謝 奎,張寒野
WebGIS在漁業領域應用的研究進展
謝 奎1,2,張寒野1
(1.中國水產科學研究院東海水產研究所,農業部東海與遠洋漁業資源開發利用重點實驗室,上海 200090;2.上海海洋大學海洋科學學院,上海 201306)
實現漁業的可持續發展,需要制定合理的漁業管理規劃與科學的決策。WebGIS作為一種新興的GIS技術,不僅具有大部分GIS的傳統功能,還具有基于Internet的獨特功能,對于漁業管理規劃與決策起著重要的輔助作用。隨著互聯網技術的快速發展以及多學科交叉的推動,WebGIS在漁業領域的應用逐漸深入和擴展。本文簡述了WebGIS的特點和主要開發平臺,系統回顧與總結了其在漁業領域的應用進展及存在的問題,并對其未來的發展進行了展望。
WebGIS;漁業;地理信息系統;研究進展
地理信息系統(geographic information systems,GIS)是以地理空間數據庫為基礎,在計算機軟、硬件等支持下對整個或者部分地球表層相關空間地理分布數據進行獲取、存儲、分析和顯示的計算機信息系統[1-3]。GIS起源于20世紀60年代,經過半個多世紀的發展,應用領域逐漸地擴大化、深入化[4-9],幾乎涉及到所有與空間信息相關的領域,成為多領域處理地理空間問題的主要技術[10-11]。
隨著Internet的普及和國際上“數字地球”研究的興起,人們對于地理信息的需求不斷增加,基于萬維網的地理信息系統(WebGIS)應運而生。WebGIS是 Internet與 GIS相結合,在Internet/Intranet環境下基于HTTP協議對地理信息數據進行存儲、管理、分析、發布及共享的B/S模式分布式的GIS系統[12]。目前,WebGIS已被廣泛的用于環境保護、城市規劃、災害預警、旅游業等方面[13-17],凡是與空間數據有關的問題都可以通過WebGIS來發布和展現,WebGIS已成為網絡時代GIS發展的必然趨勢[18]。
漁業生產與管理具有時間、空間及數量3個方面的特征,漁業數據信息量龐大,管理相對復雜[19]。WebGIS作為一種新興的GIS操作平臺,不僅具有大部分GIS的傳統功能,還具有基于Internet的獨特功能,將WebGIS應用于漁業生產與管理,對漁業進行空間分析和評估,對于提高漁業生產的信息化水平和漁業信息綜合利用能力、增強漁業管理部門決策的科學性和時效性、促進漁業可持續發展具有重要的意義。
與傳統GIS相比,WebGIS主要具有以下幾個方面的優勢[20-23]:
(1)應用的大眾化:傳統的GIS需要在客戶端上配備昂貴的專業GIS軟件,成本高、技術難度大,往往成為少數專業人員的工具,大多數的普通用戶僅僅是在某些需求下使用一些基本功能,造成資源的浪費。雖然WebGIS對于一些復雜功能實現較困難,或者需要安裝插件才能實現,但這些功能通常也是普通用戶不常使用的功能,因此WebGIS的優勢在于普通用戶使用的大多數基本功能如地圖瀏覽、查詢定位、距離量算、路徑規劃等僅需簡單的培訓,而且不需要安裝專業GIS軟件,通過標準的Internet瀏覽器就可以訪問數據和服務,獲取所需要的信息,最大限度地降低了使用成本,擴展了潛在的GIS用戶。
(2)平臺的獨立性:傳統的GIS軟件一般是針對特定的操作平臺開發的。WebGIS不受操作系統約束,只要支持通用的Web瀏覽器,用戶無論使用哪種類型的機器、操作系統或者GIS軟件,都能夠對WebGIS服務器上的數據庫和功能進行訪問,實現遠程異構數據庫的共享。
(3)訪問范圍的廣泛性:在WebGIS出現之前,用戶一般僅限于在局域網上使用GIS軟件對數據進行處理。互聯網的發展,使得用戶能夠在全球范圍內同時對多個位于不同地點的WebGIS服務器進行訪問,共享和使用彼此的數據,更易于實現分布式的多數據源的數據管理與集成。
(4)優良的可擴展性:由于Internet技術標準的開放性,使得WebGIS與Web中其它服務很容易就能實現無縫集成,當需要對系統進行擴展時,就可以在原有數據的基礎上,在任何需要GIS功能的Web應用中嵌入或集成WebGIS應用,開發出各種具有豐富功能的應用。
(5)易于維護性:傳統的GIS軟件,當用戶規模有所擴大、系統有所變更之后,需要對服務器端和客戶端做大量的變動,工作量巨大。WebGIS在更新時則只需維護服務器即可,無需更新每一個客戶端。
目前國內外常見的WebGIS開發平臺主要有:GeoServer,MapServer,ArcIMS,MapXtreme,GeoMedia WebMap, MapGuide, GeoBeans,SuperMap IS.NET以及 GeoSurf等。
(1)GeoServer
GeoServer是開源 GIS的代表之一,是OpenGIS Web服務器規范的 J2EE實現,支持OCG標準規范的系列服務。兼容WMS和WFS特性;支持 PostgreSQL、MySQL等數據庫以及ArcSDE\Shapefile等中間件和文件資源;能夠支持上百種投影;可以將網絡地圖輸出為 GIF、JPEG、SVG、PNG、KML等格式;同時,還可以在任何基于J2EE/Servlet容器之上運行,支持多種客戶端框架[24]。
(2)MapServer
MapServer是開源GIS的鼻祖,是美國明尼蘇達大學在20世紀90年代基于C語言開發的開源WebGIS項目。MapServer通過 GEOS、OGR/GDAL實現對多種矢量和柵格數據的支持;提供CGI和MapScript兩種開發模式;支持眾多腳本和開發環境,如 PHP、Python、Perl、Ruby、Java和.NET,為擁有眾多離散數據的應用提供良好的開發環境[25]。
(3)ArcIMS
ArcIMS是ESRI公司的產品,是由客戶端和服務器端組成的分布式系統,屬于典型的C/S、B/S混合結構。AcrIMS內部組件之間采用ArcXML進行通訊,提供了強大的網絡地圖處理功能;ArcIMS是一個開放的、可擴展的體系,通過服務端的分布式配置能夠構建大型的網絡地圖服務站點;同時,ArcIMS支持要素數據流方式,通過要素數據流,既能夠向客戶端傳輸影像數據和矢量數據,還能夠使用自己本地機上的數據以及通過網絡訪問遠程數據[26-27]。
(4)MapXtreme
MapXtreme是 MapInfo公司開發的基于Internet/Intranet的應用服務器。根據開發環境分為MapXtreme Java Edition和MapXtreme for Windows。它提供穩定可靠的地圖功能,包括繪制專題地圖、地圖編輯、圖層控制、擴展地圖庫和示例數據等;另外MapXtreme具有低成本的中心式軟件運行和數據管理方式,MapXtreme與MapInfo公司的空間數據庫引擎軟件SpatialWare兼容,地圖數據存儲到大型關系數據庫中[28-29]。
(5)SuperMap IS.NET
SuperMap IS.NET是北京超圖公司的產品。SuperMap IS.NET支持跨系統、跨網絡、跨區域的復雜網絡系統集成,為WebGIS系統互操作和數據共享提供服務共享平臺;同時采用智能緩存技術,即在不同的層次上進行相應的緩存處理,提高了海量數據并發訪問性能[30]。
3.1 水產品安全與病害監測管理
對水產品的安全和病害進行有效完善的監測管理,對于增強水產品的品質、促進水產品的可持續發展具有重要的意義。龔赟翀等[31]將信息技術與水產養殖技術相結合,開發了基于WebGIS的水生動物病害監測系統,該系統可以對不同地區不同病蟲害的相關信息進行查詢,還可以對病蟲害的發展趨勢進行分析;祝青[32]以水產品產地及其周邊相關要素的監測數據為基礎建立基礎地理數據庫,并結合水產品安全監控基礎信息庫,建立基于WebGIS的水產品安全管理信息平臺,該系統對水產品進行全程動態監控,實現了水產品的信息化管理,對于提高水產品的安全性,增強其競爭力具有重要的作用;段金榮等[33]將水產病害數據與病害專家系統模型相結合,構建了基于WebGIS的水產動物疾病專家系統,使相關人員能夠了解水產病害的趨勢及影響范圍,并根據病癥提供相應解決辦法,便于從業者對水產病害進行及時治療,減少病害造成的損失;HAN等[34]根據中國重要魚類的疾病空間分布信息,從資源整合和地域分布的角度出發,利用GIS對沿海水產養殖中發生的魚類疾病預防和治療相關信息空間特征進行提取與整合,并開發了基于WebGIS的中國沿海魚類疾病的綜合數據庫系統,具有魚類疾病的瀏覽、查詢和綜合分析等功能,該系統的建立對于加強魚類疾病的預防、發病情況、診斷和治療信息的綜合管理以及多維動態數據分析提供了有效的支持。
3.2 水產養殖
水產養殖是由“環境-氣候-生物(水生)-技術”等多個子系統組成的時間序列相對分明的系統,各子系統及其因素之間形成相互交叉的復雜網絡聯系[35],由于其復雜性需要借助于計算機技術才能更好對其進行管理。楊寧生等[36]以對蝦養殖的基礎地理數據和實時生產數據為基本數據源,采用B/S為主、C/S為輔的網絡結構模式進行開發,構建了基于WebGIS的對蝦養殖管理平臺,建立了三級信息管理平臺,實現了對蝦養殖信息動態管理和統計分析,能夠對對蝦生產過程中的有效性信息進行實時動態分析,為對蝦養殖戶和政府決策提供時空決策信息;索榮遙等[37]將地理信息與水產資源相結合,基于GeoServer、OpenLayers、J2EE技術進行 WebGIS開發,構建了一個集生產、經營、管理于一體的水產養殖信息服務系統,該系統實現了水體資源管理、生產管理以及市場信息管理和信息統計分析,既能夠滿足養殖者的使用需求,又能夠實現政府對水產養殖區域的逐級管理;童曉星[35]分析了國內外水產養殖業的信息采集情況,并比較了現在流行的商用WebGIS和開源WebGIS的優劣點,設計了應用于水產養殖業的基于開源WebGIS的水產養殖信息管理系統,能夠進行地圖管理、水產養殖信息空間查詢和分析、數據制圖、水產養殖環境實時監控;CAO等[38]考慮到市場作用下池塘養殖中存在的水環境風險,分別分析了經濟型、標準化、生態節水型以及循環型池塘養殖模式水環境管理標準及差異,提出WebGIS與多種技術集成應用,構建水環境綜合管理的信息平臺,能夠對不同類型池塘養殖模式進行多樣化管理,對水環境動態監測與監控,增強了養殖水環境管理水平。以上研究都是利用WebGIS對水產養殖進行綜合管理,實現了對水產養殖關鍵環節的有效監控與管理,為水產養殖從業人員進行科學決策提供重要的依據,同時顯示了WebGIS在水產養殖業的可行性和廣闊前景,促進了空間信息系統在水產養殖業的應用。
3.3 海洋牧場
海洋牧場是基于海洋生態學原理與現代海洋工程技術,在特定海域通過人工魚礁建設以及藻類增養殖而營造的一個適宜海洋生物棲息的場所,并通過配套的技術手段進行漁場的運營管理,以增加和恢復漁業資源的生態養殖漁場[39-40]。將 WebGIS技術與海洋牧場相結合能夠有效促進海洋牧場的運營管理。于杰等[41]針對海洋牧場的特點,整合海洋牧場中各種數據以及評價、評估技術,建立基于Open GIS的海洋牧場地理信息管理決策系統,實現了海洋牧場建設選址評價、多樣性分析、專題圖制作、生態服務價值評估等功能。用戶可以對牧場的環境和資源變化情況進行實時跟蹤評價。該系統的建設既可以通過WebGIS推廣海洋牧場可持續管理技術,又為WebGIS在海洋牧場中的應用起到了示范性的作用。
3.4 漁情海況預報
漁情預報對于漁業生產及其資源管理具有重要的輔助作用,人們借助海洋衛星遙感技術及GIS技術能夠快速準確的獲取海況信息,并對漁情進行準確地預報。紀世建[42]通過分析收集到的海洋環境遙感數據及黃鰭金槍魚(Thunnus albacores)延繩釣漁業生產數據的時空分布特征和關系特征,構建了貝葉斯漁場預報模型,并結合GIS技術開發了基于WebGIS的黃鰭金槍魚漁場預報信息服務系統,為南海外海漁場的開發提供了漁業信息,實現了對南海外海金槍魚漁場漁情的速預報;張勝茂[43]考慮到傳統的基于GIS方式服務的漁情海況系統多采用CS結構導致應用范圍受限的問題,以ArcGIS Server為開發平臺,以ENVI/IDL為影像處理引擎,構建了基于WebGIS的漁情海況信息服務系統,實現了漁情海況信息的發布和查詢;楊曉明等[44]利用GIS等軟件對漁獲統計數據、漁業環境調查數據、遠洋漁業基礎地圖數據及遠洋漁業管理信息數據進行整合與分析建立遠洋漁業數據庫,并設計了基于WebGIS的遠洋漁業信息發布系統,發布實時漁情信息、漁業管理信息、漁船漁業公司信息及其它相關信息。在一定程度上滿足了漁業管理部門、科研院校以及漁業公司各個層次對于數據的流通與共享的需求,促進了我國遠洋漁業的可持續發展。
3.5 漁業資源的綜合管理
地理信息系統作為重要的空間分析和建模工具,對于漁業資源的管理具有很大的輔助作用。劉子鍵等[45]以新疆跨境河流水生生物及魚類資源調查數據為基礎建立相關數據庫,將水生生態資源管理與WebGIS相結合,以OpenLayers JS庫為技術基礎,利用Geoserver應用服務器提供的地圖服務,構建了基于WebGIS的新疆跨境河流水生生態及魚類資源“一站式”數據共享平臺。該系統能夠為新疆地區主要跨境河的水生生態及魚類資源調查提供專題數據和歷史數據的管理、統計分析及數據共享等服務,保證了漁業資源調查數據的質量及共享利用,提高了管理效率;年雁云等[46]考慮到渤海地區的漁業資源與生態環境的問題以及WebGIS所具有的優點,構建了基于WebGIS的渤海漁業服務系統,該系統能夠實現基于GP(geoprocessing)模型的漁業數據查詢、魚群分布的分析和模擬以及海圖數據的便捷、快速發布;段金榮等[47]針對太湖漁業資源建立了太湖漁業資源管理系統,從業者能夠及時了解漁業資源的發展動態和最新資訊,同時管理部門能夠根據漁業資源數據的分析和統計結果作出相應的統籌安排;杜超[48]從生態環境保護的角度出發,通過對WebGIS幾種實現方法進行對比,采用基于Flex的和ArcGISServer的R/S技術體系,構建了基于WebGIS的魚類洄游通道恢復信息平臺,并將其成功的運用到湘江干流魚類洄游通道恢復,為魚類洄游通道的建設提供技術和信息支撐,同時為管理者提供了可視化平臺和輔助決策;LIU[49]從保護加拿大安大略省大湖區瀕危魚類的角度出發,構建基于WebGIS的FSAR(fish species at risk)系統,為管理部門提供有關瀕危魚類的相關信息,從而更好的對瀕危魚類進行有效管理;SUHELMI等[50]在收集印度尼西亞有關海洋和沿海資源相關的漁業數據作為空間數據庫的基礎上,對數據進行分析,以獲得所需的空間數據信息,并利用WebGIS對相關的數據和信息呈現,從而實現對漁業管理區的綜合管理;WICAKSONO[51]從打擊非法捕撈活動、保護印度尼西亞漁業資源的角度出發,構建了基于WebGIS的印度尼西亞漁業管理區漁業監測平臺,該平臺能夠為管理者對漁業管理區實行有效的監管,為打擊非法捕撈活動提供重要的輔助作用。
3.6 其它方面的應用
WebGIS除了以上幾個方面的應用,在漁業的其它方面還有一些應用。例如:在漁業生態系統信息共享方面,蘇天赟等[52]基于 WebGIS技術,設計和開發了YSLME GIS系統,該系統提供信息共享服務供用戶瀏覽下載所需要的信息;在漁港建設方面,XU等[53]以 SuperMap IS.NET為開發平臺,構建了漁港地理信息管理系統,實現了漁港空間量算、地圖瀏覽、數據查詢與管理等功 能;在 浮 標 管 理 方 面,REN 等[54]利 用Openlayers、GeoServer、ORACLE/MYSQL設計了基于WebGIS的浮標綜合管理平臺系統,通過該系統能夠對浮標數據自動化、多功能、形象化地展示和查詢;在生物多樣性方面,DANG等[55]利用收集到的越南慶和省芽莊及金蘭灣的珊瑚礁魚類信息,構建一個基于WebGIS的珊瑚礁魚類生物多樣性數據庫。
互聯網技術的發展使WebGIS得到很大的發展,但是從目前的應用現狀能夠看出,WebGIS還未真正的成熟,由于Web的種種限制和漁業本身的一些特點,WebGIS在漁業上的發展面臨著一系列挑戰和技術瓶頸。
(1)地理空間數據的共享和互操作問題
現有的WebGIS主要是各個行業根據自身的需要而設計,考慮到行業管理與數據安全的需要,開發人員基于特定的支撐與運行環境,采用不同的開發工具與數據建模方式,并且數據來源、空間數據的格式和組織等方面都有很大的不同,導致WebGIS系統之間各自為營、相互獨立,嚴重限制了信息的交流與溝通,形成數據處理的“信息孤島數據模型”,使得多源、異構空間數據的共享和互操作非常困難,難以實現更深層次和更廣泛的應用[56]。
(2)數據質量難以保證
數據是GIS的基石,目前還缺乏專業的人員從事漁業數據的采集工作。漁業數據不同于其它信息系統中的數據,它更依賴于養殖、捕撈等生產第一線從業人員所提供的資料,但基層從事漁業生產的人員總體文化水平不高,同時野外調查環境比較復雜,使得數據來源與數據精度難以保證。
(3)傳輸速率瓶頸和可視化
目前Internet的帶寬還處在一個相對低的水平,特別是在移動端,無法滿足用戶對GIS處理海量空間數據快速響應的需求,圖形圖像的直觀表達與海量空間數據的傳輸成為限制WebGIS發展的技術瓶頸[57]。如何基于目前的網絡與硬件條件有效地建立快速響應與傳輸機制;如何提供多樣化、直觀易懂的圖形界面供用戶體驗;如何實現地理空間數據客戶化地、動態地表現成為目前WebGIS面臨的一大難題。
WebGIS作為Internet與GIS的有機結合,其在漁業領域中的應用范圍日益廣泛,但與WebGIS在陸地各領域的應用相比,其在漁業方面的應用還處在初級階段,用戶尚不能通過網絡終端進行真正意義上的較為復雜的GIS空間分析,許多方面尚需進一步研究,但這正是漁業WebGIS不斷發展的動力所在,在以后漁業領域的應用研究應著重發展以下幾個方面:
5.1 適合WebGIS應用的漁業數據標準的建設
漁業數據標準化是漁業信息化的基礎,同時也是實現數據共享的保障,只有實現數據的標準化,才能為各個領域的信息資源統一共享提供數據保障,從而為漁業生產以及漁業決策提供有效的支撐。目前WebGIS在陸地資源開發等方面數據標準化的重要性已經被人們充分認識,并對其進行了深入的探討,然而對于在漁業研究中數據標準化問題卻還是一個空缺,尚未達成共識,嚴重限制了數據的共享與交互,因此在以后的研究中需要各個組織通力合作制定各類漁業信息統一有效的數據標準與實施規范,通過漁業數據的標準化促進漁業的信息化進程[58]。
5.2 漁業信息技術的集成化發展
信息網絡技術的迅速發展與普及,使得WebGIS技術在漁業中有了更加廣泛的應用,可是隨著研究及應用的不斷深入和擴展,僅憑單一的技術已經無法滿足漁業生產和管理的需要,因此今后WebGIS在漁業領域的應用將會是向著集成化方向發展,將作為空間數據獲取手段的RS技術與實現精確定位的GPS以及具有傳統GIS空間數據處理能力的WebGIS相結合,能夠更加有效地發布有關的漁情信息,為漁業和漁民提供大量所需要的漁業信息資源,指導漁民進行漁業生產,對于推動我國漁業經濟的發展、實現漁業結構的調整也具有重要的意義,能夠從根本上緩解漁業資源環境的重大壓力。總之,今后漁業WebGIS發展的趨勢將會是基于互聯網環境下的“3S”集成化方向發展[59]。
5.3 漁業數據信息的開放共享及分布式計算
開放是實現漁業數據共享和信息交流的趨勢,漁業WebGIS是基于Web頁面的,其本質特征是開放性,因此今后漁業WebGIS的體系結構應該具有開放性、互操作性、可擴展性。開放的漁業WebGIS首先應該包括數據的開放,即分布在異構數據庫中的信息共享,還應包括數據訪問的開放性,即不同的地理信息系統軟件之間具有良好的互操作性[60]。同時由于漁業數據的海量性,在進行漁業海量數據并發時應該采用云計算的策略,以分布式的方式對漁業數據進行獲取、存儲和處理,協同不同地區的計算機來處理、分析分布式數據,確保前端用戶對于GIS數據高效、快速的響應要求。
5.4 網絡虛擬地理環境
隨著Internet的飛速發展及三維虛擬現實技術的日益成熟,人們已不滿足Web頁上二維空間的交互特性,而是希望能夠將互聯網變成一個立體空間,網絡虛擬地理環境應運而生。地理虛擬建模語言(Geo VRML)是基于虛擬建模語言(VRML)來描述地理空間數據,為人們提供一個逼真的模擬環境,其目的是通過一個安裝在Web瀏覽器上的標準VRML插件實現對地理參考數據、地圖和三維地形模型的瀏覽。它的出現彌補了WebGIS在空間場景表達上的不足,使地理空間數據能夠以三維立體方式表達,將大大促進網絡虛擬地理環境的應用,將為在網絡環境下實現虛擬水環境提供一個良好的數據規范平臺,人們可以更加方便的在Web頁上實現水環境三維空間的管理與分析,在客觀世界的虛擬環境中更加有效地管理和分析漁業的空間實體數據[61]。
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Research progress of WebGIS application in fishery
XIE Kui1,2,ZHANG Han-ye1
(1.Key Laboratory of East China Sea&Oceanic Fishery Resources Exploitation and Utilization,Ministry of Agriculture,East China Sea Fisheries Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Shanghai 200090,China;2.College of Marine Sciences,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)
To achieve the sustainable development of fisheries,it is essential to formulate rational fisheries management plans and scientific decision-making.As an emerging GIS technology,WebGIS not only has the most traditional functions of GIS,but also has unique functions based on Internet,which plays an important supporting role in fishery management planning and decision-making.With the rapid development of Internet technology and the promotion of multi-scientific cross,applications of WebGIS have gradually deepend and expanded in the field of fisheries.This paper briefly introduces the characteristics and the main development platforms of WebGIS,and systematically reviews and summarizes the application progress and existing problems in the field of fisheries.At the same time,the paper presents prospects for its future development.Key words:WebGIS;fishery;GIS;research progress
S 932.4
A
1004-2490(2017)05-0592-09
2017-04-20
農財專項-農業農村資源等監測統計(2016)
謝 奎(1990-),男,碩士研究生,研究方向為漁業地理信息系統。E-mail:xiekui_515@126.com
張寒野,副研究員。E-mail:hy@ecsf.ac.cn