地理空间技术迎接海洋科学的巨大挑战


海洋科学的重大挑战是什么?地理空间技术如何帮助应对这些挑战?你可以阅读我对教授的采访。黎明赖特地理位置:Connexion International杂志在这里[PDF]由于空间限制,地理连接必须做一点编辑。采访的(原始)扩展版本出现在下面。

# # # # # # # # # # # # #
道恩·赖特是俄勒冈州立大学地理和海洋学教授,美国科学促进协会会员,她的研究兴趣包括地理信息科学。海洋地理学,底栖地形和生境特征,以及高分辨率水深测量的处理和解释,视频,以及水下摄影图片。赖特获得了博士学位。加州大学自然地理和海洋地质学专业,Santa Barbara。

地理连接 国际:您是全球海洋科学地理空间技术应用专家之一。从您的角度来看,这些技术有助于海洋科学取得重要进展吗?

Dawn Wright:首先,感谢有机会对这个重要话题发表评论!“地理空间技术”是一个非常广泛的术语,现在不仅包括地理信息系统(GIS)。vwin娱乐但是网络和桌面上的交互式地图,Web映射服务和相关数据的混合,手机或PDA上存在的基于位置的服务,其他类型的移动地图应用程序,您连接到互联网,但不一定连接到网络,面向大众的地理浏览器,高端科学地球可视化系统,还有更多。为了简洁起见,我将主要关注地理信息系统和遥感(但在大多数人熟悉的地vwin娱乐方,“遥感”可能是星载或空中的,但也可以通过水传播)。

第一,一些关于海洋独特环境的背景。卫星和飞机上的传感器非常擅长观察海洋表面,但一般不能深入观察其所依赖的电磁能量消散的水柱。对水柱和海底的感知大多必须借助声音(声学遥感)来完成。由于声波在海水中的传播速度比电磁能更快更远。例如,为了“看到”海底,声音不仅对确定底部的深度至关重要,但为了探测海底的不同性质。由于海水中的声速与温度呈线性变化,压力,盐度,行程时间到深度的转换必须考虑到这一点。此外,反射的强度,或反向散射,可用于解析对象的形状或底部的特征(例如,沉积严重,因此不反光或玻璃状,有新鲜的熔岩流,因此非常反光)。

简而言之,遥感使我们能够在非常广泛的范围内收集有关海洋特征和过程的数据,地理信息vwin娱乐系统使组织和整合这些数据成为可能,根据数据绘制地图,当然要用数据做分析。发展地理信息系统海洋专业的最初动力是需要自动化航海图的制作,并更有效地管理现在能够在海上收集的海量数据。vwin娱乐vwin娱乐地理信息系统协同不同类型的数据(生物,化学的,物理的,以多种方式从多个仪器和平台(船舶,系泊,飘浮,滑翔机,遥控车辆,飞机和卫星)为海洋学界和决策者提供了比单独考虑每类数据所能获得的更多的信息和见解。vwin娱乐该领域的地理信息系统已经从单纯的数据显示转向多维可视化。模拟与建模,以及决策支持。

地理连接:你认为当今海洋科学的重大挑战是什么?

莱特:有很多,未来10到20年,海洋科学将面临许多挑战,鉴于墨西哥湾深水地平线石油泄漏事件,我们最近听到了其中一些情况。继续关注美国国家科学院即将发布的报告将讨论许多挑战,以及满足这些需求所需的基础设施,包括地理空间技术。对我们来说,这也是一个激动人心的时刻。因为,美国历史上第一次vwin真人百家乐我们现在有一个全面的国家海洋政策和一个国家海洋委员会。在海湾石油泄漏和其他问题的恐怖中,它很少受到媒体的关注,但在7月19日,2010,奥巴马总统发布了一项行政命令,确定了这项政策(http://bit.ly/dimxi4)当然,这是为了迎接许多挑战。实施还有很长的路要走,但我们有政策!无论如何,我在这里的回答决不能公正地反映这些问题的深度和复杂性,但为了我们的简短讨论,我想列举四个挑战:气候变化,能量,生态系统,和探索。

地理连接:海洋与气候变化有什么关系?

莱特:海洋与气候变化有着千丝万缕的联系,因为地球71%的面积被海洋覆盖,海洋与大气不断地相互作用,提供了驱动气候变化的“热机”。然而,海洋科学家仍在努力准确地了解海洋是如何调节地球气候的,相反,气候变化如何影响海洋循环,热量的分布,海洋生态系统,海平面上升,海洋温度和二氧化碳浓度的变化如何影响海洋酸化速率,等。一个巨大的问题是我们如何预测气候变化的结果和影响,然后相应地适应和缓解?

地理连接:地理空间技术如何为应对这一挑战作出贡献?

莱特:也许最清楚的方法是如何使用地理信息系统来显示海平面上升的情景和潜vwin娱乐在的影响(例如,可能发生洪水的地点,海岸侵蚀,钝性破坏,堤防或堤防的充分存在;对湿地的影响,等)计算海平面上升可能增加潮汐洪水的频率。三个很好的例子是美国国家海洋和大气管理局数字海岸计划中的工具:海平面影响沼泽模型(或砰击,http://www.csc.noaa.gov/digitalcoast/tools/slamh/)海平面上升与沿岸洪水频率观测(网址:http://www.csc.noaa.gov/digitalcoast/tools/slrviewer/)还有无数的工具,文件,以及国家海洋和大气管理局海岸服务中心海vwin娱乐岸气候适应站点的遥感/地理信息系统数据集。(http://collaborate.csc.noaa.gov/climateadaptation/气候适应/

有许多地理信息系统工具,但也有vwin娱乐门户,帮助满足这一点和其他将提到的挑战。一个例子是海岸网地图集,它组织和协调交互式Web映射,预制数字地图,vwin娱乐地理信息系统数据集以及遥感图像,通常使用辅助的GIS决策支持工具,vwin娱乐桌子,摄影,以及其他类型的信息,全部通过一个Web门户。像这样的,这些地图集中的许多在通知跨几个主题的区域决策和政策制定方面发挥了重要作用,包括气候变化影响,还有海洋空间规划,海岸保护和保护区管理,资源可用性和开采,还有更多。

地理连接:你提到能源是另一个大挑战…

莱特:英国石油公司在墨西哥湾深水地平线石油泄漏的噩梦,以及最近对水手能源公司朱砂钻井平台起火的恐惧,在海湾地区,重新思考寻找替代能源的迫切需要。是否有可能从海洋中开发出可行的替代能源,说,美国10%能源需求?一门令人兴奋的海洋科学,海洋工程面临的挑战是如何利用海浪能发电,海上风能和水能,还有潮汐能。一个相关的挑战是如何为海洋中用于科学和军事目的的许多装置(如用于水下滑翔机的波浪或太阳能)提供动力。自动水下航行器,以及其他类型的“机器人”)。因此,随着这些装置在近岸和大陆架的潜在扩散(例如,波浪能浮标,风力发电机组)将会出现什么样的海洋空间使用冲突?我们需要考虑商业和休闲捕鱼,航运通道,保护区或保护栖息地,军事训练和使用,沉船和其他障碍物,休闲划船和航海,液化天然气现场,科学和电信电缆,还有更多。海洋空间无疑也是一个人类维度的研究问题,当人们在审视人们的感知时,偏见,和偏见,经济开始发挥作用,政治也是不平凡的。

地理连接:你看到了地球空间技术在海洋空间能源未来发挥重要作用的潜力吗?

莱特:好,这基本上是在海洋空间规划(MSP)的保护下考虑的,我们现在听到的很多(这是美国的一个重要部分)。国家海洋政策)。vwin娱乐一般而言,地理信息系统(尤其是沿海网络地图册)提供了实施MSP的“引擎”:在这种情况下,必要的数据和互动,在协作环境中找出潜在的使用冲突。MSP需要以管理海洋使用的具体政策和法规为指导,适用的条件,并着眼于可能出现的冲突。因此,MSP专家可能并不总是GIS专家。vwin娱乐所以对于地图社区的许多人来说,我们把自己看作提供MSP专家和决策者需要的使能技术,以及有关如何正确使用数据和技术的警告性建议。

当涉及海上能源的危机发生时提取比如最近的海湾石油泄漏,卫星/飞机遥感和地理信息系统一直是跟踪地表溢油情况、绘制风险区域和作出反应努vwin娱乐力的关键。两个值得注意的Wvwin娱乐eb GIS站点是联邦政府的Web GIS,位于http://www.geoplatform.gov/gulfresponse/(主要是专有数据)和ESRI的互动社交媒体网站,德赢娱乐http://www.德赢娱乐esri.com/services/disaster-response/gulf-oil-spill-2010/(非专有,公民地图)。正如我们所知,墨西哥湾的石油泄漏非常可怕,因为它不是像油轮泄漏那样从地表散发出来的。但是从海底的井里。因此,这不仅仅是处理浮油的问题,而是处理水下羽状物,这非常难以追踪(见下文的探索)。

地理连接:关于海洋生态系统,我们必须回答的当前和未来的问题是什么?

莱特:一个持续的挑战将是如何理解各种生态系统的功能和相互关系,从食物链底部的微型初级生产者到珊瑚礁,再到大型海洋生态系统(例如,加州洋流)以及它们的生物多样性。而且,这些生态系统将如何应对人类使用和废物输入等因素,沿海开发,气候变化引发的沿海风暴和洪水,以及入侵物种?沿海生态系统(植物和动物物种)的恢复能力如何?以及人类的沿海社区?海洋科学界现在似乎结合了一种基于生态系统的方法的效力,这种方法不孤立地研究生物元素,但也有物理因素和人类存在/人类影响。这导致建立了以生态系统为基础的管理(EBM)作为指导海洋资源管理决策的核心原则(再次,美国很大一部分地区国家海洋政策)。

地理连接:地球空间技术以其对陆地生态系统研究和管理的巨大贡献而闻名。它们是否为海洋生态系统提供了类似的好处?

莱特:随着世界各地的学者和开发人员vwin娱乐为实现EBM开发了大量的地理信息系统工具,地理信息系统在这里产生了真正的影响。EBM工具网络就是一个很好的例子。(网址:http://www.ebmtools.org/)其中工具按数据收集/处理/管理等类别组织,利益相关者参与,概念建模,可视化,项目管理,监测和评估,建模和空间分析(其中包含几个子类别)以及最重要的决策支持。

也,从空间遥感海洋颜色辐射(例如,海洋生物基金会(Seafis/Modis)将继续在这一领域做出巨大贡献,因为这是海洋科学家如何评估海洋浮游植物的数量和类型的方法,它还提供了海洋营养水平(海洋健康)和洋流的指标。浮游植物是海洋食物链的基础,因此,随着它们的发展,各种生态系统也将依赖于它们。在预算不确定等情况下,未来将需要国际合作努力维持并使新的卫星传感器联机,校准和验证数据,开发新的传感器算法,并与船舶的地理空间观测相结合,浮标,还有飞机。

地理连接:你还提到探险是一项挑战。我们对海洋还有那么多不了解的东西吗?

莱特:是的,我认为,最近路易斯瓦尔德斯和联合国政府间海洋学委员会(IOC)的同事们的一句话精彩地总结了这个问题:“放在更大的背景下,1500多人攀登过珠穆朗玛峰,已经有300多人进入太空,12个人在月球上行走,但是,只有5%的海底被调查过,只有两个人下潜回到了海洋最深处。另一方面,海洋的任何部分都不受人类活动的影响,比如气候变化,富营养化钓鱼,栖息地破坏,低氧,污染,物种介绍。因此,海洋科学研究应成为国际优先事项。L.,丰塞卡L.,和特德斯科,K.2010。展望海洋科学的未来:国际奥委会的观点。海洋学,23(3):160-175。]

那么我们如何理解和减轻气候变化的影响,清理漏油,保护物种,维持渔业,等。如果我们还没有探索和充分了解深水柱和深海海底?这些地区的治理(海洋法,深水海洋保护区,专属经济区以外的渔业和采矿业,等等?再一次,最近的海湾石油泄漏已经显示出需要进行多少海洋勘探,尤其是在承认确实存在水下石油羽流以及如何跟踪和了解其影响时。

地理连接:地理空间技术如何有助于本次勘探?

莱特:这个问题使我们回到我们讨论的开始阶段,即海洋中和海洋上的遥感将使进一步的探索成为可能。遥感实例在里面海洋包括拖曳式声学传感器,垂直线阵列,全方位的声音传感器,可以用一声蜂鸣来感知各个方向,船上的多波束声纳,向上看的声纳(拖在冰下)。在水柱和海底,将继续有小型自主水下航行器(AUV)。大型遥控车辆(ROV)以及更大的载人车辆(HOV,又名潜水器)所有这些都有能力为地球空间的许多事物提供地球参考观测和样本。

对于上述所有挑战,我们需要跨学科数据收集沿海上升流地区,海底扩张中心,热带风暴和飓风形成的地方,如果发生漏油,等。从各个平台收集数据,仪器,在不同的研究地点,在这些研究地点的不同尺度和分辨率。所以我们将继续需要组织方式,我的,以及数据之间的转换(转换:数据模型,词汇表和本体来自我们的元数据)。这将使我们能够在远距离和长时间范围内维护和交换数据和信息。

地理连接:关于海洋科学和地理空间技术之间的关系,您还有什么想分享的吗?

莱特:这次讨论是关于地理空间技术对海洋科学的贡献,但我想提出一个我认为仍然正确的观点,即使在1997年的一篇论文中首次出现(http://dally.geo.orst.edu/ivwin娱乐jgis.html(黄昏.geo.orst.edu/ijgis.html))vwin娱乐地理信息系统和遥感确实是海洋科学的“使能技术”,但是海洋科学也可以帮助改善地理信息系统和遥感。vwin娱乐例如,更好地处理和可视化时间的能力一直是地理信息系统的一个长期研究课题。vwin娱乐我们知道俗语“地点,位置,“但在海洋中,”时间是最重要的,“因为只有在时间上我们才能找到位置,尤其是在深海或卫星无法到达的水柱深处,全球定位或其他。准确的时钟和准确的声脉冲传播时间至关重要。vwin真人百家乐历史爱好者可能会对世界上最精确的时钟的发展故事感兴趣,这使得在18世纪第一次测定经度成为可能(书和PBS电影,http://amzn.to/czor58http://www.pbs.org/wgbh/nova/longitude/经度/

因此,我们有许多关于地理信息系统海洋科学应用的研究问题,vwin娱乐例如处理必须改变其相对位置和值的空间数据结构随着时间的推移(例如,时空动力学的一个问题,例如:“如何表示几何对象和标量场的组合,尤其是当数据“通量”?,与其他维度相比,在一个维度上稀疏数据的地理统计插值,体积分析(难以捉摸的海湾溢油柱?),以及超大空间数据库的输入和管理(你能说“激光雷达”?).我认为这些以及更多的将继续推进地理信息系统设计和架构方面的知识体系,vwin娱乐以及更广泛的地理信息科学领域的知识体系。

地理连接:感谢您与我们的读者分享您的见解。

莱特:再次感谢有机会就这个重要话题发表评论!