海洋信息技術的發展與思考

劉彥祥,歐陽永忠,修義瑞 ,劉亮 ,伊冬云 ,高瑩 ,黃斌

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所 天津 300456;2.自然資源部海洋環境探測技術與應用重點實驗室 廣州 510300;3.海軍海洋水文氣象中心 北京 100161;4.廣州量元科技有限公司 廣州 510540)

0 引言

海洋約占地球表面的71%,不僅具有地理時空特征,而且在各自然地理單元中最為活躍[1],是潛力巨大的資源寶庫和支撐發展的戰略空間。自16世紀“地理大發現”興起以來,人類逐漸通過認識海洋開啟全球化發展進程。

海洋數據的獲取早期主要通過船舶現場監測和人工采樣分析,隨著海洋測繪裝備研發能力和技術的不斷提升,目前已利用海洋測繪和信息技術對海洋空間地理分布數據進行采集、存儲、管理、分析、顯示和描述。地理信息系統起源于20 世紀60年代初[2],20世紀末“數字地球”的提出使信息技術的開發和應用領域得到空前擴展。隨著測繪、遙感、計算機和信息等高新技術的迅猛發展,海洋領域逐漸積累的多源海量數據因時空和維度的多樣化以及結構的復雜性,給海洋科學研究帶來諸多困難。因此,亟須通過構建數據標準體系,開發具有多源融合和綜合分析等功能的信息管理系統,提高工作效率和數據利用率,為科學規劃和開發利用海洋以及適應海洋科學發展趨勢提供海洋數據應用平臺。

海洋信息技術對海洋信息進行科學管理和統計分析,是集海洋測繪、海洋科學與信息以及計算機等學科于一體的綜合服務技術。作為海洋信息技術的有機組成部分,海洋地理信息系統集合GIS、數據庫和實用數字模型等技術,可為遙感數據、海圖數據、GIS和數字模型提供坐標協調、數據存儲、信息管理和信息集成的系統結構[3]。

目前海洋信息技術在全局統籌和共享安全等方面仍存在不足,高質量開發利用海洋和保護海洋權益迫切需要發展現代海洋信息技術。本研究梳理國際國內海洋信息技術的發展歷程,結合現代海洋科學與信息技術,提出海洋信息技術建設的相關思考,以更好地為海洋可持續發展服務。

1 海洋信息技術的發展歷程

1.1 國際

1.1.1 探索階段(20世紀60年代至90年代初)

20世紀60年代,美國國家海洋數據中心啟動海洋信息化研究[4],美國國家海洋測量局應用地理信息技術進行自動化航海圖制圖。1990年美國海洋學家Manley和動態圖形軟件專家Tallet合作發表首篇關于海洋信息的論文[5]。隨后,加拿大、美國和英國等不斷進行海洋信息技術的應用探索,如1991 年美國環境系統研究所推出海洋瀏覽器、1992年加拿大Universal System 公司推出CARIS GIS工具包、1993年MRJ公司發行CD-ROM 版全球海洋影像和數據集以及美國鷹圖公司憑借ECDIS開展航海制圖。此外,在美國RIDGE 計劃的支持下,信息技術實現在海洋調查中的應用。

該階段開啟信息技術在海洋領域的探索性應用,形成相關應用方案和工具包,但海洋信息技術的理論研究、技術體系構建和專業化應用(如航海)等問題仍亟待解決。

1.1.2 興起階段(20世紀90年代中至21世紀初)

隨著海洋信息技術應用領域的擴展,高質量的研究成果不斷涌現,海洋漁業信息方面的專集和專著相繼出版。隨著互聯網的發展,沿海國家認識到海洋信息技術的重要性,逐漸形成SEAGIS和EUMARIS等區域性協同工作平臺[6]。研究者分別從信息獲取、模型構建和場分析等方面進行研究和實踐,如構建5 D 模型以保證地理數據在時間和尺度上的連續性以及模擬分析渦漩變化和不同深度的海流流態[7]。

該階段對海洋信息技術的認知更加深入,但隨著海洋信息技術理論和應用研究成果的不斷豐富以及應用范圍的不斷擴展,其對系統的軟、硬件以及信息數據的格式、標準、存儲、處理和分析等的要求越來越高,尤其對模型構建、場分析、可視化和預測預警等的要求更高。

1.1.3 快速發展階段(21世紀初至今)

隨著遙感、物聯網、云計算和大數據等新技術的快速發展以及沿海國家對海洋的日益重視,海洋信息技術迎來劃時代的發展機遇。發達海洋國家均十分重視海洋信息技術的發展且投入巨大,依賴其領先的技術優勢,把發展海洋高科技和海洋信息技術作為海洋開發利用的重中之重,主要政策文件包括美國的《21世紀海洋藍圖》和《美國海洋行動計劃》、日本的“海洋白皮書”、加拿大的《加拿大海洋戰略》、韓國的《韓國21 世紀海洋》以及歐盟的i-Marine計劃。

為提供可靠的全球氣候預測預報,美國于20世紀90年代主導開展Argo計劃,至2016年Argo已覆蓋至邊緣海和季節性冰區;2019年參與Argo建設的國家和團體達40 個,累計布放浮標超過1.5萬個。此外,美國啟動IOOS計劃和海洋數據獲取增強計劃,由此形成集海洋信息獲取、處理與管理于一體的全球體系[8]。

該階段為海洋信息技術提供廣闊的發展空間。在智能信息技術的支撐下,海洋信息技術人才培養,大范圍、立體化和多維度原型海洋數據實時獲取,海洋災害預測預報和搜救以及可持續綠色生態發展等成為海洋信息技術發展面臨的新挑戰。

1.2 國內

1.2.1 探索階段(20世紀80年代前)

該階段以搶救歷史資料和開展文獻管理為主[9],主要面臨如何最大限度地獲取文獻、檔案和歷史信息以及對其進行電子化存儲和查詢的問題。

1.2.2 興起階段(20世紀80年代初至21世紀前)

由于海洋信息技術的應用領域和關注領域不同,信息數據的結構、格式和質量也有所不同,信息數據的獲取和處理等受到一定程度的限制。與此同時,以海岸鏈為基線的全球數據庫建設全面開啟海洋信息技術研發工作并取得豐富成果,我國自主研發首款海洋地理信息系統,專題庫的建設實現海量數據的存儲、檢索和查詢。

1.2.3 發展階段(21世紀初至“十一五”期間)

基于前期研究成果,該階段開始建設海洋信息系統,并實現軟、硬件的升級改造。在“九五”規劃至“十一五”規劃的支持下,我國海洋信息化工作初見成效,相關研究成果不斷涌現。

1.2.4 高速高質量發展階段(“十二五”期間至今)

海洋環境管理信息系統研發取得重要成果,《全國海洋觀測網規劃(2014—2020年)》和“數字海洋”等發展規劃相繼出臺,海洋衛星、岸基站和ADCP[10]等關鍵海洋信息技術和裝備得到空前發展。我國自加入Argo計劃以來累計布放400余個Argo浮標,從早期的參與國發展成具有自主研發能力和國際共享能力以及主動承擔海洋大國責任和義務的重要成員國。隨著北斗剖面浮標數據中心的建立,我國繼美國和法國之后第三個擁有可為Argo提供海洋剖面數據接收和處理服務的國家級平臺。“透明海洋”“兩洋一海”和馬里亞納海溝海洋科學綜合觀測網等的建設為經略海洋奠定堅實基礎。

該階段更加注重海洋權益維護、海洋人才培養、核心技術自主研發和深遠海裝備技術研發,同時面臨海洋可持續發展的挑戰。

2 海洋信息技術的體系框架、關鍵技術和建設應用

2.1 體系框架

海洋信息技術體系主要包括獲取信息數據的采集層,具有云操作系統等功能的設施層,整合各類信息并按標準形成基礎庫、關聯庫和專題庫的數據層,實現信息資源交換和共享的服務層以及具有信息查詢搜索等功能的應用層(圖1)。

圖1 海洋信息技術體系框架

2.2 關鍵技術

(1)定位和頂層設計。在廣泛和充分調研的基礎上開展需求分析,做好海洋信息技術整體框架(宏觀)和專項服務(微觀)的定位和頂層設計,這是持續開展海洋信息技術建設并具引領性作用的重要一步。

(2)數據獲取和安全管理。隨著航天/空、衛星、網絡、信息和人工智能等技術的不斷發展,多源多維度時空數據的獲取為海洋信息技術提供海量數據。應統一數據標準并對其分類管理,最終形成大數據信息資源庫(數據湖或數據倉庫),通過數據庫技術實現對信息資源的快速存取、轉換、查詢和搜索,通過數據融合和同化更好地挖掘、分析和利用信息資源庫。

(3)數據分析和場模型構建。通過對融合和同化數據進行插值計算和定性分析特征值等處理,構建場模型,最終形成安全、高效和充分共享的海洋信息管理平臺。通過構建集信息資源庫、用戶和服務等于一體的海洋信息管理平臺,實現對海洋全要素的展示、查詢、統計和分析,同時整合數據中心的服務。

2.3 建設應用

海洋信息技術的建設應用主要包括7個方面。①云計算+“陸海空天”立體觀測云網體系。②標準規范和信息安全管控體系。其中,前者是信息共享的基礎和核心,后者是信息安全的保障。③大數據信息資源庫。實現信息共享,并進行長期的更新維護。④信息管理和服務平臺。確保信息數據可靠,并解決數據中心之間的服務整合和共享問題。⑤“一個平臺”和“一張圖”及其應用門戶。提供一站式服務。⑥業務應用。基于海洋測繪技術和裝備,圍繞管理和決策等開展分析研究,凸顯信息技術對海洋大數據建設的價值,使其更具針對性和可操作性,主要應用包括海岸帶綜合開發利用、智慧漁業、海域動態管理和海洋災害預警預報;其中,針對港口、航標和航道[11-12]的災害預警預報可提升智慧港口的發展水平[13]和社會公益服務能力(如不確定海況下班輪的航線規劃[14])。⑦“智能決策”應用。引入人工智能技術,構建集大數據采集、存儲、計算、分析和查詢以及專家系統等功能于一體的智能數字應用商店,由系統自主提供決策依據,減少人工干預,從而提高管理水平。

3 挑戰和應對

海洋信息技術是人類認知海洋、經略海洋和保護海洋的重要手段,其建設面臨海洋經濟高質量可持續發展以及人與自然和諧共生的挑戰,挑戰的應對主要包括4個方面。①順應全球經濟一體化和海洋經濟振興的發展潮流,以海洋信息技術助力生態海洋發展以及政府宏觀調控和科學決策;②在國家頂層設計的基礎上逐層分級并切實有效地發展海洋信息技術;③根據我國海洋開發利用的需求,建立國家級海洋信息技術平臺,應用新型海洋信息網絡實現信息探測、傳輸和融合的無縫結合,實現“三全”信息覆蓋[15],服務海洋生態文明建設和海洋經濟發展;④加強人才培養,通過主動承辦世界海洋盛會加強學術交流和技術展示,為行業發展營造良好氛圍。

4 結語

海洋測繪裝備和技術是獲取海洋信息的重要手段,海洋信息技術是認知海洋和經略海洋的重要保障。目前我國具有核心競爭力的海洋信息技術仍較薄弱,一些重要技術裝備仍依賴進口。應強化高端海洋測繪裝備和技術的自主研發,基于云計算+“陸海空天”觀測網的云網體系,運用模型算法、人工智能和數據庫等現代技術,構建集信息智能采集、信息資源庫、信息共享和安全、數據高效挖掘分析以及多源多維異質異構數據融合等關鍵技術于一體的現代海洋信息技術體系;通過物理模型和傳感器獲取數據的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,接入海洋多源信息并建設信息資源庫,在安全管控體系下實現信息共享和總線服務的專業應用,從多維度和業務場景等方面開展對海洋信息技術的應用實踐;明確海洋信息技術的體系框架、適用范圍和維護方式,保障可持續地為海洋經濟發展、海洋生態文明建設和海洋公益服務等提供支持。隨著“一帶一路”空間信息走廊和國家海底長期科學觀測系統的建設,海洋信息技術將呈現更加高效、智能、實時、可視和共享安全的特征,實現智慧海洋、美麗海洋和生態海洋的偉大夢想。