【战略前沿】《海岸带地理空间框架:国家海岸带测绘与制图需求》执行摘要
来源: http://www.nap.edu/openbook.php?isbn=0309091764
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2015-04-02

  由于我们的生活与经济、与在这个充满活力的区域的特性及发生的活动息息相关,沿海地区对国家的福祉意义重大。美国20个最大城市带中有14个沿着国家海岸分布,大部分美国经济基础设施位于海洋附近或海洋上,而且,海岸地区还包括森林、河流与小溪、湿地、河口、海滩、障壁岛、海洋栖息地等。这一复杂领域巨大的经济、环境、娱乐重要性,对那些负责管理和维护这些地方的机构提出了巨大的需求与责任。为了了解和解决自然与人为力量在沿海地区产生的影响,需要一种全面的多学科框架来反映沿海系统内各种过程间的互联性。这一框架的基础是准确的地理空间信息——描绘在地图和图表上的信息。

  几个世纪以来,科学、教育、商业、规划以及资源管理都依赖于能够得到的精确地图。在沿海地区,高质量的地图对航行安全、管辖边界确定、对各种过程的了解、减灾、环境变化跟踪、建立资源与栖息地详细清单,以及开发制定新的计划与政策是必不可少的。历史上,已获取了沿海地区所需的基本地理空间数据,陆上的数据被描述成“地图”,近海的数据被描述成“图表”。不幸的是,这些数据在比例尺、分辨率、制图规范及投影,特别是参考基准面等方面的不同,约束了现今沿海陆地与海上数据的无缝结合。其结果是缺乏跨沿海地区标准化的、统一的地理空间产品。缺乏这种跨越全国海岸带陆-水界面无缝地图(或图表),对于了解整个海岸线的许多持续过程是一个严重的障碍。缺乏标准化也使得政府机构、研究社团以及私营部门在承担新的研究和计划时,分别独自进行昂贵而耗时的任务,生成新数据和地图。对海岸带测绘工作缺乏协调必然导致重复测量或产品冗余。

    至少有15个联邦机构涉及沿海地理空间数据的初级数据获取或使用,经常在同一机构内的多个部门之间共同承担责任。此外,大量的州和地方机构、学术研究所以及其他组织也获取或使用沿海地区的信息。这就造成了一种混乱收集、潜在重叠,而且往往不协调的沿海地图与图表产品,挫伤用户使用过去研究项目收集和产生的数据集的积极性。

  针对这种情况,以及相信一个独立的外部评估有可能提供有价值的新观念,国家海洋与大气管理局(NOAA)、美国地质调查局(USGS)以及美国环境保护署(EPA)要求国家科学院承担一项沿海地区制图国家需求的研究项目。研究项目委员会负责确定及建议机制来解决国家在海岸带的空间信息需求,包括分析主要联邦机构以及他们支持的主要用户组的空间信息需求。该委员会的任务是确定高优先级的需求,基于当前水平评估满足这些需求的可能性,并提出加强协作的步骤,确保及时高效地满足国家在海岸带空间信息的需求。

     为了了解涉及海岸带空间信息的非常庞大和多样化社区的需求与活动,委员会及职员在涉及海岸带制图的众多方面寻求机构和个人的信息与观点。尽管许多海岸带数据供应商和用户提出众多问题的复杂性,对需求以及引起的关注的一致性使委员会迅速聚焦并产生未来海岸带制图的前景。这就是需要发展一套综合并协调的国家海岸带制图战略,基于一个基础——一个参照框架——所有数据获取、分析以及产品可以在其上建立。若要建立这个基础,国家必须努力收集信息并开发地形测量(沿海陆地)及海洋测深(海洋)数据无缝融合所需的工具。这些数据与工具将可以用来建立一个横跨海陆的、由无缝的海拔高度和深度数据组成的全国协调数字数据库,可以参照或转化为常见的垂直和水平基准数据。这个数据库将为所有后续的数据产品提供基本的地理空间框架,很像USGS基本地形底图已经成为了许多随后研究的沿海陆地基础。然而,不同于USGS地形图,一个海岸带数据库必须具有“潮汐意识”并且能够使陆地与海洋基准点保持协调。

     我们对未来海岸带制图的前景目标也包括确保所有参与的相关机构和实体之间沟通的机制,以便使冗余努力最小化,并最大限度地提高运营效率。建立国家、也许还有国际标准与协议,规范数据获取、元数据生产,以及易用工具便于数据传输与集成。使用这些工具,用户社区将能够评估数据准确性与及时性、改变比例尺及投影、不同数据集的无缝融合。数据库和数据集成工具将方便所有用户、公共与私人机构使用,从一个单一的数字门户接入互联网访问。

   这是一个大胆的、同时也是一个显而易见的前景。谁会对一个高效的、产品容易获取的、可充分交换的、准确、及时的系统提出异议?前景可以简单的确定,但它的实现将绝不简单。下面这些建议旨在解决现有问题的根源,帮助克服解决方案面对的障碍,并开始把这一前景变为现实。

 

建立一个覆盖所有美国沿海地区的无缝测深/地形数据集

    海岸带管理所面临的最严重障碍之一是无法产生精确的地图和海图,以便可以对跨越陆-海界面的海岸带无缝地跟踪对象和过程。各机构任务之间的差异、陆地地形与海洋水深测绘技术的差异、不同的垂直参照系,以及获取海浪和潮间带区域源数据的固有困难等因素结合在一起,导致这些数据根本不兼容。当两套迥然不同的、非会聚性的地图与海图被分别管理,使我们几乎不可能做到正确了解海岸带发生的过程、承担规划并建立海岸带边界。

    制作跨越陆-海交界的持续集成制图产品的障碍是,水平和垂直参考表面(基准面)以及用于地图与海图的投影的固有差异。水平基准线和投影问题都可以用现有的转换工具迎刃而解,尽管这些工具必须更方便地提供给用户群体。然而,垂直基准线问题是一个严峻的挑战。为了将海上和陆上数据无缝融合,必须发展垂直基准转换模型。这些模型依靠创立并运行一系列实时潮汐测量站、开发国家沿海区域水动力模型、发展融合测深数据集与地形数据集的协议与工具。

    在NOAA和USGS共同努力下的坦帕湾深度/拓朴/海岸线示范项目开发了这样一套工具(称Vdatum),已经展示了生成坦帕湾地区无缝测深/地形数据集的可行性。这个项目同时显示了该任务的固有复杂性以及来自跨部门合作与协调的实质性好处。

 

建议1:为了将陆地和海洋数据以一个无缝的大地测量框架结合起来,应启动一个应用Vdatum工具的国家计划。这将包括实时潮汐数据获取、为整个美国海岸线开发更复杂的水动力模型,同时包括建立融合测深数据集和地形数据集和协议与工具。

    该数据集必须以这样一种方式记录和传播:使它可以成为广泛应用的基础,包括界定当地、区域和国家的海岸线。这一努力的结果将有可能把在陆地与海洋上获取的数据融合在一个共同的大地测量参考框架内,同时允许产生特定应用的地图与海图,维持传统的基于潮汐的基准面(例如,航海图)或基于度量矫正的基准面(例如,地形图)。

 

海岸线界定协议

  众多机构已经确定,国家海岸线缺乏对沿海地带界定的一致性是进行明智决策的主要障碍。虽然一致的海岸线无疑是可取的,但许多不同的海岸线定义仍保留在地方、州和联邦的法律中,使得产生一条“国家海岸线”的设想不切实际。相反,实现一致的海岸线的关键是如建议1所述的无缝大地测量框架。利用一个跨越陆-海边界的无缝测深/地形数据集、适当的差异或潮汐模型、一致水平和垂直参照框架,任何海岸线定义都可以在此通用框架内被转换与集成。Vdatum工具包和相关网站将是在不同调查与研究之间或其中建立内部一致海岸线的关键。

 

建议2:为了实现国家海岸带界定的一致性,各方应根据潮汐基准面界定各自的海岸线,允许垂直位移(vertical shifts)计入各种海岸线界定之中,同时准许不同的机构和用户维持他们现有的法定海岸线界定。在立法或惯例不排除的情况下,委员会建议采纳由NOAA国家大地测量建立国际公认的海岸线。

 

   委员会鼓励联邦地理数据委员会(FGDC)属下的海洋与沿海空间数据小组委员会寻求执行这一建议。

 

方便获取及时数据

  方便获取及时数据是有效海岸带管理的重要组成部分。很多机构已经创建了网站,提供访问数据的各种方式以及数据处理工具。然而,这些站点仍然仅代表现有的海岸带数据的一小部分。

 

建议3:应该建立一个独立的门户网站,以方便访问所有海岸带地图及海图数据及其衍生产品。该网站应在联邦和州政府机构、州和地方政府、学术机构、非政府组织和资源保护组织,以及其他潜在用户中广泛宣传。该门户网站应很好地与所有计算机平台的所有网络浏览器合作,使之很容易让所有用户访问。

    这个独立的门户网站并不是所有海岸带数据的主机。相反,它应作为一个链接到许多由单个机构或组织运行的分布式数据库的聚焦点来提供服务。该网站应该代表一个地方,在这里用户尤其新用户可以开始搜索他们所需的海岸带数据及其衍生产品。一个单独的、易于访问并提供适当的数据处理工具的数据门户网站,还应该促进数据的及时输入与提取。逻辑上,这样的网站协调工作属于FGDC的职权范围,并与地理空间一站式理念完全一致。

 

数据集成、互换性与准确性

    通过一个单独的门户网站提供简便获取数据是解决沿海社区需求的关键出发点。然而,用户还必须能够组合和集成由不同机构使用各种传感器并且往往基于不同的基准面或投影获取的数据。用户还必须能够评估提供数据的属性和准确性。通过建立数据与元数据标准以及使用数据转换工具,数据集成和数据质量评估工作成为可能。

 

建议4:所有专题数据和其他附加值产品应坚持预先确定的标准,以使它们能通过一个中央门户网站被普遍访问与转换。所有数据源应都提供附有适当元数据的数字化数据。

    FGDC正在建立一系列国家空间数据基础设施(NSDI)的标准,将适用于所有海岸带数据。不幸的是,由于不同机构的承诺水平参差不齐,还由于对充分执行其原则的激励不足,在沿海/海洋社区执行NSDI仍然存在问题。这可能,部分由于结构和预算障碍,一套单一的标准无法用于所有应用程序,以及标准制定方和用户社区之间的脱节。解决这个问题的方法之一是增加私营部门的参与。

 

建议5:私营部门应更多地参与数据标准和产品的开发与应用。机构采购需求可用于鼓励私人部门及时地交付所需产品。

     委员会知道许多案例,私营部门积极建立公认的、易于使用的数据协议——实际上是事实标准——能显著提高数据产品的有效性。在标准和工具的采用方面,私人部门往往比政府机构的同行们更快速、更高效。访问数据、元数据以及数据标准,必须辅之以现成的工具来方便转换不同的数据格式、比例尺和投影。

 

建议6:政府机构和私营部门应继续开发沿海数据转换和集成工具包。这将促进数据分析并能产生一系列增值产品。这些工具应该能通过门户网站获取。

   此外,必须提供用于处理数据所使用工具和技术的文档手册,来帮助用户社区理解不同数据集的局限性并恰当使用。为终端用户举办各种必要的培训课程和研讨会,使他们掌握对数据进行智能应用所必须的知识和技能。

 

改进协调与合作

     任何涉及多个联邦、州和地方机构、学术研究者以及私营部门的活动都有潜在的冗余和重复工作可能。当研究活动需要昂贵的平台、技术和传感器时,这种冗余和重复努力还会被放大。在沿海地区测绘与制图研究领域,涉及的机构数量庞大,他们不同的历史、职责的范围、任务的复杂性为产生工作冗余和效率低下提供了大量的机会。由于数据收集无疑是沿海区制图最昂贵的方面,在该领域消除冗余和重复很可能带来很大的节省。确保所有相关机构都知道彼此的活动将是加强协调的重要的第一步。

建议7:所有联邦政府资助的海岸带测绘与制图活动应在相同的、可公开访问的网站注册。这个联合注册表应该通过单独的沿海地区信息门户网站访问。

     注册表中的每个条目应当包括制图活动描述、其位置与目的、收集数据的机构、所使用的工具、获取数据的比例尺及其他相关细节。非联邦资助机构开展海岸带制图活动时,应该鼓励他们在同一网站注册。部分注册表应专门用于描述那些有计划但未获得资助的海岸带制图活动,也包括一份沿海地区的“愿望清单”,在这些地区进行调查将特别有助于州或地方机构。从技术上讲,这种登记表的内容也许已在行政管理和预算办公室(OMB)的表300(Exhibit 300)中提出要求,但建议7表明要大大扩大工作重点,使所有联邦资助的海岸带制图的努力更加广为人知。

     一旦实施,注册表可以作为地理空间数据获取与和分析工作的国家协调中心。个别机构将继续安排自己的优先事项,但通过注册,可以快速识别并避免重复工作。注册表也有利于通过强调调查的“增值”机会提高效率,其中,一个机构通过提供少量的额外资金就可利用另一个机构在某地区进行具有共同兴趣的制图活动,可以实现一个额外的目标。这种捎带的努力将允许额外机构以最小增量成本获取数据来满足他们的需求。

 

建议8:为了有效,协调工作应当在所有主要参与沿海地区制图的机构中实施,应当由一个具有权威性和监控手段的实体进行调解,以便确保遵从规定办事,应当包括那些有足够知识来识别最关键问题的人员。

 

 

      从结构上看,FGDC似乎是一个合适的机构来监督这种协调,但其有效性仍令人担忧。对FGDC作一些调整,也许授权给海洋与沿海空间数据小组委员会,将会消除这些忧虑。有鉴于此,委员会赞同近期设计研究小组的建议,呼吁FGDC(FGDC,2000年)进行主要结构和管理转变。另一个不太有吸引力的替代方法可能是由一个新的政府机构或政府管辖之外的机构,负责建立监督所有国家海岸带测绘与制图活动。

建议9:无论哪个机构负责开展所需的协调活动,都应指派专人负责维护门户网站(建议3)、活动注册(建议7),以及相关网站,并且积极主动地寻找可以协调、努力或结合起来的地方,以提高效率。

 

  迫切需要更好地协调联邦机构工作的特定区域,收集陆-海边界高分辨率地形数据和测深数据,包括航空和航天影像、激光雷达(LIDAR)调查数据、测深调查数据、无缝的地形/测深数字高程模型(DEM)/数字水深模型(DDMS),以及有关海岸线变化、栖息地变化、灾害脆弱性以及海岸侵蚀和洪水泛滥等衍生产品。

 

增强数据获取

     更多、更好的收集沿海地区数据的需求十分广泛。在机构和用户社区中,最一致的引用需要是增强测深数据,尤其是在很浅的沿海水域。这些数据为几乎所有其他研究提供了基础地理空间框架,是诸如海上栖息地地图等衍生产品的关键组成部分。

 

建议10:整个沿海地区基本参考框架数据应该被采集、处理并公布。沿海地区的动态性要求我们应该有具体计划,以备随着时间的推移进行重复调查。要认识到有资质的私人调查承包商在沿海地区测绘与制图中的重要作用。政府机构承包大部分这个领域已经完成的工作。相应地,确定优先次序和跟踪调查可根据建议8中所提出的实体机构协调。

     鉴于参与沿海区制图的机构和私营企业的数量以及他们不同的任务和预算安排,期望达成一个统一的、优先考虑的国家制图计划是不现实的。虽然每个机构负责自己的优先测绘项目,一个跟踪并协调现有的、正在实施中的以及计划中的各种工作(见建议7)的机制,将提高为进行更多调查工作所花费的每一美元的效率。在努力获取新数据时,比例尺与分辨率的矛盾可通过建议8中所提到的海岸带实体机构协调解决。调查了机构的需求之后,协调实体可以确定授权修改已列入规划的调查工作所增加的价值是否合算,不管是通过扩大调查区域还是采用一个稍微不同的形式(如,更高分辨率)。

     对于那些海岸带制图的尝试仍然存在严峻的挑战。除了在调解陆地和潮汐基准点的基本概念问题方面,还存在许多后勤工作方面的挑战,包括浅滩深度、波浪、浑浊的水以及沿岸流,所有这一切导致很难安全、准确、高效地操作调查船及其他设备。

 

建议11:应当开发新的遥感和地面调查技术与设备,以帮助填补陆-海边界的关键数据缺口。

    有大量有前途的新技术与工艺存在,包括:综合测深/地形激光雷达、多光谱、高光谱和摄影成像系统;部署在智能水下机器人上的传感器;利用配备有批准发行机构认证的专门测绘传感器的志愿者游艇进行“机会主义”制图;自主式海底爬行器;改进的卫星成像能力;以及数据融合能力。基金资助机构对开发沿海遥感工具的持续支持,结合不断加强的对沿海地区需求的重视,将会大大加快这些关键需求技术的开发与实现。私营部门在执行这个建议方面可以发挥重要作用。

     上文所述的建议和策略呼吁建立一个一致性的地理空间框架以及创意新颖的采购、集成、数据管理技术的应用程序,使海岸带科学家、工程师以及管理人员高效率地生产易用、可完全互换、准确、及时、有用的地理空间数据以及无缝扩展到沿海地区的测绘产品。建议还提出了一些在这个复杂区域中负责获取数据的机构之间加强协作与合作的简单机制。这些机制应有助于提高效率,确保大部分国家沿海地区测绘及时进行。虽然概念简单,建议的实施策略却需要将精力集中到沿海社区这边。然而,一旦实施,委员会相信,这将是确保沿海地区长期福祉的重要一步。

 

原文题目:A Geospatial Framework for the Coastal Zone: National Needs for Coastal Mapping and Charting

 

(黄铭瑞、王化编译,殷永元审核)