海洋科學(xué)導(dǎo)論總結(jié)精選(九篇)

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第1篇：海洋科學(xué)導(dǎo)論總結(jié)范文

關(guān)鍵詞： 地理信息系統(tǒng) 海洋科學(xué) 海洋災(zāi)害 迪杰斯特拉算法 最短路徑

一

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，空間技術(shù)的日新月異，以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論的日漸完善，地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）技術(shù)也日趨成熟，并且逐漸被人們所認(rèn)識和接受。它處理、管理的對象是多種地理空間實(shí)體數(shù)據(jù)及其關(guān)系，包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，用于分析和處理在一定地理區(qū)域內(nèi)分布的各種現(xiàn)象和過程，解決復(fù)雜的規(guī)劃、決策和管理問題。

海洋科學(xué)則是研究海洋的自然現(xiàn)象、性質(zhì)及其變化規(guī)律，以及與開發(fā)利用海洋有關(guān)的知識體系。它的研究對象是占地球表面71%的海洋，包括海水，溶解和懸浮于海水中的物質(zhì)，生活于海洋中的生物，海底沉積和海底巖石圈，以及海面上的大氣邊界層和河口海岸帶。因此海洋科學(xué)是地球科學(xué)的重要組成部分。海洋科學(xué)的研究領(lǐng)域十分廣泛，其主要內(nèi)容包括對于海洋中的物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)過程的基礎(chǔ)研究，和面向海洋資源開發(fā)利用，以及海上軍事活動等的應(yīng)用研究。由于海洋本身的整體性、海洋中各種自然過程相互作用的復(fù)雜性和主要研究方法、手段的共同性而統(tǒng)一起來，使海洋科學(xué)成為一門綜合性很強(qiáng)的科學(xué)。

近年來，地理信息系統(tǒng)被世界各國普遍重視，尤其是“數(shù)字地球”概念的提出，使其核心技術(shù)GIS更為各國政府所關(guān)注。目前以管理空間數(shù)據(jù)見長的GIS已經(jīng)在全球變化與監(jiān)測、軍事、資源管理、城市規(guī)劃、土地管理、環(huán)境研究、農(nóng)作物估產(chǎn)、災(zāi)害預(yù)測、交通管理、礦產(chǎn)資源評價(jià)、文物保護(hù)、濕地制圖，以及政府部門等許多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。當(dāng)前GIS正處于急劇發(fā)展和變化之中，研究和總結(jié)GIS技術(shù)發(fā)展，對進(jìn)一步開展GIS研究工作具有重要的指導(dǎo)意義。GIS技術(shù)在我國愈發(fā)得到重視，由于全球環(huán)境變化研究及海洋資源和環(huán)境管理的需求，其應(yīng)用從傳統(tǒng)的城市規(guī)劃、土地利用、測繪、環(huán)境保護(hù)、電力、電信、減災(zāi)防災(zāi)等陸地領(lǐng)域，逐步滲透到海洋資源與管理、礦產(chǎn)資源調(diào)查等方面。21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，開發(fā)海洋資源、保護(hù)海洋環(huán)境和維護(hù)海洋權(quán)益已引起世界各沿海國家的廣泛關(guān)注和高度重視。“數(shù)字海洋”是“數(shù)字地球”必不可少的重要組成部分。海洋為GIS的發(fā)展提供廣闊的發(fā)展空間，是GIS發(fā)揮優(yōu)勢、施展才華的地方。將GIS技術(shù)引進(jìn)海洋領(lǐng)域，使海洋信息數(shù)據(jù)的建庫和管理向科學(xué)化、可視化、便捷化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)海洋信息數(shù)據(jù)的自動化成圖和成果資料的網(wǎng)絡(luò)、共享，符合未來“數(shù)字地球”、“數(shù)字海洋”的發(fā)展趨勢。

同時(shí)GIS在海洋自然災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)中有很大的作用。

第一，提供空間數(shù)據(jù)和相關(guān)屬性數(shù)據(jù)的快速存取和管理功能。自然災(zāi)害管理系統(tǒng)需要快速處理大量空間、屬性數(shù)據(jù)，GIS提供高速的空間、屬性數(shù)據(jù)一體化處理和管理能力，能滿足污染數(shù)據(jù)查詢、更新、統(tǒng)計(jì)、模擬分析和預(yù)測評價(jià)的需要。

第二，提供分層的可視化的顯示功能?？芍庇^地將災(zāi)害屬性信息以圖形方式顯示在屏幕上。

第三，提供空間和屬性數(shù)據(jù)間的互動查詢。GIS的互動雙向查詢功能可方便地找到災(zāi)害源的相關(guān)信息。

第四，提供空間、屬性數(shù)據(jù)一體化的統(tǒng)計(jì)分析功能。

第五，緩沖區(qū)分析（范圍、距離等）。

第六，除上述基本功能外，GIS還可與災(zāi)害分析預(yù)測模型相結(jié)合，生成有效的決策支持信息，如GIS與災(zāi)害擴(kuò)散模擬模型、元胞自動機(jī)模型、專家知識系統(tǒng)等相結(jié)合，可構(gòu)筑功能更強(qiáng)、更先進(jìn)的快速應(yīng)急管理系統(tǒng)。

要充分發(fā)揮GIS在自然災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)中的作用，就要重點(diǎn)考慮以下問題：第一要建立一個(gè)空間數(shù)據(jù)庫，并把空間數(shù)據(jù)庫與相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫等連接起來。第二，災(zāi)害處置需要操作大量數(shù)據(jù)、應(yīng)用多種分析方法，因此需要開發(fā)一套完善的、智能化的數(shù)據(jù)處理分析方法。第三，建立一套災(zāi)害模擬分析評價(jià)模型，才能適應(yīng)災(zāi)害應(yīng)急的需要。第四，GIS系統(tǒng)與災(zāi)害分析模型的聯(lián)結(jié)，以及整個(gè)系統(tǒng)的集成，避免中間數(shù)據(jù)交換，提高系統(tǒng)運(yùn)行的速度，增強(qiáng)系統(tǒng)的分析能力。系統(tǒng)建設(shè)要求將以空間位置信息、特征信息，以及災(zāi)害種類、擴(kuò)散范圍、地理信息等搜集、整理，建立完整的數(shù)據(jù)庫，通過災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)進(jìn)行有效的組織和管理，再經(jīng)過系統(tǒng)地分析和處理，提出事故應(yīng)急處置預(yù)案。

二

下面來講述迪杰斯特拉算法在災(zāi)害決策系統(tǒng)中的一個(gè)應(yīng)用。

遇到緊急災(zāi)害發(fā)生時(shí)，受災(zāi)人們要被緊急疏散到事先選定的安置點(diǎn)。而撤退路徑是災(zāi)害決策系統(tǒng)研究的問題之一。可靠安置點(diǎn)的選擇是根據(jù)地理位置、安全系數(shù)和經(jīng)濟(jì)狀況等因素確定。如何從眾多的安置點(diǎn)中，選定一個(gè)或多個(gè)作為核心安置點(diǎn)，重點(diǎn)進(jìn)行災(zāi)前建設(shè)，災(zāi)后配給救援人員和救災(zāi)物資，高效地在安置點(diǎn)間進(jìn)行緊急物資和醫(yī)療資源的調(diào)配，也是不容忽視的問題。核心安置點(diǎn)應(yīng)滿足的條件之一是到達(dá)其余最遠(yuǎn)安置點(diǎn)最近，即所需時(shí)間最短。將該問題轉(zhuǎn)化為在各個(gè)安置點(diǎn)中選取到達(dá)最遠(yuǎn)安置點(diǎn)路徑最短的問題。最短路徑是圖論中的經(jīng)典問題，該問題分成2種：單源最短路徑問題和所有頂點(diǎn)間最短路徑問題。前者是基礎(chǔ)，此類問題的求解方法有動態(tài)規(guī)劃法，啟發(fā)式算法，A*算法，迪杰斯特拉，Bellman-算法等，其中，迪杰斯特拉算法最為經(jīng)典，它的時(shí)間復(fù)雜度是0（n2），n是圖中的點(diǎn)數(shù)，在此算法基礎(chǔ)上，相繼有很多的改進(jìn)及應(yīng)用。

設(shè)有向圖G=（V，E），V是點(diǎn)的集合，E是邊的集合。每條邊有一個(gè)非負(fù)的權(quán)值，即對每條邊（u，v）∈E，有w（u，v）≥0。設(shè)s為起始點(diǎn)，D[i]為s到i的最短距離。該算法的基本思想是從選定的源點(diǎn)s出發(fā)，按照路徑長度非遞減的順序逐一計(jì)算到其余各點(diǎn)（V-s）最短路徑d，其中i∈{v-s}。

算法具體描述如下：

①將圖G（V，E）中的V分為S和T。S是從源點(diǎn)s出發(fā)已求得最短路徑的點(diǎn)的集合；T是尚未確定最短路徑的點(diǎn)的集合，即T=V-S。因此，最初時(shí)S={s}，T=V-{s}；用w〈i，j〉表示點(diǎn)i至點(diǎn)j之間的權(quán)值

D[i]=w（s，i），〈s，i〉∈E∞，〈s，i〉？埸E

②選擇V∈{V-s}，使得D[j]=Min{D[i]}，V就是圖中從V出發(fā)的最短路徑的終點(diǎn)。更新S=S∪{V}；

③修改從V出發(fā)到集合V-S上任一頂點(diǎn)Vk可達(dá)的最短路徑長度。具體方法是：

如果D[j]+edges[j][k]

④如果S=V，由此求得從Vs到圖上其余各頂點(diǎn)的最短路徑，結(jié)束；否則跳轉(zhuǎn)至②。

迪杰斯特拉算法的改進(jìn)：

以上迪杰斯特拉算法解決的是單源最短路徑問題，可依次選定各個(gè)安置點(diǎn)作為源點(diǎn)，求出該安置點(diǎn)到其余點(diǎn)的最短路徑?，F(xiàn)對該算法上進(jìn)行改進(jìn)，以解決從候選安置點(diǎn)中選取核心安置點(diǎn)的問題。改進(jìn)的算法如下。

①將安置點(diǎn)和點(diǎn)間的路徑，抽象為有向圖G（V，E），V表示各安置點(diǎn)，n表示安置點(diǎn)數(shù)，E表示安置點(diǎn)間的連接，每個(gè)連接有權(quán)值，該權(quán)值可以是安置點(diǎn)間的距離、擁堵情況等；

②依次選取圖G（V，E）各點(diǎn)作為源點(diǎn)，使用Dijkstra算法計(jì)算該點(diǎn)s（s∈V）到其余點(diǎn)I（i∈V，且i≠s）的最短路徑，用D表示，得到n-1個(gè)最短路徑值，構(gòu)建得到表格中的一行。將圖中所有點(diǎn)作為源點(diǎn)，可得到n行最短路徑。

③在步驟②中每行最短路徑中找出最大的最短路徑值D（s∈V且i∈V），作為步驟①表格中新的一列，該列用D表示（s∈V）。可知，從源點(diǎn)s到達(dá)安置點(diǎn)i最遠(yuǎn)；將每行的最短路徑值求和，即T=S（i∈V，且i≠s）；

④在D列中，找出最小值D，該值表示以i作為源點(diǎn)，出發(fā)到達(dá)最遠(yuǎn)安置點(diǎn)j速度最快；如果在第n列中，最小值D有多個(gè)相等，就從T列找出最小值，表示從安置點(diǎn)i出發(fā)到達(dá)最遠(yuǎn)安置點(diǎn)最近，且到達(dá)其余各安置點(diǎn)的路徑之和最小，即到達(dá)其余安置點(diǎn)總耗時(shí)最少，故將安置點(diǎn)i選做核心安置點(diǎn)；

⑤根據(jù)求得的核心安置點(diǎn)s、到達(dá)其余安置點(diǎn)的最短路徑D，可找出次核心安置點(diǎn)，依次類推。

如圖1，有4個(gè)候選安置點(diǎn)，分別用點(diǎn)A，B，C和D表示。安置點(diǎn)之間有道路連接，根據(jù)道路是單向或雙向用有向邊連接，在緊急情況下可以取消或設(shè)定單向限制；有向邊上的權(quán)值可以表示兩個(gè)安置點(diǎn)之間的距離、路況等，對于雙向通行的道路可能由于方向的不同，引發(fā)道路的擁堵情況不同，因此兩個(gè)安置點(diǎn)間的有向邊權(quán)值不同，如A和B之間的兩條有向邊。

圖1 各個(gè)安置點(diǎn)及位權(quán)關(guān)系

根據(jù)改進(jìn)的迪杰斯特拉算法，分析計(jì)算如下。

（1）使用基本的迪杰斯特拉算法，對各點(diǎn)作為源點(diǎn)計(jì)算其到其余點(diǎn)的最短路徑及其長度，結(jié)果如表1。

表1 各安置點(diǎn)到達(dá)其余安置點(diǎn)的最短路徑

（2）將（1）中各安置點(diǎn)到其余點(diǎn)的最短路徑長度，最短路徑長度中的最大值和從該點(diǎn)出發(fā)到其余各點(diǎn)的最短路徑長度求和，匯總得到表2。

表2 各安置點(diǎn)到其余點(diǎn)的最短路徑情況表

（3）由表2可知，從安置點(diǎn)A出發(fā)到達(dá)最遠(yuǎn)安置點(diǎn)最快，選取安置點(diǎn)A作為核心安置點(diǎn)，最有利于災(zāi)害發(fā)生后在各安置點(diǎn)進(jìn)行救援物資、醫(yī)療救護(hù)人員及設(shè)備等的調(diào)配。

若表2中，DS列最小值有2個(gè)以上，可從TS選取最小值。從而確定核心安置點(diǎn)。

（4）核心安置點(diǎn)A選定后，根據(jù)表2，進(jìn)一步分析確定第二核心安置點(diǎn)。

在本問題中，選定A作為核心安置點(diǎn)，到達(dá)安置點(diǎn)B的最短路徑是ACDB；到達(dá)安置點(diǎn)C的最短路徑是AC；到達(dá)安置點(diǎn)D的最短路徑是ACD；所以，選取安置點(diǎn)C作為次核心安置點(diǎn)。同理，依次選取第3核心安置點(diǎn)D和第4核心安置點(diǎn)。

將安置點(diǎn)A，B，C，D及點(diǎn)間的權(quán)值作為改進(jìn)的迪杰斯特拉算法的輸入。如圖2中，黑色突出顯示的安置點(diǎn)A即選定的核心安置點(diǎn)，黑色突出顯示的有向路徑ACDB，即從核心安置點(diǎn)到達(dá)其余安置點(diǎn)的最短路徑。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法可以得到到達(dá)最遠(yuǎn)安置點(diǎn)最快的最短路徑選擇。

圖2 算法仿真圖

通過改進(jìn)最短路徑求解問題中的迪杰斯特拉算法，對災(zāi)害決策系統(tǒng)中核心安置點(diǎn)選擇及建設(shè)問題，提供了一種可行方法。核心安置點(diǎn)的選定，有利于救災(zāi)過程中物資的調(diào)配和安置點(diǎn)規(guī)模的合理安排，對救災(zāi)工作有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。安置點(diǎn)間邊的權(quán)值的確定及提高大規(guī)模情況下安置點(diǎn)的選擇問題，可作為今后的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯國安，趙牡丹編著.地理信息系統(tǒng).科學(xué)出版社.

[2]馮士筰，等主編.海洋科學(xué)導(dǎo)論.高等教育出版社.