海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

錢(qián)程程 陳 戈

1 國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心 青島 266061 2 中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 青島 266000 3 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266000

現(xiàn)代海洋科學(xué)的發(fā)展古往今來(lái)經(jīng)歷了 3 個(gè)階段：①理論牽引階段。該階段的許多重大理論圓滿(mǎn)地解釋了海洋中的物理現(xiàn)象，長(zhǎng)足推進(jìn)了人們對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)。雖然該階段缺少觀測(cè)資料，但是發(fā)展的理論基本都具有里程碑的意義。② 觀測(cè)牽引階段。該階段各類(lèi)觀測(cè)手段逐漸發(fā)展起來(lái)，主要包括海洋調(diào)查船、浮標(biāo)、潛水器、遙感以及 Argo 監(jiān)測(cè)網(wǎng)等。③數(shù)據(jù)牽引階段。隨著觀測(cè)技術(shù)手段的不斷豐富，也帶來(lái)了數(shù)據(jù)量的不斷攀升，海洋科學(xué)迎來(lái)了第三階段。從 2008 年開(kāi)始，Nature、Science、Economist 等雜志及 Computing Community Consortium（計(jì)算社區(qū)聯(lián)盟）等組織將“大數(shù)據(jù)”引入到各個(gè)領(lǐng)域[1-6]?！按髷?shù)據(jù)”被定義為數(shù)據(jù)量增長(zhǎng)速度快，用常規(guī)的數(shù)據(jù)工具無(wú)法在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和計(jì)算的數(shù)據(jù)集合，擁有數(shù)據(jù)量大（volume）、類(lèi)型繁多（variety）、價(jià)值密度低（value）、速度快時(shí)效高（velocity）和在線(xiàn)式（online）五大特征[7,8]。由于海洋數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛、種類(lèi)繁多，數(shù)據(jù)量已增至 PB 量級(jí)，時(shí)間分辨率跨越不同尺度，同時(shí)需要及時(shí)處理分析用于各類(lèi)決策支撐，因此海洋數(shù)據(jù)已然成為“大數(shù)據(jù)”的典范。

但是海洋大數(shù)據(jù)的獨(dú)特性質(zhì)，使得傳統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、技術(shù)手段已逐漸暴露其弊端。海洋大數(shù)據(jù)有兩個(gè)區(qū)別于其他數(shù)據(jù)的典型特征——時(shí)空耦合和地理關(guān)聯(lián)。

（1）時(shí)空耦合。海洋大數(shù)據(jù)為同時(shí)擁有時(shí)間與空間屬性的數(shù)據(jù)，即多維度數(shù)據(jù)。尤其隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)據(jù)維度的采集分辨率與頻率都越來(lái)越高。因此，數(shù)據(jù)分析過(guò)程需要同時(shí)從時(shí)間軸和空間軸兩個(gè)維度進(jìn)行分析，而在時(shí)間軸和空間軸上分析的因素又是多樣的、高維的，這給大數(shù)據(jù)的分析帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)[9]①Spatiotemporal database. [2018-07-20]. http://en.wikipedia.org/wiki/Spatiaotemporal_data base.。

（2）地理關(guān)聯(lián)。海洋大數(shù)據(jù)不同于其他大數(shù)據(jù)的隨機(jī)性與偶然性，由于其地理屬性有著近鄰效應(yīng)，相鄰區(qū)域空間位置關(guān)系存在線(xiàn)性或非線(xiàn)性的關(guān)聯(lián)，從而組成了不同時(shí)空尺度的模態(tài)特征。

因此，在海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展過(guò)程中存在著諸多挑戰(zhàn)。本文將從海洋大數(shù)據(jù)上、中、下游全鏈條論述海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上提出未來(lái) 5—10年海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)發(fā)展的主要方向和關(guān)鍵技術(shù)。

1 海洋大數(shù)據(jù)獲取現(xiàn)狀

海洋大數(shù)據(jù)的獲取手段主要得益于海洋觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展。目前海洋觀測(cè)呈現(xiàn)出多元化、立體化、實(shí)時(shí)化的特征。從早期利用海洋調(diào)查船到浮標(biāo)、潛水器、遙感的使用，再到海洋觀測(cè)網(wǎng) Argo 等的實(shí)現(xiàn)，無(wú)一不展現(xiàn)了人類(lèi)不斷探索海洋的決心與智慧。

（1）海洋調(diào)查船。這是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)從事海洋科學(xué)調(diào)查研究的船只，是搭載海洋儀器設(shè)備直接觀測(cè)海洋、采集樣品和研究海洋的工具。海洋調(diào)查船按其調(diào)查任務(wù)可分為綜合調(diào)查船、專(zhuān)業(yè)調(diào)查船以及特種調(diào)查船[10]。從世界上第一艘海洋調(diào)查船——“挑戰(zhàn)者”號(hào)開(kāi)始，已有 100 多年的歷史。中國(guó)第一艘海洋調(diào)查船——“金星”號(hào)始于 1956 年，目前中國(guó)已有共近 50 艘海洋調(diào)查船。目前，全球超過(guò) 40 個(gè)國(guó)家擁有海洋科考船，總數(shù)量超過(guò) 500 艘。

（2）海洋浮標(biāo)。這是一類(lèi)用于承載各類(lèi)探測(cè)海洋和大氣傳感器的海上平臺(tái)，是海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分[10]。根據(jù)浮標(biāo)在海上所處位置不同，可分為錨定浮標(biāo)、潛標(biāo)、漂流浮標(biāo)等。海洋錨定浮標(biāo)最早出現(xiàn)于二戰(zhàn)期間；20 世紀(jì) 70 年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和衛(wèi)星通信技術(shù)在浮標(biāo)應(yīng)用中的出現(xiàn)，使得浮標(biāo)技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了飛躍期。海洋浮標(biāo)在中國(guó)的開(kāi)發(fā)研制始于 20 世紀(jì) 60 年代中期，90 年代開(kāi)始正式投入使用。目前，中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了海洋浮標(biāo)監(jiān)測(cè)的大國(guó)俱樂(lè)部[11]。

（3）潛水器。又稱(chēng)為深潛器，是一種自帶推動(dòng)力的海洋考察設(shè)備——既能在水面行駛，又能在水下獨(dú)立開(kāi)展工作[10]。1554 年意大利人塔爾奇利亞發(fā)明的木質(zhì)球形潛水器，對(duì)后來(lái)潛水器的研制產(chǎn)生了巨大影響。1717 年英國(guó)人哈雷設(shè)計(jì)了第一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的潛水器，此后直到 20 世紀(jì) 60 年代②AUV. [2018-07-20]. https://en.wikipedia.org/wiki/Autonomous_underwater_vehicle.，人類(lèi)對(duì)潛水器的研制主要致力于下潛深度的突破?！膀札垺碧?hào)是中國(guó)自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的深海載人潛水器，目前以下潛深度 7 062 m，成為世界上下潛能力最深的作業(yè)型載人潛水器③國(guó)家深?；毓芾碇行? [2018-07-20]. http://www.ndsc.org.cn/.。

（4）海洋遙感。該方法是利用傳感器對(duì)海洋進(jìn)行遠(yuǎn)距離非接觸觀測(cè)，以獲取海洋景觀和海洋要素的圖像或數(shù)據(jù)資料；其發(fā)展歷程大致可分為起步期（1939—1969 年）、試驗(yàn)期（1970—1977 年）、研究期（1978—1991 年）、應(yīng)用期（1992 年至今）[12]。20 世紀(jì) 90 年代，遙感衛(wèi)星開(kāi)始大量發(fā)射；截至 2012 年底，在軌衛(wèi)星數(shù)量為 115 顆，涉及超過(guò) 30 個(gè)空間機(jī)構(gòu)[13,14]。預(yù)測(cè)到 2030 年還會(huì)再有 156 顆衛(wèi)星發(fā)射，屆時(shí)總數(shù)將達(dá)到 271 顆。

（5）海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)的 Seaweb 是世界上最早部署和應(yīng)用的海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)；Argo 計(jì)劃則是由美國(guó)海洋科學(xué)家于 1998 年倡導(dǎo)發(fā)起的一個(gè)監(jiān)測(cè)全球海洋的大型網(wǎng)絡(luò)，全世界幾十個(gè)國(guó)家參與其中。截至 2018 年 7 月，布放在全球海洋中仍處于工作狀態(tài)的 Argo 剖面浮標(biāo)已達(dá) 3 762 個(gè)④Argo. [2018-07-20]. http://www.argo.ucsd.edu/.。未來(lái)，Argo 剖面浮標(biāo)將增加到近 4 000 個(gè)；在維持現(xiàn)有 Argo 觀測(cè)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，新的 Argo 浮標(biāo)觀測(cè)范圍將擴(kuò)大到海面 2 000 m 以下甚至海底，同時(shí)攜帶安裝生物、地球、化學(xué)等新型傳感器。

在海洋大數(shù)據(jù)的獲取方面，雖然已實(shí)現(xiàn)了基于空基-天基-地基-?；亩嘣Ⅲw實(shí)時(shí)化發(fā)展，但是亟待突破深海、極端環(huán)境和高分辨率的大數(shù)據(jù)獲取技術(shù)及平臺(tái)的發(fā)展脈絡(luò)，同時(shí)如何基于空間數(shù)據(jù)的時(shí)空耦合與地理關(guān)聯(lián)特性，面向空間研究對(duì)象合理布設(shè)、高效利用觀測(cè)手段成為數(shù)據(jù)獲取階段的挑戰(zhàn)。

2 海洋大數(shù)據(jù)分析技術(shù)現(xiàn)狀

海洋大數(shù)據(jù)從上游獲取后，在中游主要涉及存儲(chǔ)管理、挖掘及表達(dá)可視化等分析技術(shù)。

（1）海洋大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理。世界各主要海洋國(guó)家均有負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和管理的海洋數(shù)據(jù)中心。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的地球觀測(cè)中心建立了地球觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)，存儲(chǔ)和管理全部數(shù)據(jù)，采用的是分布式開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)[15]；歐洲航天局（ESA）也建立了采取基于任務(wù)的分布式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中心[16]。中國(guó)目前海洋衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用由千兆交換機(jī)連接構(gòu)成的 NAS （網(wǎng)絡(luò)接入存儲(chǔ)）三級(jí)存儲(chǔ)體系，主要采用磁盤(pán)陣列加光盤(pán)存儲(chǔ)的方式[17]。國(guó)外的海洋大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用了邏輯上集中，物理上分散的分布式服務(wù)器集群存儲(chǔ)架構(gòu)；而國(guó)內(nèi)的海洋大數(shù)據(jù)還屬于地域上的集中式服務(wù)器存儲(chǔ)——隨著數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，在線(xiàn)存儲(chǔ)資源有限，難以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)存儲(chǔ)資源的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和靈活配置，離線(xiàn)數(shù)據(jù)獲取耗時(shí)，無(wú)法在線(xiàn)直接訪(fǎng)問(wèn)任意數(shù)據(jù)。

（2）海洋大數(shù)據(jù)挖掘分析。目前已有 MapReduce、Storm、StreamBase、Pregel 等先進(jìn)的并行計(jì)算框架[18-20]⑤Twitter Storm. [2018-07-20]. http://www.oschina.net/p/twitter-storm.，且在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。海洋大數(shù)據(jù)在信息挖掘過(guò)程中也從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)正交法（EOF）發(fā)展到了具有時(shí)空解耦特性的四維諧波提取法（4D-HEM）[21-24]。但是由于海洋大數(shù)據(jù)的時(shí)空耦合及地理關(guān)聯(lián)特性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘算法無(wú)法有效地進(jìn)行時(shí)空解耦與地理分解，使得挖掘算法成為海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)全鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中亟待改進(jìn)與調(diào)整的重要屏障[25]。

（3）海洋大數(shù)據(jù)表達(dá)可視化。利用科學(xué)可視化技術(shù)展示海洋數(shù)據(jù)以及更進(jìn)一步地利用可視化分析技術(shù)挖掘時(shí)空數(shù)據(jù)規(guī)律，是建立從感知到認(rèn)知的關(guān)鍵技術(shù)橋梁。海洋矢量場(chǎng)可視化算法主要有圖表法、幾何法[26,27]、紋理法[28]、拓?fù)浞╗29]等。標(biāo)量場(chǎng)可視化算法在大規(guī)模體繪制[30-32]、實(shí)時(shí)光照[33,34]、多變量提特征提取[32,35]、二維時(shí)空可視化等方面都取得了重要成果[36-39]。但是隨著海洋數(shù)據(jù)體量的繼續(xù)增大，對(duì)可視化表達(dá)方式、處理效能等方面都提出了非常高的要求，需要一方面盡可能真實(shí)地反映數(shù)據(jù)的特性，另一方面充分提供系統(tǒng)的承載能力和處理能力，提高數(shù)據(jù)的更新和繪制能力。

縱觀國(guó)內(nèi)外海洋大數(shù)據(jù)的分析技術(shù)研究，中國(guó)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理及挖掘方面仍處于跟跑階段，但在可視化分析方面已實(shí)現(xiàn)并跑。

3 海洋大數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀

海洋大數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及氣候預(yù)測(cè)等提供決策支撐。目前，世界各國(guó)都在積極投入“數(shù)字海洋”的建設(shè)，并為進(jìn)一步建設(shè)“智慧海洋”平臺(tái)奠定基礎(chǔ)，如美國(guó)和加拿大制定的“海王星”計(jì)劃、日本的“ARANA”計(jì)劃、非洲沿海 25 國(guó)的“非洲近海資源數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)”以及中國(guó)的“iOcean”平臺(tái)等⑥。海洋大數(shù)據(jù)在氣候預(yù)警報(bào)決策支撐方面，主要是建立在高性能集群基礎(chǔ)上的完備數(shù)值預(yù)報(bào)體系[40]。例如：美國(guó)大氣海洋局（NOAA）計(jì)劃在 2023 年推出 WoF（Warn-on-Forecast）系統(tǒng)。該系統(tǒng)可為美國(guó)及其臨近海域提供精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)和災(zāi)害預(yù)警——美國(guó)本土計(jì)算網(wǎng)格大小精細(xì)至 3—10 km，全球區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格精細(xì)至 15 km；該系統(tǒng)的計(jì)算需求高達(dá) 1 萬(wàn)億億次。中國(guó)系列海洋衛(wèi)星產(chǎn)品在赤潮/綠潮監(jiān)測(cè)、海冰監(jiān)測(cè)、漁業(yè)生產(chǎn)和水質(zhì)調(diào)查等方面也得到了全面的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。其中，HY-2 產(chǎn)品應(yīng)用于中國(guó)與歐盟的數(shù)值模式預(yù)報(bào)及多源融合產(chǎn)品中，而高分辨率海面溫度產(chǎn)品在馬航失聯(lián)客機(jī)海上搜救保障、極地大洋航線(xiàn)中提供了重要的支撐保障[17]。

目前，海洋相關(guān)行業(yè)都在積極推動(dòng)海洋大數(shù)據(jù)在行業(yè)中的應(yīng)用，關(guān)注海洋科學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)和新發(fā)明，并推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化落地。然而，行業(yè)應(yīng)用在大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)型中畢竟是個(gè)新形態(tài)、新過(guò)程，可以借鑒和參考的經(jīng)驗(yàn)不多，海洋大數(shù)據(jù)應(yīng)用的行業(yè)落地過(guò)程還有不少問(wèn)題需要解決。隨著大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)的研究不斷取得突破，傳統(tǒng)行業(yè)如何重新審視自己的發(fā)展戰(zhàn)略，積極拓展行業(yè)內(nèi)部（上、下游）之間、行業(yè)之間的數(shù)據(jù)更好地融合與利用是海洋大數(shù)據(jù)應(yīng)用中的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

4 未來(lái)發(fā)展方向

圍繞國(guó)家海洋發(fā)展戰(zhàn)略，明確未來(lái) 5—10 年海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)發(fā)展的方向，確定海洋科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，提出推進(jìn)海洋數(shù)據(jù)科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵步驟和重點(diǎn)支持領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)從“數(shù)據(jù)大”困境到“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變。

（1）研究海洋科學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)融合發(fā)展的主要方向與理論。分析海洋大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，結(jié)合海洋科學(xué)各領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，探索海洋科學(xué)與數(shù)據(jù)科學(xué)融合發(fā)展的核心問(wèn)題，明確未來(lái) 5—10 年海洋數(shù)據(jù)科學(xué)的重點(diǎn)發(fā)展方向；以海洋科研需求推動(dòng)數(shù)據(jù)科研體系發(fā)展，建立有效推動(dòng)海洋科研的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法。

（2）探索支撐海洋大數(shù)據(jù)發(fā)展的重點(diǎn)觀測(cè)和探測(cè)計(jì)劃。根據(jù)海洋科學(xué)發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀、結(jié)合海洋科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)與國(guó)家海洋戰(zhàn)略發(fā)展需求，分析研究支撐未來(lái) 5—10 年海洋大數(shù)據(jù)發(fā)展的重點(diǎn)觀測(cè)和探測(cè)區(qū)域，從海、陸、空、天、時(shí) 5 個(gè)維度深入探索形成海洋大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)和能力。

（3）研究適應(yīng)大數(shù)據(jù)特點(diǎn)的海洋科學(xué)和信息科學(xué)發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)海洋科學(xué)的綜合與交叉學(xué)科特性，分析海洋大數(shù)據(jù)在物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)等主要海洋學(xué)科發(fā)展過(guò)程中的作用和影響，探索海洋大數(shù)據(jù)與各學(xué)科交叉融合過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，以及云存儲(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、泛在計(jì)算、交互可視、混合現(xiàn)實(shí)等前沿信息技術(shù)在海洋中的應(yīng)用前景，為構(gòu)建面向現(xiàn)代海洋科學(xué)的大數(shù)據(jù)分析學(xué)理論與大數(shù)據(jù)海洋學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)體系提供指導(dǎo)。

（4）研究海洋大數(shù)據(jù)的共享機(jī)制和協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)需求。根據(jù)“海洋強(qiáng)國(guó)”“一帶一路”“海陸統(tǒng)籌”和“軍民融合”等國(guó)家戰(zhàn)略，以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)海洋科學(xué)各領(lǐng)域的具體需求，分析海洋大數(shù)據(jù)的共享機(jī)制，研究建設(shè)海洋大數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)和建設(shè)規(guī)劃，形成產(chǎn)、學(xué)、研、用的有機(jī)融合。

（5）探索應(yīng)用海洋大數(shù)據(jù)的新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與科技需求。以大數(shù)據(jù)感知、計(jì)算、信息產(chǎn)品三大類(lèi)數(shù)據(jù)服務(wù)為基礎(chǔ)，圍繞海洋科學(xué)、海洋健康與生物多樣性、全球氣候變化、海洋水產(chǎn)品食物安全、海洋污染與人類(lèi)健康、海洋災(zāi)難與海事安全、藍(lán)色經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域的需求，分析應(yīng)用海洋大數(shù)據(jù)的新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，推進(jìn)海洋科技與藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的深度融合。

5 結(jié)語(yǔ)

海洋大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。國(guó)際社會(huì)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)對(duì)于人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的重要性，世界各國(guó)也意識(shí)到海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)對(duì)國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升具有重要標(biāo)志性意義。海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)從上、中、下游逐步攻堅(jiān)克難，真正將其發(fā)展成為保障“海洋強(qiáng)國(guó)”“一帶一路”“海陸統(tǒng)籌”和“軍民融合”等國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施的重要支撐，以及維護(hù)中國(guó)國(guó)家與人民利益的重要保障。