海洋信息技術(shù)的發(fā)展與思考

劉彥祥,歐陽(yáng)永忠,修義瑞 ,劉亮 ,伊冬云 ,高瑩 ,黃斌

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 天津 300456;2.自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510300;3.海軍海洋水文氣象中心 北京 100161;4.廣州量元科技有限公司 廣州 510540)

0 引言

海洋約占地球表面的71%,不僅具有地理時(shí)空特征,而且在各自然地理單元中最為活躍[1],是潛力巨大的資源寶庫(kù)和支撐發(fā)展的戰(zhàn)略空間。自16世紀(jì)“地理大發(fā)現(xiàn)”興起以來(lái),人類逐漸通過(guò)認(rèn)識(shí)海洋開啟全球化發(fā)展進(jìn)程。

海洋數(shù)據(jù)的獲取早期主要通過(guò)船舶現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和人工采樣分析,隨著海洋測(cè)繪裝備研發(fā)能力和技術(shù)的不斷提升,目前已利用海洋測(cè)繪和信息技術(shù)對(duì)海洋空間地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、分析、顯示和描述。地理信息系統(tǒng)起源于20 世紀(jì)60年代初[2],20世紀(jì)末“數(shù)字地球”的提出使信息技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域得到空前擴(kuò)展。隨著測(cè)繪、遙感、計(jì)算機(jī)和信息等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展,海洋領(lǐng)域逐漸積累的多源海量數(shù)據(jù)因時(shí)空和維度的多樣化以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,給海洋科學(xué)研究帶來(lái)諸多困難。因此,亟須通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系,開發(fā)具有多源融合和綜合分析等功能的信息管理系統(tǒng),提高工作效率和數(shù)據(jù)利用率,為科學(xué)規(guī)劃和開發(fā)利用海洋以及適應(yīng)海洋科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)提供海洋數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)。

海洋信息技術(shù)對(duì)海洋信息進(jìn)行科學(xué)管理和統(tǒng)計(jì)分析,是集海洋測(cè)繪、海洋科學(xué)與信息以及計(jì)算機(jī)等學(xué)科于一體的綜合服務(wù)技術(shù)。作為海洋信息技術(shù)的有機(jī)組成部分,海洋地理信息系統(tǒng)集合GIS、數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)用數(shù)字模型等技術(shù),可為遙感數(shù)據(jù)、海圖數(shù)據(jù)、GIS和數(shù)字模型提供坐標(biāo)協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息管理和信息集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]。

目前海洋信息技術(shù)在全局統(tǒng)籌和共享安全等方面仍存在不足,高質(zhì)量開發(fā)利用海洋和保護(hù)海洋權(quán)益迫切需要發(fā)展現(xiàn)代海洋信息技術(shù)。本研究梳理國(guó)際國(guó)內(nèi)海洋信息技術(shù)的發(fā)展歷程,結(jié)合現(xiàn)代海洋科學(xué)與信息技術(shù),提出海洋信息技術(shù)建設(shè)的相關(guān)思考,以更好地為海洋可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

1 海洋信息技術(shù)的發(fā)展歷程

1.1 國(guó)際

1.1.1 探索階段(20世紀(jì)60年代至90年代初)

20世紀(jì)60年代,美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心啟動(dòng)海洋信息化研究[4],美國(guó)國(guó)家海洋測(cè)量局應(yīng)用地理信息技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化航海圖制圖。1990年美國(guó)海洋學(xué)家Manley和動(dòng)態(tài)圖形軟件專家Tallet合作發(fā)表首篇關(guān)于海洋信息的論文[5]。隨后,加拿大、美國(guó)和英國(guó)等不斷進(jìn)行海洋信息技術(shù)的應(yīng)用探索,如1991 年美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所推出海洋瀏覽器、1992年加拿大Universal System 公司推出CARIS GIS工具包、1993年MRJ公司發(fā)行CD-ROM 版全球海洋影像和數(shù)據(jù)集以及美國(guó)鷹圖公司憑借ECDIS開展航海制圖。此外,在美國(guó)RIDGE 計(jì)劃的支持下,信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)在海洋調(diào)查中的應(yīng)用。

該階段開啟信息技術(shù)在海洋領(lǐng)域的探索性應(yīng)用,形成相關(guān)應(yīng)用方案和工具包,但海洋信息技術(shù)的理論研究、技術(shù)體系構(gòu)建和專業(yè)化應(yīng)用(如航海)等問(wèn)題仍亟待解決。

1.1.2 興起階段(20世紀(jì)90年代中至21世紀(jì)初)

隨著海洋信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,高質(zhì)量的研究成果不斷涌現(xiàn),海洋漁業(yè)信息方面的專集和專著相繼出版。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,沿海國(guó)家認(rèn)識(shí)到海洋信息技術(shù)的重要性,逐漸形成SEAGIS和EUMARIS等區(qū)域性協(xié)同工作平臺(tái)[6]。研究者分別從信息獲取、模型構(gòu)建和場(chǎng)分析等方面進(jìn)行研究和實(shí)踐,如構(gòu)建5 D 模型以保證地理數(shù)據(jù)在時(shí)間和尺度上的連續(xù)性以及模擬分析渦漩變化和不同深度的海流流態(tài)[7]。

該階段對(duì)海洋信息技術(shù)的認(rèn)知更加深入,但隨著海洋信息技術(shù)理論和應(yīng)用研究成果的不斷豐富以及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展,其對(duì)系統(tǒng)的軟、硬件以及信息數(shù)據(jù)的格式、標(biāo)準(zhǔn)、存儲(chǔ)、處理和分析等的要求越來(lái)越高,尤其對(duì)模型構(gòu)建、場(chǎng)分析、可視化和預(yù)測(cè)預(yù)警等的要求更高。

1.1.3 快速發(fā)展階段(21世紀(jì)初至今)

隨著遙感、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的快速發(fā)展以及沿海國(guó)家對(duì)海洋的日益重視,海洋信息技術(shù)迎來(lái)劃時(shí)代的發(fā)展機(jī)遇。發(fā)達(dá)海洋國(guó)家均十分重視海洋信息技術(shù)的發(fā)展且投入巨大,依賴其領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢(shì),把發(fā)展海洋高科技和海洋信息技術(shù)作為海洋開發(fā)利用的重中之重,主要政策文件包括美國(guó)的《21世紀(jì)海洋藍(lán)圖》和《美國(guó)海洋行動(dòng)計(jì)劃》、日本的“海洋白皮書”、加拿大的《加拿大海洋戰(zhàn)略》、韓國(guó)的《韓國(guó)21 世紀(jì)海洋》以及歐盟的i-Marine計(jì)劃。

為提供可靠的全球氣候預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),美國(guó)于20世紀(jì)90年代主導(dǎo)開展Argo計(jì)劃,至2016年Argo已覆蓋至邊緣海和季節(jié)性冰區(qū);2019年參與Argo建設(shè)的國(guó)家和團(tuán)體達(dá)40 個(gè),累計(jì)布放浮標(biāo)超過(guò)1.5萬(wàn)個(gè)。此外,美國(guó)啟動(dòng)IOOS計(jì)劃和海洋數(shù)據(jù)獲取增強(qiáng)計(jì)劃,由此形成集海洋信息獲取、處理與管理于一體的全球體系[8]。

該階段為海洋信息技術(shù)提供廣闊的發(fā)展空間。在智能信息技術(shù)的支撐下,海洋信息技術(shù)人才培養(yǎng),大范圍、立體化和多維度原型海洋數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取,海洋災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和搜救以及可持續(xù)綠色生態(tài)發(fā)展等成為海洋信息技術(shù)發(fā)展面臨的新挑戰(zhàn)。

1.2 國(guó)內(nèi)

1.2.1 探索階段(20世紀(jì)80年代前)

該階段以搶救歷史資料和開展文獻(xiàn)管理為主[9],主要面臨如何最大限度地獲取文獻(xiàn)、檔案和歷史信息以及對(duì)其進(jìn)行電子化存儲(chǔ)和查詢的問(wèn)題。

1.2.2 興起階段(20世紀(jì)80年代初至21世紀(jì)前)

由于海洋信息技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和關(guān)注領(lǐng)域不同,信息數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、格式和質(zhì)量也有所不同,信息數(shù)據(jù)的獲取和處理等受到一定程度的限制。與此同時(shí),以海岸鏈為基線的全球數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)全面開啟海洋信息技術(shù)研發(fā)工作并取得豐富成果,我國(guó)自主研發(fā)首款海洋地理信息系統(tǒng),專題庫(kù)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索和查詢。

1.2.3 發(fā)展階段(21世紀(jì)初至“十一五”期間)

基于前期研究成果,該階段開始建設(shè)海洋信息系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)軟、硬件的升級(jí)改造。在“九五”規(guī)劃至“十一五”規(guī)劃的支持下,我國(guó)海洋信息化工作初見成效,相關(guān)研究成果不斷涌現(xiàn)。

1.2.4 高速高質(zhì)量發(fā)展階段(“十二五”期間至今)

海洋環(huán)境管理信息系統(tǒng)研發(fā)取得重要成果,《全國(guó)海洋觀測(cè)網(wǎng)規(guī)劃(2014—2020年)》和“數(shù)字海洋”等發(fā)展規(guī)劃相繼出臺(tái),海洋衛(wèi)星、岸基站和ADCP[10]等關(guān)鍵海洋信息技術(shù)和裝備得到空前發(fā)展。我國(guó)自加入Argo計(jì)劃以來(lái)累計(jì)布放400余個(gè)Argo浮標(biāo),從早期的參與國(guó)發(fā)展成具有自主研發(fā)能力和國(guó)際共享能力以及主動(dòng)承擔(dān)海洋大國(guó)責(zé)任和義務(wù)的重要成員國(guó)。隨著北斗剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心的建立,我國(guó)繼美國(guó)和法國(guó)之后第三個(gè)擁有可為Argo提供海洋剖面數(shù)據(jù)接收和處理服務(wù)的國(guó)家級(jí)平臺(tái)?！巴该骱Ｑ蟆薄皟裳笠缓！焙婉R里亞納海溝海洋科學(xué)綜合觀測(cè)網(wǎng)等的建設(shè)為經(jīng)略海洋奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該階段更加注重海洋權(quán)益維護(hù)、海洋人才培養(yǎng)、核心技術(shù)自主研發(fā)和深遠(yuǎn)海裝備技術(shù)研發(fā),同時(shí)面臨海洋可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)。

2 海洋信息技術(shù)的體系框架、關(guān)鍵技術(shù)和建設(shè)應(yīng)用

2.1 體系框架

海洋信息技術(shù)體系主要包括獲取信息數(shù)據(jù)的采集層,具有云操作系統(tǒng)等功能的設(shè)施層,整合各類信息并按標(biāo)準(zhǔn)形成基礎(chǔ)庫(kù)、關(guān)聯(lián)庫(kù)和專題庫(kù)的數(shù)據(jù)層,實(shí)現(xiàn)信息資源交換和共享的服務(wù)層以及具有信息查詢搜索等功能的應(yīng)用層(圖1)。

圖1 海洋信息技術(shù)體系框架

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)定位和頂層設(shè)計(jì)。在廣泛和充分調(diào)研的基礎(chǔ)上開展需求分析,做好海洋信息技術(shù)整體框架(宏觀)和專項(xiàng)服務(wù)(微觀)的定位和頂層設(shè)計(jì),這是持續(xù)開展海洋信息技術(shù)建設(shè)并具引領(lǐng)性作用的重要一步。

(2)數(shù)據(jù)獲取和安全管理。隨著航天/空、衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)、信息和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展,多源多維度時(shí)空數(shù)據(jù)的獲取為海洋信息技術(shù)提供海量數(shù)據(jù)。應(yīng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并對(duì)其分類管理,最終形成大數(shù)據(jù)信息資源庫(kù)(數(shù)據(jù)湖或數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)),通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息資源的快速存取、轉(zhuǎn)換、查詢和搜索,通過(guò)數(shù)據(jù)融合和同化更好地挖掘、分析和利用信息資源庫(kù)。

(3)數(shù)據(jù)分析和場(chǎng)模型構(gòu)建。通過(guò)對(duì)融合和同化數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算和定性分析特征值等處理,構(gòu)建場(chǎng)模型,最終形成安全、高效和充分共享的海洋信息管理平臺(tái)。通過(guò)構(gòu)建集信息資源庫(kù)、用戶和服務(wù)等于一體的海洋信息管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋全要素的展示、查詢、統(tǒng)計(jì)和分析,同時(shí)整合數(shù)據(jù)中心的服務(wù)。

2.3 建設(shè)應(yīng)用

海洋信息技術(shù)的建設(shè)應(yīng)用主要包括7個(gè)方面。①云計(jì)算+“陸海空天”立體觀測(cè)云網(wǎng)體系。②標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和信息安全管控體系。其中,前者是信息共享的基礎(chǔ)和核心,后者是信息安全的保障。③大數(shù)據(jù)信息資源庫(kù)。實(shí)現(xiàn)信息共享,并進(jìn)行長(zhǎng)期的更新維護(hù)。④信息管理和服務(wù)平臺(tái)。確保信息數(shù)據(jù)可靠,并解決數(shù)據(jù)中心之間的服務(wù)整合和共享問(wèn)題。⑤“一個(gè)平臺(tái)”和“一張圖”及其應(yīng)用門戶。提供一站式服務(wù)。⑥業(yè)務(wù)應(yīng)用。基于海洋測(cè)繪技術(shù)和裝備,圍繞管理和決策等開展分析研究,凸顯信息技術(shù)對(duì)海洋大數(shù)據(jù)建設(shè)的價(jià)值,使其更具針對(duì)性和可操作性,主要應(yīng)用包括海岸帶綜合開發(fā)利用、智慧漁業(yè)、海域動(dòng)態(tài)管理和海洋災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào);其中,針對(duì)港口、航標(biāo)和航道[11-12]的災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)可提升智慧港口的發(fā)展水平[13]和社會(huì)公益服務(wù)能力(如不確定海況下班輪的航線規(guī)劃[14])。⑦“智能決策”應(yīng)用。引入人工智能技術(shù),構(gòu)建集大數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析和查詢以及專家系統(tǒng)等功能于一體的智能數(shù)字應(yīng)用商店,由系統(tǒng)自主提供決策依據(jù),減少人工干預(yù),從而提高管理水平。

3 挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)

海洋信息技術(shù)是人類認(rèn)知海洋、經(jīng)略海洋和保護(hù)海洋的重要手段,其建設(shè)面臨海洋經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展以及人與自然和諧共生的挑戰(zhàn),挑戰(zhàn)的應(yīng)對(duì)主要包括4個(gè)方面。①順應(yīng)全球經(jīng)濟(jì)一體化和海洋經(jīng)濟(jì)振興的發(fā)展潮流,以海洋信息技術(shù)助力生態(tài)海洋發(fā)展以及政府宏觀調(diào)控和科學(xué)決策;②在國(guó)家頂層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上逐層分級(jí)并切實(shí)有效地發(fā)展海洋信息技術(shù);③根據(jù)我國(guó)海洋開發(fā)利用的需求,建立國(guó)家級(jí)海洋信息技術(shù)平臺(tái),應(yīng)用新型海洋信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息探測(cè)、傳輸和融合的無(wú)縫結(jié)合,實(shí)現(xiàn)“三全”信息覆蓋[15],服務(wù)海洋生態(tài)文明建設(shè)和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展;④加強(qiáng)人才培養(yǎng),通過(guò)主動(dòng)承辦世界海洋盛會(huì)加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流和技術(shù)展示,為行業(yè)發(fā)展?fàn)I造良好氛圍。

4 結(jié)語(yǔ)

海洋測(cè)繪裝備和技術(shù)是獲取海洋信息的重要手段,海洋信息技術(shù)是認(rèn)知海洋和經(jīng)略海洋的重要保障。目前我國(guó)具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的海洋信息技術(shù)仍較薄弱,一些重要技術(shù)裝備仍依賴進(jìn)口。應(yīng)強(qiáng)化高端海洋測(cè)繪裝備和技術(shù)的自主研發(fā),基于云計(jì)算+“陸?？仗臁庇^測(cè)網(wǎng)的云網(wǎng)體系,運(yùn)用模型算法、人工智能和數(shù)據(jù)庫(kù)等現(xiàn)代技術(shù),構(gòu)建集信息智能采集、信息資源庫(kù)、信息共享和安全、數(shù)據(jù)高效挖掘分析以及多源多維異質(zhì)異構(gòu)數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)于一體的現(xiàn)代海洋信息技術(shù)體系;通過(guò)物理模型和傳感器獲取數(shù)據(jù)的仿真過(guò)程,在虛擬空間中完成映射,接入海洋多源信息并建設(shè)信息資源庫(kù),在安全管控體系下實(shí)現(xiàn)信息共享和總線服務(wù)的專業(yè)應(yīng)用,從多維度和業(yè)務(wù)場(chǎng)景等方面開展對(duì)海洋信息技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐;明確海洋信息技術(shù)的體系框架、適用范圍和維護(hù)方式,保障可持續(xù)地為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋生態(tài)文明建設(shè)和海洋公益服務(wù)等提供支持。隨著“一帶一路”空間信息走廊和國(guó)家海底長(zhǎng)期科學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè),海洋信息技術(shù)將呈現(xiàn)更加高效、智能、實(shí)時(shí)、可視和共享安全的特征,實(shí)現(xiàn)智慧海洋、美麗海洋和生態(tài)海洋的偉大夢(mèng)想。