膠州灣海洋生態保護信息化平臺設計

于慶云韓錫錫姜錫仁宋文鵬曲亮孟小嵩

(1.國家海洋局北海環境監測中心 青島 266033;2.山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室 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,岸線長約204 km。膠州灣內港口航運、濱海旅游和海洋漁業發達,環灣陸域聚集海洋高新技術和海洋生物等眾多藍色經濟產業,是集港口、旅游、漁業和文化等功能于一體的多功能型海灣。

近年來,膠州灣海域面臨較嚴重的生態環境問題。主要包括5個方面：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,生態系統受到破壞。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、池塘養殖區和鹽田取代。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致海灣與外海之間的水交換強度以及污染物遷移擴散速率下降,海灣自凈能力減弱,灣底乃至青島港出現污染物淤積。⑤生態災害頻發,突發性環境風險較大。膠州灣沿岸分布大量石化產業和港口碼頭,高密度的產業布局和海上危險品運輸不但加大膠州灣的環境污染壓力,而且帶來巨大的生態環境安全風險,1989年以來發生數次溢油事故,綠潮、赤潮和水母等生態災害頻發[1-6]。

通過開展膠州灣海洋生態保護信息化能力建設,實現海洋生態保護的數據采集、數據傳輸以及數據計算和存儲設施的虛擬化和資源池化,最大限度地發揮青島市電子政務硬件資源的效能,在此基礎上,建設智慧膠州灣綜合管理平臺。該平臺實現業務和數據的協同和共享,提供身份認證、標準、模型、知識庫、數據共享和GIS等一系列公共服務;從實際業務需求出發,重點構建膠州灣海洋生態保護的特色應用平臺,以滿足新形勢下膠州灣海洋生態保護對信息化管理的迫切需求。

1 平臺建設背景

近年來,我國海洋生態文明建設備受關注。2015年《中共中央 國務院關于加快推進生態文明建設的意見》對海洋生態文明建設提出具體要求,包括“加強海洋環境治理、海域海島綜合整治、生態保護修復,有效保護重要、敏感和脆弱海洋生態系統”和“實施嚴格的圍填海總量控制制度、自然岸線控制制度,建立陸海統籌、區域聯動的海洋生態環境保護修復機制”等[7]。青島市委、市政府深入實施藍色保障戰略,不斷強化海洋綜合管理,加快建設海洋生態文明,陸續制定《青島市海洋環境保護規定》《青島市海域使用管理條例》和《青島市膠州灣保護條例》等7部地方性海洋法規,同時編制《青島市海洋生態文明示范區規劃》(2015—2020 年),科學指引海洋生態文明建設各項工作的有序開展[8]。

“智慧海洋”是海洋管理的信息化形式,建立網上協同、網下協作和雙空間高度融合的智慧膠州灣綜合管理平臺,是膠州灣海洋生態保護管理的新模式。綜合運用視頻感知、識別感知、屬性感知和位置感知等物聯網和無線傳輸網絡技術,建立全方位的信息管理平臺,實現地理信息數據、海洋監測數據和相關視頻的融合集成管理;通過完善膠州灣海洋生態數據中心,形成智慧分析決策模式,并通過對業務平臺和數據中心的有效管理,建立科學的運行評估體系,促進膠州灣海洋生態文明建設,協助青島市相關政府部門根據業務環境和經濟發展趨勢分析市場需求,引導產業聚集發展、資源開發利用和企業生產資源的合理配置[9-10]。

2 系統設計思路

智慧膠州灣綜合管理平臺以實際業務需求為基本出發點,以適應未來信息化發展趨勢為基本準則,立足于服務膠州灣生態環境綜合整治修復工作,實現膠州灣海洋生態保護和海洋經濟管理的手段智能化、信息透明化和管理規范化。

2.1 平臺化

全面貫徹平臺化的建設思路,有效應對需求變更和管理改革等帶來的系統應用變化,減少因系統改造導致的重復投入和不穩定性等,完美應對系統運行過程中需求和管理的變化,極大地降低系統維護和后續進階型建設的工作量和投入,增強系統穩定性。

2.2 開放性

為降低項目運行風險,滿足高級應用需求,系統建設在統一用戶管理、統一安全認證和統一數據平臺等的基礎上,遵循高開放性的原則,實現與主流產品化應用軟件的集成。

強調系統的開放性和集成性,基于面向服務的架構(SOA)的理念和技術,使平臺既能快速與其他系統完成整合,又能順利與第三方系統開展協作。

2.3 “一平臺”

由于平臺涉及多個業務系統、技術和設備的集成,系統的網絡結構呈現多樣化,采用的管理工具眾多,在系統建設過程中,須屏蔽后端的復雜結構,實現“一平臺”管理。在“一平臺”的基礎上,進行協議集成、技術集成、網絡集成、數據集成和應用集成,運用多手段和多技術設計數據和應用的整合方案。

3 數據庫建設

智慧膠州灣綜合管理平臺的數據庫深度整合膠州灣海洋基礎地理、海洋在線監測、海洋環境監測、海洋資源和海上交通等海洋數據以及水利等涉海數據,具備完善的數據資源存儲和更新機制。海洋基礎地理數據庫包括海岸帶和海域行政界線、海洋功能區劃、濱海濕地、保護區和海洋公園、生態保護紅線以及海洋工程等信息數據。海洋在線監測數據庫包括衛星和航空等的遙感影像和基礎地理信息數據以及岸基和浮標等的監測信息數據。海洋環境監測數據庫包括對膠州灣和青島市的海域生態環境、生態監控區、陸源污染物、重點示范區、海洋功能區和建設項目的海洋環境影響和海洋環境風險進行監測的信息數據。海洋資源數據庫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據。海上交通數據庫包括航道、碼頭和危化品管理等的信息數據。水利數據庫包括入海江河、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據。

數據庫建設采用基于3NF 的設計方法。基本思想是：在需求分析的基礎上,確定數據庫模式中的全部屬性以及屬性之間的依賴關系,并將其組織在單一的關系模式中;分析模式中不符合3NF的約束條件,并將其投影分解,規范成若干個3NF 關系模式的集合。

4 平臺系統建設

智慧膠州灣綜合管理平臺是通過物聯網基礎設施(遙感、浮標和視頻等)、云計算基礎設施和地理空間基礎設施等全息技術以及綜合集成法和全媒體融合通信終端等工具和方法,實現對膠州灣海洋生態保護管理信息的透徹感知、互聯互通和智能融合(圖1)。

4.1 海洋環境立體實時在線監測系統

集成視頻和浮標等在線監測技術手段,構建包括設備運行實時監控、在線數據實時傳輸和多源信息實時處理的膠州灣海洋環境立體實時在線監控體系,可實現對膠州灣海洋環境從狀態監測到過程監控的轉變以及從現狀監測到預警預報的轉變,提升對膠州灣海洋環境現狀、主要污染源、重要功能區、生態敏感區、環境風險區和人為活動等的實時在線監測和動態管控能力。

海洋環境立體實時在線監測系統架構如圖2所示。

圖1 平臺總體架構

圖2 海洋環境立體實時在線監測系統

4.2 海洋智慧分析評價系統

通過數據庫建設,集成膠州灣海洋環境質量監測數據,包括監測站位、項目和數據等,并根據海洋環境質量評價標準建立評價模型,構建膠州灣海洋環境監測評價體系的標準庫和模型庫。基于GIS平臺服務的電子地圖應用,結合統計圖、專題圖和平面分布圖等,以圖形為導向,從時間和空間的角度對數據成果進行分析評價,掌握膠州灣不同尺度生境要素的時空分布特征,評價海洋環境現狀及其演變趨勢。

4.3 海洋保護與管理信息系統

海洋保護與管理信息系統的主要信息包括海洋保護區現狀和保護規劃等,如海域、海島和岸線等的開發保護現狀和規劃。基于GIS平臺對保護區建設、整治修復項目和海水浴場等進行管理,實現對信息資源的新增、編輯、更新、導入、導出和專題地圖發布等功能。

4.4 海洋功能區管控信息系統

根據現行有效的膠州灣海洋功能區劃,將膠州灣管轄海域分割為獨立的功能海域,并賦予其不同的環境管控要求以及預警指標和閾值。對水質、沉積物和生物質量等功能進行評價,并以圖層疊加的形式展示。

(1)功能區管控要求管理。通過系統界面錄入功能區管控要求,結合海洋功能區劃的地理位置,便于用戶根據區域位置查看其對應的功能區環境管控要求。功能區管控要求以文本信息的形式存儲到數據庫中,在調用時通過空間定位匹配至對應區域并展示。可更新功能區管控要求信息并重新保存至數據庫中,當用戶再次通過功能區底圖查看時可獲取最新的功能區管控要求信息。

(2)功能區管控要求展示。在功能區劃的基礎地圖上展示膠州灣功能區,在選擇某個區域時可查看該區域的環境管控要求以及預警指標和閾值。

(3)功能區管控指標和閾值管理。通過系統界面錄入功能區對應的管控指標和閾值,并賦予不同功能區各自要求的管控指標和閾值,便于用戶查看以及系統自動分析和預警。功能區管控指標和閾值信息以屬性數據的方式存儲在數據庫中,便于系統調用和分析。可更新功能區管控指標和閾值并重新保存至數據庫中,當系統再次調用時可訪問最新的功能區管控指標和閾值信息。

(4)功能區管控指標統計分析。根據海洋環境監測評價結果和功能區指標要求信息進行統計分析,以文字、圖片和表格的形式展示海洋功能區環境指標的達標情況。

4.5 海洋經濟管理系統

(1)海洋經濟運行監測系統。根據膠州灣海洋經濟運行監測指標體系,設計開發海洋經濟運行監測系統,實現對膠州灣臨港工業發展熱點、涉海企業經濟活動、涉海就業、海洋科技、海洋教育、海洋管理監督和涉外經濟活動等信息的監測、審核、匯總和整理,提升對全區海洋經濟運行狀況和發展環境的監測能力。

(2)海洋經濟運行評估系統。以海洋經濟監測和采集的信息為基礎,根據海洋經濟評估內容,綜合利用多種評估方法和模型,設計開發海洋經濟運行評估系統,實現對膠州灣海洋經濟運行狀況、運行規律和存在問題的分析和評估,預測海洋經濟發展趨勢,并對海洋經濟運行過程中可能出現的問題進行預警,為膠州灣海洋經濟的宏觀調控和管理決策提供支持。

(3)海洋經濟地理信息系統。利用地理信息系統技術,采集、模擬、處理、探索和分析海洋經濟監測和評估數據,結合電子地圖,直觀展示數據表、專題地圖和項目點分布圖等各種海洋經濟信息。

(4)海洋經濟信息共享和發布系統。基于統一的信息交換接口標準和數據交換協議,設計開發信息共享和交換平臺,實現本系統與相關涉海部門之間的數據交換和共享,并向政府部門、涉海企業和社會公眾發布及時和全面的海洋經濟報道,提高膠州灣海洋經濟信息共享和服務保障能力。

4.6 虛擬膠州灣系統

建立三維虛擬膠州灣仿真系統,通過立體展示和直觀表達,有效反映膠州灣海洋生態環境現狀。三維虛擬膠州灣仿真系統主要提供三維數據可視化瀏覽和數據分析等功能。

5 結語

從世界海洋強國的發展歷史來看,信息化水平和能力是各國制定海洋戰略和發展海洋事業的主要參考依據,更是未來開發利用海洋的核心要素[11]。

通過智慧膠州灣綜合管理平臺的建設,可促進膠州灣海洋生態保護與管理數據和信息流轉的海洋生態保護信息化進程,形成互聯互通的數據更新機制和平臺業務化運行機制,輔助相關政府部門和業務支撐機構實時掌握膠州灣海洋生態環境狀況及其變化趨勢,提高海洋生態環境監督管理的信息化水平以及海洋生態環境保護的管控能力。