數字深海“一張圖”綜合可視分析系統構建與運行

摘要：經過多年建設發展，中國大洋資料中心基于深海大洋綜合數據庫，實現了對大洋航次調查數據和相關研究成果資料的綜合管理。面向高效、可視、在線的“一張圖”綜合分析應用需求，以國內外多來源深海大洋數據資源為基礎，面向深海空間數據管理和應用需求，緊密銜接綜合數據庫，對現有深海大洋數據進行必要的空間化矢量化改造，利用Java+SpringBoot、基于WebGL的Cesium等技術，開發了基于GIS的深海空間數據管理系統、綜合展示與可視分析系統，研發了深海空間數據資源地圖、深海態勢分析、工作規劃部署、資源潛力評估、裝備效能分析和數據評估檢驗等專題應用分析功能，架構起數字深海“一張圖”綜合可視分析系統。該系統已部署在國家海洋通信專網并投入業務化試運行，為我國深海大洋礦產資源勘探、環境影響評價和相關科學研究活動提供數據和信息技術支撐。

關鍵詞：一張圖;數字深海;綜合展示;可視分析

中圖分類號：P7 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2024）01-0079-07

1 建設背景

深海作為人類活動的新空間，已成為當前各海洋強國競相拓展的戰略新疆域[1]。深海“三部曲”（深海進入、深海探測和深海開發）是海洋強國建設的重要組成部分[2]。經過40余年的努力，我國在深海大洋事業取得了跨越式發展。1992年，中國大洋礦產資源研究開發協會成立后，先后組織了70余個航次的深海資源、環境和生物多樣性的調查，獲取了大量的數據資料。這些數據的特點十分鮮明，數據總量大，當前已超百TB;數據結構多樣，結構化、半結構化、非結構化并存;數據類型多，基本涵蓋海洋環境和海洋資源各個學科，數據要素種類超百種[3]。

自2011年起，中國大洋礦產資源研究開發協會辦公室建設運行中國大洋資料中心，組織開展深海大洋數據資源匯集管理和共享服務。大洋資料中心搭建并業務化運行深海大洋綜合數據庫，采用元數據導航、目錄清單、事務型數據庫等技術手段對深海大洋調查數據進行了科學有效管理。但是，隨著大洋調查研究成果不斷累積，尤其是經過“十二五”至“十三五”期間，中國大洋事務管理局組織實施了200余個研究課題，在航次調查工作基礎上，又產生了大量研究成果圖件和成果報告。這些資料既是重要的項目研究成果，也是我國后續在深海活動的重要參考依據。其特點是空間屬性特征強，傳統的事務型數據庫管理難以進一步發揮這類數據的價值，迫切需要在現有綜合數據庫的基礎上，統一開展數據空間矢量化改造，對所有空間數據進行集成管理。

因此，本系統的建設目標就是緊密銜接大洋綜合數據庫，面向深海空間數據應用需求，構建基于地理信息系統（GIS）的深海空間數據管理和展示系統，實現深海基礎地理底圖、權益界線、海上構筑物、深海重要區域空間位置、深海工作程度、海底地形地貌、海洋重磁、海洋地質、海洋生物生態、海洋化學、深海礦產資源、海底地理實體、典型深海視頻攝像等深海空間數據成果的綜合集成，實現深海空間數據多樣化查詢檢索、綜合展示和可視分析應用，建成可復制可移植的數字深海“一張圖”綜合可視分析系統。

2 系統架構

2.1 總體架構

系統主要使用Java語言，Java語言作為C++語言的拓展與延伸，可以撰寫跨平臺應用軟件的面向對象的程序設計語言，具有卓越的通用性、高效性、平臺移植性和安全性，在計算機系統中被廣泛應用[4]。基于Java的J2EE框架，可以快速構建出可靠性高，擴展性好的B/S系統。系統以J2EE 為開發平臺的主流信息系統架構體系，實現具備跨平臺部署能力的開放式5層架構，即應用層、表現層、服務層、數據層和硬件層。

在應用層，通過B/S程序設計，實現不同分辨率硬件顯示匹配，使得系統可以在不同分辨率載體上進行前端的自適應展示。在表現層，通過VueJs和Cesium（AGI公司計算機圖形開發小組2011年研發的三維地球和地圖三維可視化開源JavaScipt庫）進行基礎地理信息框架構建，通過CSS3進行樣式適配[5]。在服務層，通過Nginx（高性能的HTTP和反向代理Web服務器，同時提供IMAP/POP3/SMTP服務）實現軟件負載均衡[6]，對統計分析數據資源通過Restful接口服務形式（基于HTTP，可以使用XML格式定義或JASON 格式定義）對上層提供數據應用服務[7]，對空間數據通過Geoserver實現空間數據集的管理和發布。在數據層，采用自主可控的開源技術方案，數據庫選用Postgresql，支持大部分的結構化查詢語言（SQL）標準并且提供了很多其他現代特征，如復雜查詢、外鍵、觸發器、視圖、事務完整性、多版本并發控制等[8];緩存選用Redis（一個開源的使用ANSIC 語言編寫、支持網絡、可基于內存也可持久化的日志型、Key-Value數據庫，提供多種語言的API），搭載文件系統進行空間數據文件存儲、基礎數據信息存儲及常用緩存數據緩存[9]。在硬件層，構建基于操作系統之上的軟件程序，軟件程序在Windows/Linux上具備跨平臺特性，從而實現對硬件資源的合理、高效管理和利用。系統總體技術架構圖如圖1所示。

2.2 功能架構

系統包括數據資源地圖、深海態勢分析、工作規劃部署、資源潛力評估、數據評估檢驗、裝備效能分析等功能模塊。其中，數據資源地圖功能模塊的主要思路是實現包括基礎地理底圖、大洋科考調查原始數據、調查研究成果等在內的數據資源在“一張圖”上綜合集成展示與可視分析。其余5個模塊均為專題應用功能模塊，主要思路是基于數據資源“一張圖”，提供定制化工具箱，以滿足不同用戶開展特定領域專題工作對數據和信息技術的需求。數據資源地圖功能模塊。實現在“一張圖”上對各類數據的空間查詢、全量查詢、多條件綜合查詢、數量統計和可視展示。數據的來源包括深海大洋綜合數據庫的結構化數據、國家海洋監管平臺的接口服務數據，以及本地存儲的多種格式的空間化矢量數據。

深海態勢分析功能模塊。面向管理者，提供深海地理空間格局（主要海洋國家、海上航運通道、海上貿易通道等）、深海地緣政治格局、深海礦產資源形勢（多金屬結核資源、富鈷結殼資源、多金屬硫化物資源、稀土資源、天然氣水合物資源等）、海洋環境管理形勢（環境保護區、生態保護區等）、深海感知現狀（我國大洋科考情況、我國深海專項調查情況、全球深海鉆探位置、全球浮標觀測情況、海底熱液探測位置、國際大洋中脊調查情況等），以及深海輿情專題報告，為全面掌握深海活動態勢提供輔助決策信息。

工作規劃部署模塊。主要面向航次組織實施單位，實現全部調查數據在一張圖上的綜合展示，包括基礎地理底圖、礦產資源調查、地質地球物理、環境基線調查、海底視像調查等，提供調查船舶信息、裝備信息、人員信息、單位信息、相關成果等，以此為基礎，實現預定調查區新增測站、測線、航跡的位置設計、航時計算、作業有效率計算、成果圖形導出等功能，為深海勘探工作部署提供數據和信息支撐。

資 源潛力評估功能模塊。將我國多金屬結核、富鈷結殼和多金屬硫化物五塊合同區以及全球海域資源評價和潛力評估相關數據與成果預置在系統內，同時預置證據權、多源邏輯斯蒂回歸、隨機森林、神經網絡、機器學習等多種評價算法，實現基于不同評價因子、不同算法的可視化快速資源評價，為深海礦產資源礦區區域放棄、開發利用等活動提供數據和技術支撐。

裝備效能分析功能模塊。深海調查采用了非常多的新型裝備/設備。按照潛水器（“蛟龍”號、“深海勇士”號、“潛龍一”號、“潛龍二”號、“翼龍”號、“海馬”號等）、滑翔機、有纜遙控水下機器人（ROV）、聲學和光學拖體、地球物理調查設備（重力儀、磁力儀、超短基線、電法、海底地震儀等）、生物調查設備（浮游生物拖網、Lander誘捕器、深海微生物原位富集裝置等）、地質取樣設備（抓斗、拖網、重力取樣器、淺鉆、中深鉆等）、海底熱液探測異常裝備濁度儀（RBR）、化學傳感器、甲烷異常傳感器（METS）、便攜自容式海水熱液柱自動探測儀（MARP）等裝備或設備類型，將各種裝備或設備所獲取的數據在一張圖上進行展示，進一步實現裝備效能情況的分析。

數據評估檢驗功能模塊。多角度統計深海大洋數據量情況，包括特定時間段、空間范圍內的數量、不同來源數量對比、海區數據占比、觀測儀器數據量占比、學科數據量占比、測線長度等。多維度評估深海大洋數據質量情況，包括質量密度分析、氣候態分析。綜合評估深海大洋數據的接收與質量情況，檢定各類數據誤差和精度。綜合展示各類數據的接收情況評價、質量評價、精度檢驗結果。

2.3 系統接口

系統接口包括外部數據接口和內部功能接口（圖2）。系統的外部接口包括國家海洋綜合數據庫、深海大洋空間矢量數據庫、天地圖和國家海洋綜合監管平臺等。通過國家海洋綜合數據庫系統，接入我國大洋科考調查與研究、國際合作與交換、涉深海專項等來源數據，服務方式為數據文件和事務型數據庫。通過深海大洋空間矢量數據庫，直接接入各類本地的空間矢量數據文件。通過天地圖，接入統一標準的海洋基礎地理底圖，服務方式為數據服務接口。通過國家海洋綜合監管平臺，接入深海大洋區域范圍內的油氣平臺、臺風路徑、管道電纜、潮汐潮流等數據資源，數據多以處理后的空間矢量化圖層為主，服務方式為數據接口服務。形成多源異構的深海數據資源體系。內部接口包括菜單展示接口、區域列表接口、文件類型接口、主題列表接口、數據查詢通用接口、文件服務接口、批量壓縮下載接口、數據集服務接口、數據服務接口、算法服務接口和默認值接口等。

2.4 技術路徑

數據空間化矢量化改造。主要基于Java+Spring框架及python等環境搭建。Spring是空間數據整理和改造的主程序框架，負責讀取配置好的待改造文件列表模板，并依據模板中的屬性獲取列表中的各類型源文件，獲取文件后根據預先配置好的規則調用后臺不同的python腳本，對輸入的源文件進行格式轉換，生成統一格式的矢量文件，在數據庫中入庫相應的關聯記錄及日志。

空間數據資源管理。前端采用Vue框架，適用于所有菜單頁面，具有輕量高效、雙向數據綁定、組件化開發、虛擬DOM 的優點，也能夠為復雜的單頁應用提供驅動。后端采用SpringBoot框架，Spring-Boot框架的開箱即用（Outofbox）功能使開發人員擺脫了復雜的配置工作以及依賴的管理工作，更加專注于業務邏輯。約定優于配置，雖降低了部分靈活性，增加了BUG 定位的復雜性，但減少了開發人員需要做出決定的數量，同時減少了大量的XML配置，并且可以將代碼編譯、測試和打包等工作自動化。

空 間數據綜合展示。按照不同的數據種類進行劃分，提供多種類組合的條件查詢檢索功能，并通過多種形式將這些數據資料進行綜合展示與分析。調用天地圖的各類服務獲取顯示底圖，并將采集、本地上傳的原始數據、信息產品和成果資料按照設定的規則存儲到數據庫及文件庫，后臺根據文件特性分類處理，部分數據量較大的數據自動發布成GEOServer服務，系統調用各類GEOServer服務進行展示，數據量較小的數據則以文件流的形式直接被系統讀取展示。

3 關鍵技術

（1）大體量結構化數據處理技術。系統需要調用的國家海洋綜合數據庫表中數據量非常大，采用常規的查詢方式，查詢時間長。針對這種現象，系統通過異步處理等方式在后臺定時對大數據量的業務數據依據需求合并統計開展預處理并生成格式化的結果，然后將統計結果存儲到緩存中，以便在實時查詢時能夠快速地返回查詢結果。

（2）矢量化數據處理技術。大體積的矢量化.shp和.tif等格式數據前端加載時通常會出現卡頓或崩潰的情景。針對大體積數據加載異常的情況，對數據進行了分類處理，并設定了處理規范。特別大的數據通過接口在GEOSERVER中用高效發布模式進行服務發布，數據會在服務端進行處理，減小了瀏覽器端加載的壓力[10];若可以抽稀的大體量數據，按照一定的規則進行抽稀處理;展現形式包含10萬級以上點的業務，對點數據進行預處理，通過格點密度形式展示。

（3）多源數據模板化批量轉換技術。將多種待加載數據按照EXCEL模板格式進行填報，然后在服務端運行數據轉換工具，后臺系統會分別針對需要上傳的文件進行內容校驗、內容編碼、坐標系校驗等操作，針對.img、.grd、.txt、.dem 等不同類型的數據，統一轉換為.shp和.tif格式的矢量化數據;針對.jpg和.mp4等非結構化數據，賦予矢量化屬性。

（4）基于WEBGL的Cesium。系統加載的海洋要素數據格式多樣，數據量大處理困難。傳統數據表達方式（文本、簡單數據等）已經不能滿足現階段海洋要素數據表達的需求。為了更加豐富、完整和合理地表達海洋要素數據信息，基于WebGL 技術的海洋要素可視化表達采用更多更實用的方式，如圖像、視頻等，從各個方向和多個角度全面顯示海洋環境要素的地理空間信息特征。WebGL技術很好地彌補客戶端與服務端交互性不強的問題，基于WebGL技術的海洋數據可視化表達交互方式具有動態性，用戶可以通過鼠標，鍵盤甚至手指動態地與地圖進行交互，交互結果也會實時得到反饋，可用性和用戶體驗都能達到一個較高的提升。基于WebGL 技術的海洋環境要素數據的可視化與傳統可視化表達相比，最大區別在于具有更明顯的空間特征，它可以突出海洋信息的空間特征，同時可將海洋環境要素信息的主體與地理空間特征更緊密結合[11]。

4 系統部署運行

目前，數字深海“一張圖”綜合可視分析系統作為中國大洋資料中心業務運行重要的信息技術手段，已在海洋信息專網部署試運行，系統集成了海洋基礎地理底圖、重要區域空間位置、海底地理實體命名、物理海洋、海洋氣象、海洋生物生態、海洋化學、海洋地質、海洋地球物理、海底地形地貌、海底視頻攝像、多金屬結核資源、富鈷結殼資源、多金屬硫化物資源、稀土資源、報告文檔、工作程度、信息產品等18大類數據集、131類數據子集、3926個非結構化數據資源，接入國家海洋綜合數據庫61.2億條數據、國家海洋綜合監管平臺7 大類100余個數據資源。下一步，中國大洋資料中心還將進一步結合深海大洋活動的應用需求，持續匯集多源數據，不斷完善應用系統功能，為我國深海大洋科考和相關科學研究活動提供海量的數據資源和有力的信息技術支撐。

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