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火灾遥感监测的原理和方法范文1
摘 要：现代科技给我们的生活带来了很多方便，3S技术应用于环境监测，弥补了在一些方面人工监测效率慢甚至无法监测的问题，3S技术在环境监测中应用于监测水污染，固废污染，林火、水土流失、矿山生态以及植被调查等方面。
关键词：3S技术；水体污染；固废污染；林火信息；水土流失；矿山生态；展望
1.引言
环境的恶化和生态平衡的破坏已经影响到人类的生存和经济的发展，环境问题已经成为全球性跨世纪的焦点问题。要想有效的，快速的遏制日趋恶化的环境，光靠人力是没法实现的，只有利用现代先进科技才能环境保护和监测水平。近年来国内外大量实践表明，3S技术是获取环境信息的强有力手段，利用3S技术监测大范围的环境变化省时、省力，可以从宏观上快速跟踪和监测突发污染事件的发生、发展，及时制定处理措施，减少污染造成的损失，突破了以往研究环境问题的局限性。
2.3S技术简介
2.1 遥感（RS）
遥感（Remote Sensing，简称RS）是二十世纪六十年展起来的对地观测综合性技术。遥感，即“Remote Sensing”是应用探测仪器，不与探测目标相接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。遥感系统主要包括五大部分，它们是：被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用。遥感技术是一个综合性的系统，它涉及到航空、航天、光电、物理、计算机和信息科学以及诸多的应用领域，它的发展与这些学科紧密相关。
2.2 地理信息系统（GIS）
地理信息系统（Geographic Informat ion System，简称GIS） 是一种特定的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题一个实用的GIS 系统，要支持对空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示等功能，其基本组成一般包括以下五个主要部分：系统硬件、系统软件、空间数据、应用人员和应用模型。因此，GIS 的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成；GIS 的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。
2.3 全球定位系统（GPS）
全球定位系统（Global Position System，简称GPS）是美国第二代卫星导航系统，它利用多颗导航卫星的无线电信号，对地球表面某地点进行定位、报时或对地表移动物体进行导航。全球定位系统由地面控制部分、空间部分和用户装置部分组成。全球定位系统是一种高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和授时系统。具有性能好、精度高、应用广等特点，是迄今最好的导航定位系统。GPS 作为一种定位手段，可应用它的静态和动态定位方法，解决传感器位置和姿态的快速定位问题，并获取准确空间三维位置信息，这样也就解决了遥感信息的定位问题和GIS 数据采集的空间定位问题。
2.4 3S技术的集成与应用
3S 技术是由遥感（RS）、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）有机结合一体化集成。RS 是一门比较实用的现代化空对地观测的新兴技术，具有全天候、多时相以及不同空间观测尺度等优点，能动态地、周期性地获取地表及地下信息，可以广泛应用于各个领域，如资源环境、水文、气象、地理地质等领域，并提供所需的遥感图像。GPS 具有精确的定位能力和准确定时以及测速能力，它的出现为大量的野外高精度定位工作提供了极大方便，使定位与导航在精度和速度上都产生了质的飞跃。GIS 具有采集、存贮、管理、分析、描述整个或部分地球上空间和地理分布有关数据的重要作用。3S 技术能共同的应用于很多领域，如交通、石油、地质、测绘、环境、气象、移动通讯、规划管理等，尤其在生态环境动态监测、自然灾害动态监测与防治、各种资源调查与开发等一系列研究中发挥着越来越重要的作用。
3.3S技术在环境监测中各方面的应用
3.1 在监测水体污染中的应用
工业废水排放，矿产资源开发，对水体有着不容忽视的影响。利用RS技术可以对水体进行遥感监测，其原理是通过比较被污染水与清洁水的反射光谱特征的差异来判断水体被污染的程度。遥感监测可以对大范围内水体的扩散过程统揽全貌，这样就比较容易发现污染源。一般地，水体污染区多分布于工业区，居民区，有排污口与之相通连，距排污口较近，多在水体边缘靠外；面积较小，一般呈条状、块状，颜色较清洁水体深。
3.3 在监测城市固废污染中的应用
由于固体废物自身的物理化学分解作用，其温度一般高于周围的物体，在热红外图像上显示明显的色调特征。根据有关的遥感图像解释标志，定期利用遥感图像为信息源进行固体废弃物堆的监测，并通过GIS技术确定相应的空间位置，然后在图像中对不同的固体废弃物污染信息进行比较，以确定其发展趋势，并结合城市产业布局及垃圾处理系统设置，实施相应的管理策略，以实现对固体废弃物的动态监测和有效管理。
3.4 在监测林火信息中的应用
森林火灾具有突发性强、蔓延迅速的特点，利用3S技术不但可以对森林火灾进行实时监控，还可以对灾后的损失进行评估。遥感图像作为森林火灾监测的主要信息源，一旦发生森林火灾，利用GPS可以迅速、准确地进行火灾现场定位，GIS可以对各种来源的数据信息进行汇总，并可以对某一时间火势的发展方向进行模拟，以便制定有效的扑火措施；同时，利用GPS对救火队进行实时的导向，从而引导救火队及时、准确地到达火场。此外，利用GPS还可以简单精确地测定过火面积，结合遥感图像和GIS，可以对火灾等级进行评定，对灾后的损失进行评估[1]。
3.5 在动态检测水土流失中的应用
利用卫星遥感数据和地形、土壤、土地利用等图件及降雨资料。通过本成果的一系列方法，凭借GIS软件ARCVIEW和ARC/INFO的支撑，对有关非遥感影像数据进行处理，实现图件矢量化——矢栅化——数字化，并与DEM复合配准和编制出各水土流失侵蚀因子像元图后统一与底图进行配准，建立地理数据库。然后，根据土壤性状剖面和值计算公式。计算得到数据图并在解译后的卫星影象上对不同植被类型的像元进行统计和计算。最后，按流失量监测模型运算基础的流失量图。再按部颁标准分类制作出水土流失现状图，再按防治预报模型及时运算出防治强度预报图；再经过统计这些图获得准确的区域或各县级水土流失量，各级面积数等结果，并借GIS软件的帮助，建立水土流失管理信息综合数据库，实现水土流失的实时动态监测[2]。
3.6在矿山生态环境监测中的应用
运用3S 技术对煤矿土地利用/覆被和生态环境进行监测，并对煤矿生态质量进行评价和分析，这为矿产资源的可持续发展提供了科学的依据，同时为其他类型矿山生态环境监测研究提供了有效、可行的技术流程和工作思路。通过对遥感影像、数字图像进行信息提取，得出2005年攀枝花宝鼎煤矿区土地覆盖率情况。基于APH 法结合遥感和 GIS 技术对攀枝花宝鼎煤矿区的环境质量进行了评价，得到该地区植被覆盖率为良好，等级为Ⅱ；环境污染严重，等级为Ⅳ；矿山恢复治理率不高，等级为Ⅲ；灾害发生率不高，等级为Ⅱ。该研究区生态环境质量综合评价为Ⅲ[3]。
4.展望
随着空间技术、信息技术及计算机技术的飞速发展，3S技术也在逐步完善。我国的环境监测是一项新的任务，利用3S技术对环境进行检测，不仅能改善以往的环境监测只侧重于污染，灾害等方面，以定性描绘为主，在时间系列的比较上难以具体化等缺点；而且能使定性表述，定量结果落实在同一空间位置上，建立环境动态监测模型，我国环境监测技术将得到大大提高。这就能为各级政府和管理部门提供及时、准确、动态的数字化图像信息，建立规范的环境保护制度，为保护环境，造福人类作出巨大的贡献。（作者单位：华中科技大学文华学院）
参考文献
[1] 刘惠明，林中大.3S技术及其在林业上的应用[J].广东林业科技，2002，18（2）
火灾遥感监测的原理和方法范文2
关键词：地理信息技术；自然保护区；管理；应用
中图分类号： S759 文献标识码： A
地理信息系统(Geographic Information System)，简称GIS，是一门介于信息科学、空间科学和地球科学之间的新技术，它将地理空间数据处理与计算机技术相结合，通过系统建立、操作与模型分析，产生对资源环境进行区域规划、环境监测、管理决策、灾害防治等方面的有用信息。简而言之，GIS就是综合处理和分析空间数据的一种技术系统。
GIS脱胎于地图学，而国际计算机化的GIS发展始于60年代初，成熟于70年代，80年代则是GIS发展的突破阶段，其标志是GIS在科研、管理、生产、军事等许多部门的广泛应用。近年来，随着经济的发展以及社会的需要，我国的GIS研究工作也开始发展起来，并开发出一些GIS软件产品，如：北京天维资源环境技术研究所研制的SPACE-MAN4.0中国林科院资源信息研究所研制的WINGIS等。在生态学的应用上，GIS作为一种高科技技术，已成为国际上广泛采用的一种生态学研究手段，尤其是应用于自然保护区的管理及相对简单的温带森林生态系统研究。我国开始这方面研究的时间较晚，但发展速度较快，目前见于报道的如卧龙自然保护区管理信息系统、广东生物地理信息系统、山东植被与环境信息系统、山东植被研究管理信息系统、中国北方草地动态监测系统等，这些都反映了我国在将GIS应用于生态学上所取得的成果及其广阔的发展前景。
1 GIS在自然保护区经营管理中的应用概况
中国自1956年建立第一个自然保护区开始，至1991年底，共建自然保护区708处(其中，国家级保护区有77处)，面积达56.8万平方公里，占国土面积5.54%(中国21世纪人口、环境与发展白皮书，1994).至目前为止，绝大多数的自然保护区仍采用落后的人工管理方法，效率很低，影响了对自然保护区的评价规划和决策管理，也影响了对自然保护区内资源的合理开发利用.将GIS用于自然保护区的经营管理，不仅可以节约大量的人力物力，而且具有方便、高效、精确等诸多优点.根据生物多样性研究与保护的要求，并结合当前GIS在生物保护中的应用实践与趋势，它在自然保护区的应用可归纳为如下几个方面：
1.1保护区自然环境、生物多样性以及社会经济信息与数据的管理
运用GIS可以对保护区的自然环境因素，如地形、地貌、水系、土壤类型等地理要素，以及温度、降水、辐射等气候因子的数据进行采集、处理、存贮、分析管理；可以对保护区的各种生境类型及其空间分布、动植物物种的分布等信息进行采集、存贮、分析管理；也可对保护区的人口及人的社会经济活动等数据信息进行采集分析与管理。
1.2保护区珍稀濒危物种的保护
运用GIS可以比较精确地分析每一类保护对象的生境要求，划分保护范围，而且可以以保护对象的生境要求为基础，评价保护区的环境适宜性，研究其种群趋势，绝灭风险等.
1.3保护区生物多样性空间分布特征研究
可以用GIS评价保护区各生境单元的生物多样性空间分布特征，研究生物多样性的空间特征与规律，为保护区的规划、开发与管理提供基础。
1.4保护区生境评价
以生物多样性分布规律、保护对象的分布范围及其生境适宜性特征、生态功能特征为基础，对保护区内各生境单元的生态重要性作出评价。
1.5保护区规划与发展
可以对保护区进行功能区划分，对道路、土地利用、资源开发、生态旅游等作出规划。
2地理信息技术在自然保护区研究、开发中的应用
GIS技术是自然保护区研究与开发中强有力的决策支持工具。应用GIS技术特有的空间信息管理与空间分析功能，对自然保护区地貌结构、生物多样性与动植物资源分布的研究及生态系统演变模型的预测分析结果可以为自然保护区的开发与保护提供科学的决策依据。
2.1应用GIS技术研究自然保护区的地貌结构
地貌是环境的载体，对地貌结构的研究有助于认识自然保护区生态系统的形成与演变过程。地理信息技术通过数字地图和遥感影像数据可以生成数字地面模型(DEM或DTM)，将遥感影像纠正、配准后，与DEM复合又可以生成地貌3维景观透视图。
在DEM的基础上提取坡度、坡向与地表水系网络，可以对地貌的形态和结构进行分类分析与地表粗糙度分析，地表水系网络又可以反映出保护区内汇水区域的分布及主要河流的形成与分布。这样一来，整个自然保护区的地表形态与构成就可以定性、定量及立体可视化地展现出来。
2.2应用GIS技术研究自然保护区的动植物分布和进行动态监测
动植物资源是自然保护区的主要资源，只有深入地研究保护区内动植物的种类与分布，才能对其进行有效的监控、管理与保护。GIS数据库可以同时管理动植物资源的空间位置信息和相关的属性信息，通过对遥感影像数据的数字分析与地面调查相结合的手段，可以将保护区范围内的动植物资源分类建立数据库，再以地理图形的方式展示出各种植物与动物的空间分布模式，进而可以进行植物生长环境与动物栖息地环境分析；还可在遥感影像数字分析的基础上，实时地监测植物生长状况与病虫害情况、动物生存环境的变化，分析的结果又能以专题地图和统计图表的方式显示给决策者与科技工作者。
3地理信息技术在自然保护区规划、建设中的应用
地理信息技术因其具有空间图形和属性信息一体化的优势，可以被广泛应用于自然保护区的水环境及湿地生态系统保护规划、野生动物及栖息地保护规划、野生植物及天然林恢复和保护规划、森林草地防火规划、基础设施建设规划、生态旅游规划、科研教育规划等。
3.1 GIS技术在森林防火规划中的应用
森林火灾是自然保护区中自然资源、濒危动植物和生命财产的主要破坏因素。对林火的传播方向、传播速度、强度、易燃材料、助燃条件、蔓延范围的分析，对预防和扑灭林火起着关键的作用。GIS技术能够在其空间数据库的支持下，对保护区中的各种资源数据、地形数据、道路交通数据、人口和房屋分布模式、气象模式、水源分布模式及其他相关数据进行分析，识别出潜在的森林火灾位置、高危火灾位置，模拟火灾蔓延途径，以便提前作出相应的灭火预案规划，合理设置消防设施。GIS技术与专家系统技术相结合，应用GIS空间分析模型与专家知识、遥感数据和GPS数据，还可以对森林火灾进行实时监控和灾害损失评估。基于上述分析方法，应用GIS功能组件和可视化开发语言，还可以开发出易于操作的火灾管理信息系统。
3.2 GIS技术在基础设施建设规划中的应用
在自然保护区范围内，应设立核心区、缓冲区和实验区，核心区和缓冲区应以保护为主。尤其是核心区，除开展必要的科研、监测活动以外，应尽量减少人为干扰。保护区的保护管理活动应尽量围绕核心区和缓冲区的保护进行。实验区除可以有组织、有目的地开展科研、宣教、生态旅游之外，还可以安排各种合理的农牧业生产和正常的经营活动。但必须以不破坏自然景观、不影响资源保护为前提。GIS技术可以在综合分析模拟的基础上，为自然保护区划分出核心区、缓冲区和实验区。应用GIS的叠加分析与缓冲区分析工具，识别出核心区内的居民点，并作出移民规划。应用GIS的资源分配模型(Location-AllocationModel)与地形分析模型，作出保护站的选址规划、管线设施规划、道路规划和景观规划[6]。
4地理信息技术在自然保护区运行、管理中的应用
地理信息技术发展到现在，已形成由工作站GIS、桌面GIS、WebGIS、移动GIS、3维GIS、及组件GIS构成的，以空间数据库为基础的综合空间型信息系统技术。由于GIS软件技术的组件化，可以方便地与计算机办公自动化技术(OA)、管理信息系统技术(MIS)和专家系统(ES)结合，开发出基于地理空间信息的图、文、表、管一体化的空间决策支持信息系统。在自然保护区的运行、管理中，我们可以应用上述GIS技术手段，利用数据库软件(Oracle或SQL Server)建立基础地形数据库(包括DEM库、影像数据库、数字地图库)、动植物资源数据库、水环境与湿地资源数据库、土壤数据库、气象数据库、生态旅游资源数据库等；在局域网(Intranet)和互联网(Internet)环境中，应用GIS功能组件和可视化开发工具(VB，VC等)，结合MIS和OA技术，开发出可以综合管理自然保护区资源、显示自然保护区景观、查询自然保护区信息、支持自然保护区日常管理工作
的自然保护区管理信息系统。
5结语
自然保护区地理信息系统的研建标志着自然保护区管理工作的科学化、现代化，是“数字保护区”建设的基础，以它作为平台，可以进一步构建各类应用子系统如保护区防火指挥子系统，保护区分类区划管理子系统等。随着“3 S”技术的研究和应用逐渐向广度和深度发展，GPS，RS，GIS己由独立平行发展走向相互渗透和综合发展，形成“3S”集成技术，并显示出单独一种技术所没有的优势.随着计算机软硬件、网络技术和地球空间科学的不断发展，这类系统的设计技术及实现途径也将更趋完善、成熟.把“3S”技术同自然保护区的管理有机地结合起来，形成一个功能丰富、结构紧密、使用简单、经济可行的“3S”集成系统，为保护区的发展服务。
参考文献
[1]邬伦,刘瑜,张晶,等.地理信息系统-原理、主法和应用[M].北京:科学出版社,2001
[2]吴焰玉,汪家社,金昌善,等.武夷山自然保护区基础地理信息系统介绍[J].云南地理环境研究,1998,
[3]王岚.湖北省自然保护区信息系统的研究[J].环境科学与技术,2002,25(1)
作者简介：
火灾遥感监测的原理和方法范文3
关键词：GIS；地理信息系统；空间可视化；标准化
中图分类号：X87文献标识码：A
近年来，随着地理信息系统的快速发展，目前已在地学学科中大规模的应用和全面发展，同时也涉及到所有空间信息分析处理的领域中。因此，研究地理信息系统的应用与发展势在必行。
1、地理信息系统的概念
地理信息系统（Geographic Information System，GIS）是在1963年由加拿大测量学家汤姆林逊（RogerF.Tomlinson）首次提出的，并建立了世界上第一个GIS――加拿大地理信息系统（CGIS）。
在国内有时又称为“地学信息系统”或者“资源环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统（SpatialInformation System），它是一个在计算机硬件、软件支持下，对整个或部分地球表层空间中的地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、模拟、分析、显示和描述的系统。这里的“地理”二字是指地理坐标参照系统，也即按地理坐标来组织空间数据。关于地理信息系统的定义又可以认为是由两个方面组成的。一方面，地理信息系统是一门科学，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个处理地理空间数据的技术系统。
地理信息系统主要由计算机硬件系统，计算机软件系统，系统开发，管理和使用人员以及空间数据这四个部分组成的。
2、地理信息系统的应用
GIS的应用范围十分广泛，凭借其博才取胜和运筹帷幄的优势，它已成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术工具，在资源管理、规划设计、灾害监测、医疗卫生、国防以及军事上都有应用。
2.1．GIS在资源环境管理中的应用
资源清查是地理信息系统最基本的职能。利用GIS 的分析和统计功能，提供资源环境管理的各种基本信息，并通过对应用模型的建立，为政府的决策提供依据和帮助。如美国资源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为蛀牙目的的多用途、专用的土地GIS。该系统通过收集耕地面积、湿地分布面积、季节洪水覆盖面积、土壤类型、专题图件信息、卫星遥感数据信息，建立了潜在的威斯康星地区的土壤侵蚀模型，据此，探讨了土壤恶化的激励，提出了合理的改良方案，达到对土壤资源保护的目的。
2.2．GIS在道路交通管理中的应用
近年来，GIS在交通方面的应用得到了广泛的重视，并形成了专门的交通地理信息系统GIS-T，以满足道路交通管理方面的要求。GIS在交通管理方面的应用主要有路廊设计（通过分析土地利用图、地形图以及现有道路网等多种空间数据，定出公路最终线向）、道路管理，主要是指动态分段管理（在数据库中记录道路的每种属性的起点到道路原点的距离，并不是真将道路切断存储，适合于动态的分析）、流量和路径分析（包括道路网络分析和最短路径寻找等）。
2.3．GIS在城市规划中的应用
通过地理信息系统将城市数据信息归并到一个统一的系统中，然后进行城市与区域的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态检测等。这些功能的实现是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件（回归分析、模糊加权评价、各种规划模型、系统动力学模型等）加以保证。如北京某测绘部门以北京市大比例尺地形图为基础图形数据，在此基础上综合叠加地下及地面的类管线（包括上水、污水、通讯、燃气等管线）以及测量控制网，规划道路等基础测绘信息，形成一个机遇测绘数据的城市地下管线信息系统。
2.4．GIS在灾害监测中的应用
利用地理信息系统，借助遥感遥测数据，可以有效地进行森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为球在抢险和防洪决策提供及时准确的信息。如在汶川大地震中，我们可以利用遥感遥测数据和实地统计数据，通过GIS技术建立灾情系统，在疾病监测、重点基础设施保护、应急指挥与管理、移动和车载制图、资源跟踪和管理、灾害损失估计以及相关信息的等功能的实现，为抗震救灾做出相应的贡献。
2.5．GIS在医疗卫生中的应用
地理信息系统在医疗卫生中的应用主要包括两个方面：一方面是GIS与流行病研究；另一方面是GIS与医疗设施分布。其中GIS与流行病研究主要是应用于对流行病的数据可视化、空间数据分析以及流行病模型的建立。GIS与医疗设施分布中，应用于医疗设施规划，通过分析由调查统计获得的数据，并对其进行社会经济分类，然后建造合理的小社区诊所。
GIS在医疗卫生中的另一个重要应用就是将上述两个方面结合起来，建立空间决策支持系统。该系统包括对流行病分布情况、医疗设施的分布情况进行可视化表达，以及对感染人群的流向等方面的控制，为流行病的防控提供决策支持。
2.6．GIS在军事和国防中的应用
现代战争的一个基本特点就是与“3S”技术的紧密结合，从战略构思到战术安排各个环节。通过遥感遥测等手段获得数据，然后利用地理信息系统对获得的数据进行分析和处理，再结合全球定位系统对目标攻击点进行定位。
3、地理信息系统发展的热点问题
3.1．GIS设计与实现的方法学问题
由于缺乏严格的工程管理和好的分析设计方法支持，GIS软件系统的可靠性和可维护性差。这是一个长期以来人们一直在尽力解决但还未解决的问题。
3.2．GIS的功能问题
当前以数据的采集、存储、管理和查询检索功能为主的GIS，还不能完全满足社会和区域可持续发展在空间分析、预测预报、决策支持等方面的要求，直接影响到GIS的应用效益和生命力。
3.3．GIS地理信息的深加工问题
目前，GIS还远未发挥它提供结论性专题地图和数据集方面的作用，这涉及对GIS地理信息进行深加工的问题。这种深加工的结果可以是结论性的专题地图，也可以是结论性的专题数据集。
3.4．空间信息可视化技和虚拟现实技术（VR）
GIS可视化主要研究以下几个方面：运用动画技术制作动态地图，可用于涉及时空变换的现象或概念的可视化分析；运用VR 技术进行地形环境仿真，真实再现地景；运用图形显示技术进行空间数据的不确定性和可靠性的检查，把抽象数据可视化，由此发现规律；可视化技术用于视觉感受及空间认知理论的研究。
4、地理信息系统的发展趋势
4.1．GIS网络化
对于GIS的发展，计算机网络技术是起到质变作用的重要技术。万维网的发展给GIS数据在更大范围内的、出版、获取和查询提供了有效可行的途径。网络浏览器的使用从视觉上给提供和使用地理数据的人们带来了方便。地理数据不仅可以按照地理位置、专题内容、生产机构、使用价格等进行搜索，甚至可以直接在网上进行数据的各类空间操作，使用网络提供的各类模型进行模拟，直接产生新的数据结果，真正地实现“网络就是计算机”这一新的概念模式。
4.2．GIS标准化
GIS发展到今天这个规模，能够在各种领域得到使用，使人们不断意识到软件、硬件、数据等要素进行必要的标准化才能实现更有效、更广泛地对GIS的使用。其中内容可能包括GIS的各个组成部分、各个操作过程、各种数据类型、软件硬件系统等。标准化真正实现将使人们能在一个共同理解的基础上共享信息和资源。
4.3．数据商业化
地理数据的开发、更新和维护既费时又费力，在GIS界曾经有认同结果，GIS硬件、软件和数据的造价比是110100，所以如何更有效地生产和维护地理数据将会是GIS未来面对的主要挑战之一。
4.4．系统专门化
目前，GIS软件和系统还是作为一个整体独立存在。许多软件提供全面的GIS功能，可以在任何一种需要GIS的部门使用，没有具体专业领域的限制；而从使用机构的角度来看，很多机构都只需要GIS软件中的部分功能。软件的部件见化是这个趋势的前兆，也为GIS软件的专业化做了必要的准备。将来的各类应用系统中，GIS可能会作为一个必备的部件存在。
4.5．GIS全球化
网络技术的发展缩小了世界的空间，使人与人之间的距离也缩短了。在这个环境里，GIS越来越发展成为一种有效的工具来帮助人们了解他们所生存和依赖的自然条件状况和社会变化状况。GIS的标准化也将进一步促进它在国际范围内的推广和使用。
4.6．GIS大众化
GIS不仅在国际舞台上已经越来越受到人们重视，甚至在人们日常生活中也起到了越来越重要的作用。在GIS界有人曾经说过，全球80% 的人都离不开GIS，所以GIS的大众化是不可避免的。
参考文献
[1]邬伦，刘瑜，张晶，马修军，韦中亚，田园．地理信息系统―原理、方法和应用[M]．科学出版社，2001．
火灾遥感监测的原理和方法范文4
关键词：地球物理 勘查技术
中图分类号： TU7文献标识码： A
前言
所谓的地球物理勘查是以勘查对象的物理性质和数理理论为基础，以发现地球物理差异为手段，解释和推断工程地质勘察、区域地质调查和工程结构病害检测问题为主要任务的前沿地质学科。在矿产勘查中，特别是在寻找深部隐伏矿产方面，物探不可替代的作用日益突显；在工程地质勘察中，特别是在高速公路、铁路等线性工程勘察中，物探扮演的角色越来越重要；在区域地质调查中，特别是深部地质构造调查中，物探已成为主要调查手段；在工程病害检测中，物探也已成为独特的快速、无损工程结构检测方法。
1、地球物理的基本任务
1.1、资源勘探。
例如对石油、天然气、煤炭以及煤层甲烷和水合物等能源勘探；对金、银、铜、铀等金属矿床的勘探。矿产资源是我国社会、经济可持续发展的物质基础，关系到我国的综合国力，必须要大力地寻找，努力地去开发，以满足国民经济的发展需求。
1.2、环境保护。
地球物理应该能够从光、热、电、磁等物理场的变化，来认识环境变化过程，并进行监测，或对放射性、二氧化碳等有害物质进行快速测量，为环境保护提供背景场资料。
1.3、灾害防治。
自然灾害往往使环境发生突然的变异极大地威胁着人类的生命安全，造成严重的经济损失。地球物理应积极地为森林火灾、山火喷发、旱涝灾害以及滑坡和泥石流的发生提供预测和防治，至少也应对它们的监测提供手段。
2、物探技术的主要分类和方法
2.1、地震勘探
地震勘探是近展最快的地球物理方法之一。它的原理是利用人工激发的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下的地质情况。在地面某处激发的地震波向地下传播时，遇到不同弹性的地层分界面就会产生反射波或折射波返回地面，用专门的仪器可记录这些波，分析所得记录的特点，如波的传播时间、振动形状等，通过专门的计算或仪器处理，能较准确地测定这些界面的深度和形态，判断地层的岩性。近年来，应用天然震源的各种地震勘探方法也得到不断发展。地震学主要是根据天然地震或人工地震资料，运用物理学、数学及地质学的知识来研究地震的发生、地震波传播的规律、地壳和地球内部的分层构造、物质组成及介质物理特性，以达到预测地震、减少灾害及勘探和透析地球内部构造的目的。地震方法的基础是地震波在岩石中的传播规律，而岩石的弹性性质决定了地震波的传播规律。根据面波、自由振荡的本征谱特征，运用地震波传播理论，可得到从地壳直到地核的地球内部构造及表征地球介质的参数。
2.2、重力勘探
重力勘探是利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引起的地表重力加速度值的变化而进行地质勘查的一种方法。只要被勘查的地质体与其周围岩体有一定的密度差异，就可以用精密的重力测量仪器观测出重力异常。然后，结合工作地区的地质和其他物探资料，推断覆盖层以下密度不同的地质体的埋藏情况和地质构造情况。而其测量值也会受到两种因数的影响：其一观测点至大地水准面的距离；其二地形质量。真实地球的密度与正常场地球模型的密度差称为地球的剩余密度，地球的剩余密度是地球重力异常场产生的原因。研究地球的剩余密度分布是重力测量的重要目的之一。
2.3、地磁
在地磁场的研究中，有两个重要的问题：（1）能否有一个适当的数学表达式把地磁要素的地面分布表示成地球坐标的函数；（2）地磁场是起源于地球内部还是地球外部，或者二者兼有之。磁法勘探就是利用磁力仪测得的数据判定这种磁异常，掌握它的分布规律，对磁异常作出解释，从而达到找矿和解决各类地质问题的目的。
2.4、地电学
地电学是研究大气、海洋相固体地球电性及电场分布的一门科学。它利用电法探测中的某些方法来研究固体地球内部介质及其周围的电性和电场分布规律，而电法勘探主要是用于研究地质构造和寻找能源、矿产。电法探测是以各种岩石和矿物的电、磁学性质差异为物理依据，利用人工或天然的电场、电磁场在时间和空间上的分布规律变化特征，研究地质构造和寻找能源、矿产等的物理勘探方法。主要研究的电性参数有：电阻率、介电常量、导磁率及电化学活动性等。自然界的各类岩石和矿物都具有一定的导电性，电阻率就是表征物体导电性好坏的一个物理量。就岩石而言，影响岩石电阻率值的因素，除了和组成岩石的矿物成分有关外，还和矿物颗粒在岩石中的结构、岩石的孔隙度、湿度、温度及所受压力等因素有关。
3、地球物理勘查学发展的对策及建议
3.1、地球物理勘查技术发展的主攻方向
地球物理勘查学科涵盖了地质、矿产、工程等多个领域，近期和今后发展的主攻方向是提高探测目标的空间几何分辨率，增强识别、区分、描述尺度更小和结构更复杂的探测目标的能力，区分物性反差较弱的探测目标的能力，提高适应在复杂地形、地貌、不利地表条件及各种人文干扰条件下的工作能力，提高资料综合解释的能力。要研究煤矿、金属矿，特别是深部铁矿找矿方法，地热资源调查方法，适应福建省地质条件的地质、地球物理、地球化学、遥感等综合找矿评价方法，工程地质综合勘察方法和工程病害综合最佳判别方法等。
3.2、开展新方法新技术研究与应用
为了更好地为提高我国经济建设，应当提高各种基本物探方法技术解决问题能力的研究，同时引进新技术新方法，用以解决当前深部地质矿产和工程建设方面的问题。建议重点开展以下几方面的研究：（1）高精度磁测资料精细处理和复杂地质构造三维反演方法技术；（2）区域地温场调查方法技术；（3）可控源音频大地电磁测深、瞬变电磁法等方法技术在探测覆盖层下地质体的应用技术；（4）在高阻地电条件下激发极化法测量技术；（5）建筑工程结构检测方法技术。
4.总结
随着地球物理勘查技术的发展和地质、矿产、工程对地球物理勘查的需求逐渐增加，地球物理勘查的服务对象逐渐增加，除了服务于解决地质、矿产传统问题外，使用于解决工程地质及工程结构等问题越来越广泛。拓宽地球物理勘查学科的服务领域，促进本学科的自身发展，多方位地为经济社会发展服务将成为地球物理勘查的重点内容。
参考文献
1、宋文杰，地球物理勘探技术的发展及应用[J]，建筑与结构设计，2007年29期
火灾遥感监测的原理和方法范文5
关键词:海洋经济 海洋环境 环境保护 海洋灾害
前言
随着沿海经济的迅猛发展,近海海域遭到越来越严重的污染,使海域环境质量明显下降,生态环境日趋恶化,并对生物资源和人体健康产生有害影响。近海水域的污染已成为世 界各国,特别是象我国这样具有相当长的海岸线和众多海湾的国家所共同关心的环境问题。海洋经济的发展还面临严酷的海洋自然环境,海洋灾害直接影响着海洋经济的发展规模、速度和效益,精确预报海洋灾害的发生、发展和应该采取何种防灾、抗灾和减灾工程措施,也成为严重关注的环境问题。为了开发海洋中的空间、矿产、渔业、能源等物质资源,需要在海上进行各类工程建设,在目前科技日益发展的情况下,工程建设的规模日益巨大,这些大规模的工程建设和海洋环境之间的相互作用也将是开发海洋中的一个应引起特别关注的重要问题。为了适应我国海洋经济的快速发展,海洋环境的日益恶化,海洋灾害的频发和海洋工程向大型化发展,近海石油气田的开发,以及海岸带开发过程中的后效问题的研究需要,针对我国重大海洋环境与保护问题开展研究是十分必要和迫切的。
在这方面,重点需要开展的研究课题大体上有三类。第一类课题是海洋环境特征对各类污染物作用的机理和规律研究,第二类课题是海洋工程设施防灾、抗灾和减灾研究,第三类课题是海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用吸防治措施与对策。
一、海洋环境特征对各类污染物的作用机理和规律研究
以海洋流体动力对各类污染物迁移、扩散、转化规律的研究为基础,考虑各种自然环境因素(浪、流、风、光、温度、湿度)、物理因素(扩散、挥发、沉降、吸附、释放)、化学因素、生物因素的作用,揭示污染物在海洋复杂条件下的运动及演变规律,并建立海洋水质预测预报模型。此外,近年来,在我国沿海海域,赤潮频发严重。因此,除了加强赤潮的监测和预报外,也应加强在建立赤潮生长机理和发展规律方面的研究工作。
此项研究应通过现场观测、物理模型实验和数学模拟研究相结合的方法来进行。由于现场观测工作耗资巨大,且受到许多客观条件的限制,所获得的数据往往有许多综合因素的共同作用,很难将其中的单因素影响分离出来,因此,往往只能用它来作为对某一水质预测预报模型进行检验其可行性和精度的一个实例。
用数学模拟方法来建立海洋水质预测预报模型是一个较为有效的方法。目前,在这方面国内外已有不少水质预测预报模型,这些水质预测预报模型大体上都基于以下几方面的模型:水流数学模型;波浪数学模型;液流相互作用模型;近海海域污染物迁移转化数学模型。
在水流数学模型研究方面,对于较大范围的海域,通常可采用深度平均的潮流教学模型,对于紊动影响不显着的海域,可不考虑湍流影响,而对于湍流效应显着的区域,如排污口近区,则应考虑湍流效应。此外,采用坐标变换,可建立一种能够考虑复杂地形和套流效应的三维潮流数学模型,这样才能够较好地重现实际海域的三维潮流特征。在较小范围的水域,水流数学模型可以以N-S方程和通用的k-(湍流模型为基础,针对水温和盐度分层流的流动特性,考虑浮力对紊动的影响,建立用于模拟同时存在温度和盐度梯度这一类密度分层流的k-(单流体数学模型。也可以基于多流体模型的基本概念,分别对两相本身的湍流输运规律以及相间相互作用规律进行模拟,建立两相湍浮力分层流的双流体数学模型。
在波浪数学模型研究方面,可应用BI—CGSTAB法求解由椭圆型缓坡方程离散得到的代数方程组,以提高求解效率。从水波发展方程出发,可导出一种用于大区域波浪变形问题的数学模型。通过引入弱非线性波色散关系,可使双曲型缓坡方程能
够有效地考虑波浪的非线性效应。对高阶Boussinesq方程的进一步研究,可使方程的色激性从入水到深水都达到很高精度,并提高方程的非线性精度,可以更精确的计算较深水域波浪的非线性特征。
针对带自由表面的波浪场问题,通过把能有效模拟自由面形态的N— S方程和波能平衡方程的结合,可导出一个能考虑破波能量损失的抛物型缓坡疗程,用这个方程可模拟规则波和不规则波破碎引起的波高变化。建立沿岸流数学模型,可模拟海岸上波高变化和破碎波波高、波浪增减水和沿岸流。
在波流相互作用模型的研究方面,对于弱流情形,可采用一种考虑流影响的修正的合流缓坡模型;对于强流情形,可采用在Botssinesq方程中考虑流影响的模型。可以将辐射应力的计算公式与抛物型缓坡方程中的待求变量联系起来,建立一种辐射应力计算的新方法,用该方法可对较大区域均匀斜坡地形上的波浪辐射应力进行数值模拟。
在近海海域污染物迁移转化数学模型研究方面,基于N一S方程所建立的深度平均的二维应力一通量代数全场模型,可对非对称潮流作用下的侧向岸边排放问题过分数值模拟。以研究近海海域污染物迁移转化的三维预报系统作为目标,在分析近海环境中各种物理、化学和生物现象的基础上,针对近海海域水污染的特点,从三维湍流模型出发,在动量方程中引入表面风应力、底部切应力以及柯氏力的作用;在输运方程中引入反映物理、化学、生物等作用的源、汇项,可建立一个统一考虑物理、化学和生物等过程综合作用的近海海域污染物迁移转化的三维预报模型,它可为环境评价、水质规划、污染控制以及水域排污工程设计等提供重要的科学依据;同时对确定水域环境容量,从而制定水域环境保护策略,也具有十分重要的理论价值和应用前景。
应该指出,在海洋水质预测预报模型研究方面,数学模拟无疑是一种十分有效的手段,但不论是何种数学模型,其模型中所需的必要参数和边界条件的处理是研究水质模型的技术关键,直接影响到水质模型的科学性和预测能力。而这些必要的数据是无法从数学模型本身来取得的,有些可以通过现场观测来得到,但其中一些最基本的卷数是要通过基本机理的研究才能得到,在这方面物理模型实验研究将是一个有效的手段。
能模拟海洋动力因素的先进实验设备,现代化的量测仪器和测试系统是开展物理模型实验研究的必备条件。进一步完善PIV和LIF的浓度场、速度场同步测量系统,可研究非破碎波浪、破碎波浪及波流相互作用下水流的垂直结构,获得流场中水质点速度的空间分布和时间过程;并同步获得波浪及波流相互作用下浓度场的空间及时间变化过程,可用以分析定量污染物团在波浪及波流相互作用下扩散的基本特征和扩散系数。
二、海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用及防治措施与对策
为了充分利用海洋空间,现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外,正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程,估计到21世纪,可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等,日本已经于99年8月在东京湾用6块380米长,60米宽的矩形漂浮钢板拼装海上漂浮机场。
由此可见,随着海洋资源与空间的开发利用,各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大,保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区,但同时又是经济活动最为发达的地区,海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡,影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态,破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地,若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失,另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。
随着人类对海洋资源的不断开发和利用,海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题,主要内容包括:航道、港池开挖、疏浚引起的泥沙输运及其疏浚物抛放对海洋环境的影响,深水港口水工建筑物、大型人工岛、超大型浮式结构的环境和生态影响;破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究;大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变;海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论,如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。
随着沿海大、中型城市经济建设的快速发展,城平建设中的污水深海排放技术,感潮水域污水多点排放漂移扩散研究,天然海湾、人工湖及人工运河的水质交换能力,人工沙滩的保护措施,滩涂围垦对水域环境的影响等,都将是需要认真解决的问题。
鉴于黄河三角洲海岸线不断依退所带来的国土面积减少、陆上设施受到威胁甚至破坏、对黄河三角洲湿地自然条件的毁灭性破坏等一系列问题,也是非常迫切需要研究的课题。此外,长江三角洲、珠江口及珠江三角洲的海岸开发、滩涂围垦和岸滩保护及整治工程对水域影响所引起的环境问题及其对策,也切枰?重点研究的课题??BR>以主要经济发达的河口和海岸带地区以及主要海域的经济发展为背景,建立一个数字化的区域经济发展模拟系统。与防灾、抗灾和减灾决策支持系统一样,将环境工程、水利工程、土木工程与网络技术、计算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合,建立模型,通过多媒体技术,形象化地针对经济发展规划,预测由于发展经济带来的海域环境水污染的恶化、海洋自然灾害(台风、巨浪、风暴潮、地震、冰害、地质灾害)频发的情况。人类活动特别是大规模工程建设所引起的海洋环境的变迁和海岸演变,以及它们之间的相互作用,用数字手段统一地加以处理,建立智能化的决策支持系统,以促进国民经济持续、健康地发展,将会是决策部门进行宏观决策和具体规划时的一个十分有
效的手段。
三、海洋灾害的精确预报及海洋工程设施防灾、抗灾和减灾的研究
海洋灾害主要包括风暴潮、海浪、海冰、海啸、赤潮及海岸侵蚀等。90年代以来,我国海洋灾害所造成的损失每年达上百亿元人民币,是世界上海洋灾害最严重的国家之一。海洋工程结构的投资费用很高,一旦发生破坏,将会造成重大的人员伤亡和巨额财产损失(如1969年渤海冰推倒“海二井”平台,1989年风暴潮损失超6亿元,1991年DB29销管船在南海通台风翻沉等)。当前我国海洋能源开发与海洋空间利用的绝大部分活动是在近海和极浅海海域。为了保证在这些海域所建造的工程设施能够安全服役免遭破坏,面临的首要问题是弄清这一海域中严酷和复杂多变的环境因素。我国东临西北太平洋,每年出现的台风数目占全球的38%,其中对我国可能造成灾害的台风每年有7—8个。每当台风在我国登陆或接近我国沿海通过时,都会在沿岸局部地区产生风暴潮,形成风暴潮灾害。
在我国北方海域(渤海和北黄海),冬季由于受寒潮影响,沿岸地区每年都有结冰现象,结冰严重的年份则出现冰害。若对这些海洋灾害估计不足将会带来巨大的损失。渤海重叠冰与堆积冰的形成,不但可给结构物以强大的冰压力,而且由于冰激引起的振动作用,也会给海洋平台的使用和安全带来巨大的损害。而冰区溢油的迁移规律及预防和清理技术,至今尚未进行过深入的研究。对近岸大面积冰排和海上浮冰,在波浪、潮汐作用下都会引起海冰的断裂,断裂后冰块的尺度直接影响其对结构物的作用。在渤海海域建造的海洋平台,为了抵抗冰害,往往建成正、倒锥体的结构型式,冰排对锥体结构的冰荷载及与其的动力相互作用,也是目前尚未解决的课题。在海冰力学的研究中,除进行理论分析和数值模拟外,实验研究也是一个重要的手段。在实验研究中,模型冰可采用冻结模型冰和非冻结模型冰来进行,它们各有其优缺点,发展这两种技术是海冰力学研究中的一个课题。
我国是一个多地震的国家,海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物(海洋平台、钻井船、人工岛、输油及输气管道等)发生破坏,除其直接经济损失极大外,其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。
近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升,造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性,特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明,地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理,至今国内外对此都很少研究,且由于试验条件的限制,国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。
以下的一些研究内容将是为解决海洋工程设施抗震措施中的关键技术所必需考虑的,如近海环境地震危险性分析,设计地震动参数和频谱特性,强震海底多维地震动及其空间分布规律,地震波传播特性及地震动输入机理;海域中大型海上水工建筑物在地震作用下,考虑周围水介质影响的结构振动破坏机理、振动控制、地震动时颇联合分析模型和输入机制、非线性动力分析和动力破坏试验;核电站海域工程建筑物抗地震性能,海洋采油平台及地下输油管线与地基土动力相互作用,码头及护岸建筑物地震稳定性;海域中水工建筑物的性能设计和地震设防标准等。
海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化,其损伤主要来自两个方面:其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤(裂缝)、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤(低温、冻融、大气侵蚀)等;其二是设计不周或设计标准偏低,施工质量差,原材料不合格,管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。
火灾遥感监测的原理和方法范文6
在这方面，重点需要开展的研究课题大体上有三类。第一类课题是海洋环境特征对各类污染物作用的机理和规律研究，第二类课题是海洋工程设施防灾、抗灾和减灾研究，第三类课题是海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用吸防治措施与对策。
一、海洋环境特征
对各类污染物的作用机理和规律研究以海洋流体动力对各类污染物迁移、扩散、转化规律的研究为基础，考虑各种自然环境因素（浪、流、风、光、温度、湿度）、物理因素（扩散、挥发、沉降、吸附、释放）、化学因素、生物因素的作用，揭示污染物在海洋复杂条件下的运动及演变规律，并建立海洋水质预测预报模型。此外，近年来，在我国沿海海域，赤潮频发严重。因此，除了加强赤潮的监测和预报外，也应加强在建立赤潮生长机理和发展规律方面的研究工作。
此项研究应通过现场观测、物理模型实验和数学模拟研究相结合的方法来进行。由于现场观测工作耗资巨大，且受到许多客观条件的限制，所获得的数据往往有许多综合因素的共同作用，很难将其中的单因素影响分离出来，因此，往往只能用它来作为对某一水质预测预报模型进行检验其可行性和精度的一个实例。
用数学模拟方法来建立海洋水质预测预报模型是一个较为有效的方法。目前，在这方面国内外已有不少水质预测预报模型，这些水质预测预报模型大体上都基于以下几方面的模型：水流数学模型；波浪数学模型；液流相互作用模型；近海海域污染物迁移转化数学模型。
在水流数学模型研究方面，对于较大范围的海域，通常可采用深度平均的潮流教学模型，对于紊动影响不显著的海域，可不考虑湍流影响，而对于湍流效应显著的区域，如排污口近区，则应考虑湍流效应。此外，采用坐标变换，可建立一种能够考虑复杂地形和套流效应的三维潮流数学模型，这样才能够较好地重现实际海域的三维潮流特征。在较小范围的水域，水流数学模型可以以N－S方程和通用的k－单流体数学模型。也可以基于多流体模型的基本概念，分别对两相本身的湍流输运规律以及相间相互作用规律进行模拟，建立两相湍浮力分层流的双流体数学模型。
在波浪数学模型研究方面，可应用BI—CGSTAB法求解由椭圆型缓坡方程离散得到的代数方程组，以提高求解效率。从水波发展方程出发，可导出一种用于大区域波浪变形问题的数学模型。通过引入弱非线性波色散关系，可使双曲型缓坡方程能够有效地考虑波浪的非线性效应。对高阶Boussinesq方程的进一步研究，可使方程的色激性从入水到深水都达到很高精度，并提高方程的非线性精度，可以更精确的计算较深水域波浪的非线性特征。
针对带自由表面的波浪场问题，通过把能有效模拟自由面形态的N—S方程和波能平衡方程的结合，可导出一个能考虑破波能量损失的抛物型缓坡疗程，用这个方程可模拟规则波和不规则波破碎引起的波高变化。建立沿岸流数学模型，可模拟海岸上波高变化和破碎波波高、波浪增减水和沿岸流。
在波流相互作用模型的研究方面，对于弱流情形，可采用一种考虑流影响的修正的合流缓坡模型；对于强流情形，可采用在Botssinesq方程中考虑流影响的模型。可以将辐射应力的计算公式与抛物型缓坡方程中的待求变量联系起来，建立一种辐射应力计算的新方法，用该方法可对较大区域均匀斜坡地形上的波浪辐射应力进行数值模拟。
在近海海域污染物迁移转化数学模型研究方面，基于N一S方程所建立的深度平均的二维应力一通量代数全场模型，可对非对称潮流作用下的侧向岸边排放问题过分数值模拟。以研究近海海域污染物迁移转化的三维预报系统作为目标，在分析近海环境中各种物理、化学和生物现象的基础上，针对近海海域水污染的特点，从三维湍流模型出发，在动量方程中引入表面风应力、底部切应力以及柯氏力的作用；在输运方程中引入反映物理、化学、生物等作用的源、汇项，可建立一个统一考虑物理、化学和生物等过程综合作用的近海海域污染物迁移转化的三维预报模型，它可为环境评价、水质规划、污染控制以及水域排污工程设计等提供重要的科学依据；同时对确定水域环境容量，从而制定水域环境保护策略，也具有十分重要的理论价值和应用前景。
应该指出，在海洋水质预测预报模型研究方面，数学模拟无疑是一种十分有效的手段，但不论是何种数学模型，其模型中所需的必要参数和边界条件的处理是研究水质模型的技术关键，直接影响到水质模型的科学性和预测能力。而这些必要的数据是无法从数学模型本身来取得的，有些可以通过现场观测来得到，但其中一些最基本的卷数是要通过基本机理的研究才能得到，在这方面物理模型实验研究将是一个有效的手段。
能模拟海洋动力因素的先进实验设备，现代化的量测仪器和测试系统是开展物理模型实验研究的必备条件。进一步完善PIV和LIF的浓度场、速度场同步测量系统，可研究非破碎波浪、破碎波浪及波流相互作用下水流的垂直结构，获得流场中水质点速度的空间分布和时间过程；并同步获得波浪及波流相互作用下浓度场的空间及时间变化过程，可用以分析定量污染物团在波浪及波流相互作用下扩散的基本特征和扩散系数。
二、海洋灾害的精确预报及海洋工程设施防灾、抗灾和减灾的研究
海洋灾害主要包括风暴潮、海浪、海冰、海啸、赤潮及海岸侵蚀等。
90年代以来，我国海洋灾害所造成的损失每年达上百亿元人民币，是世界上海洋灾害最严重的国家之一。海洋工程结构的投资费用很高，一旦发生破坏，将会造成重大的人员伤亡和巨额财产损失。当前我国海洋能源开发与海洋空间利用的绝大部分活动是在近海和极浅海海域。为了保证在这些海域所建造的工程设施能够安全服役免遭破坏，面临的首要问题是弄清这一海域中严酷和复杂多变的环境因素。我国东临西北太平洋，每年出现的台风数目占全球的38%，其中对我国可能造成灾害的台风每年有7—8个。每当台风在我国登陆或接近我国沿海通过时，都会在沿岸局部地区产生风暴潮，形成风暴潮灾害。
在我国北方海域，冬季由于受寒潮影响，沿岸地区每年都有结冰现象，结冰严重的年份则出现冰害。若对这些海洋灾害估计不足将会带来巨大的损失。渤海重叠冰与堆积冰的形成，不但可给结构物以强大的冰压力，而且由于冰激引起的振动作用，也会给海洋平台的使用和安全带来巨大的损害。而冰区溢油的迁移规律及预防和清理技术，至今尚未进行过深入的研究。对近岸大面积冰排和海上浮冰，在波浪、潮汐作用下都会引起海冰的断裂，断裂后冰块的尺度直接影响其对结构物的作用。在渤海海域建造的海洋平台，为了抵抗冰害，往往建成正、倒锥体的结构型式，冰排对锥体结构的冰荷载及与其的动力相互作用，也是目前尚未解决的课题。在海冰力学的研究中，除进行理论分析和数值模拟外，实验研究也是一个重要的手段。在实验研究中，模型冰可采用冻结模型冰和非冻结模型冰来进行，它们各有其优缺点，发展这两种技术是海冰力学研究中的一个课题。
我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。
近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。
海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化，其损伤主要来自两个方面：其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤（裂缝）、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤（低温、冻融、大气侵蚀）等；其二是设计不周或设计标准偏低，施工质量差，原材料不合格，管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。
因此，发展以下的一些技术和方法将是十分重要的。如在考虑海洋环境荷载在幅值。时间及方向上的随机性所导致结构安全的不确定性情况下，对现役海洋工程结构进行健康诊断和评估剩余可靠度的理论；结构健康状态及损伤检测的新技术和新方法；结构病害治理用的新材料、新技术和新方法；海洋工程结构在多种复杂海洋环境条件下（风、浪、流、冰、地震等）的可靠度和优化理论研究，设计与建造新型抗灾工程结构；研究和设计使海洋工程结构物在设计使用期限内有足够的安全度，而在退役之后又便于拆除的各种工程措施。
为了及时掌握海洋环境的风云变幻和灾害的可能来临，发展海洋环境及灾害的预报技术是非常必要的。为此需要建立以下一些系统，如建立由近海到远海的海洋环境及灾害观测网络、预报与预警系统、沿岸防灾准备和各类应急处理系统；以主要海域和海岸带区域经济发展为背景，进行重点研究，建立数字化的海洋环境信息系统模型与结构；以及建立海岸和近海工程设施防灾减灾数字信息系统，将海岸和近海工程与网络技术人算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立数学物理模型，通过多媒体技术，形象化地描述灾害成因、发生机理、传播规律、模拟灾害破坏的过程，建成智能化的防灾、抗灾和减灾决策支持系统。
三、海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用及防治措施
为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。
人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于99年8月在东京湾用6块380米长，60米宽的矩形漂浮钢板拼装海上漂浮机场。
由此可见，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。
随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起的泥沙输运及其疏浚物抛放对海洋环境的影响，深水港口水工建筑物、大型人工岛、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。
随着沿海大、中型城市经济建设的快速发展，城平建设中的污水深海排放技术，感潮水域污水多点排放漂移扩散研究，天然海湾、人工湖及人工运河的水质交换能力，人工沙滩的保护措施，滩涂围垦对水域环境的影响等，都将是需要认真解决的问题。
鉴于黄河三角洲海岸线不断依退所带来的国土面积减少、陆上设施受到威胁甚至破坏、对黄河三角洲湿地自然条件的毁灭性破坏等一系列问题，也是非常迫切需要研究的课题。此外，长江三角洲、珠江口及珠江三角洲的海岸开发、滩涂围垦和岸滩保护及整治工程对水域影响所引起的环境问题及其对策，也是需要重点研究的课题。
以主要经济发达的河口和海岸带地区以及主要海域的经济发展为背景，建立一个数字化的区域经济发展模拟系统。与防灾、抗灾和减灾决策支持系统一样，将环境工程、水利工程、土木工程与网络技术、计算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立模型，通过多媒体技术，形象化地针对经济发展规划，预测由于发展经济带来的海域环境水污染的恶化、海洋自然灾害（台风、巨浪、风暴潮、地震、冰害、地质灾害）频发的情况。人类活动特别是大规模工程建设所引起的海洋环境的变迁和海岸演变，以及它们之间的相互作用，用数字手段统一地加以处理，建立智能化的决策支持系统，以促进国民经济持续、健康地发展，将会是决策部门进行宏观决策和具体规划时的一个十分有效的手段。
