我國數字海洋建設進展與展望

李四海 姜曉軼 張 峰

我國數字海洋建設進展與展望

李四海 姜曉軼 張 峰

“程。通過四年多建設，我國數字海洋信息基礎框架建設已取得了一批重要成果：研究探索了數字海洋建設關鍵技術，為今后數字海洋的全面建設奠定了技術基礎；搭建了初具規模的信息基礎平臺，為海洋信息的開發應用和服務提供了有力支撐；構建了基于地球球體模型的海洋信息集成與可視化系統，為海洋信息的綜合集成和三維可視化分析提供了有力的工具；開發了綜合管理信息系統，為海洋管理信息化工作提供了有力支持正式發布了我國首個數字海洋公眾信息服務系統——“iOcean(中國數字海洋公眾版)”，引起強烈社會反響，為提高社會公眾海洋意識做出了積極貢獻；完成了“數字海洋移動平臺”的研發，進一步為社會公眾提供便利的移動信息服務；首次形成了覆蓋全國沿海省市海洋廳（局）和國家海洋局系統各單位的專用網絡，為有關的海洋業務化工作提供了統一的網絡平臺；數字海洋節點建設取得初步成效，正在開展的數字海洋整體系統總集成和業務化試運行的準備工作，將有力地促進各項海洋業數字地球”概念提出以來，引起了世界各國的高度關注，順應信息時代這一世界發展趨勢，我國于1999年提出了“數字海洋”建設的設想和基本思路。2003年9月，以“我國近海海洋綜合調查與評價（908專項）”啟動為契機，著手開始我國數字海洋建設方案的編制工作，并從2006年開始，正式啟動了數字海洋系統工程一期項目——“數字海洋信息基礎框架構建”的建設工作。通過了解、跟蹤和研究國內外數字海洋相關領域的進展，加深了對數字海洋概念的理解，在此基礎上，結合我國海洋信息領域的實際情況和工程實踐經驗，詳細論證并制定了我國數字海洋總體建設方案。數字海洋建設的內容主要包括：海洋信息獲取與更新體系、數字海洋信息基礎設施、海洋信息處理與管理體系、數字海洋應用和服務體系、“數字海洋”業務化運行保障體系建設等。

我國的數字海洋建設是一項涉及全國沿海省（自治區、直轄市）和國家海洋局系統各個單位的龐大系統工務工作的整合，建設成果將在海洋管理和信息化工作中發揮重要作用。

一、國外數字海洋發展現狀

經過近十年的發展，國外一些發達國家在數字海洋相關領域，如海洋空間數據基礎設施、海洋立體觀測系統、海洋信息共享體系、數字海洋應用等方面，已經具備相當的規模和水平。

1. 海洋空間數據基礎設施建設

“空間數據基礎設施（SDI）”的概念是由美國、加拿大、英國等發達國家在20世紀90年代初最先提出的。SDI的建設開始是在國家范疇內建設和運作的，即NSDI。在美國、英國、加拿大、澳大利亞、日本等發達國家發展很快，我國在該領域的建設也取得了積極成果。“海洋空間數據基礎設施”是SDI的重要內容，目前開展的國家、區域乃至全球SDI建設都十分注重海洋空間信息問題。由于海洋空間數據的特點，開展SDI建設的國家都對其進行專門研究。1998年，美國在SDI方面開展的16個框架示范項目中就有多個項目涉及海洋水文數據庫、海洋管理、海洋多源數據融合等內容。

2. 海洋立體監測與數據獲取

在海洋立體監測和空間數據獲取方面，各國都在競相發射系列海洋衛星和兼有海洋觀測功能的多種資源與氣象衛星，已經積累了海量的海洋衛星遙感數據。全球海洋觀測系統（GOOS）已建立了海洋與氣候、海洋生物資源、海洋健康狀況、海岸帶監測、海洋氣象與業務化海洋學等5個GOOS發展領域，初步形成了由海洋衛星、各類浮標和沿海臺站組成的全球業務化海洋學系統。

值得指出的是，歐美發達國家在海底觀測方面也邁出了領先一步。美國和加拿大從2002年開始，聯合開展“海王星”（Neptune）計劃，在東北太平洋建立海底觀測網，該信息傳輸網被形象地稱為“信息水龍帶”。該計劃完成后將進行水層、海底、地殼的長期連續實時觀測約25年。加拿大海王星網已于2009年7月3日正式啟動，2009年12月18日，加拿大“海王星”海底觀測有線局域網中使用了“瓦力”機器人等海底探測設備。在海底鋪設局域網并使用“瓦力”這樣時刻在線的探測設備為海洋研究、地震監測和海底油氣勘探開辟了全新視野。以往為完成同樣的任務，科學家們只能使用系纜浮標或者動用昂貴的探測船只，而且收集數據的時間也很有限。歐洲、日本等國家也制定了相應的海底觀測計劃。

3. 海洋數據處理

在海洋科技領域方面，美國、俄羅斯和日本等世界海洋強國十分重視海洋數據收集、處理、質量控制、數據融合、信息產品開發和可視化技術的研發。綜觀其發展狀況和發展趨勢，海洋觀測監測和數據處理手段已向綜合性立體方向發展，不僅在硬件技術上體現出其業已成熟，更主要是相配套的以軟件為支撐的數據處理能力亦大幅度提高，并充分利用先進的IT技術和通信技術，增加海洋數據的預處理功能和存貯能力。

4. 海洋信息共享

在海洋信息共享方面，隨著互聯網的迅猛發展，建立在空間數據基礎設施之上的空間信息共享變得越來越廣泛，可以覆蓋整個國家、地區乃至全球。信息共享的內容也越來越豐富，從元數據到衛星圖像、航空照片、基礎地理圖和專題圖等，幾乎無所不含。

5 .數字海洋研究與應用

在數字海洋研究方面，美國于2006年初開始進行大規模的“數字海洋原型系統”研究計劃，其研究領域包括海岸帶管理、防災減災、海洋漁業、海洋油氣4個方面。

在數字海洋應用及產品方面，目前比較領先和有影響力的產品是Google公司推出的Google Earth。Google公司繼2005年成功推出Google Earth之后，于2009年初推出了Google Ocean。Google Ocean是在Google Earth的基礎上增加了海洋信息內容，主要包括：旅游景區、沖浪區、沉船地點、海底地形、水面模型、海岸線變遷對比等內容，可查詢海洋環境、海洋生物、海洋調查、海洋科普等相關海洋領域的信息，為用戶提供了虛擬的海洋世界。

二、我國數字海洋建設進展

從國外建設情況可以看出，發達國家非常重視數字海洋信息基礎設施的建設，進而為數字海洋在各領域的深入應用奠定了堅實的數據基礎。我國根據海洋工作的實際情況，本著統籌規劃、分步實施的原則，首先啟動了數字海洋信息基礎框架構建工作，目的是為我國數字海洋建設奠定數據基礎、技術基礎和應用基礎，為數字海洋的全面建設探索和積累經驗。自實施以來，各項工作有序推進，項目進展順利。信息基礎平臺、海洋綜合管理信息系統、數字海洋原型系統、節點建設以及總集成工作已取得一批階段性成果；實現了全部節點的網絡互聯，并開展了節點建設成果的集成，實現了信息交換與共享；通過多次舉辦技術培訓班，加強了與各節點的溝通和技術交流，有效推進了節點建設工作。

為了及時總結數字海洋建設經驗，高效率、高質量地開展數字海洋工程建設，更深層次地研討數字海洋技術與應用，已組織召開了兩屆中國數字海洋論壇，正式發布了iOcean-中國數字海洋公眾版系統（www.iocean.net.cn），多位院士和相關領域高層次專家出席論壇，為我國的數字海洋建設出謀獻策，共謀發展大計。目前，主要階段性成果體現在以下幾個方面：

1. 標準規范制定

數字海洋建設是一項跨地區、跨學科的大型工程，是在國家信息化建設的統一部署下，按照數字海洋總體規劃，立足于數字海洋建設實踐，條塊結合、聯合共建、信息資源共享的一項系統工程。在這一系統工程中，確保有效地開發與利用信息資源和信息技術，確保信息化基礎設施建設的優質高效和信息網絡的互聯互通，確保各信息系統間的互操作和信息的安全可靠，是數字海洋建設所面臨的關鍵問題。解決這些問題必須首先抓好標準的制定和應用工作。

在數字海洋建設之初，就著手研制了數據標準化處理、數據庫建設、數據交換、產品制作與制圖、信息系統建設等系列規程和規范，為數字海洋建設的規范化奠定了基礎。其中，《908專項調查要素分類代碼和圖式圖例規程》《海洋環境基礎數據庫標準》《海洋綜合管理專題數據庫標準》等技術規程，已在專項工作中得到應用，并已列入行業標準轉換計劃。

2.信息基礎平臺建設

① 基礎數據庫建設

已完成對相關歷史調查資料的整合處理，并提取相關信息，經標準化處理納入到數字海洋基礎數據平臺，為數字海洋提供豐富的歷史資料數據源，并為產品制作提供數據。

對908專項獲取的水體資料、海底資料、專題調查資料、遙感調查資料等進行了標準化處理和數據庫建設工作；設計制定了海洋水文、氣象、化學、生物、地質等數據的處理流程、質量控制規范，并開發了相應的質量控制軟件，并在專項資料處理工作中得到了應用；利用海底地形調查資料制作了高分辨率的海底地形高程模型；收集處理了專項調查中的衛星遙感、航空遙感資料，并對已收集的資料進行了拼接、調色和切割處理，生成正射影像，生產了海岸帶區域的數字地形數據。

上述基礎數據經標準化處理后進入到基礎數據庫，形成數字海洋的框架性數據，是各類產品開發和應用的基礎。

② 專題數據庫建設

專題數據是應用服務方向明確，直接為專題應用服務的數據。主要包括：海洋經濟專題庫、海島專題庫、海域專題庫、海洋環保專題庫、海洋執法專題庫等。

③ 海洋專題信息產品庫建設

結合數字海洋原型系統及海洋綜合管理系統應用需求，利用908專項資料和已有海洋環境基礎資料，開發了中國近海潮汐潮流預報產品，水位、海流和風暴潮數值預報產品，海平面上升影響評價與適應信息產品，遙感監測基礎信息產品，海洋環境要素數值再分析產品，三維溫、鹽、流數值預報信息產品，并實現了在數字海洋原型系統球體上的疊加顯示與信息查詢。

④ 數據倉庫建設

數據倉庫是數字海洋建設的基礎。采用成熟的數據倉庫技術和先進的互操作技術，統一處理海量、多源、異構的海洋信息，實現多級海量海洋數據的高效存儲和管理，為原型系統和海洋綜合管理系統及產品制作提供基礎數據支撐。

數據倉庫實體包括標準數據集、基礎數據庫、專題數據庫、產品庫4個組成部分。目前已經完成數據倉庫實體創建、數據倉管管理系統、數據倉庫服務系統的開發建設工作。

3. “數字海洋”原型系統研發

數字海洋原型系統是在對大量海洋基礎數據和產品進行整合、融合與集成管理的基礎上，形成的一個信息集成與展示基礎平臺，它集成了業務系統產生的專題數據、各種專題信息產品和部分海洋計算模式，并基于三維球體模型，利用三維可視化技術、動態仿真技術等，對這些信息進行空間分析和動態、直觀的可視化表達，并可以實現多類信息的綜合查詢。

數字海洋原型系統分為管理版、公眾版和手機移動平臺3個版本。管理版主要面向“數字海洋”專網內的用戶，公眾版主要面向社會公眾，移動服務平臺主要面向管理人員和社會公眾。

①“數字海洋”原型系統（管理版）

數字海洋原型系統（管理版）利用可視化、虛擬現實等技術，實現對各類海洋信息及海洋現象的動態表達和模擬，為海洋管理和科學研究提供一個基于三維地球球體模型的管理、研究和決策平臺。

目前數字海洋原型系統（管理版）集成了基礎信息以及海域管理、海島海岸帶、海洋災害、海洋環境、經濟資源、海洋執法、極地大洋等多個專題的信息內容，并集成了較為專業的數據分析模型和可視化功能模塊。

②iOcean中國數字海洋（公眾版）

2009年6月12日正式發布的“iOcean中國數字海洋公眾版”（www.iocean.net.cn）是基于數字海洋的最新研發成果和廣泛收集的大量海洋科普資料，面向公眾的信息發布系統，表現形式較為生動，內容較為豐富，通過新穎的形式和豐富的內容，宣傳數字海洋建設成果，普及海洋知識。“iOcean中國數字海洋公眾版”包括海洋實事新聞、海洋調查觀測、數字海底、海島海岸帶、海洋資源、探訪極地大洋、海洋預報、海上軍事、海洋科普、虛擬海洋館等10個主題版塊、35個二級版塊。發布以來，已實現安全穩定業務化運行，目前正在持續更新內容，不斷完善功能服務。

③iOcean@touch移動服務平臺

數字海洋移動服務平臺（iOcean@touch）是基于手機的PDA信息發布系統，側重信息發布的時效性和實用性，用戶可以隨身、隨時、隨地了解重大海洋事件和國內外海洋最新形勢，查詢各類海洋信息，起到信息助手的作用，成為信息“掌中寶”。通過在智能手機或掌上電腦上實現海洋相關信息的移動服務，使接收信息更方便、更快捷。目前，已開發了包括新聞時訊、海水浴場預報、沿海地區天氣預報、沿海旅游、海水浴場、海洋法律法規、海浪預報、海冰預報、風暴潮、海洋科普等10個模塊，具有完善的用戶權限功能。

4. 海洋綜合管理信息系統開發

為了充分發揮數字海洋信息基礎平臺的作用，結合海洋管理的實際應用需求，在用戶需求調研基礎上，設計開發了包括海域管理、海島管理、環境保護、海洋經濟、海洋執法、防災減災、海洋科技等多個子系統的海洋綜合管理信息系統。依據用戶需求和詳細設計方案，目前已完成整合框架和系統基本功能的開發，系統具有操作簡便、用戶配置靈活、綜合查詢、二三維聯動等功能特點。

圖1 原型系統管理版界面

圖2 IOCEAN界面

圖3 iOcean@touch系統界面

5. 數字海洋主干網絡和節點建設

數字海洋主干網絡建設涉及國家海洋局系統節點及省級節點共計24個，目前已完成了全部節點的網絡連通，各節點完成了軟硬件環境建設、網絡建設與運行、數據整合處理與建庫、產品制作、特色系統開發等工作，初步實現了節點間的信息共享。

6. 數字海洋系統總集成和運行控制中心建設

系統總集成是基于數據和服務總線，形成整體集成框架，通過單點登錄、統一身份驗證及統一界面管理，實現數據倉庫、海洋綜合管理系統、原型系統以及節點建設成果等的一體化集成。運控系統實現對國家級、省級節點設備的工作情況、數據流程、網絡運行狀態的實時或準實時監控，實現系統的一體化集中管理和控制。

目前，數字海洋國家主節點已完成國家數據主中心一期軟硬件環境建設，主要配置了數據倉庫服務器、存儲局域網及磁盤陣列、原型系統數據庫服務器、綜合系統應用服務器、原型系統應用服務器等，初步形成了“數字海洋”信息基礎框架開發與運行平臺。

圖4 數字海洋運行控制中心

三、發展展望

綜上所述，目前我國數字海洋建設取得了明顯進展，但與國外發達國家相比,仍然存在相當大的差距，主要表現在：數據獲取體系和能力建設仍明顯不足，還不能有效保障數字海洋的信息來源；我國自主的數字海洋技術體系仍很不完善，亟須通過引進和吸收加強自主創新能力；數據處理和信息挖掘與應用能力薄弱，海洋數據分析和應用模型、海洋要素和海洋過程的多維動態可視化表達等，還不能很好地滿足海洋科研、管理和決策的需要等。

數字海洋建設是一項長期的具有戰略性和前瞻性的系統工程，數字海洋系統是海洋信息化的核心平臺。在今后工作中，要在吸收和借鑒國內外相關領域工作經驗的基礎上，積極開展數字海洋發展戰略規劃研究，結合我國海洋工作實際，謀劃具有我國特色的數字海洋建設之路，盡快縮短與國外的技術差距；研究建立海洋信息資源管理、服務機制，以數字海洋為基礎，搭建起通暢的海洋信息交換共享服務渠道，實現數字海洋系統的業務化運行；全面實施數字海洋系統工程，將數字海洋作為一項戰略性任務加快推進，保證其持續穩定發展；拓寬宣傳渠道，擴大影響，逐步推廣，使之在為海洋各項工作和社會公眾提供信息服務方面發揮越來越重要的作用。