海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用

●　文| 清華大學(xué)水利水電工程系　　洪陽　侯雪燕

海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用

●文| 清華大學(xué)水利水電工程系洪陽侯雪燕

一、對(duì)海洋大數(shù)據(jù)的思考

隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，世界已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。對(duì)于何為大數(shù)據(jù)，目前尚未有一個(gè)統(tǒng)一的定義。國際數(shù)據(jù)中心（IDC）對(duì)大數(shù)據(jù)的定義較為經(jīng)典，主要?dú)w納為4個(gè)V：即海量的數(shù)據(jù)規(guī)模（Volume）、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)體系（Velocity）、多樣的數(shù)據(jù)類型（Variety）和巨大的數(shù)據(jù)價(jià)值（Value）。此外，數(shù)據(jù)真實(shí)性（Veracity）作為大數(shù)據(jù)的重要特征，也被IBM納入大數(shù)據(jù)的定義中。

海洋約占地表總面積的71%，人類為了解、認(rèn)識(shí)和利用海洋，通過衛(wèi)星遙感、航空、氣象氣球、臺(tái)站、浮標(biāo)、船舶、水下探測等多種手段對(duì)海洋進(jìn)行觀測和調(diào)查，形成了非常龐大的海洋觀測體系，積累了海量的海洋科學(xué)數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場觀測資料、海洋遙感數(shù)據(jù)、數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果及產(chǎn)品等數(shù)據(jù)，這些海洋數(shù)據(jù)具有海量、多源、多態(tài)、異構(gòu)等特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到海洋對(duì)于氣候預(yù)測十分關(guān)鍵，是了解全球變化的重點(diǎn)區(qū)域。隨著對(duì)海洋觀測精度的不斷提高、時(shí)間間隔的迅速縮短、以及海洋觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的迅速增長，海洋數(shù)據(jù)量增長速度快于其他行業(yè)大數(shù)據(jù)的增長（黃冬梅等，2016）。海洋數(shù)據(jù)具備大數(shù)據(jù)的“5V”特征，海洋大數(shù)據(jù)即是在大數(shù)據(jù)的理論指導(dǎo)及技術(shù)支撐下，大數(shù)據(jù)在海洋領(lǐng)域的實(shí)踐和價(jià)值實(shí)現(xiàn)。

在海洋大數(shù)據(jù)的“5V”特征中，數(shù)據(jù)多元化（Variety）和高價(jià)值（Value）是最受關(guān)注的兩個(gè)特征?！皵?shù)據(jù)多元化”使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理等環(huán)節(jié)成為海洋大數(shù)據(jù)應(yīng)用的重點(diǎn)攻關(guān)方向；而“高價(jià)值”是海洋大數(shù)據(jù)的核心，包括數(shù)據(jù)本身的價(jià)值及蘊(yùn)含其中的價(jià)值，是世界各國科研領(lǐng)域、企業(yè)及政府部門所珍視的“金礦”（解鵬飛等，2015）。作為一種有價(jià)值的資源，海洋大數(shù)據(jù)已成為實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)，被諸多國家納入國家整體發(fā)展戰(zhàn)略之中。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各國競相發(fā)射海洋衛(wèi)星以及兼有海洋觀測功能的多種資源和氣象衛(wèi)星，通過所搭載的傳感器對(duì)海面進(jìn)行立體探測，提取海洋水色、海洋動(dòng)力等環(huán)境信息，獲取海洋時(shí)空數(shù)據(jù)。衛(wèi)星遙感具有其他傳統(tǒng)海洋實(shí)測調(diào)查等手段無法比擬的優(yōu)勢，能夠?qū)θ蚝Ｑ筮M(jìn)行大范圍、長時(shí)間的觀測，為人類深入認(rèn)識(shí)和了解海洋提供了無法替代的數(shù)據(jù)源。近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展迅速，隨之而來的海洋數(shù)據(jù)規(guī)模呈爆炸式增長，在海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、海洋作業(yè)生產(chǎn)、海洋防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值也日益彰顯和突出。海洋遙感是當(dāng)前海洋大數(shù)據(jù)最重要的數(shù)據(jù)源之一，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)字海洋建設(shè)、海洋信息化的重要途徑。

二、海洋遙感大數(shù)據(jù)

民用海洋衛(wèi)星從功能上一般可以分為兩類：海洋水色衛(wèi)星和海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星。也有一些衛(wèi)星屬于綜合觀測型海洋衛(wèi)星，即可以同時(shí)具備海洋水色和動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測功能。軍用海洋衛(wèi)星主要分為電子型海洋監(jiān)視和雷達(dá)型海洋監(jiān)視衛(wèi)星。海洋衛(wèi)星的主要傳感器包括水色成像儀、微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)、合成孔徑雷達(dá)等。

海洋水色衛(wèi)星主要用于探測海洋水色要素，如葉綠素濃度、懸浮泥沙含量、有色可溶有機(jī)物等，此外也可獲得淺海水下地形、海冰、海水污染以及海流等有價(jià)值的信息。海洋水色衛(wèi)星的有效載荷通常是多光譜掃描儀或成像儀。

海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星主要用于獲得海面風(fēng)場、海面高度場、浪場、海洋重力場、大洋環(huán)流和海表溫度場等海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)。海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星的有效載荷通常是微波輻射計(jì)、微波散射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)和合成孔徑雷達(dá)。其中，以雷達(dá)高度計(jì)為主要載荷的海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星也稱為海洋地形衛(wèi)星。

衛(wèi)星遙感可以監(jiān)測諸多海洋環(huán)境要素，包括海表溫度、海洋水色、海面風(fēng)場、海表鹽度、海面高度以及海冰等，并在諸多海洋領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用（見圖1）。例如，衛(wèi)星監(jiān)測到的海表溫度可以應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)、氣候變化預(yù)測、海洋漁業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

圖1部分海洋遙感監(jiān)測要素及應(yīng)用領(lǐng)域

三、海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)

在大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景下，建設(shè)海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)是未來實(shí)現(xiàn)海洋信息化的必經(jīng)之路。海洋預(yù)報(bào)中的數(shù)據(jù)同化、模式數(shù)據(jù)和產(chǎn)品分發(fā)體現(xiàn)了對(duì)海洋大數(shù)據(jù)處理和分析平臺(tái)建設(shè)的需求（王輝等，2015），海洋大數(shù)據(jù)的快速展示成為海洋信息化過程的重要環(huán)節(jié)（黃冬梅等，2015）。隨著“數(shù)字地球”應(yīng)運(yùn)而生的“數(shù)字海洋”建設(shè)，也已步入大數(shù)據(jù)時(shí)代，在海洋信息獲取、海量信息分析處理、規(guī)?；?wù)應(yīng)用等方面越來越依賴于大數(shù)據(jù)平臺(tái)（董貴山等，2015）。

如何利用大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)，結(jié)合海洋應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)海量、多源、異構(gòu)的海洋觀測和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、及時(shí)地分析和處理，實(shí)現(xiàn)開發(fā)和利用海洋大數(shù)據(jù)，提升海洋預(yù)報(bào)及應(yīng)用的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，是海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵問題?；诖髷?shù)據(jù)的理念，首先需要對(duì)海量、復(fù)雜的多源異構(gòu)的海洋大數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，采用大數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)+云計(jì)算平臺(tái)的模式，建立海洋大數(shù)據(jù)共享機(jī)制框架；在數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多類海洋信息的綜合查詢、分析，挖掘海洋大數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，為海洋領(lǐng)域相關(guān)單位、團(tuán)體、個(gè)人提供應(yīng)用服務(wù)，包括海洋信息咨詢、海洋資源開發(fā)、海洋監(jiān)測預(yù)警、海洋維權(quán)指揮、海洋防災(zāi)減災(zāi)等。

1.海洋大數(shù)據(jù)的管理

目前，我國海洋觀測平臺(tái)的條塊管理模式使得資料共享成為近海研究的大障礙，嚴(yán)重影響了對(duì)數(shù)據(jù)價(jià)值的挖掘（宋坤，2015），基于大數(shù)據(jù)理念的海洋數(shù)據(jù)共享平臺(tái)成為海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)的一個(gè)重要方面。此外，海洋大數(shù)據(jù)的科學(xué)管理對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)（包括存儲(chǔ)、傳輸、計(jì)算、分析、可視化等系統(tǒng)）提出了更高的要求?，F(xiàn)有的海洋數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺(tái)已經(jīng)難以滿足海洋大數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。未來海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)，需要運(yùn)用新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算開發(fā)，構(gòu)建云環(huán)境下的海洋數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)和海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過海洋大數(shù)據(jù)的采集、收集、存儲(chǔ)、管理、處理和分析，推動(dòng)海洋數(shù)據(jù)共建共享，帶動(dòng)海洋相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的建設(shè)和發(fā)展。

2.海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)

總體來說，海洋大數(shù)據(jù)的硬軟件平臺(tái)架構(gòu)可分為三個(gè)層面：數(shù)據(jù)層、技術(shù)層和應(yīng)用層（見圖2）。數(shù)據(jù)層是海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)的基礎(chǔ)，包括各類海洋數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的數(shù)據(jù)，如地、天、空、海岸、船、油氣平臺(tái)、水下移動(dòng)等觀測到的海洋遙感數(shù)據(jù)、物理數(shù)據(jù)、生物數(shù)據(jù)、化學(xué)數(shù)據(jù)等；經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，將多源異構(gòu)的海洋大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一模式的組織和管理。技術(shù)層包括多源異構(gòu)海洋大數(shù)據(jù)的融合、分析、挖掘、預(yù)報(bào)、可視化等技術(shù)，并對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行集成和云平臺(tái)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的個(gè)性化檢索，并對(duì)海洋要素進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)報(bào)。應(yīng)用層是在數(shù)據(jù)檢索和技術(shù)集成的基礎(chǔ)上，對(duì)海洋應(yīng)用模塊集中整合，建設(shè)綜合、開放的海洋應(yīng)用服務(wù)管理系統(tǒng)（見圖3），為科學(xué)研究和行業(yè)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)共享、信息處理、決策支持、業(yè)務(wù)化運(yùn)行等服務(wù)。

圖2　海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)總體架構(gòu)

圖3　海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用層

3.海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)組成

大數(shù)據(jù)的整個(gè)鏈條可分為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)運(yùn)行決策六大模塊，對(duì)于海洋大數(shù)據(jù)共享與綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，主要包括以下五大平臺(tái)：數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)、存儲(chǔ)與計(jì)算平臺(tái)、分析與應(yīng)用平臺(tái)、信息可視化平臺(tái)和決策與發(fā)布平臺(tái)（見圖4）。

圖4　海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)組成部分

數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)：數(shù)據(jù)采集是整個(gè)海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)的起始端。利用海洋通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展包括天基（衛(wèi)星、航空飛機(jī)、無人機(jī)等）遙感、近海測繪、海洋浮標(biāo)、海洋科考、水下探測等在內(nèi)的數(shù)據(jù)采集。由于海洋大數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)的特點(diǎn)，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如數(shù)據(jù)“清洗”，為后續(xù)流程提供統(tǒng)一高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集。

存儲(chǔ)與計(jì)算平臺(tái)：獲取的數(shù)據(jù)通過無線或有限網(wǎng)絡(luò)傳輸至基于云計(jì)算的基礎(chǔ)平臺(tái)，采用云存儲(chǔ)、虛擬化網(wǎng)絡(luò)、虛擬主機(jī)服務(wù)以及云平臺(tái)對(duì)海洋大數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。其核心技術(shù)包括分布式文件存儲(chǔ)以及分布式計(jì)算。例如，由Apache基金會(huì)所開發(fā)的分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)Hadoop，其最核心的設(shè)計(jì)是分布式文件系統(tǒng)（Hadoop Distributed File System，HDFS） 和 MapReduce；HDFS為海量數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)，MapReduce則為海量數(shù)據(jù)提供計(jì)算。分布式文件存儲(chǔ)典型代表有Hadoop的HDFS+HBase文件存儲(chǔ)方案、谷歌的GFS+BigTable文件存儲(chǔ)方案等。

分析與應(yīng)用平臺(tái)：數(shù)據(jù)分析是海洋大數(shù)據(jù)處理的核心流程，利用分析方法或工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、變換和建模，從中提取數(shù)據(jù)潛在價(jià)值。數(shù)據(jù)分析技術(shù)包括分類、聚類、關(guān)聯(lián)規(guī)則、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測模型、模式識(shí)別、時(shí)間序列分析、回歸分析、系統(tǒng)仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化、空間分析、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析等。通過對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和處理，應(yīng)用于海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋漁情預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。

信息可視化平臺(tái)：通過建立海洋數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用模型，實(shí)現(xiàn)海洋要素、海洋過程、海洋預(yù)報(bào)的多維、動(dòng)態(tài)、可視化表達(dá)，為海洋科學(xué)研究和行業(yè)內(nèi)應(yīng)用提供信息可視化服務(wù)。

決策與發(fā)布平臺(tái)：基于以上平臺(tái)系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)APP等靈活、機(jī)動(dòng)的客戶端方式，為海洋領(lǐng)域相關(guān)單位和個(gè)人提供快速實(shí)時(shí)的決策支持服務(wù)，包括海洋信息咨詢、海洋污染監(jiān)測預(yù)警、海洋漁場監(jiān)測、海洋維權(quán)指揮等。

此外，目前也亟需開發(fā)“海洋+”的海洋大數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用，通過建立技術(shù)轉(zhuǎn)移平臺(tái)和產(chǎn)業(yè)孵化平臺(tái)，在海洋技術(shù)、海洋預(yù)報(bào)、海洋經(jīng)濟(jì)等相關(guān)領(lǐng)域提供海洋大數(shù)據(jù)信息服務(wù)和決策支持服務(wù)。

四、清華大學(xué)遙感大數(shù)據(jù)研究中心及海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)

在地球遙感觀測領(lǐng)域，人類對(duì)地球和人居環(huán)境的綜合觀測能力達(dá)到空前水平，遙感數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯的大數(shù)據(jù)特征。國際上針對(duì)遙感大數(shù)據(jù)的科學(xué)研究仍處于起步階段，缺乏針對(duì)遙感大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新研究。在清華大學(xué)土木水利學(xué)院“千人計(jì)劃”洪陽教授的推動(dòng)下，由清華大學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)研究院、土木水利學(xué)院、水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、建筑學(xué)院、環(huán)境學(xué)院、地學(xué)中心、3S中心、電子系、計(jì)算機(jī)系聯(lián)合發(fā)起，于2015 年10月23日成立了清華大學(xué)遙感大數(shù)據(jù)研究中心。該中心圍繞數(shù)據(jù)科學(xué)（Data Science），與土木水利、城市建筑、地學(xué)環(huán)境、計(jì)算機(jī)等組建學(xué)科群，瞄準(zhǔn)國內(nèi)外重大對(duì)地觀測計(jì)劃，發(fā)展以數(shù)據(jù)鏈和物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的產(chǎn)學(xué)研用，服務(wù)現(xiàn)代水文水利、海洋、國土、農(nóng)業(yè)、氣象、城市、環(huán)境、交通、防災(zāi)減災(zāi)、規(guī)劃等，從科學(xué)研究、學(xué)科建設(shè)、人才培養(yǎng)、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新等方面，全方面引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展，提升國內(nèi)國際影響力。該研究中心建設(shè)項(xiàng)目如表1所示，其中，海洋大數(shù)據(jù)是該中心的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。

清華大學(xué)海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)（籌）依托清華遙感大數(shù)據(jù)中心、清華大學(xué)海洋技術(shù)中心、以及清華海峽研究院，與國內(nèi)外相關(guān)單位在技術(shù)研發(fā)、設(shè)備和人才等方面進(jìn)行合作，運(yùn)用新一代互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算開發(fā)技術(shù)，構(gòu)建海洋數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)，規(guī)劃建設(shè)海洋大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，打造國際化的海洋大數(shù)據(jù)中心。其功能定位為：產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，海洋信息共享服務(wù)。

表1　清華大學(xué)遙感大數(shù)據(jù)研究中心建設(shè)項(xiàng)目

五、結(jié)語

黨的十八大正式提出“建設(shè)海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略目標(biāo)以來，我國在海洋信息化、海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)等方面取得了長足發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國家相比仍存在較大差距，如數(shù)據(jù)獲取能力不足、海洋資料共享體系尚不完善、數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用能力相對(duì)薄弱等。針對(duì)未來大數(shù)據(jù)采集工作，需要引進(jìn)吸收國際先進(jìn)技術(shù)，提升自主創(chuàng)新能力。一方面，利用現(xiàn)有衛(wèi)星遙感技術(shù)和無人機(jī)等近地遙感技術(shù)，全面提升海洋數(shù)據(jù)采集效率和完整性；另一方面，加強(qiáng)新型海洋衛(wèi)星載荷研制，豐富國家海洋衛(wèi)星及載荷的類型和數(shù)量，鼓勵(lì)科研單位發(fā)射自主海洋小衛(wèi)星，開展以應(yīng)用為導(dǎo)向的創(chuàng)新研究。隨著海洋觀測系統(tǒng)在時(shí)空分辨率、觀測范圍、觀測要素類型等方面的快速發(fā)展，海洋大數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、信息表達(dá)等方面迎來巨大的挑戰(zhàn)，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)也提出了更高的要求。此外，海洋大數(shù)據(jù)的安全管理也是海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)需要重點(diǎn)考慮的問題。當(dāng)前我們需要明確未來海洋信息化的發(fā)展需求，突破海洋大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)國際化海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)，促進(jìn)海洋大數(shù)據(jù)共享及產(chǎn)學(xué)研協(xié)同發(fā)展，為國家海洋戰(zhàn)略和海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更加高效和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

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