海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理研究

吳勇劍 張永

摘 要：隨著海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術日趨成熟，海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)呈井噴式增長趨勢，這為監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理帶來了極大的挑戰(zhàn)。如何合理地管理和利用好這些資源，是實現(xiàn)海洋資源開發(fā)，保護海洋生態(tài)環(huán)境的關鍵。針對該問題，本文基于GIS技術，構建了海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。首先，研究介紹了GIS技術理論基礎及其在海洋領域中的應用。然后根據(jù)海洋生態(tài)環(huán)境的特點，研究了監(jiān)測數(shù)據(jù)時間、空間分析模型和海洋環(huán)境質(zhì)量評價模型。最后構建了基于GIS的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與應用系統(tǒng)，并以某站點海域三次赤潮的發(fā)生過程為例，驗證了該系統(tǒng)的可行性。實驗結果表明，該系統(tǒng)可實時完成對海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、管理，并通過對數(shù)據(jù)的分析，可對其發(fā)展趨勢進行預測。

關鍵詞：監(jiān)測數(shù)據(jù);GIS;數(shù)據(jù)集成

中圖分類號：X834 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0080-05

Research on Data Management of Marine Ecological Environment Monitoring

Wu Yongjian1，? Zhang Yong2

（1.North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration，Qingdao? 266061， China;

2.Dalian Marine Environmental Monitoring Center Station of State Oceanic Administration， Dalian 116015， China）

Abstract：With the increasing maturity of marine ecological environmental monitoring technology， the data of marine ecological environmental monitoring shows a blowout growth trend， which brings great challenges to the management of marine ecological environmental monitoring. How to manage and make good use of these resources is the key to realizing the development of marine resources and protecting the marine ecological environment. In response to this problem， this paper constructs a data management system of environmental monitoring based on GIS technology. Firstly， the theoretical basis of GIS technology and its application in ocean field are introduced. Then， according to the characteristics of marine ecological environment， the monitoring data time， spatial analysis model and marine environmental quality assessment model are studied. Finally， a monitoring data analysis and application system based on GIS is constructed， and the feasibility of the system is verified by taking the occurrence of three red tides in the sea area of a station as an example. The experimental results show that the system can store and manage the environmental monitoring data in real time， and predict its development trend by analyzing the data.

Key words：monitoring data; GIS; data integration

海洋蘊藏著豐富的資源，在能源供應緊張的今天，合理開發(fā)和利用海洋資源是解決資源匱乏的關鍵手段，而要實現(xiàn)海洋資源與海洋生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，需要準確獲取和分析海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。近年來，基于物聯(lián)網(wǎng)技術和基于大數(shù)據(jù)分析應用技術在海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的應用十分廣泛。姜濤基于物聯(lián)網(wǎng)，研究和設計了關于海洋環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)，實現(xiàn)了海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能化管理[1]。劉帥、陳戈、劉穎潔等人從海洋大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生到海洋大數(shù)據(jù)應用整個鏈條進行了探討，對海洋大數(shù)據(jù)應用技術研究的基礎和現(xiàn)狀進行了分析，實現(xiàn)了海洋數(shù)據(jù)系統(tǒng)模塊化[2]。雖然基于物聯(lián)網(wǎng)技術和基于大數(shù)據(jù)分析應用技術實現(xiàn)了海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)化、模塊化，但仍需要進一步提高數(shù)據(jù)的獲取能力和應用水平。本文借助GIS技術[3]，建立了一個海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸和分析，進而實現(xiàn)預測、預警海洋生態(tài)環(huán)境。

1 基于GIS的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)架構

本研究的目的是結合采集到的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過時間、空間以及環(huán)境質(zhì)量等方面對海洋的生態(tài)環(huán)境進行分析、預測或評價。為此，要實現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境檢測數(shù)據(jù)的分析和評價，需要建立一個完整的數(shù)據(jù)分析與管理系統(tǒng)。因此，結合以上設計目的，本研究將系統(tǒng)的整體框架構建為如圖1所示。在整個框架中，通過Sqlserver完成對數(shù)據(jù)的采集、存儲;通過環(huán)境污染評價等模塊完成對海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價。

在完成上述框架的基礎上，將數(shù)據(jù)監(jiān)測管理系統(tǒng)的整體功能模塊設計為如圖2所示。

在本數(shù)據(jù)監(jiān)測管理系統(tǒng)設計中，功能模塊總共分為五個部分：地圖功能、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)查詢與分析、分析評價、結果打印輸出。其中，分析評價主要是構建環(huán)境質(zhì)量評價模型對海洋的生態(tài)進行評價。

2 數(shù)據(jù)傳輸集成設計

2.1 數(shù)據(jù)傳輸整體流程設計

數(shù)據(jù)傳輸集成是系統(tǒng)構建的基礎，也是實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的關鍵。在本研究中，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)傳輸技術，確定海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中每個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時、準時傳輸與集成[9]。以某站點海域內(nèi)赤潮的監(jiān)測為例，本研究將數(shù)據(jù)傳輸集成流程設計為如圖3所示。

通過圖3可看出，借助不同的監(jiān)測系統(tǒng)，以及結合GSM、GPRS網(wǎng)絡等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和通信。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲得主要來自對現(xiàn)實實體的測量和處理及表示，由于這些過程有可能產(chǎn)生誤差，因此需要對獲得的赤潮監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預處理。本研究從數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)誤差校驗處理方面對數(shù)據(jù)進行了預處理，以控制數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

數(shù)據(jù)源控制數(shù)據(jù)質(zhì)量主要是根據(jù)海洋生態(tài)環(huán)境檢測數(shù)據(jù)來源，采用不同的方式進行質(zhì)量控制。如根據(jù)監(jiān)測要素設置相應的閾值，剔除超出閾值的數(shù)據(jù)，保留閾值內(nèi)數(shù)據(jù)，然后再進行數(shù)據(jù)的準確性判斷，進而實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的準確性和可靠性[10]。數(shù)據(jù)誤差校驗處理方式即利用數(shù)據(jù)的方差剔除非正常數(shù)據(jù)，保留正常數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制。數(shù)據(jù)預處理具體流程如下圖4所示：

2.3? ?數(shù)據(jù)庫設計

海洋生態(tài)環(huán)境檢測數(shù)據(jù)庫主要是用于存放通過各種監(jiān)測手段得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、海洋生態(tài)浮標監(jiān)測數(shù)據(jù)、海洋水文氣象觀測數(shù)據(jù)等。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫總體設計要求，本研究的數(shù)據(jù)庫主要由兩部分組成，具體如圖5所示。

將這些數(shù)據(jù)組成一個全局數(shù)據(jù)庫模式，從而得到不同的數(shù)據(jù)，具體如圖6所示。

3 系統(tǒng)功能設計

3.1 監(jiān)測要素空間分析設計

海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測受資金、采集方式等方面的限制，難以找到全面的實測數(shù)據(jù)，故本文采用空間分析和GIS結合的方式對海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測要素變化趨勢的分析?？臻g分析與GIS結合模式有兩種，分別是松散結合模式和緊密結合模式[6]。在本研究中，空間分析與GIS結合的方式采用松散結合模式，這種結合方式可以使兩者在程序語言上不用進行直接連接，而通過數(shù)據(jù)轉換接口進行。具體結合方式如圖7所示?？臻g分析首先從GIS數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)進行分析，然后將輸出分析結果存儲與GIS數(shù)據(jù)庫中。

空間分析和GIS緊密結合即兩者使用共同的用戶界面，通過共享文件和存儲空間實現(xiàn)連接[7-8]。實現(xiàn)空間分析和GIS緊密結合的方式有對空間模型進行功能擴充和將空間分析模型加入GIS中兩種，具體結合方式如圖8所示。

在本研究中，考慮到空間分析結果和GIS分析結果的關聯(lián)問題，采用緊密結合的方式進行空間分析。

3.2 海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析評價模型

鑒于海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測管理的實際需要，僅從時間和空間上進行數(shù)據(jù)分析，無法獲得更深層次的信息，故本研究建立了海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分析評價模型。海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價主要是從單因子評價和污染物分類評價兩個方面進行評價。其中，單因子評價基本公式如下：

式（1）中，i表示評價因子，Pi表示i的標準指數(shù)，Ci表示i的實際測量濃度，Csi表示i的評價標準。

污染物分類評價即通過求算各類污染物綜合指數(shù)，表示海域內(nèi)污染物綜合狀態(tài)。本研究中選用內(nèi)美羅指數(shù)求算污染物綜合指數(shù)。具體求算公式如下：

式（2）中，k表示污染物種類數(shù)，Pk表示污染物的綜合指數(shù)，maxPki表示污染物各因子的標準指數(shù)最大值，avePki表示污染物中各因子的標準指數(shù)平均值。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 監(jiān)測要素空間分析模塊實現(xiàn)

海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測要素空間分析模塊以GIS為平臺，主要目的是實現(xiàn)對指定海域的統(tǒng)計分析，以反映海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化趨勢。該模塊分為兩個子模塊，分別是空間統(tǒng)計分析子模塊和空間等值線分布子模塊。空間統(tǒng)計分析子模塊具體實現(xiàn)流程如圖9所示。

4.2 海洋環(huán)境質(zhì)量模塊實現(xiàn)

海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價模塊重點是對海域海水、沉積物與生物體質(zhì)量進行評價的模塊，其具體實現(xiàn)流程如下圖所示：

由圖可知，海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價首先是確定評價目標，然后對污染環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)進行提取，通過評價因子、評價標準和評價方法對數(shù)據(jù)進行計算，最終輸出評價指數(shù)。

5 系統(tǒng)展示

為檢驗本研究提出的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的可行性，本研究選定某站點海域作為實驗站點，并跟蹤監(jiān)測了該站點的3次赤潮的發(fā)生，獲得赤潮監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，后兩次對赤潮的監(jiān)測是根據(jù)對系統(tǒng)采集到的第一次赤潮監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析而得到的預測預警，具體監(jiān)測結果如下：

由圖可知，本研究設計的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可完成赤潮數(shù)據(jù)的實時獲取和傳輸，同時可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析，并根據(jù)該站點的生態(tài)要素狀況和變化趨勢對海域富營養(yǎng)化程度進行評價，完成預測預警。

6 結語

海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理的目的是為了更好地對海洋災害進行預警預測，實現(xiàn)對海洋生態(tài)環(huán)境的保護和海洋資源的開發(fā)。文中重點根據(jù)海洋生態(tài)環(huán)境的特點，研究了監(jiān)測數(shù)據(jù)時間、空間分析模型和海洋環(huán)境質(zhì)量評價模型，構建了基于GIS的監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的一體化管理。最后，通過對某站點海域3次赤潮的發(fā)生過程，成功獲取了監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的存儲、管理，并通過系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的分析，對赤潮發(fā)生及其發(fā)展趨勢進行了預測。實驗結果表明，本文構建的基于GIS海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可行有效，為建立新型海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)管理提供技術基礎。

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