海洋大數(shù)據(jù)和中學(xué)地理教學(xué)20150108

1、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)東莞市長(zhǎng)安中學(xué) 文合平文合平20142014年年1212月月一、大數(shù)據(jù)的進(jìn)化一、大數(shù)據(jù)的進(jìn)化還記得這是什么嗎？還記得這是什么嗎？20年前，我很震撼這個(gè)東西能容納下年前，我很震撼這個(gè)東西能容納下70萬(wàn)漢字的信息容量！萬(wàn)漢字的信息容量！它的容量是它的容量是1.44M我用的第一個(gè)硬盤是我用的第一個(gè)硬盤是Corner牌牌420M的，如今只能在舊貨市場(chǎng)當(dāng)古董了。的，如今只能在舊貨市場(chǎng)當(dāng)古董了。容量容量420M，估計(jì)是當(dāng)時(shí)全鎮(zhèn)最大的一個(gè)硬盤，因?yàn)槟菚r(shí)有硬盤，哪怕是，估計(jì)是當(dāng)時(shí)全鎮(zhèn)最大的一個(gè)硬盤，因?yàn)槟菚r(shí)有硬盤，哪怕是40M的硬盤的電腦就算高檔了

2、。的硬盤的電腦就算高檔了。在那個(gè)在那個(gè)DOS時(shí)代，我這硬盤的使用沒有超過(guò)時(shí)代，我這硬盤的使用沒有超過(guò)10%.這個(gè)昆騰這個(gè)昆騰1G硬盤仍然屬于古董，硬盤仍然屬于古董，但是當(dāng)年我第一次看見但是當(dāng)年我第一次看見1G硬盤時(shí)的震撼現(xiàn)在還有很清晰的記憶硬盤時(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，我進(jìn)入了數(shù)據(jù)這是我現(xiàn)在使用的硬盤，我進(jìn)入了數(shù)據(jù)T時(shí)代！時(shí)代！ 地理科學(xué)數(shù)據(jù)信息量極其龐大，如著名的地理科學(xué)數(shù)據(jù)信息量極其龐大，如著名的“地球服務(wù)器地球服務(wù)器”項(xiàng)目項(xiàng)目,數(shù)據(jù)量達(dá)到數(shù)據(jù)量達(dá)到EB級(jí)別級(jí)別!The EarthServer project, initiated by Jacobs Univers

3、ity Bremen in Germany, is developing a standard-based, ad-hoc, geoscientific data analysis method, scalable to Exabyte volume (1 Exabyte = 1 ,000 Petabytes). 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！我們處于大數(shù)據(jù)時(shí)代！但是我們面臨的問(wèn)

4、題很多：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？）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？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)？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？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？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、二、 海洋大數(shù)據(jù)的獲取及應(yīng)用實(shí)踐：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)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

5、為我中的作用越來(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。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)，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)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。單的操作。2.1 海洋地形數(shù)據(jù)海洋地形數(shù)據(jù)海洋地形數(shù)據(jù)主要有海洋地形數(shù)據(jù)主要有GEBCO數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)和ETOP1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)1) GEBCO由國(guó)際海道測(cè)量組織（由國(guó)際海道測(cè)量組織（IHO）和政府間海洋學(xué)委員會(huì)（）和政府間海洋學(xué)委員會(huì)（IOC） 協(xié)調(diào)有關(guān)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。

6、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（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)，包括的水深數(shù)據(jù)，包括ETOP5、ETOP2和和ETOP1。最新的最新的ETOP數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)是ETOPO1，它是分辨率為，它是分辨率為1的全球地形模型，它包含了全球的全球地形模型，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。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。/mgg/global/global.html獲取獲取GEBC

7、O數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)：在在Data and Product中選擇中選擇Gridded bathymetry data:點(diǎn)擊點(diǎn)擊availble to download后進(jìn)入交互式全球海洋水深數(shù)據(jù)下載頁(yè)面后進(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)有數(shù)據(jù)有30弧秒的弧秒的2014版本和舊的版本和舊的1分版本分版本,前者精度更高但數(shù)據(jù)量大很多前者精度更高但數(shù)據(jù)量大很多;我們地理教學(xué)選擇以前的我們地理教學(xué)選擇以前的1分版本就足夠了。分版本就足夠了。即便是即便是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

8、水深數(shù)據(jù)。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。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。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本例以中國(guó)附近海域?yàn)槔?，只下載了赤道到北緯45度，度，東經(jīng)東經(jīng)90度到東經(jīng)度到東經(jīng)135度范圍的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)文件大小約為度范圍的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)文件大小約為16M。GEBCO下載的數(shù)據(jù)文件是下載的數(shù)據(jù)文件是NetCDF格式，通

9、常以格式，通常以.nc為文件后綴。為文件后綴。NetCDF(network Common Data Form)網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式是由美國(guó)大學(xué)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)大氣研究協(xié)會(huì)(UCAR)的的Unidata項(xiàng)目科學(xué)家針對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)開發(fā)的，項(xiàng)目科學(xué)家針對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)開發(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)。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：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；）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

10、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)；）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）高可用性：可以高效訪問(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問(wèn)的數(shù)據(jù)；按順序讀取，可以直接讀取需要訪問(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）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)；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）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

11、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)行讀寫操作等。由多種軟件讀取并使用多種語(yǔ)言進(jìn)行讀寫操作等。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，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。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。幾乎所有的幾乎所有的GIS軟件都支持軟件都支持netCDF格式文件，如格式文件，如ArcGIS、Saga-GIS等。等。其他科學(xué)研究工具，如著名的其他科學(xué)研究工具，如著名的Matlab、R等都支持等都支持netCDF格式。格式。GEBCO水深數(shù)據(jù)可以由多種水深數(shù)據(jù)可以由多種GIS軟件操作，考慮到實(shí)際

12、軟件操作，考慮到實(shí)際以等值線圖等為主，我們后面使用以做等值線圖的神器以等值線圖等為主，我們后面使用以做等值線圖的神器Sufer為例。為例。下面是在下面是在Sufer中直接用中直接用GEBCO創(chuàng)建的等深線圖：創(chuàng)建的等深線圖：（注意（注意Sufer12可以直接打開可以直接打開netCDF文件，文件，Sufer11則需要先用則需要先用Global Mapper把把netCDF文件轉(zhuǎn)換為文件轉(zhuǎn)換為sufer grid格式）格式）原圖顯得過(guò)于繁瑣，繪制的等值線過(guò)于密集，我們使用原圖顯得過(guò)于繁瑣，繪制的等值線過(guò)于密集，我們使用GridFilter濾波工具進(jìn)行簡(jiǎn)化：濾波工具進(jìn)行簡(jiǎn)化：濾波的方式很多，用戶需要

13、結(jié)合不同的濾波方式和不同的濾波濾波的方式很多，用戶需要結(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。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)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：次濾波后得到的結(jié)果：調(diào)整一下等值線的條數(shù)，并配以合適的顏色，圖更美觀一點(diǎn)：調(diào)整一下等值線的條數(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)建一張剖面圖：創(chuàng)建一張立體圖和陰影渲染圖看看：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)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)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)

14、產(chǎn)品繁多，令人眼花繚亂。簡(jiǎn)單舉例如：產(chǎn)品繁多，令人眼花繚亂。簡(jiǎn)單舉例如：1 SODA數(shù)據(jù)：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)（海洋數(shù)據(jù)集由全球簡(jiǎn)單海洋資料同化分析系統(tǒng)（Simple Ocean Data Assimilation）產(chǎn)生，該系統(tǒng)是美國(guó)馬里蘭大學(xué)（）產(chǎn)生，該系統(tǒng)是美國(guó)馬里蘭大學(xué)（University of Maryland）于于20世紀(jì)世紀(jì)90年代初開始開發(fā)的分析系統(tǒng)，其目的是為氣候研究提供一套與大年代初開始開發(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。氣再分析資料相匹配的海洋再分析資料。2 Argo數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) ARGO計(jì)劃通

15、俗稱計(jì)劃通俗稱“ARGO全球海洋觀測(cè)網(wǎng)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)。是由美國(guó)等國(guó)家大氣、海洋科學(xué)家于家于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公里公里布放一個(gè)衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)，組成一個(gè)龐大的布放一個(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)。全球海洋觀測(cè)網(wǎng)。3 WOD和和WOA數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) WOA09 是由美國(guó)海洋資料中心（是由美國(guó)海洋資料中心（the U.S. National Oceanographic DataCenter）提供的分辨率為）提供的分辨率為1 和和5 的全球海洋經(jīng)緯網(wǎng)格的氣

16、候?qū)W客觀分析、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)。個(gè)深度上的溫度、鹽度等變量的年、月、季節(jié)數(shù)據(jù)。4 GTSPP數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 全球溫鹽剖面計(jì)劃（全球溫鹽剖面計(jì)劃（GTSPP）是）是IOC/IODE 委員會(huì)和委員會(huì)和IOC/WMO 全球海全球海洋服務(wù)系統(tǒng)（洋服務(wù)系統(tǒng)（IGOSS）委員會(huì)聯(lián)合開展的一項(xiàng)計(jì)劃。）委員會(huì)聯(lián)合開展的一項(xiàng)計(jì)劃。IODE 和和IGOSS 分別是分別是IOC和和WMO 的技術(shù)委員會(huì)。的技術(shù)委員會(huì)。GTSPP 計(jì)劃的主要目標(biāo)是向用戶快速提供海洋計(jì)劃的主要目標(biāo)是向用戶快速提供海洋溫鹽（溫鹽（T

17、-S）觀測(cè)資料，使用戶能更容易得到這些資料。）觀測(cè)資料，使用戶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)。數(shù)據(jù)為例介紹如何使用海洋水溫和鹽度數(shù)據(jù)。如何獲取如何獲取WOD/WOA數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)：獲取獲取WOD/WOA數(shù)據(jù)的方式很多，常見方式：數(shù)據(jù)的方式很多，常見方式：一是直接上其官方網(wǎng)站去下載，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：數(shù)據(jù)官方網(wǎng)站： /一是使用一是使用LAS服務(wù)器服務(wù)器(Live Access Server)獲取

18、海洋等科學(xué)數(shù)據(jù)獲取海洋等科學(xué)數(shù)據(jù)前者比較簡(jiǎn)單，以下的例子使用前者比較簡(jiǎn)單，以下的例子使用LAS服務(wù)器獲取服務(wù)器獲取WOD/WOA數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。什么是什么是LAS服務(wù)器？服務(wù)器？The Live Access Server (LAS) is a highly configurable web server designed to provide flexible access to geo-referenced scientific data. It can present distributed data sets as a unified virtual data base through t

19、he use of OPeNDAP networking. Ferret is the default visualization application used by LAS, though other applications (Matlab, IDL, GrADS, .) can also be used. The most current version is LAS 8.2 -From the LAS homepageLAS官方網(wǎng)站：官方網(wǎng)站： /LAS/home國(guó)內(nèi)訪問(wèn)比較穩(wěn)定而且速度較快的國(guó)內(nèi)訪問(wèn)比較穩(wěn)定而且速度較快的LAS服

20、務(wù)器服務(wù)器:1 國(guó)家虛擬海洋數(shù)據(jù)系統(tǒng)國(guó)家虛擬海洋數(shù)據(jù)系統(tǒng)(National Virtual Ocean Data System) /NVODS/2 國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心(National Oceanographic Data Center)/las/國(guó)際上國(guó)際上LAS服務(wù)器很多，詳細(xì)的列表參閱：服務(wù)器很多，詳細(xì)的列表參閱：/LAS/las-servers獲取獲取LAS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)連接美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心的連接美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心的LAS

21、服務(wù)器服務(wù)器:選擇數(shù)據(jù)集類型選擇數(shù)據(jù)集類型找到找到WOA數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。選擇選擇WOA的更具體的更具體類型。類型。選擇區(qū)域、時(shí)間等選擇區(qū)域、時(shí)間等選擇下載的數(shù)據(jù)文件類型選擇下載的數(shù)據(jù)文件類型這是下載的全球一月份水溫?cái)?shù)據(jù)這是下載的全球一月份水溫?cái)?shù)據(jù),在等值線神器在等值線神器Sufer軟件處理后的輸出結(jié)果。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)洋流數(shù)據(jù)很多，比較方便下載使用的如：洋流數(shù)據(jù)很多，比較方便下載使用的如：OSCAR數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)和GDP數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。1 OSCAR數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)： 是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOOA)利用衛(wèi)星高度計(jì)利用衛(wèi)星高度計(jì) 獲取的表層洋流數(shù)據(jù)。

22、獲取的表層洋流數(shù)據(jù)。官方網(wǎng)站：官方網(wǎng)站： /index.html2 GDP數(shù)據(jù)：以下例子以以下例子以O(shè)SCAR數(shù)據(jù)為例。數(shù)據(jù)為例。進(jìn)入進(jìn)入OSCAR官方網(wǎng)站，點(diǎn)擊官方網(wǎng)站，點(diǎn)擊”Data Display & Download”中的中的”Data Download”進(jìn)入數(shù)據(jù)選擇界面，由于大部分用戶的電腦并沒有安裝進(jìn)入數(shù)據(jù)選擇界面，由于大部分用戶的電腦并沒有安裝Java運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)行環(huán)境，所以我們最好點(diǎn)擊右上角的所以我們最好點(diǎn)擊右上角的”non-Java version”按需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，我想研究一下印度洋的洋流，按需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，我想研究一下印度洋的洋流，所以選擇了所以選擇了2014年年2月和月和8月的月平均洋流月的月平均洋流u和和v值，值，選擇范圍為東經(jīng)選擇范圍為東經(jīng)30到到120度，南緯度，南緯30到北緯到北緯30度度再點(diǎn)擊右下角的再點(diǎn)擊右下角的”Download data”就可以下載數(shù)據(jù)了