《海洋地理信息共享与互操作》以海洋地理信息为切入点，结合海洋环境应用方向，从理论框架建立、关键技术攻关和应用实践等方面展开：一是结合当前地理信息行业特征，提出“数据-模型-知识”三元一体的共享与互操作新型技术体系和“数据标准统一、模型开源开放、知识动态互联”的技术路线；二是构建以《通用海洋测绘数据模型》（S-100标准）为核心的海洋地理信息全空间数据模型体系，开展以电子航海图为例的新型数据集、符号和显示引擎的构建方法研究；三是为构建全球空间信息组织管理提供统一框架，提出全球多尺度地理网格剖分HYGrid模型；四是为有效实现地理信息跨域集成、时空关联与智能**机制，开展航海图书资料空间关联表达、网络专题元数据爬取与搜索、海洋环境知识图谱构建与智能**等方法研究。

第1章 绪论
　　1.1 地理信息行业发展特征
　　共享与互操作是信息互联互通的本质特征，也是信息化建设的核心要求。过去二十年以来，人类信息化水平突飞猛进，信息共享与互操作能力水平不断提升。自1998年“数字地球”概念诞生以来，全球在空间信息基础设施方面进行了持续、长久、大量的投入，并在地理信息共享与互操作方面取得了一系列重要成果（郭华东等，2014；龚健雅等，2012；诸云强等，2010），有力支撑了对地观测、国土规划、城市建设等各领域的信息化发展。
　　海洋占据地球表面积约71%，是一个比陆地要复杂得多的巨系统，存在“要素多元多维、现象耦合关联、环境复杂多变”等显著特点。迄今为止，人类对海洋的认知远远满足不了现实需求，对海洋的了解甚至不如月球表面。以数据共享为例，尽管国际上已有不少大型的海洋科学数据共享计划，例如1998年启动的“实时地转海洋学阵计划”和我国的“数字海洋”建设（侯文峰，1999）等，并取得了一些重要成果，促进了海洋信息共享与互操作的发展，但是仍然存在技术体系不健全、开放兼容性不足、应用形式单一等问题。近些年来，随着海洋观探测平台和技术的快速发展，海洋信息愈发呈现暴增趋势，但是行业标准自成体系、不同系统相互*立、大众应用门槛较高等问题愈发突出，难以满足日益增长的海洋开发利用对信息共享的迫切需求，影响了“透明海洋”和“智慧海洋”目标的推进（姜晓轶等，2018），其中一个重要原因就是海洋信息共享与互操作问题缺乏良好的顶层规划设计。
　　海洋地理信息是地理信息和海洋信息的交叉领域，与通用地理信息既有联系又有区别，既要考虑现有成果的引进吸收，又要结合海洋领域特色应用场景开展针对性设计与实践。地理信息行业发展日新月异，出现了如下一系列新特征，海洋地理信息共享与互操作问题研究也应与时俱进。
　　1.1.1 泛在、众包
　　传统地理信息时代，共享与互操作的服务对象主要是各类专业用户。在新地理信息时代，服务对象扩大到了公众用户，同时公众也成为空间信息的提供者（宁津生，2019；王家耀等，2019；李德仁等，2009），典型代表如开放街道地图（OpenStreetMap）和GeoWiki。面对各种各样的地理数据，通过一系列增值处理将其提升为信息服务的同时，计算环境正逐步由封闭的暗箱批处理向开放透明的交互平台转变，用户也由被动响应、提供反馈变为主动参与，产生了大量的众包与自发地理信息（孟立秋，2017；Goodchild，2007），催生了“Neogeography” （Turner，2006 ），即新地理学。公众观测中存在数以亿计的非专业传感器，所采集的各种自然和社会观测数据种类各异，极大地丰富了数据来源的动态性和丰富性，但是这些数据的收集、管理、融合和处理对现有信息共享技术提出了巨大的挑战。
　　传统海洋地理信息的获取主要依靠专业调查船，随着海洋立体观测网的推动和海洋观探测设备的技术发展，利用卫星、浮标、无人潜航器等平台开展海洋信息获取的能力逐步提高，各类非专业力量获取的多源异质信息逐步得到重视与应用，特别是“众包测深”（crowdsourced bathymetry，CSB ）受到国际海道测量组织（International Hydrographic Organization，IHO）的鼓励支持。
　　1.1.2 跨界、融合
　　传统地理信息时代，数据共享与互操作的主要方式是开放应用程序接口（application program interface，API ）或者公开数据标准，由数据管理者单*进行发布，不同行业之间相互*立。当今是大数据时代，往往需要将不同行业的数据进行关联，进而实现挖掘分析（林珲等，2018）。例如，对全球变化分析、区域可持续发展、防灾减灾等科学问题的理解和认知，除了地球观测数据，还需要更多学科数据的参与；为了实现陆海统筹规划，必须将国家测绘、海洋、地质、农业、海事等各行业数据进行整合分析。
　　海洋各类自然现象相互影响、相互作用、相互关联、相伴相生，例如，海底地形制约了海流运动，海底底质影响了声反射特征，洋流也对气候产生重要影响。面对海洋学科群的融合应用需求，以地理信息视角来研究分析和综合运用各类海洋信息产品已经成为国际共识，一个鲜明的例子是国际海道测量组织颁布的《海洋测绘通用数据模型》（IHO S-100）（universal hydrographic data model ，简称S-100 标准）（陈长林，2018 ），已经成为国际航标协会（International Association of Light house Authorities，IALA）、海洋学和气象学联合技术委员会（Joint Technical Commission for Oceanography and Marine Meteorology，JTCOMM ）、国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）等多个国际组织共同遵照的数据建模框架。
　　1.1.3 开放、开源
　　模型的概念具有多义性，本书模型是指基于数据进行的各类映射变换，例如可视化模型、时空分析模型等。模型共享与互操作是为了在不同软件平台之间实现信息交互、处理和分析，实现较高层次的信息共享与互操作，主要应用于地理信息系统（geographic information system，GIS）。开放和开源是实现模型共享的两种主要方式，前者侧重于协议或接口，后者侧重于设计方案或代码。“开放”是灵活性与自主性的平衡，按照软件平台相关性可分为三类：一是平台无关型，主要是通用标准协议，例如Web地图服务；二是平台弱耦合型，主要是插件或脚本，例如QGIS 可使用Python 语言作为处理模型的扩展方法；三是平台强耦合型，主要是动态库。“开源”模式分为全开源和部分开源两种，例如QGIS、Leaflet 、Cesium 是全开源的典型代表，Mapbox 和Google Earth Engine 则是部分开源（服务端不开源）。面对众多开放协议或开源平台，如何进行合理选择、如何进行有机组合，以及如何实现与海洋地理信息领域的结合，有待进一步研究与探索。
　　海洋地理信息系统用于对海洋时空信息进行表达、存储、分析、处理与应用（周成虎等，2013），但是过去海洋未受到足够重视，用户群体数量有限，除电子海图应用相对广泛外，其余大多海洋地理信息系统通常部署于科研院所或政府机构，各类模型的应用场景和地点相对固定，共享与互操作需求并未受到足够重视，致使共享开放相对不足，开源成果较为少见。
　　1.1.4 知识化、关联化
　　面向服务是新时代地球空间信息学的重要发展方向，需要从理解用户的自然语言入手，搜索可用来回答用户需求的数据，优选提取信息和知识的工具，形成合理的数据流与服务链，将有用的数据、信息和知识及时送达给用户（李德仁等，2009）。面对“数据海量、信息爆炸、知识难求”的现状（李德仁，2016），需解决如何将多源异构的碎片化地理知识融合，充分保留原始数据的有效信息部分，建立地理知识间的丰富关联，形成统一的地理知识图谱的问题（林珲等，2018）。
　　与陆地相比，海洋相关知识相对匮乏，更需要将各地分散的知识有机整合起来。国家海洋局“十三五”期间牵头完成的“海洋专业知识服务系统”，主要提供论文、词表、百科、新闻、专家等信息，同时将“国家海洋科学数据共享服务平台”内容嵌入系统页面内，为大众学习海洋知识提供了一个窗口。然而，当前工作存在几点不足：一是不同板块相对*立，无法相互关联；二是采用关键词匹配方法，未能建立语义网络；三是依靠人工增补内容，无法动态提取外部信息并加以关联。
　　1.2 研究进展
　　新的时代特征带来一些新的问题，需要对理论方法和实际运用现状进行梳理总结，以便发现问题。本节围绕时空数据集成、地理知识工程和地理可视化三个方面分别开展地理信息共享与互操作的现状分析，*后给出综合评述。
　　1.2.1 时空数据集成
　　单机环境下时空数据共享与互操作的理论方法已经成熟，目前主流的方式是提供在线数据服务，包括元数据查询、数据浏览下载、应需专题制图或者API调用等形式（诸云强等，2010），常见的规范如开放地理空间信息联盟（Open Geospatial Consortium，OGC ）制定的网络地图服务（web map service，WMS ）、网络要素服务（web feature service，WFS）、网络覆盖服务（web coverage service， WCS）等在线地图规范，国际化标准组织（International Standards Organization，ISO）制定的ISO 19115 元数据规范。地理信息门户（Geoportal ）是近些年来兴起的多源异构时空数据集成的重要模式（Maguire et al.，2005），典型代表如全球对地观测系统（global earth observation system of systems，GEOSS）①、欧盟空间信息基础设施建设（Infrastructure for Spatial Information in Europe，INSPIRE）②、美国环境信息国家中心（National Centers for Environmental Information，NCEI）③，以及国内天地图④、国家地球系统科学数据共享服务平台⑤、国家海洋科学数据共享服务平台⑥、国家基础科学数据共享服务平台⑦、地球大数据共享服务平台⑧等。然而，现有时空数据集成平台往往因受到学科的局限而仅集中于某一领域，各平台间也缺乏统一的标准规范，各平台多集中于对其内部数据进行组织与管理，对其他平台的资源仅能提供平台链接而无法直接进行关联与整合（王翠萍等，2023）。时空数据集成不仅需要数据层面的共享，而且应充分利用物联网、人工智能、区块链、云计算等先进技术构建“数据-模型-计算”一体化共享的科研信

目录
第1章 绪论1
1.1 地理信息行业发展特征3
1.1.1 泛在、众包3
1.1.2 跨界、融合4
1.1.3 开放、开源4
1.1.4 知识化、关联化5
1.2 研究进展6
1.2.1 时空数据集成6
1.2.2 地理知识工程7
1.2.3 地理可视化模型8
1.2.4 存在问题9
1.3 理论框架10
1.3.1 总体架构10
1.3.2 数据层11
1.3.3 模型层12
1.3.4 知识层14
1.3.5 运用构想15
1.4 实践方案17
1.4.1 技术路线18
1.4.2 统一建模19
1.4.3 开放架构20
1.4.4 知识关联22
1.5 本书结构22
1.6 本章小结23
第2章 基于S-100标准的海洋地理信息统一建模25
2.1 S-100系列标准27
2.1.1 概述27
2.1.2 当前现状29
2.1.3 存在问题34
2.1.4 发展建议35
2.2 S-101标准数据集构建38
2.2.1 概述38
2.2.2 语义模型对比41
2.2.3 语义映射关系表达56
2.2.4 实验与结论67
2.3 S-100标准符号集构建71
2.3.1 概述71
2.3.2 S-52标准符号结构72
2.3.3 S-100标准点符号构建77
2.3.4 S-100标准复杂符号构建83
2.4 本章小结94
第3章 基于开放架构的海洋地理信息服务与应用97
3.1 二三维一体地理网格剖分99
3.1.1 概述99
3.1.2 国内外研究进展100
3.1.3 HYGrid网格剖分模型106
3.1.4 HYGrid网格剖分处理110
3.1.5 实验与结论120
3.2 电子海图QGIS集成应用123
3.2.1 概述123
3.2.2 电子海图符号化机制123
3.2.3 SLD&QML模型对比127
3.2.4 实验与结论134
3.3 插件式图示表达引擎构建142
3.3.1 概述142
3.3.2 地理信息图示表达模型143
3.3.3 S-100标准图示表达模型145
3.3.4 实验与结论149
3.4 本章小结155
第4章 基于关联模式的海洋地理信息知识表达、检索与**157
4.1 航海图书知识表达与空间关联159
4.1.1 概述159
4.1.2 电子海图知识空间关联化160
4.1.3 航海书表知识空间关联化163
4.1.4 实验与结论168
4.2 网络海洋专题元数据垂直搜索171
4.2.1 概述171
4.2.2 总体设计172
4.2.3 关键技术176
4.2.4 实验与结论181
4.3 海洋环境知识图谱构建与**185
4.3.1 概述185
4.3.2 理论框架设计186
4.3.3 知识图谱构建188
4.3.4 实验与结论204
4.4 本章小结213
第5章 总结与展望215
5.1 总结217
5.2 展望218
参考文献219
编后记225