國家海洋公園生態服務網絡平臺信息系統設計與實現

劉雙印,巫建偉,莊海東,劉曉東,滿旺

(1.廈門藍海天信息技術有限公司 廈門 361008;2.自然資源部第三海洋研究所 廈門 361005;3.廈門理工學院空間信息技術研究所 廈門 361024)

0 引言

國家海洋公園是指為保護海洋生態與歷史文化價值,發揮其生態旅游功能,在特殊的海洋生態景觀、歷史文化遺跡、獨特地質地貌景觀及其周邊海域劃定的海洋特別保護區。國家海洋公園與一般的公園不同,屬于海洋特別保護區的一種類型,同時具有海洋特別保護區和公園的特征,其目的是建立海洋生態保護與海洋旅游開發相協調的可持續發展模式,在保護海洋生態環境的同時,合理發揮特定海域的生態旅游功能,實現生態環境效益和經濟社會效益的雙贏。

近年來,我國國家海洋公園建設和管理取得積極進展,國家海洋公園數量和面積增長迅速。截至2016年年底,我國已批準建立49個國家海洋公園[1]。初步形成了包含特殊地理條件保護區、海洋生態保護區、海洋資源保護區和國家海洋公園等多種類型的海洋特別保護區網絡體系[2]。

盡管我國的國家海洋公園在近幾年取得了跨越式的發展,但是目前我國的國家海洋公園仍存在重實現經濟價值,輕生態修復、環境整治、公園保護以及公眾宣傳等。因此常常導致公園成立后對當地居民影響小,生態及社會效益發揮不明顯等情況。

為了更好地增強對國家海洋公園環境與生態狀況的了解,提高海洋環境的管理水平,為海洋環境與生態保護及應對環境災害事故提供參考和技術支持。同時向民眾普及海洋環境保護知識,提高海洋環境意識,更好地保護國家海洋公園環境與生態。本研究探索建立國家海洋公園生態管理決策支撐信息管理系統,重點探討國家海洋公園生態服務網絡平臺信息系統的設計與實現的技術方法。

1 研究現狀

海洋保護區因具有特殊的地理條件、生態系統、生物與非生物條件及其在海洋生態保護方面的重要作用,很早就受到廣泛重視并進行了大量研究。

2001年張華國等[3]通過對海洋自然保護區的特點和系統概念模型的分析研究,針對海洋保護區的空間決策分析與生態環境評價提出了海洋自然保護區地理信息系統(MNRGIS),并對其系統結構、關鍵技術和數據庫結構的設計進行了初步的探討,同時對系統在建設過程中會碰到的問題進行了說明并提出解決方案。

山東科技大學的劉冰等[4]借助遙感影像技術解決海洋特別保護區因所處位置較偏僻、數據難以獲取的問題,提高了保護區的數據獲取的便捷性,增強了數據的現實性及可靠性;相詩堯[5]利用地理信息技術通過多源數據實現對海洋特別保護區的全方位的信息刻畫,為海洋特別保護區的維護、管理和展示提供技術便利。

喬延龍等[6]以天津大神堂海洋特別保護區為試點,構建了包含監測平臺、無線傳輸和岸基監控中心的監視監控系統,實現對海洋特別保護區的實時視頻圖像、生態環境、防災減災的監視監控,為海洋經濟開發和生態環境保護的協調發展等提供助力。趙晴晴[7]則借助分析評價體系的構建及其模型的實現對海洋保護區的水質、沉積物、生物多樣性等進行分析評價。

海洋公園是海洋保護區的一種類型,因為提出時間較晚,研究的單位及其成果相對較少。

江蘇省連云港市海域使用保護動態管理中心經過連云港海州灣國家公園的數據化管理過程,針對目前海洋公園管理過程中出現的問題提出通過硬件、網絡、系統的建設實現對海洋公園的管理升級與優化[8]。

國內針對海洋保護區與海洋公園的信息系統建設多集中于政府信息管理、模型分析以及應用決策方面,針對管理執行、項目研究及其公眾科普的信息系統則相對較少,本研究以這三者為主要服務對象來構建服務系統。

2 系統構建目標與主要內容

通過構建國家海洋公園生態環境保護管理信息共享與在線互動系統,一方面為海洋管理機構、項目研究機構以及公眾之間提供合作交流的技術平臺,通過廣泛收集公眾的意見和建議,提升公園的能力建設和綜合管理服務水平,提高國家海洋公園的知名度和展示度,創造社會效益;另一方面作為國家海洋公園的綜合展示窗口,發揮示范帶動效應,提高國際影響力。

系統構建涉及的主要工作內容包括以下幾方面。

(1)進行各國家海洋公園網絡成員基本信息、生態調查數據信息整合,實現實時數據獲取接口,構建國家海洋公園網絡數據庫系統,研究并形成各個合作公園都能解讀的數據服務接口。

(2)依托生態調查數據的全面分析與信息提取,研發國家海洋公園生態環境信息展示與生態評估可視化交互環境,為海洋功能生態服務網絡提供智能、高效在線交流協作環境。

(3)形成國家海洋公園合作方合作交流、信息共享、經驗共享、管理決策的互動平臺,實時展示國家海洋公園的環境與工作動態,發布項目工作進展以及合作成果,促進合作方交流。

(4)搭配以各國家海洋公園網絡成員生態旅游推廣、旅游移動定位服務、國家海洋公園生態保護宣傳公眾服務為主導功能的移動終端App軟件應用的研發,形成海洋生態保護、國家海洋公園網絡推廣在線宣傳窗口。

3 需求分析

3.1 用戶角色分析

面向系統業務需求及系統管理需求,可將系統用戶劃分為3種用戶角色。

(1)系統管理員。具有系統最大的管理權限,擁有系統全局管理權限。權限內容為系統內所有用戶管理與用戶權限管理。

(2)公園管理員。國家海洋公園網絡合作方成員,通過系統進行國家海洋公園數據信息共享、管理經驗共享,展示國家海洋公園的環境與工作動態,發布項目工作進展以及合作成果。權限內容為:具備各國家海洋公園的瀏覽權限;具備所轄示范區國家海洋公園的數據的全部管理功能;具備所轄示范區國家海洋公園基本信息、管理情況進行維護權限,包括公園介紹、保護目標、功能區劃、管理條例、環保宣傳、科研活動、生態修復、生態旅游,轄區生態環境、生物資源等內容進行編輯管理,更新新聞公告信息等。

(3)公眾。接受示范區生態旅游推廣和國家海洋公園生態保護宣傳的公眾,并通過系統進行旅游體驗分享。系統旅游方面的業務功能區別于傳統的旅游網站,主要功能集中于為公眾提供各國家海洋公園基本信息、基礎設施情況,吸引用戶的重點在于生態環境保護宣傳、生物生態知識科普。權限內容為:國家海洋公園基本信息的瀏覽;海洋生態環境、生物資源科普及熱點信息瀏覽;公園多媒體熱點信息瀏覽與分享,具體體現為旅游現場多媒體信息分享,如,發布照片、視頻及文字描述等。

3.2 系統數據內容

依據項目調查進展情況以及數據收集情況,系統涉及數據形式包括以下幾種類別。

(1)表格數據。包括國家海洋公園現場調查與歷史收集整理數據等。

(2)矢量數據。包括國家海洋公園功能區劃數據、土地利用現狀數據、園區各種調查與要素數據等。

(3)柵格數據。遙感影像、無人機航測影像等。

(4)基礎環境場數據。區域風流場、葉綠素開源數據等。

(5)多媒體展示數據?，F場采集圖像、視頻素材等。

(6)360全景數據?，F場采集360全景素材。

(7)三維場景數據。包括無人機傾斜攝影三維建模與地物獨立建模數據。

3.3 系統展示框架

依據系統主要業務需要,同時根據系統需要展示信息及數據內容的獲取區域范圍特征,將系統在界面展示層次上劃分為以下幾個部分。

(1)大尺度。由于項目各示范區分布在國家沿海省、市、自治區,使用單位包括省、市、自治區、縣等地區的公園管理單位及公眾用戶,因此系統主頁面定位在全國的大尺度范圍,該尺度除了反映各示范區具體位置之外,也可以在大尺度范圍內展示實時的全國海洋環境背景場數據,包括風場、流場、葉綠素場等。同時,基于系統設定的針對各示范區的生態環境評估與國家海洋公園管理評估模型,可以在該層次上展示各種評估結果。

(2)中尺度。該尺度為國家海洋公園現場調查數據信息、國家海洋公園管理情況的主要展示層。具體尺度范圍為各國家海洋公園的區域范圍,在該尺度上可以以空間分布的形式展示各種帶有空間信息的數據調查結果,同時可以將用戶興趣范圍聚焦于國家海洋公園區域范圍。

(3)小尺度。經過無人機傾斜攝影測量以及獨立建模的國家海洋公園標志性地物的三維場景,需要在更小的尺度上才能體現樣式,因此該尺度是在中尺度范圍基礎上的更小尺度展示,用戶可以對國家海洋公園的局部區域進行瀏覽,除了高分辨率遙感影像可以具有更好的展現效果外,360全景素材也能更好地結合具體位置場景進行展現。

(4)移動終端App。移動終端App的功能設計主要定位為國家海洋公園基本信息的瀏覽、生態環境保護宣傳以及用戶交流操作(熱點場景多媒體信息分享、國家海洋公園管理相關問卷調查),系統的部分展示內容將集成為移動終端App向公眾發布。

4 系統體系結構設計

依據系統構建目標,國家海洋公園生態服務網絡平臺信息系統體系結構如圖1所示。從總體上看,建設一個以計算機硬件與網絡通信平臺為依托,以政策、法規、規范、標準、信息化機構以及安全體系為保障的實驗室資源管理信息系統,在良好的支撐環境下,為實驗室資源的專業化管理提供服務。以“架構統一、體系開放、分級考慮、體現個性”的設計思想,在充分保證系統所要求的各種屬性不變的前提下,采用組件化設計。整體框架包括基礎設施層、軟件平臺、數據層、數據集成層、應用層和用戶層等不同的層次。

圖1 系統體系結構

基礎設施與軟件平臺層,包括網絡環境、軟硬件設施等基礎設施,進一步保障系統順利運行。其中基礎設施層包括PC終端、服務器、交換機等硬件設施,軟件平臺包括操作系統、數據庫系統、應用服務、ETL數據集成工具、報表工具等軟件環境。

數據層包括基礎地理數據庫、水文氣象數據庫、社會經濟人物數據庫、敏感信息數據庫、環境監測數據庫和生態調查數據庫等數據。

數據集成層在整個框架中具有承上啟下的作用,通過對集成預制管理、任務調度和監控、抽取/加工引擎、數據質控管理實現對信息資源的統一集中管理,并通過數據發布、數據共享等為上層綜合應用系統獲取所需的數據資源提供統一的基礎支撐服務。

綜合應用層主要包括了國家海洋公園生態調查數據管理子系統、國家海洋公園生態調查數據展示子系統和國家海洋公園生態網絡服務App。

用戶層指應用系統的直接用戶,分為管理人員、維護人員、領導層、相關涉海單位和業務人員5個類型。

根據系統需求的理解,并參考相關平臺等系統的技術路線,系統采用模塊化、組件化、面向對象的設計開發模式,基于SOA的組件化開發框架,基于J2EE的技術架構,以及采用Oracle數據庫。

5 功能模塊設計

依據系統業務功能需要與系統用戶角色情況,系統功能劃分為四大模塊。其中,區域調查數據管理與展示模塊,主要功能為調查數據均在中尺度GIS展示、分布情況面數據、公眾科普熱點數據提供App展示;國家海洋公園管理與展示模塊主要包括國家海洋公園基本信息管理、功能區劃信息管理、公園基礎設施管理、公園熱點景區管理、環保宣傳活動管理、科研活動管理、生態修復活動管理、新聞公告管理和生態旅游信息管理等,管理形式包括中尺度、移動終端App,GIS展示及文本內容展示;國家海洋公園生態環境質量與管理水平評估模塊主要包括海水水質環境質量評價、海洋沉積物環境質量評價、海洋生物多樣性評估、國家海洋公園管理水平評估和調查問卷管理;旅游信息共享模塊主要包括旅游體驗多媒體信息分享和公眾多媒體信息審核。

6 系統實現與應用

結合總體的功能模塊劃分,整個項目按照使用受眾以及功能要求劃分為3個子系統,分別為:國家海洋公園生態調查數據管理子系統、國家海洋公園生態調查數據展示子系統以及國家海洋公園生態網絡服務App。

6.1 國家海洋公園生態調查數據管理子系統

建立國家海洋公園生態調查數據綜合數據庫,數據庫建設內容包括:基礎地理信息數據庫、社會經濟人文數據庫、敏感信息數據庫、環境監測數據庫和生態調查數據庫。

通過數據協調、現場監測、網絡爬取等多種技術手段采集各國家海洋公園空間區域、地形地貌、基礎專題、衛星遙感影像、DEM等地理信息數據,通過標準的數據入庫、編輯處理、存儲,建成基礎地理信息數據庫,數據存儲形式包括柵格和矢量兩種方式。

依據權威部門發布的統計年鑒、信息公報,以及權威行業網站公布的數據為基礎,通過整合、甄選、加工,形成更加系統、專業的數據集。包括各國家海洋公園社會文化信息、經濟統計信息、文獻資料信息等,建立社會經濟人文數據庫。

敏感信息數據庫不同于一般的數據庫,對數據的安全性有著十分特殊的要求。首先,對數據內容進行脫密操作,脫密操作過程復雜,既要考慮到數據的敏感性也要考慮到脫密后的數據的可用性,通過對數據量、數據覆蓋范圍、數據“分辨率”以及關鍵字段等內容進行合理的取舍,使其安全可用。其次,制定授權機制,對內部不同級別用戶進行權限限制。數據內容包括基礎地貌、水深地質、漁業資源分布、重點生境等信息。

建立環境監測數據庫。利用環境實時監測或環境評價調查工作中獲得的大量數據資料建立數據庫,根據需要按時間、項目或采樣區域繪制成圖表進行污染源分析,采用直方圖顯示環境質量分析和進行動態比較。包括各國家海洋公園水質監測、沉積物監測等數據。

將獲取的生態調查數據匯總形成數據集,詳細記錄調查時間、區域、方法和調查結果,包括葉綠素、浮游生物、游泳動物、底棲生物、魚卵仔魚等調查數據,建立生態調查數據庫。

6.2 國家海洋公園生態調查數據展示子系統

海洋基礎地理信息的展示,通過選擇收集地形數據、高程數據進行三維基礎數據信息的采集,形成三維立體的空間數據基礎展示環境。集成基礎WMS地圖服務功能,實現不同的WMS地圖服務的顯示,同時對圖層的顯示進行控制。實現對衛星遙感影像、航空遙感影像、無人機航拍影像、基礎地理數據、近海灘涂養殖分布、海水養殖現狀等地理信息的展示及控制。

360全景數據展示,通過采集各國家海洋公園重點區域的360度影像,制作網絡360展示平臺,用戶可任意選擇感興趣的視角對公園全景進行查看,系統為用戶提供環視、俯瞰和仰視等身臨其境般的體驗。360景觀功能模塊采用的是獨立功能模塊開發,通過定義規范實現對應的腳本插件與接口,實現不同平臺對360景觀功能模塊的調用,實現數據共享。

視頻展示采用通用的視頻服務器實現網絡視頻播放要求,視頻服務器采用MPEG4或MPEG2等壓縮格式,在符合技術指標的情況下對視頻數據進行壓縮編碼,以滿足存儲和傳輸的要求。

水文氣象信息動態展示,系統實現風場、流場等水文氣象信息的動態顯示功能,通過對動畫疏密、動畫長度及消失時間等參數的控制,實現對風流場數據的動畫展示。系統基于道格拉斯-普克抽稀算法,根據不同的展示尺度對海量的海洋背景數據進行合理的抽稀與壓縮,從中提取關鍵性數據,同時利用GIS技術、數據可視化技術以及HTML5的動態顯示技術,結合坐標投影算法與實時數據方向速度計算,實現風場、流場、溫度、濕度等海洋水文氣象、環境監測等數據在時間與空間上的動態展示,達到更加直觀的展現效果。

監測斷面信息展示,通過GIS技術,將海洋調查中的斷面采集信息在地圖上進行直觀的展示,方便用戶查看斷面的總體監測信息。

GIS基本操作主要包括圖形顯示(地圖自由縮放、漫游、刷新屏幕、圖形移動),圖層操作(地名、區劃、界線數據的點、線、面的打開、移動功能),地圖目標選擇(點選取目標,矩形選取目標,多邊形選取和取消選擇功能),矢量和影像圖層切換,固定比例顯示,地圖坐標顯示,全圖顯示等。

三維展示利用遙感影像中的高程信息,生成地形的三維模型,并將影像圖疊加后形成區域地形的三維效果。利用Web的三維展示技術實現地形三維效果的顯示。三維效果展示功能滿足本節中所提及的各項數據的集成展示要求。

6.3 國家海洋公園生態網絡服務App

通過文字、圖片、動畫和視頻等多種展示方式為用戶展示各國家海洋公園示范區內的海洋、地理、社會、經濟、人文等內容信息,并將之有序地組合起來,形成一個整體,使用戶能更直觀和全面地了解各國家海洋公園示范區。通過App進入國家海洋公園概況模塊,可通過選擇海洋、地理、社會、經濟、人文類別,查看相應海域的海洋介紹內容。

6.4 系統應用

項目成果在中國與東盟各國聯合的針對海洋公園的管理、科研、宣傳的合作項目中發揮了重要作用,項目收集整理了中國-東盟的公園的基礎信息、地理信息、環境信息、社會信息以及人文信息等并提供相應的管理、分析、展示及大眾互動的功能,為海洋公園的管理、科研人員的信息交流以及針對大眾的科普宣傳等提供技術支撐,起到了很好的示范作用。

7 結論

為更好地保護國家海洋公園環境與生態,增強對國家海洋公園環境與生態狀況的了解,提高海洋環境的管理水平,為海洋環境與生態保護及應對環境災害事故提供參考和技術支持,項目構建了國家海洋公園生態管理決策支撐信息管理系統,開展國家海洋公園生態環境的風險評估,為國家海洋公園生態管理的相關決策提供數據支撐。

依據系統構建目標,國家海洋公園生態服務網絡平臺信息系統體系結構以計算機硬件與網絡通信平臺為依托,以“架構統一、體系開放、分級考慮、體現個性”的設計思想,在充分保證系統所要求的各種屬性不變的前提下,采用模塊化、組件化、面向對象的設計開發模式,基于SOA的組件化開發框架與J2EE的技術架構,采用Oracle數據庫。整個系統體系的整體框架包括基礎設施層、軟件平臺、數據層、數據集成層、應用層和用戶層等不同的層次。系統功能模塊包括區域調查數據管理與展示、國家海洋公園管理與展示、國家海洋公園生態環境質量與管理水平評估和旅游信息共享。系統實現了國家海洋公園生態調查數據管理子系統、國家海洋公園生態調查數據展示子系統和國家海洋公園生態網絡服務App 3個子系統。經過測試,系統運行良好,達到了預期目的。