海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)建設(shè)研究進(jìn)展

張彭輝 杜建平 吳帥 程文華 侯建 孔祥峰 張麗

摘要：海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)是諸多學(xué)科研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)，也是實施海洋強國戰(zhàn)略和建設(shè)海洋強國奮斗目標(biāo)的先決條件。文章從全球海洋環(huán)境觀測計劃及系統(tǒng)出發(fā)，探討現(xiàn)階段全球海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)觀測、國家數(shù)據(jù)庫建設(shè)、數(shù)據(jù)質(zhì)控方法以及數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀，闡明了海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)在國家發(fā)展中的重要性，客觀地分析了目前海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)發(fā)展在基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)質(zhì)控能力建設(shè)等方面面臨的關(guān)鍵問題與挑戰(zhàn)，以期為將來海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)在多尺度、多學(xué)科、多行業(yè)的深入發(fā)展與深度融合提供可靠的資料與建議。

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境監(jiān)測;大數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)質(zhì)控;數(shù)據(jù)應(yīng)用

中圖分類號：P76;TP31文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1005-9857（2021）11-0104-09

Research Progress on the Construction of Marine Environment Big Data System

ZHANG Penghuil， DU Jianpingl， WU Shuai？， CHENG Wenhual， HOU Jianl， KONG Xiangfeng?，ZHANG Li?

（1. State key laboratory for marine corrosion and protetion， Luoyang ship material research institute， Qingdao 266101，China;2.Southwest Technology and Enginering Research Institute， Chongging 400039， China; 3. Institute of Oceanographic Instrumentation，Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences）， Qingdao 266061， China）

Abstract：Big data on the marine environment isthe foundation of many disciplines and research fields， and it is also a prerequisite for implementing the strategy of a maritime power and the goal of building a maritime power. Starting from theglobal marine environment observation plan and system， this paper discussed the current global marine environment big data observation， national database construction，data quality control methods and data application status， clarified the importance of marine environment big data in national development， and objectively analyzed the key issues and challenges on capacity building of infrastructure， data processing and quality control faced by the current development of marine environmental big data， to provide reliable in-formation and suggestions for the in-depth development and in-depth integration of marine envi-ronmental big data in multi-scale，multi-disciplinary，and multi-industry in the future. Keywords：Marine environment monitoring，Big data，Data quality control，Data application

0引言

“大數(shù)據(jù)”這一概念起源于20世紀(jì)80年代，最早被提出用來描述容量非常大的數(shù)據(jù)集，美國科學(xué)家JohnR.Mashey在“BigDataandtheNextWaveofIn-fraStres”的演講中即提到這一概念[1]。隨著摩爾定律的應(yīng)用與技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)不僅是指簡單的數(shù)據(jù)集，而是通過一系列特征準(zhǔn)確定位的專業(yè)術(shù)語，即“4V”特征：大數(shù)量（Volume）、多樣性（Variety）、高速度（Velocity）和高價值（Value）[2]。海洋環(huán)境觀測在海洋探測中起著至關(guān)重要的作用。隨著信息技術(shù)的指數(shù)增長及海洋觀測手段的日益發(fā)展，海洋科學(xué)已正式進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代。海洋觀測數(shù)據(jù)的獲取通常建立在多時空尺度、多平臺的采集與分析上，具有數(shù)據(jù)量大、維度廣、類型多樣、測量持續(xù)、利用潛力大的特點，是一種典型的大數(shù)據(jù)，即海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)。

作為海洋大國，我國大陸海岸線長達(dá)1.8萬km余，島嶼岸線長達(dá)1.4萬km余，海岸線總長度超過3.2萬km，有300萬km2余的管轄海域，海洋空間范圍廣闊，海洋環(huán)境復(fù)雜。隨著我國海洋監(jiān)測立體網(wǎng)絡(luò)的建立與發(fā)展，“908近海海洋綜合調(diào)查與評價”等專項的順利實施，全球海洋Argo系統(tǒng)的布放與觀測，多種監(jiān)測平臺與高端傳感器的開發(fā)與應(yīng)用，海洋環(huán)境數(shù)據(jù)呈現(xiàn)了暴發(fā)式增長。海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)是生物科學(xué)、地球科學(xué)、海洋和大氣科學(xué)等諸多研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)，也是維護(hù)國家海洋權(quán)益、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境、開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、實施海洋強國戰(zhàn)略、建設(shè)海洋強國奮斗目標(biāo)的先決條件。與常規(guī)大數(shù)據(jù)不同，海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)因其獨特的地理特性，呈現(xiàn)了與環(huán)境屬性、時空差異等因素的高度耦合性[3]，在大數(shù)據(jù)時代的背景下，如何有效利用海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)的特點挖掘更深層的科學(xué)信息，解決大數(shù)據(jù)存儲、算法突破、組織分析方法、支持決策應(yīng)用系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)問題，為未來海洋領(lǐng)域發(fā)展、海洋管理決策、全球海洋預(yù)報、災(zāi)害預(yù)警、海洋生產(chǎn)開發(fā)等奠定堅實基礎(chǔ)，仍是海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)發(fā)展過程中需要攻克的重點以及難點。

本研究從全球海洋環(huán)境觀測計劃及系統(tǒng)出發(fā)，探討了現(xiàn)階段全球海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)觀測、國家數(shù)據(jù)庫建設(shè)、數(shù)據(jù)質(zhì)控方法以及數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀，闡明了海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)在國家發(fā)展中的重要性，客觀分析了目前海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題與挑戰(zhàn)，以期為將來海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)在多尺度、多學(xué)科、多行業(yè)的深入發(fā)展與深度融合提供可靠的資料與建議。

1海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)的獲取

海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)包括海洋氣象、水文、化學(xué)以及海底地形地貌等多個方面，其獲取需要長期計劃和持續(xù)發(fā)展的觀測技術(shù)的穩(wěn)定支持。在全球一體化的大背景下，成立于1991年的全球海洋觀測系統(tǒng)（GlobalOceanObservingSystem，GOOS）通過政府間合作，開展地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實時觀測陣（ArayforReal-timeGeostrophicOceanography，Argo）計劃、數(shù)據(jù)浮標(biāo)合作組（DataBuoyCooperationPanel，DBCP）項目、系泊與船基時間序列（OceanSITES）項目、全球海洋船基水動力學(xué)調(diào)查項目（theGlobalOceanShip-basedHydrogrphicInvestigationPro-gram，GO-SHIP）、全球海平面觀測系統(tǒng)（theGlobalSeaLevelObservingSystem，GLOSS）以及船觀測隊（ShipObservationTeam，SOT）等項目，對全球海洋水文、氣象、化學(xué)和生物等多類關(guān)鍵海洋變量（EsentialOceanVariables，EOVs）進(jìn)行觀測[4]。南極科學(xué)委員會（ScientificCommiteonAntarcticResearch，SCAR）組織實施的南大洋觀測系統(tǒng)計劃（SouthernOceanObservingSystem，SOOS）、北極理事會（ArcticCommite，AC）和國際北極科學(xué)委員會（InternationalArcticScientificCommite，IASC）聯(lián)合開展北極持續(xù)觀測網(wǎng)計劃（SustainingArcticObservationNet，SAON）開始對南北兩極海洋環(huán)境要素進(jìn)行長期觀測[5]。美國和加拿大于1998年和1999年啟動海王星（NEPTUNE）計劃，即東太平洋時間系列海底網(wǎng)絡(luò)實驗（North-EastPacificTime-seriesUnderseaNetworkedExperi-ments），旨在建立區(qū)域性、長期實時的交互式海洋觀測平臺[6]。此外，多種深海觀測計劃，如熱帶海洋與全球大氣實驗計劃（TOGA）、綜合大洋鉆探計劃（IODP）以及國際大洋中脊計劃（InterRidge）也正在開展當(dāng)中[7]。上述計劃的實施，將為海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)的獲取提供便利條件。

海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)包括調(diào)查船調(diào)查、浮標(biāo)潛標(biāo)臺站等海洋實地觀測技術(shù)，以遙感為主的衛(wèi)星觀測技術(shù)以及多學(xué)科融合為基礎(chǔ)的海洋觀測網(wǎng)絡(luò)。調(diào)查船調(diào)查是最早使用的獲取原位海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的方式之一，包括全球海洋觀測系統(tǒng)的GO-SHIP等在內(nèi)的多個項目，對全球海洋近岸與大洋區(qū)域水體環(huán)境開展數(shù)百次海洋調(diào)查。目前，相關(guān)航次公開發(fā)布CTD數(shù)據(jù)包括北極相關(guān)航次94個，調(diào)查時間從1972年7月至2015年9月;大西洋相關(guān)航次116個，調(diào)查時間從1972年7月至2020年3月;太平洋相關(guān)航次與時間觀測連續(xù)觀測結(jié)果657個，調(diào)查時間從1973年8月至2020年3月;印度洋相關(guān)航次96個，調(diào)查時間從197年12月至2019年5月;南大洋相關(guān)航次193個，調(diào)查時間從1972年7月至2019年5月（htps：//chdo.ucsd.edu/）。1958—1960年以及2004—2009年，我國先后兩次開展了全國海洋綜合調(diào)查，編繪海洋物理、海洋化學(xué)、海洋生物以及海洋地質(zhì)地貌圖集和圖志等，摸清我國近海海洋資源儲備情況，為我國近岸海域海洋大數(shù)據(jù)提供寶貴資料[8-9]。

浮標(biāo)、潛標(biāo)和觀測站觀測也是獲取原位海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的重要手段。作為全球海洋觀測系統(tǒng)的一部分的Argo計劃，利用剖面浮標(biāo)為全球海洋剖面水溫和鹽度數(shù)據(jù)的實時獲得提供了重要的支撐[10]。截至2020年11月5日，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)3717個。同時，隨著海洋技術(shù)的發(fā)展以及深海觀測需求的增大，Argo剖面浮標(biāo)的探測深度已經(jīng)由之前的0～2000m拓展到0～6000m[11]。通過集成生物化學(xué)傳感器，在獲得剖面溫度和鹽度數(shù)據(jù)的同時，浮標(biāo)還可實時觀測懸浮顆粒、光強、pH、硝酸鹽濃度、葉綠素a濃度以及溶解氧濃度等多種環(huán)境數(shù)據(jù)，為多參數(shù)環(huán)境大數(shù)據(jù)的獲得提供了極為便利的條件[4，11]。此外，同樣屬于全球海洋觀測系統(tǒng)的OceanSITES、DBCP和GLOSS等項目提供的由臺站、系泊浮標(biāo)、潛標(biāo)和衛(wèi)星追蹤漂流浮標(biāo)觀測獲得的氣象、物理海洋和生物化學(xué)等多種參數(shù)數(shù)據(jù)，也是海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)的重要來源[4]。

自美國1997年發(fā)射第一顆專用海洋水色衛(wèi)星Seastar以來，遙感技術(shù)在海洋研究中的應(yīng)用蓬勃發(fā)展。通過衛(wèi)星遙感，可以估算全球初級生產(chǎn)力、觀測海水化學(xué)參數(shù)（如鹽度等）和上層水體動力學(xué)過程（如海平面高度變化等），為海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)提供了豐富資料[12]。

海底觀測網(wǎng)絡(luò)是通過綜合運用水下機(jī)器人、海床光纖電纜等技術(shù)手段，實現(xiàn)全天候、原位、長期、連續(xù)、實時、高效的新型海洋觀測平臺。2016年6月6日，美國大型海洋觀測計劃（OceanObservatoriesInitiative，OOI）正式投入使用，83個實驗平臺將投放到大西洋和太平洋的7個觀測陣列中，用來觀測海表至海底的物理、化學(xué)、地質(zhì)和生物過程[13]。此外，加拿大海底觀測網(wǎng)（OceanNetworksCanada，ONC）、歐洲多學(xué)科海底及水體觀測系統(tǒng)（EuropeanMultidisci-plinarySeafloorandWater-ColumnObservatory，EM-SO），日本地震和海嘯海底觀測密集網(wǎng)絡(luò)（DONET，DONET2）和日本海溝海底地震海嘯觀測網(wǎng)（S-net）以及我國的南海海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)，均已投入建設(shè)或開始使用[7]。美國OOI系統(tǒng)的數(shù)據(jù)向公眾免費開放，有效推動了海洋大數(shù)據(jù)研究的進(jìn)步。

2海洋數(shù)據(jù)類型

目前，對于浩瀚龐大的海洋來說，已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代，并且形成了范圍較廣的海洋監(jiān)測體系，收集了大量的海洋自然科學(xué)數(shù)據(jù)，在傳感器技術(shù)、海洋觀測技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展下，海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)的采集頻率不斷增加，產(chǎn)生了相應(yīng)的應(yīng)用和產(chǎn)品。根據(jù)海洋數(shù)據(jù)的監(jiān)測方法不同和表達(dá)方式的不同，數(shù)據(jù)分為現(xiàn)場觀測監(jiān)測數(shù)據(jù)、海洋遙感數(shù)據(jù)、海洋再分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)、海洋模擬數(shù)據(jù)等[14]。

海洋實測調(diào)查包括船基觀測、定點觀測和移動觀測等觀測方式，不同觀測方式采集的數(shù)據(jù)不同，例如船基觀測的數(shù)據(jù)采集主要包括海洋氣象、物理海洋、海洋物理、海洋化學(xué)、海洋生物等;定點觀測根據(jù)平臺的不同，又分為岸基雷達(dá)站、河口水文站、海洋氣象站、驗潮站、浮標(biāo)、潛標(biāo)等[15]。海洋移動觀測能夠覆蓋更大的區(qū)域，包括水上、水下移動觀測平臺，能夠提供水下幾千米的溫度、鹽度、深度等[16]。

海洋遙感數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和航空遙感數(shù)據(jù)，其中航空遙感又可分為有人機(jī)航空遙感和無人機(jī)航空遙感[17]。航空遙感由于監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測頻次高、監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)，適用于重點區(qū)域的高精度監(jiān)測，如近海海洋調(diào)查、海岸帶制圖、資源勘測、海洋動態(tài)監(jiān)管、海洋突發(fā)情況應(yīng)急響應(yīng)、海洋資源環(huán)境監(jiān)測等。此外，海洋遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的不斷深入和個性化服務(wù)的不斷完善，也是未來海洋數(shù)據(jù)發(fā)展的重要方向[18]。

海洋數(shù)值模擬是以現(xiàn)實海洋為基本物理背景，以計算機(jī)為載體，按照物理規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，從而對海洋狀態(tài)（包括海溫、鹽度、海流、海浪、潮汐等要素）進(jìn)行模擬，參數(shù)化、定量化地描述海洋的具體狀況。國內(nèi)外比較常用的數(shù)值模擬產(chǎn)品網(wǎng)站有：中國科學(xué)院海洋研究所海洋大數(shù)據(jù)中心、國家海洋信息中心、國家極地科學(xué)數(shù)據(jù)中心、普林斯頓海洋模型（PrincetonOceanModel，POM）、非結(jié)構(gòu)有限元近海海洋模型（AnUnstructuredGrid，F(xiàn)inite-VolumeCoastalOceanModel，F(xiàn)VCOM）、漢堡陸架海洋模型（HamburgShelfOceanModel，HAM-SOM）等[19]。數(shù)據(jù)分析是大數(shù)據(jù)價值鏈中最后也是最重要的一個階段，其目的是提取潛在的有用價值，提供建議或決策，有效地處理和利用現(xiàn)有觀測資料，重建高質(zhì)量、長時間序列和高分辨率的海洋資料集，最終形成海洋再分析產(chǎn)品。目前，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)先后公開發(fā)布了數(shù)十個時間序列長、要素較為完整、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的全球海洋再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品。包括美國的全球海洋再分析產(chǎn)品，歐洲中期天氣預(yù)報中心的全球海洋再分析產(chǎn)品，法國全球海洋再分析產(chǎn)品，日本的全球海洋再分析產(chǎn)品，中國的全球海洋再分析產(chǎn)品[20]。這些海洋再分析產(chǎn)品時間跨度不同，時間分辨率也不同，變量一般包括鹽度、溫度、經(jīng)緯向海流速度和海表面高度等，其中日本的MOVE-G2海洋再分析產(chǎn)品還提供了一些生物變量等。海洋再分析產(chǎn)品已經(jīng)在諸多研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如海洋對氣候變化的響應(yīng)、大洋環(huán)流與溫鹽結(jié)構(gòu)、海洋動力學(xué)過程、監(jiān)測方案的設(shè)計、數(shù)值預(yù)報和模式評估等。

3海洋數(shù)據(jù)質(zhì)控方法

隨著海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)種類和量級的不斷增加，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的重要性日益突出[21]。海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，將直接影響對海洋環(huán)境的綜合評估、生態(tài)保護(hù)、災(zāi)害預(yù)警、管理決策和資源開發(fā)等。海洋數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，決定了海洋數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，具有重要的科學(xué)意義和社會價值[22-24]。目前采用的質(zhì)量控制方法主要分為兩類：一類是根據(jù)數(shù)據(jù)的基本信息進(jìn)行合理性辨別，如合理性檢驗和一致性檢驗等;另一類是基于數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行質(zhì)量管理，包括相關(guān)性檢驗、異常值檢驗和統(tǒng)計學(xué)習(xí)檢驗等方法（圖1）。

3.1合理性檢驗方法

合理性校驗主要是對數(shù)據(jù)基本信息進(jìn)行初步檢驗，判斷其數(shù)值是否合理，如數(shù)據(jù)的日期時間、位置坐標(biāo)、記錄格式、觀測要素等[25]。在海洋數(shù)據(jù)的質(zhì)量管理中，數(shù)據(jù)日期不能超前于當(dāng)前日期，年、月、日、時、分、秒均應(yīng)在其規(guī)定進(jìn)制內(nèi);數(shù)據(jù)位置的經(jīng)度在-180°～180°，緯度在-90°～90°;數(shù)據(jù)記錄的起始位置、長度、類型等要素，均滿足規(guī)定要求;觀測要素應(yīng)為已知觀測范圍內(nèi)的要素等[26]。

3.2一致性檢驗方法

海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的一致性檢驗主要包括值域一致性檢驗和邏輯一致性檢驗。值域一致性檢驗是根據(jù)每個數(shù)據(jù)參數(shù)在該環(huán)境中的經(jīng)驗值域范圍對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，判斷其是否在經(jīng)驗值域范圍內(nèi)[27]。經(jīng)驗值域范圍可以根據(jù)被監(jiān)測數(shù)據(jù)參數(shù)的理化性質(zhì)、最低檢出限、最大污染等級、時間空間分布規(guī)律、歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)資料等進(jìn)行劃定。邏輯一致性檢驗是根據(jù)某些檢測參數(shù)間存在的邏輯關(guān)系進(jìn)行質(zhì)量控制，包括同一參數(shù)在不同形態(tài)下的關(guān)系（如總氮和無機(jī)氮、有機(jī)氮之間的關(guān)系）、同一物質(zhì)的不同參數(shù)之間的關(guān)系（如有機(jī)物在COD的錳法檢測中氧化程度低于在鉻法檢測中的氧化程度）、不同參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系（如pH值和總堿度的一致性關(guān)系）等[28]。

3.3相關(guān)性檢驗方法

相關(guān)性檢驗是根據(jù)海洋觀測數(shù)據(jù)各元素之間的自相關(guān)或互相關(guān)關(guān)系來判斷數(shù)據(jù)的質(zhì)量。如針對某一參數(shù)，一天內(nèi)數(shù)據(jù)的最大值應(yīng)高于其平均值;兩個相鄰時間或位置間的觀測值，其差值應(yīng)在一定范圍內(nèi);海水的溫度、鹽度數(shù)據(jù)與其密度數(shù)據(jù)之間的關(guān)系等[29]。如：羅冬蓮[30]研究得出深滬灣溶解氧與浮游植物數(shù)量呈二次拋物線關(guān)系，與懸浮物呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系;戴文娟等[31]利用Aprior算法對濱海觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性檢驗，檢測出東海大橋海洋站的一批溫度、鹽度和波浪數(shù)據(jù)不符合相關(guān)性檢驗，系機(jī)器故障導(dǎo)致，應(yīng)作缺測處理。

3.4異常值檢驗方法

在海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測過程中，由于人為、儀器、通信等方面問題造成的錯誤、誤差或噪聲，會體現(xiàn)異于正常數(shù)據(jù)分布規(guī)律的顯著性差別，該類數(shù)據(jù)視為異常值，應(yīng)通過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制予以標(biāo)記或處理。海洋數(shù)據(jù)質(zhì)控過程中用到的異常值檢驗方法有Grubbs檢驗、Dixon檢驗、萊特準(zhǔn)則檢驗、局地檢驗、K-means檢驗等。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征選擇合適的檢驗方法，或進(jìn)行方法的結(jié)合、改進(jìn)，以對數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的質(zhì)量控制[32]。如：鄭琳等[33]分析數(shù)值分布較大的營養(yǎng)鹽要素適合選用Grubbs檢驗，而針對數(shù)值差異較小的溫度、pH和COD等參數(shù)的數(shù)據(jù)，選用Dixon檢驗?zāi)艿玫礁玫男Ч?劉首華等[34]通過結(jié)合Grubbs檢驗和局地異常值檢驗，建立了一種針對海洋浮標(biāo)波高監(jiān)測數(shù)據(jù)異常值的質(zhì)控方法;蔣華等[35-36]對K-means檢驗算法進(jìn)行了改進(jìn)，以提高海洋數(shù)據(jù)異常值的檢測率。

3.5統(tǒng)計學(xué)習(xí)檢驗方法

在傳統(tǒng)海洋數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中，有些數(shù)據(jù)需利用專家經(jīng)驗進(jìn)行人工檢驗。隨著智能學(xué)習(xí)算法的發(fā)展，學(xué)者們開始采用統(tǒng)計學(xué)習(xí)或智能學(xué)習(xí)等相對復(fù)雜的算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[37]。如：李飛等[38]探索引入統(tǒng)計學(xué)習(xí)算法（SupportVectorDomainDescription，SVDD），利用歷史觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立可用于海洋站多要素數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的模型;王振華等[39]引入梯度模糊數(shù)抽樣檢驗?zāi)Ｐ?，解決具有不確定質(zhì)量參數(shù)的海洋數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗問題;陳括等[40]將粗集理論引入海洋數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗中，用于對不同質(zhì)量檢驗方案進(jìn)行優(yōu)化選擇。

在實際應(yīng)用中，海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制往往根據(jù)參數(shù)的自身特點和應(yīng)用需求，選用多個質(zhì)量控制方法相結(jié)合，并根據(jù)質(zhì)量控制方法的復(fù)雜性和時效性，分批進(jìn)行質(zhì)量檢驗[41-42]。以國際Argo計劃的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，其質(zhì)量控制通常分為實時質(zhì)量控制和延時質(zhì)量控制，實時質(zhì)量控制在浮標(biāo)觀測后的24h內(nèi)完成，進(jìn)行基本的合理性、一致性等質(zhì)量檢驗，突出實時性;延時質(zhì)量控制在6個月內(nèi)完成，可根據(jù)歷史資料統(tǒng)計分析等方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗和校正，突出其準(zhǔn)確性[43-45]。

4海洋大數(shù)據(jù)應(yīng)用

4.1海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)

海洋是人類社會發(fā)展重要的戰(zhàn)略資源基地，蘊含著豐富的海洋資源。良好的海洋生態(tài)環(huán)境是海洋資源可持續(xù)開發(fā)利用的基本條件。近年來，海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)從單一特征性參數(shù)監(jiān)測，發(fā)展為多任務(wù)、多區(qū)域、多站位、多參數(shù)的綜合調(diào)查監(jiān)測[46]，為海洋資源的開發(fā)利用、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了重要支撐。

海洋環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容豐富，包括海洋氣象觀測、水質(zhì)分析、沉積物分析、生物監(jiān)測和海洋放射性監(jiān)測等[47]。隨著海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的不斷獲取和更新，已積累形成海量的數(shù)據(jù)資源，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與信息挖掘等技術(shù)已經(jīng)難以滿足海量數(shù)據(jù)的分析需求，而基于大數(shù)據(jù)的海洋信息技術(shù)，能快速有效地對海洋生態(tài)監(jiān)控區(qū)的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行整合與優(yōu)化[48]。例如，利用遙感與聲學(xué)數(shù)據(jù)，對海洋底棲生物的生物群落和物種分布進(jìn)行監(jiān)測，為海洋生態(tài)保護(hù)提供科學(xué)參考[49]。利用海洋水色遙感探測如葉綠素、懸浮物、黃色物質(zhì)、污染物等信息，對海洋水質(zhì)監(jiān)測和近岸水體污染預(yù)警具有重要意義[50]。基于海洋遙感大數(shù)據(jù)和生物多樣性監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)對典型海洋生態(tài)系統(tǒng)、海洋生態(tài)功能區(qū)、敏感區(qū)和脆弱區(qū)的連續(xù)監(jiān)測，及對重要海洋經(jīng)濟(jì)物種專項監(jiān)測[51-52]。通過海洋大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用，進(jìn)一步提升海洋生態(tài)調(diào)查精度，推動海洋水質(zhì)環(huán)境改善，保護(hù)海洋生物多樣性，提高海洋生態(tài)環(huán)境綜合治理水平。

4.2海洋防災(zāi)減災(zāi)

中國是世界上受海洋災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一，災(zāi)害種類多、分布廣、頻率高，影響正常的海洋生產(chǎn)活動并危害國民生命財產(chǎn)安全。201—2017年，中國海洋災(zāi)害（風(fēng)暴潮、海浪、海冰、赤潮及其他海洋災(zāi)害）造成的直接經(jīng)濟(jì)損失累計超過2075億元[53]。改革開放以來，人口、城市在中國沿海地區(qū)高度聚集，沿海地區(qū)城鎮(zhèn)化與工業(yè)化快速發(fā)展，海洋災(zāi)害對中國沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

近年來，我國海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步，逐步建立起由海洋監(jiān)測平臺、多參數(shù)浮標(biāo)、調(diào)查船、衛(wèi)星遙感等組成的海洋環(huán)境立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[47]。隨著海洋自動監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，基于海洋大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和挖掘，為海洋災(zāi)害預(yù)報預(yù)警提供支持。2000年基本建成的“海洋環(huán)境立體監(jiān)測和信息服務(wù)系統(tǒng)”上海示范區(qū)是我國第一套自行研發(fā)的海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)，為上海地區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋環(huán)境保護(hù)、減輕海洋災(zāi)害損失提供海洋環(huán)境信息服務(wù)[47]。2002年我國發(fā)射了第一顆海洋衛(wèi)星—“海洋一號A”衛(wèi)星，主要開展海洋水色要素（包括葉綠素、懸浮泥沙、可溶性有機(jī)物）、水溫、污染物及淺海水深和水下地形的探測工作，并對全球海洋環(huán)境進(jìn)行遙感觀測，對我國近海的海洋災(zāi)害如赤潮、綠潮等進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警[54]?！熬盼濉币詠?，我國加大了海洋環(huán)境監(jiān)測高新技術(shù)的研發(fā)投入，攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)。集成自主研發(fā)儀器設(shè)備構(gòu)建的區(qū)域性海洋立體監(jiān)測網(wǎng)于2008年投入業(yè)務(wù)化運行，產(chǎn)生的近海監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高海洋防災(zāi)減災(zāi)水平[47]。近年來，我國陸續(xù)建成多個海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)與近海海洋觀察研究網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對我國東海、黃海和南海北部海域的長期綜合監(jiān)測，提高了所在區(qū)域?qū)Τ喑?、綠潮、溢油、核輻射、環(huán)境突發(fā)事件的監(jiān)控能力和預(yù)警水平，并為我國近海變化規(guī)律預(yù)測、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了大量的海洋綜合性基礎(chǔ)資料[55]。

4.3全球氣候變化研究

全球氣候變化影響人類活動與全球生態(tài)系統(tǒng)，并產(chǎn)生諸多嚴(yán)重后果，如冰川消融、海平面上升、厄爾尼諾現(xiàn)象、旱澇災(zāi)害增加、嚴(yán)寒熱浪等極端天氣增多。海洋水文氣象監(jiān)測為全球氣候變化研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也是海洋環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容。隨著海洋觀測和信息技術(shù)的發(fā)展，海洋水文氣象監(jiān)測已經(jīng)形成了以遙感、遙測自動化為重點的海洋水文氣象自動監(jiān)測系統(tǒng)[56]。基于海洋遙感大數(shù)據(jù)，海洋水文氣象監(jiān)測涵蓋諸多海洋環(huán)境要素，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，根據(jù)美國NASA衛(wèi)星觀測結(jié)果，北極海冰自20世紀(jì)80年代以來每10年以13.1%的速度下降，南極洲和格陵蘭島海冰分別以每10年148億t和279億t的速度減少，全球海平面每年平均升高3.3mm[57]。利用Argo數(shù)據(jù)對不同深度處的海水溫度年周期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取全球變暖理想觀測點，為海面浮標(biāo)布局提供科研參考[58]。通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的海洋風(fēng)場、海洋高度數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用于海平面變化觀測、海洋極端降雨預(yù)報;海表鹽度、海表溫度數(shù)據(jù)可服務(wù)于大洋環(huán)流、臺風(fēng)預(yù)報、全球氣候變化與預(yù)測等[59]。

未來，全球化的海洋觀測系統(tǒng)是人類認(rèn)識海洋、掌握海洋環(huán)境變化規(guī)律、開展全球氣候變化研究的發(fā)展方向。基于此，全球海洋觀測系統(tǒng)（GOOS）在海洋環(huán)境監(jiān)測和資源共享方面發(fā)揮重要作用，促進(jìn)國際間開展海洋數(shù)據(jù)搜集、海洋數(shù)據(jù)應(yīng)用與合作，為全球氣候變化背景下的海洋多要素變化與關(guān)聯(lián)分析提供平臺[47]。而從海洋大數(shù)據(jù)中挖掘的大氣-海洋互作信息、生態(tài)系統(tǒng)-海洋理化參數(shù)耦合變異過程、氣候變化對極端氣候事件發(fā)生頻次、強度及空間分布特點的影響，將成為未來利用海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)開展全球氣

候變化分析的研究熱點[16]。

4.4海洋經(jīng)濟(jì)（航運、養(yǎng)殖、捕撈等）

我國不斷加大海洋環(huán)境監(jiān)測力度，基于海洋環(huán)境監(jiān)測的大數(shù)據(jù)分析服務(wù)國家海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。隨著多功能海洋監(jiān)測平臺的建設(shè)，基于海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析在環(huán)境科學(xué)研究、航運、漁業(yè)、能源探測等諸多海洋活動中得到運用并提高效率和生產(chǎn)力。受益于衛(wèi)星技術(shù)（如通信、遙感、導(dǎo)航等）的發(fā)展，海洋監(jiān)測技術(shù)平臺為船舶航運業(yè)提供了全面的風(fēng)速、水流、浪潮、水深、水溫變化等數(shù)據(jù)資料，為船型開發(fā)設(shè)計、航線航速優(yōu)化提供支持[60]。如2014年1月通過對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與海洋氣象數(shù)據(jù)的快速綜合分析，中國“雪龍”號極地考察船在南極冰海成功救援被困的俄羅斯“紹卡利斯基院士”號考察船，成為海洋大數(shù)據(jù)指導(dǎo)極地航行船只脫困的典型案例[61]。

此外，傳統(tǒng)漁業(yè)和海水養(yǎng)殖業(yè)通過依靠海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)、生物技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。如利用海洋生物監(jiān)測技術(shù)，對養(yǎng)殖區(qū)域重金屬、有機(jī)污染物、赤潮毒素、生化耗氧量、硫化物、氨氮等指標(biāo)進(jìn)行檢測與實時監(jiān)測[46]，提高魚蝦貝藻等養(yǎng)殖品種的生長品質(zhì)與安全品質(zhì)，提高養(yǎng)殖產(chǎn)量，并改善養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)冷水名貴魚種的增殖增產(chǎn)[62-63]。新型海洋牧場在傳統(tǒng)海洋牧場原有人工魚礁、網(wǎng)箱養(yǎng)殖、增殖放流的基礎(chǔ)上引入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、通信傳感等信息技術(shù)手段，對漁場海況信息（如葉綠素濃度、海表溫度、海洋表面鹽度、海洋表面高度、海洋水色信息等）進(jìn)行在線監(jiān)測，對海洋初級生產(chǎn)力、海洋生物存量分布及其變化進(jìn)行分析，提高對漁期、漁場、魚群數(shù)量和質(zhì)量等漁情預(yù)報的準(zhǔn)確性[64]。近年來，海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在我國新型海洋牧場建設(shè)中發(fā)揮重要作用，如在山東海洋牧場區(qū)域海域布設(shè)海底觀測站，實現(xiàn)對海洋牧場水文生態(tài)及生物資源狀況的實時在線監(jiān)測，建立山東省海洋牧場觀測預(yù)警數(shù)據(jù)中心，提升區(qū)域海洋安全管理和風(fēng)險預(yù)報預(yù)警能力。

4.5國防建設(shè)

近年來，各沿海國家正積極地應(yīng)用和發(fā)展海洋監(jiān)測高新技術(shù)，從空間、水面、水下對海洋進(jìn)行立體監(jiān)測，加速構(gòu)建海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)，維護(hù)國家安全和海洋權(quán)益[65]。目前，海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)的核心是依托遙感衛(wèi)星組成的天基海洋環(huán)境監(jiān)測平臺，同時，海洋巡航飛機(jī)、無人航空遙感飛機(jī)組成空基平臺，固定監(jiān)測站和高頻地波雷達(dá)站組成岸基平臺，浮標(biāo)、潛標(biāo)、船舶組成?；O(jiān)測平臺，水下固定監(jiān)測站、水下水聲探測陣組成海底監(jiān)測平臺，上述多平臺共同構(gòu)成海洋環(huán)境的立體監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)μ囟êＳ驅(qū)嵤┖Ｌ煲惑w化的立體監(jiān)測[65-66]。例如，美軍航母編隊在作戰(zhàn)巡航海域以“岸基保障為主，艦基平臺為輔”為原則，通過衛(wèi)星、雷達(dá)遙感、遙測浮標(biāo)、航母編隊艦船，完成海洋環(huán)境特征參數(shù)的獲取、分析、預(yù)測和評估[67]。此外，為滿足海洋環(huán)境監(jiān)測和海上國防建設(shè)需求，一系列軍事技術(shù)指標(biāo)被應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測裝備的研制中。如，高頻地波雷達(dá)能夠超視距探測海平面視線以下的艦船、飛機(jī)、導(dǎo)彈和冰山等移動目標(biāo)，因其獨特的性能優(yōu)勢被各海洋國家競相研制與部署，以抵御戰(zhàn)爭威脅并應(yīng)用于海洋開發(fā)與研究[68]。水下航行器因具有適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境、監(jiān)測范圍廣、作業(yè)時間長、隱蔽性強等特點，成為世界各國高度重視的海洋科技[69]。目前水下航行器正向遠(yuǎn)航程、深海型、多傳感器、混合式、智能化方向發(fā)展，特別利用圖像識別、人工智能、大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)信息處理、精密導(dǎo)航定位等技術(shù)要求，在民用領(lǐng)域開展海底地形勘察、海洋資源調(diào)查、水文參數(shù)測量和生物監(jiān)測，在軍用領(lǐng)域用于偵察、掃雷、援潛救生等[70]。

5結(jié)論與展望

人類社會文明、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與海洋一直息息相關(guān)，國際政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等各個方面也與海洋有著密切聯(lián)系。未來海洋事業(yè)將會更加深入地貫穿到人類科技、文化、經(jīng)濟(jì)、政治的各個層面，從多產(chǎn)業(yè)、多環(huán)境、全方位影響國家核心力量建設(shè)。海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)、海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)的發(fā)展也將為建設(shè)海洋強國提供更強有力的支撐。因此，仍處在發(fā)展階段的海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)，尚存在一系列問題亟待解決。5.1基礎(chǔ)軟硬件設(shè)施的能力建設(shè)在全球各地觀測站點不斷更新觀測數(shù)據(jù)的當(dāng)下，海洋環(huán)境數(shù)據(jù)量已達(dá)到前所未有的規(guī)模，傳統(tǒng)以單一數(shù)據(jù)輸入與查詢?yōu)橹行牡臄?shù)據(jù)管理系統(tǒng)已不能滿足科學(xué)研究的需要。日益增長的數(shù)據(jù)量迫切需求更高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)存儲與管理系統(tǒng)的支持，因此對基礎(chǔ)的軟硬件設(shè)施提出了更高的建設(shè)要求。

5.2數(shù)據(jù)處理能力建設(shè)

海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)發(fā)展的核心在于數(shù)據(jù)的有效處理、提取、分析及反饋。海量數(shù)據(jù)資源的產(chǎn)生既給科研人員帶來了極大的挑戰(zhàn)，也給科學(xué)研究帶來了更大的機(jī)遇。如何深度挖掘數(shù)據(jù)、優(yōu)化算法，決定了從復(fù)雜數(shù)據(jù)中獲取信息的全面性與有效性，也是實現(xiàn)海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)價值的重要手段。

5.3數(shù)據(jù)質(zhì)量控制能力建設(shè)

海洋大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)計算速度快，數(shù)據(jù)種類繁多，由于數(shù)據(jù)讀取的不準(zhǔn)確性和不完整、數(shù)據(jù)傳輸或計算的意外錯誤，可能引起數(shù)據(jù)處理結(jié)果的嚴(yán)重誤差，極大地影響數(shù)據(jù)的有效利用，浪費傳輸、存儲和計算資源。如何在第一時間使數(shù)據(jù)系統(tǒng)及時自檢錯誤，并準(zhǔn)確修復(fù)，也是海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)研究中一個挑戰(zhàn)性難題。

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