《海洋數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

宋雪瓏　萬(wàn)劍鋒　覃琴　陳家棟

【摘 要】本文根據(jù)海洋科學(xué)的資料和數(shù)據(jù)，以及Excel、Matlab和Ocean Data View三種軟件，設(shè)計(jì)了《海洋數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】海洋實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)處理；教學(xué)內(nèi)容

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都非常重視海洋觀測(cè)，通過(guò)遙感衛(wèi)星、走航、浮標(biāo)和潛標(biāo)等監(jiān)測(cè)手段，得到了大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要研究人員進(jìn)行詳細(xì)整理和深入分析，才能得出科學(xué)的結(jié)論，體現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的價(jià)值。因此，海洋數(shù)據(jù)處理對(duì)于海洋科學(xué)研究來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。然而，目前大多數(shù)海洋類院校并沒(méi)有開(kāi)設(shè)這門課程，或者只開(kāi)設(shè)了海洋數(shù)據(jù)處理的理論課程，這樣不利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力，也不利于學(xué)生在海洋科學(xué)研究方面的進(jìn)一步發(fā)展。

根據(jù)海洋監(jiān)測(cè)和科研中的需求，本人認(rèn)為《海洋數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)》課程的開(kāi)設(shè)是非常有必要的，并設(shè)計(jì)了《海洋數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)》課程的教學(xué)內(nèi)容。這門課程根據(jù)網(wǎng)上開(kāi)放下載的海洋資料和數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生采用Excel、Matlab和Ocean Data View軟件進(jìn)行分析處理，繪制成規(guī)范的圖片。下面分別介紹Excel、Matlab和Ocean Data View這3種軟件的教學(xué)內(nèi)容。

1 Excel軟件的教學(xué)內(nèi)容

微軟公司出品的Excel辦公軟件是功能強(qiáng)大、技術(shù)先進(jìn)、使用方便且靈活的電子表格軟件。Excel的主要功能包括制作電子表格、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)分析與篩選、制作圖表和打印數(shù)據(jù)等。在海洋科學(xué)方面，運(yùn)用Excel軟件能夠進(jìn)行科學(xué)計(jì)算、分析海洋數(shù)據(jù)、繪制海洋圖表，相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容如下。

1.1 常用海洋單位的換算

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆蘸Ｑ髥挝坏膿Q算；了解海洋物理量的計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）將128 dbar、45 dbar、9 dbar分別換算成巴、帕斯卡和百帕；2）將經(jīng)緯度113.211°E、34.5123°N、83.134°S分別換算成度分秒格式；3）將14海里、370海里分別換算成千米和里；4）將10.8節(jié)、18節(jié)分別換算成千米每小時(shí)和米每秒；5）海水的密度為1024kg/m3，計(jì)算比容和密度超量；6）計(jì)算結(jié)果均保留完整的小數(shù)。

1.2 渤海各類水質(zhì)的面積

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆诊灎顖D的畫法；了解我國(guó)渤海水質(zhì)狀況。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）記錄《2015年中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》中的秋季渤海海水水質(zhì)數(shù)據(jù)；2）畫出各類水質(zhì)的面積餅狀圖；3）餅狀圖內(nèi)顯示水質(zhì)等級(jí)和百分比；4）添加繪圖區(qū)邊框，邊框顏色為“黑色”，寬度為“2磅”；5）字體均設(shè)置為“黑體”，“加粗”。

1.3 黃海綠潮面積的變化

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆罩鶢顖D的畫法；了解黃海綠潮最大分布面積的變化。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）根據(jù)2008到2015年的《中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》，記錄每年黃海綠潮的最大分布面積；2）畫出綠潮隨時(shí)間變化的柱狀圖；3）縱坐標(biāo)從0到60000，間隔為10000，橫坐標(biāo)間隔為1；4）柱形結(jié)構(gòu)的填充顏色為淺綠色，添加數(shù)據(jù)標(biāo)簽；5）標(biāo)題為“黃海綠潮分布面積（km2）”；6）字體均設(shè)置為“黑體”，“加粗”。

1.4 我國(guó)沿海省份海平面高度變化

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆罩本€圖的畫法；了解沿海省份海平面變化的特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）根據(jù)2007到2015年的《中國(guó)海平面公報(bào)》，畫出遼寧、山東、浙江和海南的海平面高度變化直線圖；2）橫坐標(biāo)為年份（2007到2015），縱坐標(biāo)為高度（0到160）；3）橫坐標(biāo)間隔為1，縱坐標(biāo)間隔為40；4）分別畫出遼寧（黑）、浙江（藍(lán)）、山東（橙）和海南（紅）四條線，線條寬度設(shè)置為“2.5磅”；5）圖片標(biāo)題為“海平面高度變化（mm）”，顯示圖例，添加繪圖區(qū)邊框；6）字體均設(shè)置為“宋體”，“加粗”。

2 Matlab軟件的教學(xué)內(nèi)容

Matlab是一種用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。Matlab的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。Matlab開(kāi)發(fā)了海洋資料分析處理的應(yīng)用程序，較容易地實(shí)現(xiàn)了海洋要素的計(jì)算、異常值處理、矢量圖及其它圖形的繪制和顯示等功能，解決了其他應(yīng)用難以解決的問(wèn)題[1]，相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容如下。

2.1 潮汐曲線圖

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誐atlab曲線圖的繪制方法；了解潮汐高度的變化。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）根據(jù)北海市潮汐表，畫出2016年5月13日的北海市潮汐曲線圖；2）橫坐標(biāo)為小時(shí)，從0到24，縱坐標(biāo)為高度，從0到500；3）添加橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的網(wǎng)格線；4）潮汐曲線的線條顏色為紫色，寬度設(shè)置為3.0；5）所有字體均設(shè)置為“宋體”，“加粗”。

2.2 海洋參數(shù)計(jì)算

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誐atlab統(tǒng)計(jì)函數(shù)；了解SeaWater函數(shù)工具包。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）根據(jù)海洋的溫鹽深儀（Conductivity-Temperature-Depth，CTD）數(shù)據(jù)，計(jì)算溫度的平均值、中位數(shù)、最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)差；2）利用Matlab中的hist和bar函數(shù)，畫出溫度的統(tǒng)計(jì)直方圖；3）導(dǎo)入SeaWater函數(shù)工具包；4）根據(jù)SeaWater工具包中的函數(shù)，計(jì)算位溫、密度和位密。

2.3 溫鹽散點(diǎn)圖

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆丈Ⅻc(diǎn)圖的繪制方法；了解海洋溫度和鹽度的特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）根據(jù)海洋的CTD數(shù)據(jù)，畫出溫鹽散點(diǎn)圖；2）橫坐標(biāo)為鹽度，縱坐標(biāo)為溫度；3）橫坐標(biāo)標(biāo)簽為“鹽度 /psu”，縱坐標(biāo)標(biāo)簽為“溫度 /°C”，標(biāo)簽字體大小為20；4）數(shù)據(jù)點(diǎn)的顏色為藍(lán)色，大小為15；5）圖片標(biāo)題為“溫鹽散點(diǎn)圖”，字體大小設(shè)置為20；6）圖片中的字體均設(shè)置為“Times New Roman”。

3 Ocean Data View軟件的教學(xué)內(nèi)容

海洋數(shù)據(jù)視圖（Ocean Data View，ODV）應(yīng)用軟件，是德國(guó)阿爾弗雷德·韋格納極地與海洋研究所研制開(kāi)發(fā)的海洋學(xué)應(yīng)用軟件包。ODV能夠繪制出高質(zhì)量的站位圖、時(shí)間序列圖、垂直斷面圖、散點(diǎn)圖和空間分布圖等，具有設(shè)計(jì)靈活、功能齊全、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，得到了海洋科研人員廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[2]。掌握ODV軟件，可以在海洋科學(xué)研究中，繪制出美觀、規(guī)范的圖片，相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容如下。

3.1 畫出中國(guó)地圖并標(biāo)出島嶼位置

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆誒DV地圖的畫法；了解我國(guó)島嶼的位置。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）查詢下列島嶼的經(jīng)緯度：永暑島、永興島、釣魚島、曾母暗沙；2）畫出完整的中國(guó)地圖，并標(biāo)出上述島嶼；3）地圖的經(jīng)緯度范圍設(shè)置為緯度（0°到60°N），經(jīng)度（70°E到140°E）；4）添加地形和國(guó)界線；5）調(diào)色板顏色設(shè)置為“GEBCO”；6）島嶼標(biāo)記的大小設(shè)置為50，顏色為粉色；7）寫上島嶼名字，字體為“幼圓”，大小為“10 pt”，取消斜體。

3.2 全球海表面溫度

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆蘸１砻鏈囟壬Ⅻc(diǎn)圖的繪制方法，了解全球海表面溫度的特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）根據(jù)美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心的海表面溫度數(shù)據(jù)，畫出全球海表溫度圖；2）經(jīng)緯度范圍設(shè)置為緯度（90°S到90°N），經(jīng)度（180°W到180°E）；3）取消坐標(biāo)軸題目，調(diào)色板顏色為“BlueGreenRed”；4）散點(diǎn)的大小設(shè)置為20；5）取消地形，顏色條范圍設(shè)置為0到30，以10為間隔。

3.3 北冰洋海冰變化

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆蘸１逯祱D的繪制方法；了解2006和2007年的海冰狀況。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1）根據(jù)遙感衛(wèi)星的海冰密集度數(shù)據(jù)，分別畫出2006和2007年北冰洋的海冰狀況圖；2）選擇北極投影，緯度范圍從65°N到90°N；3）插值方式采用DIVA，X軸和Y軸的平滑尺度均設(shè)置為30；4）調(diào)色板顏色設(shè)置為“Blueonly”，白色代表海冰，藍(lán)色代表海水；5）取消地形，隱藏?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)；6）添加海冰密集度為50的等值線。

4 總結(jié)

在實(shí)際教學(xué)中，《海洋數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)》這門課程充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，教學(xué)效果非常好。學(xué)生在上機(jī)學(xué)習(xí)過(guò)程中，熟悉了海洋數(shù)據(jù)，掌握了分析數(shù)據(jù)的方法，了解了海洋科學(xué)的前言問(wèn)題，為進(jìn)一步的海洋研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曹偉國(guó)，梁廣建.MATLAB在海洋水文資料處理中的應(yīng)用[J].氣象水文裝備， 2005，5：46-48.

[2]周雅靜，林建國(guó).海洋數(shù)據(jù)視圖應(yīng)用軟件—ODV[J].海洋技術(shù)，2002，21（2）：41-43.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]