基础，面向各类行业的服务均遵循相同的基本模式，即“地理信息 +”的服务模式。“地理信息 +”的理念则凸显了海洋地理信息作为海洋地理信息工程服务的基础性支撑作用。海洋地理信息是核心基础，基于此通过构建技术服务框架，实现数据分析、数据共享、航运监测及管理等功能模块，实现各类专业应用。如港口管理与服务调度、海洋环境监测、航海安全管理与服务等。
而从具体的服务内容上进行区分，海洋地理信息服务又可以分为数据服务和技术服务。将原始海洋观测数据进行校正、清洗、投影变换、格式转化等形成标准化数据产品后，以线上线下相结合的方式， 按需求项不同的系统进行数据的分发。而以海洋地理信息为基础或研究对象， 开展的技术服务形式多种多样，如 ECDIS 系统、海洋交通服务系统 VTS 等应用系统，以及 aRCgIS nautical Solution 功能模块、SuperMap EnC Designer 开发平台等。五 总结
面向国际海洋科学和海洋测绘领域的发展趋势， 以最新的 S-100 海岛测量数据模型为标准化指引构建海洋地理信息工程案例化教学体系。紧密围绕海洋地理信息在海洋科学研究中的基础支撑作用，从认知方法、数据标准化管理和描述、服务模式几个方面进行知识体系的建设，对于学生系统了解海洋地理信息工程，发挥其对相关学科方向研究的支撑作用有重要意义。
参考文献
[1]陶国芳 , 蒋兆恒 , 林燕琳 , 等 .《地理信息系统原理》课程教学改革初探 [J]. 科技风 ,2020(30):39-40.
[2]张献伟 , 刘卫军 , 石磊 , 等 . 测绘专业地理信息系统实践教学改革研究 [J]. 地理空间信息 ,2020,18(10):124-125+6.
[3]范冬林 . PBL 教学方法在 WebgIS 教学中的探索与应用 [J]. 教育现代化 ,2018,5(26):165-166.
[4]孙伟伟, 杨刚, 陈碧远，等. 地理信息系统课程思政教学探讨[J].宁波大学学报 : 教育科学版 , 2020(5):89-93.
[5]张飞 . 新疆大学地理信息科学专业“课程思政”教学对策思考[J]. 教育现代化，2019，6(57)：228-230.
[6]赵建虎 , 陆振波 , 王爱学 . 海洋测绘技术发展现状 [J]. 测绘地理信息 ,2017,042(006): 1-10.
[7]杨如军 . 大数据背景下的海洋地理信息共享平台设计 [J]. 舰船科学技术 ,2018, 40(16):103-105.
[8]陈鹏 , 王少朋 , 李玉婷 , 等 . 浅谈大数据背景下海洋地理信息系统的发展 [J]. 海洋信息 ,2019,34(02):14-18.
[9]苏奋振 , 吴文周 , 平博，等 . 海洋地理信息系统研究进展 [J]. 海洋通报 ,2014,30(4):25-27.
[10]交通部海事局 . S-100 通用海道测量数据模型 [M]. 天津科学技术出版社，2011.
[11]郭丽. S-100——海道测量数据标准的新革命 [C]. 中国航海学会航标专业委员会测绘学组学术研讨会学术交流论文集，2009.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/jiaoyulunwen/32365.html
