我國數字海洋信息基礎框架建設進展

張峰，金繼業，石綏祥

（國家海洋信息中心數字海洋重點實驗室）

我國數字海洋信息基礎框架建設進展

張峰，金繼業，石綏祥

（國家海洋信息中心數字海洋重點實驗室）

20世紀90年代末提出“數字海洋”的概念以來，我國海洋科技工作者開展了大量的數字海洋技術理論研究工作。2003年，隨著國家“908”專項的啟動，作為我國數字海洋一期建設工程，數字海洋信息基礎框架建設全面展開，經過多年的不懈努力，取得了一系列重要的建設成果，初步搭建完成數字海洋信息基礎框架，為我國數字海洋系統工程的全面建設打下了堅實基礎。

1998年，前美國副總統戈爾首次提出了“數字地球”概念，數字地球是指以地理坐標（經緯網）為依據，將地球自然屬性信息與社會屬性信息數字化，并提供立體顯示與多維分析的地球技術系統。數字海洋是數字地球的重要組成部分，它通過集成海量、多分辨率、多時相、多類型的海洋觀測與監測等數據及其分析算法和數值模型，運用3S（GPS，RS，GIS）技術、數據庫技術、網絡技術、科學視算、虛擬現實與仿真等技術手段構建一個虛擬的海洋系統。通俗地講，數字海洋是利用現代信息技術，收集和處理海量的海洋數據，形成多樣化的信息服務產品，把現實海洋世界數字化，裝入計算機而形成的信息系統。數字海洋系統以數字化、可視化等方式，通過計算機實現對海洋現象和過程的虛擬表達，展現真實海洋世界的各種狀況，再現海洋的過去、預現海洋的未來，從而促進和提高人類對海洋的客觀認識，為海洋的可持續發展提供信息支撐服務。

數字海洋是一項龐大、復雜的信息化系統工程。建設數字海洋需要總體規劃，有計劃、有步驟地分階段實施，需要先期開展標準規范的建設，強化信息資源的整合，搭建信息基礎框架，在此基礎上，全面推進數字海洋建設。為此，在2003年國務院批準并實施“我國近海海洋綜合調查與評價”專項（908專項）中，專門設立了“數字海洋信息基礎框架構建”項目（908-03項目）。我國數字海洋信息基礎框架項目建設的目標定位為：制定完善海洋信息標準體系，按照統一標準處理整合“908”專項調查資料和歷史海洋數據，搭建數字海洋基礎信息平臺，奠定數字海洋信息基礎；開展關鍵技術研發，建設數字海洋原型系統，實現現實海洋的動態可視化表達，奠定數字海洋技術基礎；開發數字海洋綜合管理和公眾服務系統，開展數字海洋特色服務系統的嘗試應用，奠定數字海洋應用基礎，從而為今后我國數字海洋的全面建設打牢基礎。

1 國外數字海洋領域發展現狀

經過十余年的發展，國外一些發達國家在數字海洋相關領域，如數字海洋基礎設施建設、海洋立體觀測系統、海洋信息共享體系、數字海洋應用等方面，已經具備相當的規模和水平。

1.1 數字海洋基礎設施建設

數字海洋基礎設施是數字海洋建設與發展的基礎，主要包括信息基礎設施和空間數據基礎設施。信息基礎設施是指高速計算機通信網絡基礎設施，即信息高速公路。美國在1993年正式提出建設國家信息基礎設施——信息高速公路。目前跨國界計算機信息高速公路的建立，不僅大大縮小了時間與空間的距離，而且改變了人類的思維、工作、生活方式。近年來，計算機網絡通信技術是世界上發展最快的前沿技術之一。在交換技術、數字和數據通信技術發展基礎上，計算機網絡技術和信息通信技術關系進一步密切結合。網絡通信技術的發展，為數字海洋建設創造了前所未有的信息傳輸和交換條件。

“空間數據基礎設施（SDI）”的概念是由美國、加拿大、英國等發達國家在20世紀90年代初最先提出的。SDI的建設開始是在國家范疇內建設和運作的，即NSDI，在美國、英國、加拿大、澳大利亞、日本等發達國家發展很快，取得了積極成果。“海洋空間數據基礎設施”是SDI的重要內容，目前開展的國家、區域乃至全球SDI建設都十分注重海洋空間信息問題。美國在SDI方面開展的16個框架示范項目中就有多個項目涉及海洋水文數據庫、海洋管理、海洋多源數據融合等內容。

1.2 海洋立體監測與數據獲取

在海洋立體監測和空間數據獲取方面，各國都在競相發射系列海洋衛星和兼有海洋觀測功能的多種資源與氣象衛星，已經積累了海量的海洋衛星遙感數據。全球海洋觀測系統（GOOS）已建立了海洋與氣候、海洋生物資源、海洋健康狀況、海岸帶監測、海洋氣象與業務化海洋學等5個GOOS發展領域，初步形成了由海洋衛星、各類浮標和沿海臺站組成的全球業務化海洋學系統。值得指出的是，歐美發達國家在海底觀測方面也邁出了領先一步。美國和加拿大從2002年開始，聯合開展“海王星”（Neptune）計劃，在東北太平洋建立海底觀測網，該信息傳輸網被形象地稱為“信息水龍帶”。該計劃完成后將進行水層、海底、地殼的長期連續實時觀測約25年。加拿大海王星網已于2009年7月3日正式啟動，2009年12月18日，加拿大“海王星”海底觀測有線局域網中使用了“瓦力”機器人等海底探測設備。在海底鋪設局域網并使用“瓦力”這樣時刻在線的探測設備為海洋研究、地震監測和海底油氣勘探開辟了全新視野。歐洲、日本等國家也制定了相應的海底觀測計劃。

1.3 海洋數據處理

在海洋信息處理與加工方面，美國、俄羅斯和日本等世界海洋強國十分重視海洋數據收集、處理、質量控制、數據融合、信息產品開發和可視化技術的研發。綜觀其發展狀況和發展趨勢，海洋觀測監測和數據處理手段已向綜合性立體方向發展，不僅在硬件技術上體現出其業已成熟，更重要的是相配套的以軟件為支撐的數據處理能力亦大幅度提高，并充分利用先進的IT技術和通信技術，增加海洋數據的預處理功能和存貯能力。

1.4 海洋信息共享

在海洋信息共享方面，隨著互聯網的迅猛發展，建立在空間數據基礎設施之上的空間信息共享變得越來越廣泛，各國政府、組織、科研機構甚至企業團體紛紛從戰略利益和管理的角度出發制定了大量的信息共享標準、規范、管理辦法等。在技術角度方面，近幾年先后推出了XML、GML技術、網格計算技術、云計算技術等。這些技術不僅能夠有效促進和實現海洋數據和信息資源的交換和共享，而且能夠實現軟硬件資源、服務資源的共享。海洋信息資源共享范圍覆蓋至整個國家、地區乃至全球。海洋信息共享的內容也越來越豐富，從元數據到衛星圖像、航空照片、海洋基礎地理圖和專題圖等。

1.5 數字海洋研究與應用

在數字海洋研究方面，美國于2006年初開始進行大規模的“數字海洋”研究計劃，其研究領域包括海岸帶管理、防災減災、海洋漁業、海洋油氣4個方面。在數字海洋應用及產品方面，目前比較領先和有影響力的產品是Google公司推出的Google Earth。Google公司繼2005年成功推出Google Earth之后，于2009年初推出了Google Ocean。Google Ocean是在Google Earth的基礎上增加了海洋信息內容，主要包括：旅游景區、沖浪區、沉船地點、海底地形、水面模型、海岸線變遷對比等內容，可查詢海洋環境、海洋生物、海洋調查、海洋科普等相關海洋領域的信息，為用戶提供了虛擬的海洋世界。

2 我國數字海洋信息基礎框架建設內容

根據908-03項目建設的目標，中國數字海洋信息基礎框架的建設圍繞“一個平臺，一個原型，一個系統”3項任務開展具體工作，即數字海洋信息基礎平臺、數字海洋原型系統和海洋綜合管理與服務信息系統。其中，數字海洋信息基礎平臺是信息基礎框架建設的數據核心和基礎，主要建設內容包括標準規范、海洋數據中心、網絡平臺、海洋數據倉庫、海洋信息更新交換體系等。

圖1 數字海洋信息基礎框架總體結構

3 我國數字海洋信息基礎框架建設進展

2003年9月，隨著“908”專項的啟動，開始編制數字海洋信息基礎框架構建項目總體實施方案。2007年，數字海洋信息基礎框架構建項目正式啟動，在國家海洋局科技司和“908”專項辦公室的統籌下，項目牽頭實施單位國家海洋信息中心協同數字海洋各級節點建設單位，經過4年多的努力，建成了覆蓋11個沿海省（市）和所有局屬單位的數字海洋專線網絡，并完成了數字海洋主中心和23個分中心的建設。依托“908”專項調查、歷次海洋調查以及業務化海洋監測獲取的數據資料，構建了標準統一的海洋基礎信息平臺，并在此基礎上建立了數字海洋原型系統三維可視化平臺，海洋綜合管理信息系統和iOcean公眾服務系統，實現了數字海洋系統集成與運行控制，數字海洋信息基礎框架建設初見成效。

3.1 數字海洋標準規范

數字海洋建設是一項跨地區、跨學科的大型工程，是在國家信息化建設的統一部署下，按照數字海洋總體規劃，立足于數字海洋建設實踐，條塊結合、聯合共建、信息資源共享的一項系統工程。在這一系統工程中，確保有效地開發與利用信息資源和信息技術，確保信息化基礎設施建設的優質高效和信息網絡的互聯互通，確保各信息系統間的互操作和信息的安全可靠，是數字海洋建設所面臨的關鍵問題。解決這些問題必須首先抓好標準的制定和應用工作。

在項目初期，便開始著手制定數據標準化處理、數據庫建設、數據交換、產品制作、信息系統建設等系列規程和規范，為數字海洋建設的規范化奠定了基礎。在項目牽頭單位、承擔單位、集成單位共同努力下，研制了6項管理制度和13項標準規范。其中，《海洋信息元數據標準》已經轉化為行標；《海洋專題圖要素圖式圖例及符號》已進入國標轉化最終評審程序；《海洋環境基礎數據庫標準》、《海洋綜合管理專題數據庫標準》進入行標轉化最終評審程序。

3.2 海洋信息基礎平臺

按照數字海洋相關標準規范要求，利用“908”專項調查資料、歷史資料，海洋監測監視以及海洋管理等工作中獲得的資料，建立起多學科、多專業的海洋數據倉庫系統，建立海洋信息更新體系，實現海洋信息的整合改造、高度集成和動態更新，為數字海洋原型系統、海洋綜合管理信息系統和公眾服務系統等應用服務提供高效的數據和技術支撐；同時，建立了多級海洋數據中心，利用數字海洋專網，實現海洋信息的高效流通和有效共享，提高海洋信息的管理和利用效率。

3.2.1 數字海洋數據中心節點建設

數據中心是數字海洋各級節點進行數據處理、存儲與數據服務的核心管理平臺。根據海洋業務中心、分局、研究所及各沿海省市實際業務工作特點，建設了各級海洋數據中心。包括國家海洋數據主中心、海區數據分中心、專題數據分中心、科研服務分中心以及沿海省市數據分中心，共24個節點的海洋數據中心。

圖2 數字海洋數據中心

國家海洋數據主中心負責所有節點數據中心數據的匯集和分發服務；海區數據分中心、專題數據分中心、科研服務分中心以及沿海省市數據分中心負責本級節點特色數據的整合與管理，并與國家海洋數據主中心進行數據交換與共享。各級海洋數據中心配置大容量數據存儲與交換設備及安全系統，調度、指揮、協調海洋信息的傳輸、存儲，實現集中式與分布式相結合的國家級海洋數據倉庫與省市數據庫間、各級綜合管理信息系統之間的信息交換，保證數據處理、管理、交換、產品制作、共享與服務，滿足數字海洋系統運行需要。

3.2.2 數字海洋主干網建設

數字海洋主干網絡依托國家網絡公共基礎設施，利用SDH數字電路專線建設。網絡以國家海洋局為核心節點，覆蓋11個沿海省（市）海洋管理部門和全部局屬單位共29個主干節點，并建立了覆蓋局屬所有單位的遠程視頻會商系統。

數字海洋主干網作為數字海洋國家級高速公路既承擔節點間數據傳輸、信息共享與交換任務，同時還支撐海洋監測數據傳輸、海島管理數據傳輸、海洋應急指揮平臺等業務的運行。

3.2.3 海洋數據倉庫建設

海洋數據倉庫系統是數字海洋信息基礎平臺的核心，通過數據倉庫系統的建設和運行，實現海洋數據的統一高效管理，為數字海洋各級應用系統提供數據支撐。海洋數據倉庫系統具備數據查詢檢索、統計分析、數據抽取、數據清洗、數據挖掘、目錄服務等主要功能。包括基礎數據庫、專題數據庫、整合數據庫、數據集市、產品數據庫、元數據庫等幾部分。

①基礎數據庫

主要包括海洋環境基礎數據。海洋環境基礎數據庫由海洋水文、海洋氣象、海洋物理、海洋化學、海洋生物、海洋地質、海底地形和海洋地球物理等8大類數據。其數據庫模式與標準數據集文件格式基本對應，是數據集文件的關系化存儲。

②專題數據庫

海洋專題數據庫是在海洋基礎數據庫和產品數據庫的基礎上，通過綜合分析、融合處理等多種技術手段，面向實際應用需求建立的若干專題數據庫。主要包括基礎地理遙感、海域管理、海島管理、環境保護、海洋防災減災、海洋經濟與規劃、海洋執法監察、海洋權益、海洋科技管理等專題。海洋專題信息數據庫是綜合管理信息系統的主要數據基礎。

③整合數據庫

基礎數據庫中對按照調查手段組織的數據（如臺站數據、BT數據）按照主題（如溫度、鹽度、密度數據）重新組織，形成整合數據庫。基礎數據庫數據通過ETL工具進行數據抽取、清洗、轉換等處理后裝載到整合數據庫。

④數據集市

數據集市是由數據分析人員自定義、自動增量維護、針對特定領域創建的數據物理存儲的視圖，是按要素整合的海量海洋數據的子集。基于數據集市可以更快更好地完成數據挖掘、OLAP等數據分析工作。

⑤產品數據庫

結合數字海洋應用需求，按照統一的標準規范，整合處理908專項調查與評價資料、業務化海洋監測資料、歷史調查資料、國際合作資料以及海洋經濟、海洋管理活動產生的資料，開發了基礎地理、海洋遙感、海底地形、岸線修測、水文氣象、海洋防災減災、海洋經濟統計等9大類專題信息產品，并將之納入海洋數據倉庫中，實現了對海洋產品數據的統一管理。

⑥元數據

元數據是整個數據倉庫體系中非常重要的一個部分。不論是數據集文件、基礎數據庫、整合數據庫、專題數據庫還是產品庫都需要元數據對這些數據進行描述。

4 數字海洋原型系統

數字海洋原型系統（管理版）是我國數字海洋建設的重要內容和成果。數字海洋原型系統是在對大量海洋基礎數據和產品進行整合、融合與集成管理的基礎上，形成的一個信息集成與可視化展示基礎平臺。它集成了業務系統產生的專題數據、各種專題信息產品和部分海洋計算模式，并基于三維球體模型，利用三維可視化、動態仿真等技術，對這些信息進行空間分析和動態、直觀的可視化表達，并可以實現多類信息的綜合查詢。目前，數字海洋原型系統管理版包括基礎信息、海域管理、海島海岸帶、海洋災害、海洋環境、經濟資源、海洋執法、海洋權益、極地大洋等9個專題模塊。

圖3 數字海洋原型系統主界面

4.1 基礎信息模塊

實現了近海海域、重點海域、海島、海岸帶的高精度影像、矢量和地形的三維可視化表達與定位查詢。從中國近海、重點海域、海底地形等不同角度進行海洋基礎信息的全方位展示。基礎信息模塊還集成海洋水體、海岸景觀、海底地形與海洋生物的海洋場景仿真功能，真實地再現現實世界的海洋景觀，增強系統的真實性與吸引力。

圖4 北長山島三維地形展示

4.2 海域管理模塊

從現狀用海、歷史用海、用海統計、功能區劃幾個方面查詢與展示海域使用狀況，實現對各類用海信息的查詢、檢索、定位以及統計分析功能。

圖5 海域信息的顯示與查詢

4.3 海島專題模塊

以歷次海島、海岸帶調查數據為基礎實現了海島信息（如位置、面積、岸線長、人口等）多種條件的查詢、檢索、定位及海島影像與地形的可視化顯示功能。實現海島地形與影像的三維展示。

圖6 南長山島地形疊加影像及海島信息查詢結果

4.4 海洋環境模塊

針對海洋環境專題，利用統計、再分析、預報等多種類型數據，以單點查詢、過程曲線、顏色梯度填充、三維虛擬仿真等多種形式動態表達溫、鹽、密、聲、流、浪、潮汐、中尺度渦等水文要素、氣象要素和生物化學要素。圖7為三維直角坐標系下西北太平洋海域水體的溫度變化情況。

圖7 海水溫度可視化表達

4.5 海洋災害模塊

以可視化和虛擬現實等手段模擬海洋災害的發生過程，動態顯示各種海洋災害的歷史分布狀況、統計信息以及實時海洋災害的發生和變化趨勢。運用空間分析模型，結合高精度基礎地理數據，分析各種災害的可能影響范圍，為海洋防災減災、海洋災害預警、沿海城市資源經濟開發利用提供輔助決策。

圖8 臺風路徑動態再現

4.6 海洋經濟模塊

針對海洋經濟專題，實現了包括海洋經濟統計信息、海洋資源信息、沿海人口基本情況、涉海企業名錄等幾大類別信息的查詢統計分析以及專題圖表的制作，為海洋資源開發利用、海洋經濟宏觀調控、海洋經濟持續發展提供信息服務。

圖9 歷年地區生產總值經濟情況統計圖

4.7 海洋執法模塊

針對海洋執法專題，實現了包括執法機構、執法隊伍、執法裝備、執法基地、執法監察、執法案例、執法統計等信息查詢功能，全面展示了我國海洋執法的綜合實力。

圖10 海洋執法機構查詢

4.8 海洋權益模塊

針對海洋權益信息，從政治形勢、經濟形勢、軍事形勢、權益島嶼、權益案例等方面展示了我國及周邊國家政治、經濟、軍事方面的權益信息，實現了權益島嶼地形、高精度影像瀏覽，概況信息和多媒體資料及相關屬性信息的查詢。

圖11 我國周邊國家領海基線信息查詢

4.9 極地大洋模塊

針對極地大洋專題，研發了極地考察站、航次設計、歷史航跡、專題數據、極地科考等模塊，實現了歷次極地考察航跡信息、極地專題信息、極地考察站的展示、查詢、三維景觀模擬等功能。

圖12 中國南極中山站實景模擬及我國雪龍號南極科考航跡路線圖

5 海洋綜合管理信息系統

面向海洋業務管理的實際需求，設計開發了海洋綜合管理信息系統，包括海域管理、海島管理、環境保護、海洋經濟、海洋執法、防災減災、海洋權益、海洋科技等8個子系統。

海洋綜合管理信息系統在體系結構上由國家級和省市級系統構成。實現了統一設計、集中開發、分布部署。系統具有空間信息二三維一體化聯動、圖形圖像數據瀏覽、專題信息綜合查詢、海洋業務辦理等基本功能，并且具備基于SOA架構的海洋業務定制功能，能夠快速搭建海洋業務，定制業務工作流程。

系統提供標準的數據傳輸接口和開放的集成接口，能夠快速集成已有的業務系統。目前已在17個節點進行了系統部署，實現了70多個節點特色系統的集成。

圖13 海洋綜合管理信息系統界面

6 iOcean中國數字海洋公眾版

2009年6月12日正式發布的“iOcean中國數字海洋公眾版”（www.iocean. net.cn）是基于數字海洋三維可視化平臺最新研發成果和廣泛收集的大量海洋科普資料，面向公眾的信息發布系統。“iOcean中國數字海洋公眾版”包括海洋實事新聞、海洋調查觀測、數字海底、海島海岸帶、海洋資源、探訪極地大洋、海洋預報、海上軍事、海洋科普、虛擬海洋館等10個主題板塊、35個二級板塊。系統信息內容豐富，表現形式生動，成為宣傳數字海洋建設成果，普及海洋知識的重要窗口。

圖14 iOcean中國數字海洋公眾版主界面

圖15 虛擬海洋館模塊

7 數字海洋移動服務平臺

基于Mobile、iOS（iPhone）和Android操作系統，開發完成了數字海洋移動服務平臺（iOcean@touch），實現了海洋信息的移動式服務。

移動服務平臺包括新聞時訊、海洋環境質量公報、潮汐信息查詢、海水浴場預報、沿海地區天氣預報、海浪預報、風暴潮預報、海冰預報、海溫預報、沿海旅游景點、海洋資源、海洋科普（包括9個子模塊）、海洋法律法規（包括4個子模塊）、基礎地理（包括8個子模塊）、國際組織與機構（包括4個子模塊）、海洋經濟動態查詢、海島、國外情報動態（包括20個子模塊），共計18個模塊。

通過基于移動平臺的數據采集、管理、分析、應用、更新、維護等數據資源組織管理體系，為海洋信息服務提供方便快捷的途徑，為海洋工作者和社會公眾增加了一條獲取海洋知識、掌握海洋信息的有效途徑。

圖16 數字海洋移動服務平臺

8 數字海洋系統集成

基于數據服務總線和應用服務總線，開展數字海洋系統的用戶集成、數據集成和應用集成。通過集成數字海洋信息基礎框架構建項目中的各任務單元成果，實現了數字海洋原型系統（管理版）、海洋綜合管理信息系統、數字海洋數據倉庫之間的有機集成。實現了24個節點間的系統集成，基于總線實現了節點間的數據交換共享和系統的一體化運行。

完成了數字海洋集成框架門戶建設，實現了用戶單點登錄、統一身份認證和數字海洋建設成果的一站式訪問。

圖17 數字海洋系統集成總體架構

圖18 數字海洋集成框架門戶

9 數字海洋運行控制中心

開發了數字海洋運行控制系統，建成了數字海洋運行控制中心。運控中心是數字海洋運行控制系統集中運行的場所，于2008年11月正式建成并投入運行，是集演示、控制運行、遠程視頻會議、應急響應等多項功能于一體的綜合運控指揮中心，包括設備區、操作區、控制區3個功能區域。在這里通過數字海洋專線網絡連接各個業務節點，通過對各級節點數據中心設備的工作情況、數據流程、網絡運行狀態等進行實時或準實時監控，實現機房環境、計算機設備、系統故障報警，安全防護集中部署、統一管理，最終實現“數字海洋”系統的一體化集中管理和控制。

圖19 數字海洋運行控制系統

圖20 數字海洋運行控制中心

10 結語

數字海洋信息基礎框架建設邁出了我國“數字海洋”從科學概念到工程實體建設的重要一步，我國數字海洋信息基礎框架建設取得了豐碩的成果。但是，我們也必須看到，就數字海洋建設和應用服務的整體水平來看，我國同國外發達國家相比仍存在較大的差距，主要體現在：數據獲取體系和能力建設仍明顯不足，還不能有效保障數字海洋的持續信息更新；我國自主的數字海洋技術體系仍不夠完善，亟須通過引進和吸收加強自主創新能力；數字海洋應用體系和服務模式尚不完善，尚未形成從技術研究、產品研發、系統建設到產業化應用健全的社會化應用服務模式。

數字海洋建設是一項長期的具有戰略性和前瞻性的系統工程，是當前乃至今后一段時期我國海洋信息化領域的重要工作。在今后工作中，要在吸收和借鑒國內外相關領域工作經驗的基礎上，積極開展數字海洋發展戰略規劃研究，結合我國海洋工作實際，謀劃具有中國特色的數字海洋建設之路；加強數字海洋關鍵技術研發力量投入，增強自主創新能力，盡快建立自主知識產權的數字海洋基礎平臺；建立健全海洋信息更新能力和機制保障，建立權威的海洋信息基礎平臺，搭建起通暢的海洋信息交換共享服務渠道；全面啟動數字海洋系統工程，探索符合我國國情的海洋信息化建設與應用服務模式，使之在為海洋各項工作和社會公眾提供信息服務方面發揮越來越重要的作用。