海洋大數(shù)據(jù)和中學(xué)地理教學(xué)

海洋大數(shù)據(jù)和中學(xué)地理教學(xué)東莞市長(zhǎng)安中學(xué)文合平2014年12月一、大數(shù)據(jù)的進(jìn)化還記得這是什么嗎？20年前，我很震撼這個(gè)東西能容納下70萬(wàn)漢字的信息容量！它的容量是1.44M我用的第一個(gè)硬盤(pán)是Corner牌420M的，如今只能在舊貨市場(chǎng)當(dāng)古董了。容量420M，估計(jì)是當(dāng)時(shí)全鎮(zhèn)最大的一個(gè)硬盤(pán)，因?yàn)槟菚r(shí)有硬盤(pán)，哪怕是40M的硬盤(pán)的電腦就算高檔了。在那個(gè)DOS時(shí)代，我這硬盤(pán)的使用沒(méi)有超過(guò)10%.這個(gè)昆騰1G硬盤(pán)仍然屬于古董，但是當(dāng)年我第一次看見(jiàn)1G硬盤(pán)時(shí)的震撼現(xiàn)在還有很清晰的記憶這是我現(xiàn)在使用的硬盤(pán)，我進(jìn)入了數(shù)據(jù)T時(shí)代！地理科學(xué)數(shù)據(jù)信息量極其龐大，如著名的“地球服務(wù)器”項(xiàng)目,數(shù)據(jù)量達(dá)到EB級(jí)別!TheEarthServerproject,initiatedbyJacobsUniversityBremeninGermany,isdevelopingastandard-based,ad-hoc,geoscientificdataanalysismethod,scalabletoExabyte

volume(1Exabyte=1,000Petabytes).From:http://www.earthserver.eu/Resources/2012-06-10_big-data-whitepaper.pdf1M=1024K1G=1024M1T=1024G1P=1024T1E=1024P……………我們處于大數(shù)據(jù)時(shí)代！但是我們面臨的問(wèn)題很多：1地理信息大數(shù)據(jù)從哪里獲得？（大數(shù)據(jù)在哪？）2地理信息大數(shù)據(jù)格式是如何的？3使用什么軟件來(lái)操作相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)？4相關(guān)軟件如何操作？5如何把相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用到教學(xué)當(dāng)中，提高教學(xué)效率和效果？二、

海洋大數(shù)據(jù)的獲取及應(yīng)用實(shí)踐：隨著國(guó)家海洋意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，海洋教學(xué)在地理教學(xué)中的作用越來(lái)越大，如何利用海洋大數(shù)據(jù)更好地為我們地理教學(xué)服務(wù)是一個(gè)有意義的課題。本章介紹如何獲取與中學(xué)地理教學(xué)相關(guān)的海洋數(shù)據(jù)，包括地形數(shù)據(jù)、水溫和鹽度數(shù)據(jù)以及洋流數(shù)據(jù)，及簡(jiǎn)單的操作。2.1海洋地形數(shù)據(jù)海洋地形數(shù)據(jù)主要有GEBCO數(shù)據(jù)和ETOP1數(shù)據(jù)1)GEBCO由國(guó)際海道測(cè)量組織（IHO）和政府間海洋學(xué)委員會(huì)（IOC）協(xié)調(diào)有關(guān)國(guó)家聯(lián)合編制的覆蓋全球海洋水深圖。http://2)ETOPETOP數(shù)據(jù)是由NOAA（美國(guó)國(guó)家海洋大氣局）制作的當(dāng)今海洋模式中最常用的水深數(shù)據(jù)，包括ETOP5、ETOP2和ETOP1。最新的ETOP數(shù)據(jù)是ETOPO1，它是分辨率為1‘的全球地形模型，它包含了全球大陸的地勢(shì)起伏和海洋中的水深數(shù)據(jù)，以及冰面的數(shù)據(jù)等。http:///mgg/global/global.html獲取GEBCO數(shù)據(jù)：在DataandProduct中選擇Griddedbathymetrydata:點(diǎn)擊availbletodownload后進(jìn)入交互式全球海洋水深數(shù)據(jù)下載頁(yè)面:GEBCO數(shù)據(jù)有30弧秒的2014版本和舊的1分版本,前者精度更高但數(shù)據(jù)量大很多;我們地理教學(xué)選擇以前的1分版本就足夠了。即便是1分版本，如果下載全球的數(shù)據(jù)也是很大，所以應(yīng)該利用交互界面選擇自己需要的區(qū)域的水深數(shù)據(jù)。在正確選擇了數(shù)據(jù)格式、區(qū)域經(jīng)緯度之后，就可以選擇將數(shù)據(jù)加入到購(gòu)物籃中，再選擇付款獲取就可以了。這個(gè)獲取過(guò)程是免費(fèi)的，但是需要事前申請(qǐng)帳號(hào)，這同樣是免費(fèi)的。本例以中國(guó)附近海域?yàn)槔?，只下載了赤道到北緯45度，東經(jīng)90度到東經(jīng)135度范圍的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)文件大小約為16M。GEBCO下載的數(shù)據(jù)文件是NetCDF格式，通常以.nc為文件后綴。NetCDF(networkCommonDataForm)網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式是由美國(guó)大學(xué)大氣研究協(xié)會(huì)(UCAR)的Unidata項(xiàng)目科學(xué)家針對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的，是一種面向數(shù)組型并適于網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)的描述和編碼標(biāo)準(zhǔn)。NetCDF數(shù)據(jù)格式具有以下特性：1）自描述性：它是一種自描述的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，包含自身的描述信息；2）易用性：它是網(wǎng)絡(luò)透明的，可以使用多種方式管理和操作這些數(shù)據(jù)；3）高可用性：可以高效訪(fǎng)問(wèn)該數(shù)據(jù)，在讀取大數(shù)據(jù)集中的子數(shù)據(jù)集時(shí)不用按順序讀取，可以直接讀取需要訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)；4）可追加性：對(duì)于新數(shù)據(jù)，可沿某一維進(jìn)行追加，不用復(fù)制數(shù)據(jù)集和重新定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；5）平臺(tái)無(wú)關(guān)性：支持在異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)共享并可以由多種軟件讀取并使用多種語(yǔ)言進(jìn)行讀寫(xiě)操作等。NetCDF格式在自然科學(xué)的數(shù)據(jù)表達(dá)方面應(yīng)用極其廣泛，尤其在地球科學(xué)和地理信息大數(shù)據(jù)更是常用的數(shù)據(jù)格式。幾乎所有的GIS軟件都支持netCDF格式文件，如ArcGIS、Saga-GIS等。其他科學(xué)研究工具，如著名的Matlab、R等都支持netCDF格式。GEBCO水深數(shù)據(jù)可以由多種GIS軟件操作，考慮到實(shí)際以等值線(xiàn)圖等為主，我們后面使用以做等值線(xiàn)圖的神器Sufer為例。下面是在Sufer中直接用GEBCO創(chuàng)建的等深線(xiàn)圖：（注意Sufer12可以直接打開(kāi)netCDF文件，Sufer11則需要先用GlobalMapper把netCDF文件轉(zhuǎn)換為sufergrid格式）原圖顯得過(guò)于繁瑣，繪制的等值線(xiàn)過(guò)于密集，我們使用GridFilter濾波工具進(jìn)行簡(jiǎn)化：濾波的方式很多，用戶(hù)需要結(jié)合不同的濾波方式和不同的濾波次數(shù)找到最佳的濾波效果。下面是使用高斯濾波器經(jīng)過(guò)50次濾波后得到的結(jié)果：調(diào)整一下等值線(xiàn)的條數(shù)，并配以合適的顏色，圖更美觀一點(diǎn)：創(chuàng)建一張剖面圖：創(chuàng)建一張立體圖和陰影渲染圖看看：2.2海水水溫和鹽度數(shù)據(jù)對(duì)海洋的數(shù)據(jù)調(diào)查中，海水水溫和鹽度數(shù)據(jù)是最為豐富的，各種海洋數(shù)據(jù)產(chǎn)品繁多，令人眼花繚亂。簡(jiǎn)單舉例如：1SODA數(shù)據(jù)：

SODA海洋數(shù)據(jù)集由全球簡(jiǎn)單海洋資料同化分析系統(tǒng)（SimpleOceanDataAssimilation）產(chǎn)生，該系統(tǒng)是美國(guó)馬里蘭大學(xué)（UniversityofMaryland）于20世紀(jì)90年代初開(kāi)始開(kāi)發(fā)的分析系統(tǒng)，其目的是為氣候研究提供一套與大氣再分析資料相匹配的海洋再分析資料。2Argo數(shù)據(jù)

ARGO計(jì)劃通俗稱(chēng)“ARGO全球海洋觀測(cè)網(wǎng)”。是由美國(guó)等國(guó)家大氣、海洋科學(xué)家于1998年推出的一個(gè)全球海洋觀測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目，計(jì)劃在全球大洋中每隔300公里布放一個(gè)衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)，組成一個(gè)龐大的ARGO全球海洋觀測(cè)網(wǎng)。3WOD和WOA數(shù)據(jù)

WOA09是由美國(guó)海洋資料中心（theU.S.NationalOceanographicDataCenter）提供的分辨率為1o和5o的全球海洋經(jīng)緯網(wǎng)格的氣候?qū)W客觀分析、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，其包括了33個(gè)深度上的溫度、鹽度等變量的年、月、季節(jié)數(shù)據(jù)。4GTSPP數(shù)據(jù)全球溫鹽剖面計(jì)劃（GTSPP）是IOC/IODE委員會(huì)和IOC/WMO全球海洋服務(wù)系統(tǒng)（IGOSS）委員會(huì)聯(lián)合開(kāi)展的一項(xiàng)計(jì)劃。IODE和IGOSS分別是IOC和WMO的技術(shù)委員會(huì)。GTSPP計(jì)劃的主要目標(biāo)是向用戶(hù)快速提供海洋溫鹽（T-S）觀測(cè)資料，使用戶(hù)能更容易得到這些資料?！?從中學(xué)地理教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，我們下面以使用WOD/WOA數(shù)據(jù)為例介紹如何使用海洋水溫和鹽度數(shù)據(jù)。如何獲取WOD/WOA數(shù)據(jù)：獲取WOD/WOA數(shù)據(jù)的方式很多，常見(jiàn)方式：一是直接上其官方網(wǎng)站去下載，

WOD/WOA數(shù)據(jù)官方網(wǎng)站：

/一是使用LAS服務(wù)器(LiveAccessServer)獲取海洋等科學(xué)數(shù)據(jù)前者比較簡(jiǎn)單，以下的例子使用LAS服務(wù)器獲取WOD/WOA數(shù)據(jù)。什么是LAS服務(wù)器？"TheLiveAccessServer(LAS)isahighlyconfigurablewebserverdesignedtoprovideflexibleaccesstogeo-referencedscientificdata.ItcanpresentdistributeddatasetsasaunifiedvirtualdatabasethroughtheuseofOPeNDAP

networking.FerretisthedefaultvisualizationapplicationusedbyLAS,thoughotherapplications(Matlab,IDL,GrADS,...)canalsobeused."ThemostcurrentversionisLAS8.2FromtheLAShomepageLAS官方網(wǎng)站：http:///LAS/home國(guó)內(nèi)訪(fǎng)問(wèn)比較穩(wěn)定而且速度較快的LAS服務(wù)器:1國(guó)家虛擬海洋數(shù)據(jù)系統(tǒng)(NationalVirtualOceanDataSystem)

http:///NVODS/2國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心(NationalOceanographicDataCenter)http:///las/國(guó)際上LAS服務(wù)器很多，詳細(xì)的列表參閱：http:///LAS/las-servers獲取LAS數(shù)據(jù)連接美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心的LAS服務(wù)器:選擇數(shù)據(jù)集類(lèi)型找到WOA數(shù)據(jù)。選擇WOA的更具體類(lèi)型。選擇區(qū)域、時(shí)間等選擇下載的數(shù)據(jù)文件類(lèi)型這是下載的全球一月份水溫?cái)?shù)據(jù),在等值線(xiàn)神器Sufer軟件處理后的輸出結(jié)果。2.3洋流數(shù)據(jù)洋流數(shù)據(jù)很多，比較方便下載使用的如：OSCAR數(shù)據(jù)和GDP數(shù)據(jù)。1OSCAR數(shù)據(jù)：是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOOA)利用衛(wèi)星高度計(jì)獲取的表層洋流數(shù)據(jù)。官方網(wǎng)站：http:///index.html2GDP數(shù)據(jù)：以下例子以O(shè)SCAR數(shù)據(jù)為例。進(jìn)入OSCAR官方網(wǎng)站，點(diǎn)擊”DataDisplay&Download”中的”DataDownload”進(jìn)入數(shù)據(jù)選擇界面，由于大部分用戶(hù)的電腦并沒(méi)有安裝Java運(yùn)行環(huán)境，所以我們最好點(diǎn)擊右上角的”non-Javaversion”按需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，我想研究一下印度洋的洋流，所以選擇了2014年2月和8月的月平均洋流u和v值，選擇范圍為東經(jīng)30到120度，南緯30到北緯30度再點(diǎn)擊右下角的”Downloaddata”就可以下載數(shù)據(jù)了。下載來(lái)的數(shù)據(jù)通常是zip文件，解壓后得到一個(gè)nc文件這是地球科學(xué)數(shù)據(jù)最常用的netCDF格式文件，可以導(dǎo)入到自己熟悉的GIS軟件中。以下我使用Sufer軟件來(lái)繪制印度洋2014年2月平均洋流流向和流速示意圖，選擇Sufer的理由是：1新的Sufer12對(duì)netCDF支持很好2Sufer能方便地使用u,v數(shù)據(jù)繪制流向圖打開(kāi)Sufer軟件，選擇MapNew2-GridvectorMap依次選擇剛才下載的nc