山東省數(shù)字海域系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

高東琦

（山東省國土測繪院，山東濟(jì)南 250013）

山東是海洋與漁業(yè)大省，新形式下如何進(jìn)一步發(fā)揮海洋資源優(yōu)勢，科學(xué)配置海域海島資源，服務(wù)“藍(lán)黃”兩區(qū)建設(shè)，保障用海需求，建設(shè)海洋經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省，是省委省政府作出的一項重要戰(zhàn)略。當(dāng)前，山東省海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海洋開發(fā)利用程度的不斷加大，重點岸段、涉海工程數(shù)量越來越多、用海類型復(fù)雜多樣、分布廣，海洋管理部門對信息技術(shù)和信息服務(wù)的要求越來越高[1]。近年來，山東省海域海島管理信息化工作有序開展，穩(wěn)步推進(jìn)，海域?qū)徟討B(tài)監(jiān)管等多個應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)了業(yè)務(wù)化運行，提升了海域海島管理效率及效果，為海域信息化管理奠定了基礎(chǔ)。

盡管山東省海域海島管理信息化建設(shè)已取得了一定成績，但與國家和省關(guān)于信息化發(fā)展的要求相比，與海洋綜合管理對信息化的要求相比，還存在一定差距，特別是在數(shù)字化綜合展示、多系統(tǒng)融合銜接、新技術(shù)應(yīng)用、綜合處理及智能分析等方面還存在很多不足之處。目前，海域動態(tài)監(jiān)管、海域使用權(quán)轉(zhuǎn)讓、海域使用權(quán)變更和填海項目竣工驗收等業(yè)務(wù)信息化程度不高，已經(jīng)使用的國家海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)、海域使用項目管理系統(tǒng)、海洋行政界線管理系統(tǒng)、國家海島監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)等各自獨立[2]，數(shù)據(jù)分散存儲、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，系統(tǒng)間的銜接性較差；省自建系統(tǒng)在縱向上未能與國家業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通、無縫銜接；在橫向上未能和省政府政務(wù)服務(wù)平臺、省投資項目在線審批監(jiān)管平臺系統(tǒng)及紀(jì)檢部門的在線監(jiān)督等系統(tǒng)進(jìn)行有效銜接。此外，目前的系統(tǒng)無法集成展示全景影像、三維數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控視頻等動態(tài)信息，不利于實現(xiàn)海域海島立體實時監(jiān)控的目標(biāo)，無法滿足全省海域海島管理工作需求[2]。

因此，需要在現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源和業(yè)務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展和完善海域海島管理方式，提高海域海島管理的信息化水平，利用海域海島監(jiān)測新型技術(shù)手段，融合多來源、多尺度、多類型信息[2]，開展山東省數(shù)字海域工程建設(shè)，搭建數(shù)字海域管理信息平臺，增強(qiáng)全省海域綜合管理、動態(tài)監(jiān)測、分析評價等方面的能力和水平。

一、系統(tǒng)設(shè)計

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)以山東省海洋與漁業(yè)“一張圖”數(shù)據(jù)管理服務(wù)平臺的在線地圖服務(wù)為定位基礎(chǔ)，以山東省數(shù)字海域管理核心數(shù)據(jù)庫建設(shè)為核心，整合國家、省、市、縣各級海域?qū)ｎ}數(shù)據(jù)資源，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供服務(wù)接口，統(tǒng)一地理信息服務(wù)。項目實施應(yīng)遵從“全局考慮、分步實施、重點先行”的建設(shè)原則，先完成基礎(chǔ)內(nèi)容的建設(shè)，再逐步提高應(yīng)用內(nèi)容和應(yīng)用范圍[3]。

從軟件分層架構(gòu)的角度來看，各個節(jié)點都由四個層次構(gòu)成，即運行支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層（圖1）。運行支撐層包括規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和運行環(huán)境體系兩部分，該層貫穿于整個平臺。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)據(jù)規(guī)范、服務(wù)規(guī)范和應(yīng)用規(guī)范；運行環(huán)境體系包括網(wǎng)絡(luò)、計算機(jī)、存儲備份系統(tǒng)、安全保密系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)層即是山東省數(shù)字海域管理核心數(shù)據(jù)庫，由自然信息數(shù)據(jù)庫、管理信息數(shù)據(jù)庫2個大庫和14個分庫組成。自然信息數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容為地形地貌數(shù)據(jù)分庫、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)分庫、漁業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分庫、遙感影像數(shù)據(jù)分庫、全景數(shù)據(jù)分庫、三維模型數(shù)據(jù)分庫。管理信息數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容為用海規(guī)劃數(shù)據(jù)分庫、海域權(quán)屬數(shù)據(jù)分庫、海島權(quán)屬數(shù)據(jù)分庫、保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)分庫、漁業(yè)規(guī)劃數(shù)據(jù)分庫等。所有數(shù)據(jù)資源在邏輯上規(guī)范一致、物理上分布，彼此互聯(lián)互通。服務(wù)層是數(shù)字海域工程建設(shè)的核心內(nèi)容。服務(wù)層主要包括服務(wù)系統(tǒng)、運維管理系統(tǒng)[4]。服務(wù)層對外提供數(shù)據(jù)服務(wù)接口和功能服務(wù)接口，支撐主要業(yè)務(wù)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用；對內(nèi)實現(xiàn)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)更新交換。應(yīng)用層圍繞海域海島動態(tài)監(jiān)視檢測、海域項目審批管理、數(shù)字化展示等業(yè)務(wù)，建立并集成業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和海域資源綜合管理服務(wù)平臺。

圖1 數(shù)字海域工程系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2.系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

建立山東省數(shù)字海域管理信息平臺，平臺包括海域使用項目管理系統(tǒng)、海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)、海島動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)、數(shù)字化展示系統(tǒng)、海島使用項目管理系統(tǒng)、海底電纜管道路由管理系統(tǒng)、整治修復(fù)項目管理系統(tǒng)、海域行政界線管理系統(tǒng)8個子系統(tǒng)。

（1）海域使用項目管理子系統(tǒng)建設(shè)

建設(shè)海域使用項目管理子系統(tǒng)，完善海域使用申請審批、海洋環(huán)境影響報告書核準(zhǔn)等流程，新增海域使用權(quán)變更、轉(zhuǎn)讓、續(xù)期、抵押、注銷以及竣工驗收等功能模塊，新建海域使用權(quán)招拍掛出讓流程，實現(xiàn)與“國家海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)”的縱向?qū)樱c“山東省政務(wù)服務(wù)綜合應(yīng)用平臺”等省內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行橫向銜接。

（2）海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理子系統(tǒng)建設(shè)

建設(shè)海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)管任務(wù)下達(dá)、執(zhí)行、考核的網(wǎng)絡(luò)化運行和各種方式的監(jiān)管成果展示，銜接國家海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)主要功能有監(jiān)管任務(wù)運行管理模塊、空間資源監(jiān)視監(jiān)測模塊、重點海域監(jiān)視監(jiān)測模塊、區(qū)域用海規(guī)劃區(qū)監(jiān)視監(jiān)測模塊、建設(shè)項目用海監(jiān)視監(jiān)測模塊、非建設(shè)項目用海監(jiān)視監(jiān)測模塊、監(jiān)視監(jiān)測設(shè)備管理模塊、決策分析模塊。

（3）海島動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理子系統(tǒng)建設(shè)

開發(fā)建設(shè)海島監(jiān)視監(jiān)測管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)視監(jiān)測任務(wù)下達(dá)、執(zhí)行、考核的網(wǎng)絡(luò)化運行，各種監(jiān)視監(jiān)測成果集中展示，銜接國家海島監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)，為海島保護(hù)、管理、執(zhí)法提供信息服務(wù)。

（4）海島使用項目管理子系統(tǒng)建設(shè)

開發(fā)建設(shè)海島使用項目管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)無居民海島使用審批、招拍掛出讓業(yè)務(wù)和海島基本信息查詢、海島名稱管理、統(tǒng)計分析等業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)化辦理。銜接國家海島監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)和山東省政務(wù)服務(wù)綜合應(yīng)用平臺等省內(nèi)其他部門系統(tǒng)。

（5）海底電纜管道路由管理子系統(tǒng)建設(shè)

為加強(qiáng)海底電纜管道路由管理，防止損害海洋生態(tài)環(huán)境工程事故發(fā)生，對省級已經(jīng)批復(fù)的海底電纜管道進(jìn)行跟蹤管理，全面掌握我省海底電纜管道路由現(xiàn)狀，建設(shè)海底電纜管道路由管理子系統(tǒng)。通過整理海底電纜管理路由數(shù)據(jù)資料的信息化，實現(xiàn)海底電纜管道路由批復(fù)、施工許可的數(shù)字化管理，以及海底電纜管道保護(hù)區(qū)的規(guī)劃與管理。

（6）整治修復(fù)項目管理子系統(tǒng)建設(shè)

為全面掌握海域海島海岸帶整治修復(fù)工作實施情況，有計劃推進(jìn)海域海島海岸帶整治修復(fù)規(guī)劃實施，對單個整治修復(fù)項目進(jìn)行跟蹤管理，實現(xiàn)對整治修復(fù)項目內(nèi)容、階段進(jìn)展、修復(fù)效果等進(jìn)行綜合展示和全過程監(jiān)管。

（7）海域行政界線管理子系統(tǒng)建設(shè)

對現(xiàn)有海域行政界線資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將界線坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)系，改變界線管理系統(tǒng)的單機(jī)版現(xiàn)狀，開發(fā)建設(shè)“海域行政界線管理子系統(tǒng)”，服務(wù)于省內(nèi)各級海洋主管部門綜合管理。系統(tǒng)主要功能模塊包括界線檔案資料管理、界線信息查詢統(tǒng)計、界線變更管理、繪圖輸出。

（8）數(shù)字化展示子系統(tǒng)建設(shè)

開發(fā)建設(shè)數(shù)字化展示子系統(tǒng)，充分利用遙感、高清視頻、激光點云等技術(shù)手段，對全省海域海島、港口、岸線等進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時空的綜合展示。數(shù)字化展示系統(tǒng)作為海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理、海島動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理、海島使用項目管理、海底電纜管道路由管理、整治修復(fù)項目管理、海域使用項目管理和海域行政界線管理系統(tǒng)7個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)系統(tǒng)，貫穿其整個業(yè)務(wù)流程，負(fù)責(zé)其他業(yè)務(wù)信息、分析結(jié)果的統(tǒng)一展示。系統(tǒng)使用ArcGIS和Skyline軟件開發(fā)數(shù)字海域數(shù)字化展示系統(tǒng)[5]。

二、數(shù)據(jù)庫設(shè)計

通過采集整理獲取海域海島自然信息、管理信息，集成基礎(chǔ)地理信息、遙感影像資料、權(quán)屬數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、疑點疑區(qū)核查等業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)，以 “一張圖”平臺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)為定位基礎(chǔ)，建立山東省數(shù)字海域管理核心數(shù)據(jù)庫，由自然信息數(shù)據(jù)庫、管理信息數(shù)據(jù)庫2個大庫和14個分庫組成（圖2）。

圖2 山東省數(shù)字海域核心數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

1.自然信息數(shù)據(jù)庫

（1）地形地貌數(shù)據(jù)分庫：包括濱海地形地貌數(shù)據(jù)、海底地形數(shù)據(jù)、海島地形地貌數(shù)據(jù)、海洋/海岸工程數(shù)據(jù)等；

（2）海洋環(huán)境數(shù)據(jù)分庫：包括溫度、鹽度、水深、水質(zhì)、底質(zhì)等數(shù)據(jù)。

（3）漁業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分庫：包括產(chǎn)卵場、索餌場、越冬場、洄游通道數(shù)據(jù)。

（4）遙感影像數(shù)據(jù)分庫：包括國家每年四次配發(fā)的近岸海域30米分辨率衛(wèi)星遙感影像，熱點海域每年一次2.5米分辨率衛(wèi)星遙感影像，近岸重點海域每年一次分辨率優(yōu)于1米分辨航空遙感影像。以及使用無人機(jī)采集的1米分辨影像數(shù)據(jù)。

（5）全景數(shù)據(jù)分庫：包括利用移動全景采集設(shè)備采集的海岸線全景數(shù)據(jù)及激光點云數(shù)據(jù)。

（6）三維模型數(shù)據(jù)分庫：包括海島地表三維數(shù)據(jù)、石油平臺三維模型數(shù)據(jù)和港口三維模型數(shù)據(jù)。

2.管理信息數(shù)據(jù)庫

（1）用海規(guī)劃數(shù)據(jù)分庫：包括海洋功能區(qū)劃、海洋生態(tài)紅線、海域使用規(guī)劃數(shù)據(jù)。

（2）權(quán)屬數(shù)據(jù)分庫：包括海域權(quán)屬數(shù)據(jù)、無居民海島權(quán)屬數(shù)據(jù)、海底電纜管道數(shù)據(jù)。

（3）保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)分庫：包括自然保護(hù)區(qū)、特別保護(hù)區(qū)、海上公園、種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)。

（4）漁業(yè)數(shù)據(jù)分庫：包括人工魚礁規(guī)劃、垂釣基地、海上糧倉規(guī)劃等漁業(yè)數(shù)據(jù)。

（5）其它涉海規(guī)劃數(shù)據(jù)分庫：包括交通、旅游、城鎮(zhèn)、臨海工業(yè)等的規(guī)劃數(shù)據(jù)（港口規(guī)劃可單列）。

（6）動態(tài)監(jiān)管數(shù)據(jù)分庫：包括監(jiān)控攝像頭、無人機(jī)、照相機(jī)、攝像機(jī)采集的動態(tài)監(jiān)管數(shù)據(jù)等。

三、關(guān)鍵技術(shù)

整個平臺集成GIS技術(shù)、Web Service技術(shù)和SOA等多種先進(jìn)的技術(shù)手段來實現(xiàn)。采用上述技術(shù)方法，構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的管理和服務(wù)等。

1.基于SOA架構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)集成與擴(kuò)展

系統(tǒng)采用Web服務(wù)方式來支持SOA架構(gòu)，提供基于網(wǎng)絡(luò)的HTTP＋ XML接口服務(wù)，接受服務(wù)方可以通過XML傳遞必要的參數(shù)到服務(wù)器端，就像調(diào)用本地接口一樣實現(xiàn)與自身業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的無縫集成[6]。

系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)過程中提供對外服務(wù)的應(yīng)用程序功能封裝和發(fā)布為Web服務(wù)，通過服務(wù)注冊和服務(wù)目錄，向服務(wù)消費者（各種組件或部門的應(yīng)用系統(tǒng)）提供Web服務(wù)，使系統(tǒng)的功能可以采用松耦合的方式實現(xiàn)集成，并使平臺提供功能服務(wù)具有可擴(kuò)展性[7]。

2.實現(xiàn)海量三維數(shù)據(jù)動態(tài)加載和高效運行

由于傳統(tǒng)的城市三維模型數(shù)據(jù)量比較大，容易占用較高的瀏覽器緩存和內(nèi)存資源，項目采用基于流模式的三維模型處理方式。項目將三維模型和其它數(shù)據(jù)統(tǒng)一制作成多分辨率、最優(yōu)流方式的3D網(wǎng)格圖層數(shù)據(jù)庫（3DML），提高了系統(tǒng)加載速度和降低內(nèi)存消耗。同時將所有地形和影像數(shù)據(jù)建立影像金子塔結(jié)構(gòu),將模型對象構(gòu)建線性四叉樹和R樹空間索引，將紋理通過關(guān)聯(lián)模型建立順序索引并入庫[8]。

四、系統(tǒng)實現(xiàn)

本文設(shè)計的數(shù)字海域系統(tǒng)包含海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)管子系統(tǒng)等8個子系統(tǒng)，這里選擇海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)管、海底電纜管道路由管理和數(shù)字化展示3個子系統(tǒng)中的部分功能詳細(xì)說明。

1.海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)管子系統(tǒng)

海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)管子系統(tǒng)包含的功能主要有監(jiān)管任務(wù)運行管理、空間資源監(jiān)視監(jiān)測、重點海域監(jiān)管、區(qū)域用海規(guī)劃區(qū)監(jiān)視監(jiān)測、建設(shè)項目用海監(jiān)視監(jiān)測等。

監(jiān)管任務(wù)運行管理功能，主要是實現(xiàn)海域空間資源、重點海域、區(qū)域用海規(guī)劃區(qū)、建設(shè)項目用海和非建設(shè)項目用海等監(jiān)管任務(wù)的下達(dá)、執(zhí)行和考核。通過系統(tǒng)向市縣海洋部門下達(dá)監(jiān)測任務(wù)，包括監(jiān)測對象、空間范圍、監(jiān)測手段、監(jiān)測頻率等內(nèi)容，市縣海洋部門完成監(jiān)管后將成果上傳到系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果的動態(tài)可視化管理，為對某海域空間資源進(jìn)行的檢測任務(wù)。

2.海域數(shù)字化展示子系統(tǒng)

數(shù)字化展示系統(tǒng)主要功能有資源瀏覽、地圖展示、三維瀏覽、二三維聯(lián)動、全景展示、空間分析、對比分析等，為通過三維瀏覽功能瀏覽海上鉆井平臺，對東營港進(jìn)行動態(tài)三維視域分析，通過展示子系統(tǒng)，對某港口的電子地圖數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

3.海底電纜管道路由管理子系統(tǒng)

海底電纜管道路由管理子系統(tǒng)主要功能有信息查詢、路由審批資料錄入、路由申請審批資料、海底電纜管道路由保護(hù)區(qū)公示、備案管理等，詳細(xì)信息主要包括施工單位、所有者、施工船舶等。

五、結(jié)語

山東省數(shù)字海域工程建設(shè)是在全省海洋信息化建設(shè)總體框架的基礎(chǔ)上，以計算機(jī)硬件與網(wǎng)絡(luò)通信平臺為依托，以數(shù)字海域管理核心數(shù)據(jù)庫為樞紐，以海域海島動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測、海域項目審批管理等業(yè)務(wù)流程為主線[9]，以數(shù)字海域管理信息平臺為支撐構(gòu)建的互聯(lián)互通的海域資源數(shù)字化展示、業(yè)務(wù)管理和決策支持服務(wù)體系。整個平臺通過集成GIS技術(shù)、Web Service技術(shù)和SOA等多種先進(jìn)的技術(shù)手段來實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能。通過二維、三維、全景等手段形式將管轄海域過去、現(xiàn)狀和未來進(jìn)行多尺度、多時空的數(shù)字化展示，通過評價分析預(yù)測未來海域海島管理趨勢，全面提升了我省海域海島管理的信息化水平和公共服務(wù)能力。