膠州灣海洋生態(tài)保護(hù)信息化平臺(tái)設(shè)計(jì)

于慶云韓錫錫姜錫仁宋文鵬曲亮孟小嵩

(1.國(guó)家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 青島 266033;2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266033)

0 引言

膠州灣(35°38'～35°18'N、120°04'～120°23'E)地處山東半島南岸的西部,瀕臨南黃海西部,是中型半封閉淺海灣,面積約370 km2,岸線長(zhǎng)約204 km。膠州灣內(nèi)港口航運(yùn)、濱海旅游和海洋漁業(yè)發(fā)達(dá),環(huán)灣陸域聚集海洋高新技術(shù)和海洋生物等眾多藍(lán)色經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè),是集港口、旅游、漁業(yè)和文化等功能于一體的多功能型海灣。

近年來(lái),膠州灣海域面臨較嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。主要包括5個(gè)方面：①陸源排污量較大。受陸源排污影響,墨水河、海泊河、李村河和大沽河河口鄰近海域的污染物濃度明顯高于膠州灣中部。②濕地退化,生態(tài)系統(tǒng)受到破壞。膠州灣濱海濕地總面積1986—1995年縮小248 hm2,1995—2010年縮小1 128 hm2,一些依賴濕地生存的物種逐漸減少和滅絕。③岸線功能脆弱,濱海景觀較差。膠州灣自然岸線由1863年的約200 km 減至2014年的約80 km,東、西岸的大部分自然岸線被碼頭、池塘養(yǎng)殖區(qū)和鹽田取代。④海域面積縮小,納潮量降低。1863年膠州灣的海域面積約578 km2,而2014年僅有341 km2;1935年膠州灣的納潮量為11.8億m3,至2012年減至7億m3,納潮量的減少直接導(dǎo)致海灣與外海之間的水交換強(qiáng)度以及污染物遷移擴(kuò)散速率下降,海灣自凈能力減弱,灣底乃至青島港出現(xiàn)污染物淤積。⑤生態(tài)災(zāi)害頻發(fā),突發(fā)性環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大。膠州灣沿岸分布大量石化產(chǎn)業(yè)和港口碼頭,高密度的產(chǎn)業(yè)布局和海上危險(xiǎn)品運(yùn)輸不但加大膠州灣的環(huán)境污染壓力,而且?guī)?lái)巨大的生態(tài)環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn),1989年以來(lái)發(fā)生數(shù)次溢油事故,綠潮、赤潮和水母等生態(tài)災(zāi)害頻發(fā)[1-6]。

通過(guò)開(kāi)展膠州灣海洋生態(tài)保護(hù)信息化能力建設(shè),實(shí)現(xiàn)海洋生態(tài)保護(hù)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)施的虛擬化和資源池化,最大限度地發(fā)揮青島市電子政務(wù)硬件資源的效能,在此基礎(chǔ)上,建設(shè)智慧膠州灣綜合管理平臺(tái)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的協(xié)同和共享,提供身份認(rèn)證、標(biāo)準(zhǔn)、模型、知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)共享和GIS等一系列公共服務(wù);從實(shí)際業(yè)務(wù)需求出發(fā),重點(diǎn)構(gòu)建膠州灣海洋生態(tài)保護(hù)的特色應(yīng)用平臺(tái),以滿足新形勢(shì)下膠州灣海洋生態(tài)保護(hù)對(duì)信息化管理的迫切需求。

1 平臺(tái)建設(shè)背景

近年來(lái),我國(guó)海洋生態(tài)文明建設(shè)備受關(guān)注。2015年《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見(jiàn)》對(duì)海洋生態(tài)文明建設(shè)提出具體要求,包括“加強(qiáng)海洋環(huán)境治理、海域海島綜合整治、生態(tài)保護(hù)修復(fù),有效保護(hù)重要、敏感和脆弱海洋生態(tài)系統(tǒng)”和“實(shí)施嚴(yán)格的圍填?？偭靠刂浦贫取⒆匀话毒€控制制度,建立陸海統(tǒng)籌、區(qū)域聯(lián)動(dòng)的海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)機(jī)制”等[7]。青島市委、市政府深入實(shí)施藍(lán)色保障戰(zhàn)略,不斷強(qiáng)化海洋綜合管理,加快建設(shè)海洋生態(tài)文明,陸續(xù)制定《青島市海洋環(huán)境保護(hù)規(guī)定》《青島市海域使用管理?xiàng)l例》和《青島市膠州灣保護(hù)條例》等7部地方性海洋法規(guī),同時(shí)編制《青島市海洋生態(tài)文明示范區(qū)規(guī)劃》(2015—2020 年),科學(xué)指引海洋生態(tài)文明建設(shè)各項(xiàng)工作的有序開(kāi)展[8]。

“智慧海洋”是海洋管理的信息化形式,建立網(wǎng)上協(xié)同、網(wǎng)下協(xié)作和雙空間高度融合的智慧膠州灣綜合管理平臺(tái),是膠州灣海洋生態(tài)保護(hù)管理的新模式。綜合運(yùn)用視頻感知、識(shí)別感知、屬性感知和位置感知等物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù),建立全方位的信息管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)、海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)視頻的融合集成管理;通過(guò)完善膠州灣海洋生態(tài)數(shù)據(jù)中心,形成智慧分析決策模式,并通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)中心的有效管理,建立科學(xué)的運(yùn)行評(píng)估體系,促進(jìn)膠州灣海洋生態(tài)文明建設(shè),協(xié)助青島市相關(guān)政府部門根據(jù)業(yè)務(wù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)分析市場(chǎng)需求,引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)聚集發(fā)展、資源開(kāi)發(fā)利用和企業(yè)生產(chǎn)資源的合理配置[9-10]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

智慧膠州灣綜合管理平臺(tái)以實(shí)際業(yè)務(wù)需求為基本出發(fā)點(diǎn),以適應(yīng)未來(lái)信息化發(fā)展趨勢(shì)為基本準(zhǔn)則,立足于服務(wù)膠州灣生態(tài)環(huán)境綜合整治修復(fù)工作,實(shí)現(xiàn)膠州灣海洋生態(tài)保護(hù)和海洋經(jīng)濟(jì)管理的手段智能化、信息透明化和管理規(guī)范化。

2.1 平臺(tái)化

全面貫徹平臺(tái)化的建設(shè)思路,有效應(yīng)對(duì)需求變更和管理改革等帶來(lái)的系統(tǒng)應(yīng)用變化,減少因系統(tǒng)改造導(dǎo)致的重復(fù)投入和不穩(wěn)定性等,完美應(yīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需求和管理的變化,極大地降低系統(tǒng)維護(hù)和后續(xù)進(jìn)階型建設(shè)的工作量和投入,增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2 開(kāi)放性

為降低項(xiàng)目運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),滿足高級(jí)應(yīng)用需求,系統(tǒng)建設(shè)在統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一安全認(rèn)證和統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)等的基礎(chǔ)上,遵循高開(kāi)放性的原則,實(shí)現(xiàn)與主流產(chǎn)品化應(yīng)用軟件的集成。

強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)放性和集成性,基于面向服務(wù)的架構(gòu)(SOA)的理念和技術(shù),使平臺(tái)既能快速與其他系統(tǒng)完成整合,又能順利與第三方系統(tǒng)開(kāi)展協(xié)作。

2.3 “一平臺(tái)”

由于平臺(tái)涉及多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)、技術(shù)和設(shè)備的集成,系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化,采用的管理工具眾多,在系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中,須屏蔽后端的復(fù)雜結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)“一平臺(tái)”管理。在“一平臺(tái)”的基礎(chǔ)上,進(jìn)行協(xié)議集成、技術(shù)集成、網(wǎng)絡(luò)集成、數(shù)據(jù)集成和應(yīng)用集成,運(yùn)用多手段和多技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和應(yīng)用的整合方案。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

智慧膠州灣綜合管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)深度整合膠州灣海洋基礎(chǔ)地理、海洋在線監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋資源和海上交通等海洋數(shù)據(jù)以及水利等涉海數(shù)據(jù),具備完善的數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ)和更新機(jī)制。海洋基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)包括海岸帶和海域行政界線、海洋功能區(qū)劃、濱海濕地、保護(hù)區(qū)和海洋公園、生態(tài)保護(hù)紅線以及海洋工程等信息數(shù)據(jù)。海洋在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括衛(wèi)星和航空等的遙感影像和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)以及岸基和浮標(biāo)等的監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括對(duì)膠州灣和青島市的海域生態(tài)環(huán)境、生態(tài)監(jiān)控區(qū)、陸源污染物、重點(diǎn)示范區(qū)、海洋功能區(qū)和建設(shè)項(xiàng)目的海洋環(huán)境影響和海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的信息數(shù)據(jù)。海洋資源數(shù)據(jù)庫(kù)包括岸線和近海土地資源、港口航道資源、生物資源、水資源、海洋能源、旅游資源以及海島資源等的信息數(shù)據(jù)。海上交通數(shù)據(jù)庫(kù)包括航道、碼頭和?；饭芾淼鹊男畔?shù)據(jù)。水利數(shù)據(jù)庫(kù)包括入海江河、排污口、降水量、城市供排水、地下水和水文徑流量等的信息數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)采用基于3NF 的設(shè)計(jì)方法。基本思想是：在需求分析的基礎(chǔ)上,確定數(shù)據(jù)庫(kù)模式中的全部屬性以及屬性之間的依賴關(guān)系,并將其組織在單一的關(guān)系模式中;分析模式中不符合3NF的約束條件,并將其投影分解,規(guī)范成若干個(gè)3NF 關(guān)系模式的集合。

4 平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)

智慧膠州灣綜合管理平臺(tái)是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施(遙感、浮標(biāo)和視頻等)、云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施和地理空間基礎(chǔ)設(shè)施等全息技術(shù)以及綜合集成法和全媒體融合通信終端等工具和方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)膠州灣海洋生態(tài)保護(hù)管理信息的透徹感知、互聯(lián)互通和智能融合(圖1)。

4.1 海洋環(huán)境立體實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

集成視頻和浮標(biāo)等在線監(jiān)測(cè)技術(shù)手段,構(gòu)建包括設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、在線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和多源信息實(shí)時(shí)處理的膠州灣海洋環(huán)境立體實(shí)時(shí)在線監(jiān)控體系,可實(shí)現(xiàn)對(duì)膠州灣海洋環(huán)境從狀態(tài)監(jiān)測(cè)到過(guò)程監(jiān)控的轉(zhuǎn)變以及從現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)到預(yù)警預(yù)報(bào)的轉(zhuǎn)變,提升對(duì)膠州灣海洋環(huán)境現(xiàn)狀、主要污染源、重要功能區(qū)、生態(tài)敏感區(qū)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和人為活動(dòng)等的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)管控能力。

海洋環(huán)境立體實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

圖2 海洋環(huán)境立體實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4.2 海洋智慧分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè),集成膠州灣海洋環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),包括監(jiān)測(cè)站位、項(xiàng)目和數(shù)據(jù)等,并根據(jù)海洋環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立評(píng)價(jià)模型,構(gòu)建膠州灣海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和模型庫(kù)?；贕IS平臺(tái)服務(wù)的電子地圖應(yīng)用,結(jié)合統(tǒng)計(jì)圖、專題圖和平面分布圖等,以圖形為導(dǎo)向,從時(shí)間和空間的角度對(duì)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行分析評(píng)價(jià),掌握膠州灣不同尺度生境要素的時(shí)空分布特征,評(píng)價(jià)海洋環(huán)境現(xiàn)狀及其演變趨勢(shì)。

4.3 海洋保護(hù)與管理信息系統(tǒng)

海洋保護(hù)與管理信息系統(tǒng)的主要信息包括海洋保護(hù)區(qū)現(xiàn)狀和保護(hù)規(guī)劃等,如海域、海島和岸線等的開(kāi)發(fā)保護(hù)現(xiàn)狀和規(guī)劃。基于GIS平臺(tái)對(duì)保護(hù)區(qū)建設(shè)、整治修復(fù)項(xiàng)目和海水浴場(chǎng)等進(jìn)行管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)信息資源的新增、編輯、更新、導(dǎo)入、導(dǎo)出和專題地圖發(fā)布等功能。

4.4 海洋功能區(qū)管控信息系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)行有效的膠州灣海洋功能區(qū)劃,將膠州灣管轄海域分割為獨(dú)立的功能海域,并賦予其不同的環(huán)境管控要求以及預(yù)警指標(biāo)和閾值。對(duì)水質(zhì)、沉積物和生物質(zhì)量等功能進(jìn)行評(píng)價(jià),并以圖層疊加的形式展示。

(1)功能區(qū)管控要求管理。通過(guò)系統(tǒng)界面錄入功能區(qū)管控要求,結(jié)合海洋功能區(qū)劃的地理位置,便于用戶根據(jù)區(qū)域位置查看其對(duì)應(yīng)的功能區(qū)環(huán)境管控要求。功能區(qū)管控要求以文本信息的形式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中,在調(diào)用時(shí)通過(guò)空間定位匹配至對(duì)應(yīng)區(qū)域并展示。可更新功能區(qū)管控要求信息并重新保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中,當(dāng)用戶再次通過(guò)功能區(qū)底圖查看時(shí)可獲取最新的功能區(qū)管控要求信息。

(2)功能區(qū)管控要求展示。在功能區(qū)劃的基礎(chǔ)地圖上展示膠州灣功能區(qū),在選擇某個(gè)區(qū)域時(shí)可查看該區(qū)域的環(huán)境管控要求以及預(yù)警指標(biāo)和閾值。

(3)功能區(qū)管控指標(biāo)和閾值管理。通過(guò)系統(tǒng)界面錄入功能區(qū)對(duì)應(yīng)的管控指標(biāo)和閾值,并賦予不同功能區(qū)各自要求的管控指標(biāo)和閾值,便于用戶查看以及系統(tǒng)自動(dòng)分析和預(yù)警。功能區(qū)管控指標(biāo)和閾值信息以屬性數(shù)據(jù)的方式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,便于系統(tǒng)調(diào)用和分析?？筛鹿δ軈^(qū)管控指標(biāo)和閾值并重新保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中,當(dāng)系統(tǒng)再次調(diào)用時(shí)可訪問(wèn)最新的功能區(qū)管控指標(biāo)和閾值信息。

(4)功能區(qū)管控指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果和功能區(qū)指標(biāo)要求信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以文字、圖片和表格的形式展示海洋功能區(qū)環(huán)境指標(biāo)的達(dá)標(biāo)情況。

4.5 海洋經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng)

(1)海洋經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)膠州灣海洋經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)海洋經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)膠州灣臨港工業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)、涉海企業(yè)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、涉海就業(yè)、海洋科技、海洋教育、海洋管理監(jiān)督和涉外經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等信息的監(jiān)測(cè)、審核、匯總和整理,提升對(duì)全區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況和發(fā)展環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力。

(2)海洋經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)估系統(tǒng)。以海洋經(jīng)濟(jì)監(jiān)測(cè)和采集的信息為基礎(chǔ),根據(jù)海洋經(jīng)濟(jì)評(píng)估內(nèi)容,綜合利用多種評(píng)估方法和模型,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)海洋經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)估系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)膠州灣海洋經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況、運(yùn)行規(guī)律和存在問(wèn)題的分析和評(píng)估,預(yù)測(cè)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì),并對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警,為膠州灣海洋經(jīng)濟(jì)的宏觀調(diào)控和管理決策提供支持。

(3)海洋經(jīng)濟(jì)地理信息系統(tǒng)。利用地理信息系統(tǒng)技術(shù),采集、模擬、處理、探索和分析海洋經(jīng)濟(jì)監(jiān)測(cè)和評(píng)估數(shù)據(jù),結(jié)合電子地圖,直觀展示數(shù)據(jù)表、專題地圖和項(xiàng)目點(diǎn)分布圖等各種海洋經(jīng)濟(jì)信息。

(4)海洋經(jīng)濟(jì)信息共享和發(fā)布系統(tǒng)?；诮y(tǒng)一的信息交換接口標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)交換協(xié)議,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)信息共享和交換平臺(tái),實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與相關(guān)涉海部門之間的數(shù)據(jù)交換和共享,并向政府部門、涉海企業(yè)和社會(huì)公眾發(fā)布及時(shí)和全面的海洋經(jīng)濟(jì)報(bào)道,提高膠州灣海洋經(jīng)濟(jì)信息共享和服務(wù)保障能力。

4.6 虛擬膠州灣系統(tǒng)

建立三維虛擬膠州灣仿真系統(tǒng),通過(guò)立體展示和直觀表達(dá),有效反映膠州灣海洋生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。三維虛擬膠州灣仿真系統(tǒng)主要提供三維數(shù)據(jù)可視化瀏覽和數(shù)據(jù)分析等功能。

5 結(jié)語(yǔ)

從世界海洋強(qiáng)國(guó)的發(fā)展歷史來(lái)看,信息化水平和能力是各國(guó)制定海洋戰(zhàn)略和發(fā)展海洋事業(yè)的主要參考依據(jù),更是未來(lái)開(kāi)發(fā)利用海洋的核心要素[11]。

通過(guò)智慧膠州灣綜合管理平臺(tái)的建設(shè),可促進(jìn)膠州灣海洋生態(tài)保護(hù)與管理數(shù)據(jù)和信息流轉(zhuǎn)的海洋生態(tài)保護(hù)信息化進(jìn)程,形成互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)更新機(jī)制和平臺(tái)業(yè)務(wù)化運(yùn)行機(jī)制,輔助相關(guān)政府部門和業(yè)務(wù)支撐機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)掌握膠州灣海洋生態(tài)環(huán)境狀況及其變化趨勢(shì),提高海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理的信息化水平以及海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的管控能力。