摘要：英国地质调查局和英国著名学府赫瑞瓦特大学联合组建莱伊尔中心，这是一个“开创性”的国家级研究中心，重点研究地球与海洋科学问题，并且将在应对气候变化方面走在世界前列。

英国政府对莱伊尔研究中心的总投资为2100万英镑，联合投资方还包括英国自然环境研究理事会（NERC，英国地质调查局的上级单位）、苏格兰高等教育资助委员会（SFC）和赫瑞瓦特大学，其中苏格兰高等教育资助委员会将提供350万英镑经费支持。该中心位于苏格兰爱丁堡的赫瑞瓦特大学校园内，汇集了英国地质调查局的专业知识和大学的学术创新，可以确保后代研究者应对“世界面临的全球性科学和技术挑战”。目前，莱伊尔中心正在撒哈拉以南非洲研究气候变化问题，研究深海采矿的方案，以及研究海岸带生态系统的保护工作。

赫瑞瓦特大学与英国地质调查局的这次联姻，在研究型实验室创建了英国唯一的深海底钻探设施和英国最先进的研究型水族馆。莱伊尔中心将通过倡导创新、协作和企业精神，致力于以可持续的方式解决自然资源和能源供应与安全中的一些重大问题，致力于培养应对全球性挑战的新一代优秀科研人才。在国际顶尖科研人员的共同努力下，莱伊尔中心正在由世界领先的学者和科学家解决重大全球性问题的解决方案：从海岸带生态系统保护到如何依靠内陆水系解决未来水需求问题；从撒哈拉以南非洲地区应对气候变化到寻求不会危机全球环境的深海采矿解决方案。

莱伊尔中心的研究主题集中在两个主要方面：应用地球科学和生态科学。该中心将面临科学大挑战（见图1），其第一战略阶段，所确定的4大研究主题包括：

（1）气候、生命及地表环境；

（2）水以及地下环境中的生命；

（3）地球能源资源；

（4）风险、灾害及不确定性。

图1 莱伊尔中心面临的科学大挑战

莱伊尔中心目前已经涵盖非常广泛的综合研究领域，包括：

• 海洋生态系统变异性的生物地球化学驱动力；

• 海底生态学和生物地球化学：从热带海岸到深海的模式与作用过程；

• 水母爆发对深海生态系统的生态影响；

• 水生生物的生态毒理学和病理生理学；

• 支撑海洋空间规划（MSP）；

• 能源：生物地球科学中的一个统一原则；

• 河流和沿海地区是全球碳和营养素循环的“热点”；

• 北极生态系统和全球变化；

• 缺氧的海洋：生物地球化学热点和极端气候模式；

• 表层和深部环境中的地质微生物学；

• 碳酸盐岩储层；

• 与CO2储存和非常规天然气生产相关的潜力和风险。

莱伊尔中心旨在通过与其他国家和国际性研究机构的战略合作伙伴关系巩固和拓展这些核心优势，包括：

• 能源：包括地震技术、碳捕获和储存、页岩气、清洁煤和非常规天然气、地热能、地下储气库；

• 气候变化：包括土壤中的碳、土壤可持续性、海岸带污染、海岸线变迁、古气候、环境响应；

• 海洋地球科学：包括大陆边缘、海洋地质灾害、油气勘探远景区、海洋钻探研究；

• 土地利用/开发：包括浅层地质灾害、地球物理作用过程、城市地质（开发/土地利用的地下相互作用过程）；

• 水：包括水资源、水质和保护、生态和生物多样性、流域过程、洪水；

• 矿产和废物：包括资源可供性、废弃矿山和受污染的土地、放射性废物；

• 地球科学技术：包括地球和行星观测和填图、摄影、数学建模、数字建模与可视化系统；

• 地球灾害：包括地震、火山和地磁；

• 信息学：包括传感器开发和部署、数据创新、大数据、遥测。

莱伊尔中心的科学创新精神体现在：（1）激发超越传统界限的、新的和变革性思想；（2）鼓励新的科学文化素质；（3）为新一代学术带头人、初级和高级研究人员以及学生创建一个充满活力的家园；（4）成为内外部专家参与的平台和交流的焦点，为非学术利益相关者、政策制定者和社会提供知识交流和建议的窗口。

背 景：

英国自然环境研究理事会（NERC）作为英国环境科学的最重要资助者，正在通过获得商业、能源和工业战略部（BEIS，这是2016年7月才由英国几个部合并组建的一个部，可能是目前全球最大的“部”）的资助来支持英国地质调查局和莱伊尔中心。NERC在英国是一个非部门公共机构，每年来自BEIS的经费大约为3.3亿英镑。

赫瑞瓦特大学是一个全球性机构，学生超过30000名，专注于科学、技术、工程、商业和设计，特别专注于对发展至关重要的全球性问题的解决，如气候变化和能源。成立于1821年，大学校园在爱丁堡、迪拜和马来西亚也有专门的校区。该大学在思想和解决方案方面是公认的全球领导者。该大学在苏格兰排名第一，在英国排名前十，82%的研究领域处于国际先进水平，在世界范围内享有盛誉，是一所古老而又充满活力的学校。在学科排名中，矿业与采矿工程位居全球第34名。

英国地质调查局是NERC的一个组成机构，是全球历史最悠久的地质调查局，是国家客观、公正和最新地质知识与信息的主要提供者，供政府、商业界和个人用户进行决策。地质调查局的主要职能是维持和发展国家对其地质情况的了解，以改进决策，提高国民财富和降低风险。也与国家和国际科学界合作在战略领域开展研究，包括能源和自然资源，环境变化和灾害的脆弱性，以及对地球系统的一般知识。

英国地质调查局和赫瑞瓦特大学在此前已经开展过多方面的合作，成功的项目数不胜数，其中的一些旗舰项目包括：（1）创新型研究生教学和研究计划（英国自然环境研究理事会石油和天然气领域博士生培养研究中心）；（2）海洋环境和生态系统评估（地平线2020计划：跨大西洋评估和基于深水生态系统的欧洲空间管理计划）；（3）深时科学钻探（IODP）；（4）全球领先的水资源和能源管理系统。其中的一些合作项目包括但不限于：（1）苏格兰碳捕获和储存（SCCS）；（2）与政府机构其他极具影响力的合作伙伴关系如海上苏格兰、苏格兰国家遗产（SNH）、联合自然保护委员会（JNCC）、农业食品与生物科学研究所（AFBI）、英国海道测量局（UKHO）、海事和海岸警卫局（MCA）和国家环保总局（SEPA）；（3）石油工业（石油和天然气管理局OGA以及二十一世纪勘探路线图古生代项目）。

（摘自《国外地质调查管理》2017年第18期（总第55期））

美国国家海洋和大气管理局的一个机构——国家地球物理数据中心与美国地质调查局的地球资源观测和科学中心两者开展合作研发了本文所述的可持续规则，为美国海岸带建立准确、一致和无缝的测深-地形数字高程模型（DEMs），这些DEMs未来将免费供公众使用。正方形单元“光栅”模型是最常用的模型，该规则正是针对这种模型的，而不是不规则三角网（TIN）或其他类型的DEMs。

　　表1 海岸DEM的规格

图1 DEM单元嵌套的例子

表2 地理DEMs的大概海上覆盖范围

正方形单元海岸DEMs有很多用途，包括海岸洪灾模拟、海岸变化分析、栖息地测绘和地球可视化。为了支持由多个政府机构、学术界和商业部门建立海岸DEMs的无缝融合，需要在一个明确的框架内研发这种DEMs，框架包括关键DEM要求和建议，以及支持发现、获取和使用的一致文件。

本文所述的正方形单元海岸DEM将被进行测试、审查和改进。目标是为美国建立可持续的框架，使美国海岸地区的无缝、可合并和公开的测深-地形高程模型得到共享开发，以响应总统的国家海洋政策。该框架需要：

1.定义必要的关键海岸DEM规格，以支持DEMs的无缝融合。

2.为数据处理、DEM开发和DEM评估提供建议和最佳方案。

3.作为最新发布公共高程数据的海岸DEMs，描述其有效升级所需的技术。

4.确定文件要求，以获取重要数据处理和DEM开发步骤（例如，符合标准的元数据记录和空间元数据）。

5.确定今后改进的地方，例如数据采集和处理的差距，数据传输的改进，合作和协同可以提高DEM精度和范围的沿海区域。

美国海岸DEM的规则 

表1列出了几个关键海岸DEM规则，这些关键规格是美国海岸正方形单元、公共模型需要遵循的，以确保由不同小组或机构建立的海岸DEMs在单元基础上保持一致。不一致的DEM将无法作为海岸和测深高程的全国性无缝填图的一部分被融合。

投影：正方形单元海岸DEMs应该在当地通用横向墨卡托（UTM）区投影或地理坐标（即，未投影；表1）中。对于海岸线的高分辨率、米级模型，当地UTM区投影是最合适的。对于延伸离岸更远的低分辨率DEMs，地理坐标是最合适的。因为这两种模型之间的正方形单元栅格转换（模型之间的正方形单元不一样）会引起失真，应尽量减少这种转换。

单元大小：UTM区DEMs的单元大小应为1米或3米（表1）。海岸DEMs的地理坐标单元大小在1/9弧秒到9弧秒之间（表1）。三个步骤的因素将有助于确保相同坐标系下不同单元大小的海岸DEMs之间的一致嵌套（即，同样单元大小的9个单元在下一个较粗单元模型中，它们将作为一个单元而有相同的地理足迹）。

海上覆盖范围：每个连续的、较粗海岸DEM都应向海上延伸（表1，图1），以便测深数据密度和单元大小之间有粗略的对应关系（例如，在更深水域中，测深的间隔加大）。表2列出了这些“可伸缩”地理DEMs的大概海上覆盖范围。1弧秒的地理DEMs应向外延伸至大约500米等深线，大致相当于大陆架边缘。3弧秒的DEMs应向外延伸200海里，到达美国专属经济区（EEZ）的边界；而9弧秒的DEMs应包括离岸更远区域的深水，如大型海洋生态系统（LMEs）、小海盆（例如墨西哥湾）和美国外大陆架（ECS）。

网格配准：UTM区和地理海岸DEMs应由单元的角来定义，也称为基于像元或单元的配准（表1）。这将有助于确保海岸DEMs与美国地质调查局国家高程数据集（NED）实现无缝合并。对于NAD83水平基准面和NAVD88高程基准面，NED地形分别在1/9、1/3和1弧秒的单元大小中可获得。像元配准也将更好地实现海岸DEMs和相应彩色浮雕图像的互联网传输。

水平基准面：美国海岸DEMs的水平基准面将使用1983年北美基准面（NAD83，表1）。此基准面与1984年全球世界大地测量系统（WGS84）几乎相同，而对于地理DEMs，认为这两种基准是相同的。

高程基准面：更高分辨率DEMs的高程基准面将使用1988年北美高程基准面（NAVD88，表1），通过由国家大地测量局开发的最新大地水准面模型来实现。因为在单元水平上的高程不确定性可能超过正高（即NAVD88）和各种潮基准之间的偏移量，所以低分辨率模型应参考“海平面”，从而避免需要建立一个共同的高程基准。

边缘精度：每个UTM区模型的边缘/边界范围的精度以米为单位，应能被3整除（即结果必须是整数，没有余数，表1），以使单元对齐并支持DEM合并。为了确保不同开发者所建海岸DEMs之间的一致性，每个地理模型的边缘精度需限定于经度和纬度的两位小数（即0.01度/36弧秒，表1）。

高程精度：海岸DEMs中高程值的精度应适当限于海岸DEM的分辨率，以避免超过必要的更高精度DEM（表1）。对于单元大小为1米的UTM区DEMs，高程精度限定于0.01米。对于单元大小为3米的UTM区DEMs以及1/9、1/3和1弧秒的地理DEMs，高程精度应为0.1米。对于3和9弧秒的地理DEMs，高程精度为1米。低分辨率全球模型（例如，30弧秒单元）应具有10米的高程精度。

多时相：UTM区海岸DEMs应包括多时相方面，多时相可实现高分辨率海岸变化分析（表1）。为了支持多时相，需要明确记录用于建立每个模型的元数据的调查日期和地理足迹，从而使模型之间的时空差别可以量化。虽然老版本的海岸DEM应被存档和公开访问，但地理海岸DEM没有明确的时间，因为它们通常反映了“最可靠”元数据。

地表类型：海岸DEMs需要表示裸露地表或“裸地”，来支持水流模拟。建筑物、树木和其它地上或地下表面不应在模型中表示，并需要从源高程数据集中移除。如码头和水坝等大的固体结构可能要排除，这些结构对于水流是不可透过的障碍。记录应识别DEM中所表示的任何结构。

公众获取和使用的限制：公众访问使用该框架的正方形单元海岸DEMs过程中不应该有任何限制，而不是“不能用于导航”（表1）。对衍生产品（即，DEMs）限制使用和公众传播的专有数据不应用于海岸DEM开发，除非数据所有者书面同意DEM可以没有限制完全向公众开放。

对未来DEM的考虑 

目前，高程基准面限制了河流和近海的延伸。建议能够将高程基准面的空间覆盖范围扩大到更远的内陆/河流和更远的海上，以及美国其他沿海地区（如阿拉斯加和夏威夷），这样就能增加这些区域潮汐基准中高程数据的高程基准转换和所得海岸DEMs的精度。