论文专区▏数字海洋环境信息应用保障系统设计与实现
牛红光，陆毅，陈超，贾俊涛，孙万民
海军海洋测绘研究所
【摘要】
本文介绍了数字海洋技术的研究现状，分析了目前存在的问题，并进行了系统设计，包括信息收集与更新、信息综合管理、信息三维可视化和全球电子海图四个分系统，实现海洋环境信息的三维数字化显示与管理、综合分析应用，构建更加全面、丰富的海洋环境数字地球，有利于加速海洋环境信息建设，形成与海洋强国战略相适应的海洋环境信息保障体系。
【关键词】
海洋地理信息系统；数字海洋；信息综合管理；三维可视化；电子海图；海洋环境保障
一
、引言
数字海洋是一项复杂的系统工程，是多种学科和技术的综合体，运用数字化、信息化手段统一处理和展现海洋问题，使人们充分理解和利用海洋信息资源。它是数字地球理论和技术在海洋领域里的体现和拓展[1-2]。目前大多数专家学者比较认可的定义是由海量、多分辨率、多时相、多类型空间对海洋观测数据和海洋监测数据及其分析算法和模型构建而成的虚拟海洋世界[3]。在数字海洋研究方面，具有影响力的产品是Google公司推出的Google Earth，2009年在此基础上增加了海洋环境信息内容并推出Google Ocean，主要包括海岸线变迁对比、海底地形、沉船、水面模型、景区等内容，可查询海洋环境相关领域的信息，为用户提供虚拟海洋世界[4]。国内方面，在2003年启动908专项，提出了建设中国“数字海洋”总体构想，2007年正式启动数字海洋信息基础框架构建项目，2011年研制了标准统一的海洋基础信息平台，数字海洋原型系统，海洋综合管理信息系统和iOcean公众服务系统，实现了数字海洋系统集成与运行控制，数字海洋信息基础框架建设初见成效。它从科学概念到工程实体建设迈出了重要一步，但就数字海洋整体建设和应用服务的水平来看，我国同国外发达国家相比仍存在较大的差距，主要体现在：海洋环境数据获取体系能力建设仍明显不足，还不能有效保障数字海洋的持续信息更新；信息融合应用能力较低；信息分发支持能力薄弱。
随着建设海洋强国战略的提出，海洋环境信息保障需拓展服务对象，加速多样化、精细化、全球化转型，构建新型海洋环境信息保障模式，逐步实现向海洋环境信息综合保障转变[5]。为提高其综合保障能力，开展基于数字海洋信息基础框架的海洋环境信息应用系统建设，实现海洋环境信息的三维数字化显示与管理、综合分析应用，构建更加全面、丰富的数字海洋系统，实现海洋环境信息的综合集成运用，为海上交通运输、渔业捕捞、防险救生、海洋权益维护、海洋资源开发的全面保障提供技术支撑，具有重要战略和经济意义[6]。
二
、海洋环境信息应用系统设计
为保证海洋环境信息应用效率，实现其及时送达和快速应用的目标，本系统设计思路采用大众化通用系统建设、专业支持系统建设和通用化集成的开发思路[7]，立足于目前和未来短期内的网络发展水平和数据采集能力，采用分布式数据库技术，统一选用具有独立知识产权的三维数字地球为基础集成平台，实现海量海洋地理、海洋水文气象、海洋地球物理场等海洋环境信息的综合管理、展示和应用，本系统由信息收集与更新、信息综合管理、信息三维可视化、全球电子海图等四个分系统组成。具体设计如下：
信息收集与更新
本分系统由海量信息收集、信息实时更新、远程更新和过程监控4部分组成。定时收集各种来源的海洋环境信息，包括实时观/监测信息、业务化系统生成的保障产品、专业人员制作的保障产品等；收集海洋环境信息定制请求，实现定制信息的准实时或实时分发、更新；实现各类海洋环境保障信息的全体系准实时或实时共享与更新。
⑴海量信息收集：基于网络资源，收集分布在各级节点各相关配套专业支持系统生成的海洋环境信息；收集国内权威机构和国际发布的共享保障信息；收集各地和世界气象组织共享发布实时水文气象信息；收集体系各级节点发出的信息定制需求。
⑵信息实时更新：对经过处理后的实时或准实时信息进行及时的全体系更新共享，主要包括实时观/监测实况信息、配套专业支持系统制作的保障信息、国内外权威机构发布的预报保障产品等。
⑶信息远程更新：主要实现海量的海洋水文气象历史资料，基础地理信息产品，配套专业支持系统制作的历史场、实时场数据，海量遥感图形图像产品，远程定制海洋环境信息的不定期全体系同步更新。
⑷信息更新过程监控：实现对体系各服务器节点海洋环境信息更新发布过程的监控，对信息的更新效率、更新数据量、更新节点、更新内容和网络传输速率等情况进行监控，保证信息的完整性和同步性。
2
信息综合管理
本分系统包括信息综合管理、信息综合集成与处理和信息抽取整合与分析3部分。主要是处理并管理全球常规和非常规海洋环境实时观探测资料和历史资料；处理并管理国内外的各种海洋环境统计分析产品、再分析产品、数值预报产品、各种海洋环境预报保障产品；处理和管理基础地理、卫星遥感、地形地貌和海洋重力磁力等测绘数据资料；并针对海上活动期间所获取的实时信息进行快速录入、管理和应用；对处理后的元数据、海洋环境综合数据和基础地理数据录入到各专题数据库中进行管理。
⑴信息综合管理：主要由海洋环境数据库、基础地理信息数据库和元数据库三部分组成。其中，海洋环境数据库内容包括实/延时数据库、历史数据库、统计分析产品库、预报产品库、图形图像产品库和整合数据库等数据库的建设；基础地理信息数据库包括基础地理库、遥感影像产品库、地形地貌数据库、海洋重力磁力数据库的建设，实现基础矢量、影像数据和陆地、海底DEM数据等基础地理数据的集成管理；元数据主要存储数据集的元信息，便于数据集的管理、检索和发布。
⑵信息综合集成与处理：主要是集成与处理影像数据、DEM数据、海图水深数据、矢量数据等基础地理信息，并加载到海洋环境信息综合数据库中[8]；集成各类再分析产品和统计分析产品，整理并加载到海洋环境信息综合数据库中；对各类实/延时资料、预报产品和图形图像产品进行实时处理，并加载到海洋环境信息综合数据库中。
⑶信息抽取整合与分析：主要是从多源异构的海洋环境信息中，抽取要素类别相同的数据，整合成新的资料集；并通过相应统计分析算法，对资料集进行统计分析，得到对应要素的分析产品，为信息三维可视化分系统提供信息源。
3
信息三维可视化
本分系统包括基础数字地球、信息三维可视化、海洋环境动态仿真、信息快速诊断和海洋环境辅助决策支持等5部分。主要是实现基于三维数字地球框架下的基础矢量数据、遥感影像数据、DEM数据、海洋重力磁力数据和国际标准电子海图的融合可视化显示，三维空间分析等功能；实现二维海图和三维影像分屏联动显示，以及二三维资料的一体化浏览，集成关联多媒体信息；实现海洋环境信息交互动态仿真；实现中尺度海洋和大气现象的快速诊断产品制作；实现多样式的海洋环境信息辅助决策支持产品制作。
⑴基础数字地球：支持按不同比例尺显示矢量基础地理数据，矢量基础地理数据展示时，通过符号、线型、尺寸、颜色等方式，参照地形图图式要求进行展示；支持对不同时相地理影像的加载、动态演示；实现在三维数字地球框架下的点位测量、面积测量、距离测量、高度测量，水深剖面分析和淹没分析；实现基于位置、地名的数字海图属性查询与定位。
⑵信息三维可视化：在三维球体上按尺度以抽稀和加密方式显示数据分布点，用于实况信息的填图、检索和显示；实现在三维球体上绘制监测站点或任意点位的海洋环境要素剖面图、轨迹图、矢量图、等值线分布图、平面图等；实现在三维球体上任务综合保障信息的显示。实现电子海图与三维球体二/三维联动交互显示；实现海洋环境实时信息在三维球体上叠加显示；实现海图要素的分层管理，并能够控制图层要素的显示。
⑶海洋环境动态仿真：对体系建设中取得的科研成果进行集成，包括信息产品、软件模块和模型的集成，依托海量海洋环境历史背景场和实时场数据，利用海洋环境动态仿真模型，建立海洋环境交互仿真模拟，为用户提供直观的海洋环境保障产品。
⑷信息快速诊断：针对影响海上活动的中尺度海洋现象和大气现象等实时性较强的保障产品的快速诊断、分析与制作。依托信息综合管理分系统的海量数据，集成相关的诊断分析模型，基于该模块开展诊断分析产品的制作，主要包括海洋内波、海洋锋、中尺度涡、跃层和大气波导等。
⑸海洋环境辅助决策支持：针对海域管理、海洋灾害、海洋环境、经济资源、海洋执法、海洋权益等业务应用，集成相关的研究成果、模型或模块，实现海洋环境信息辅助决策支持，具备辅助决策产品制作功能，包括实况灯示、航行计划保障建议、气象伴随保障、区域水文气象预报、水文气象辅助决策产品显示等。提供高级海洋地理环境分析工具，综合分析基础地理数据等信息制作海洋地理环境保障方案，提供辅助决策建议。
4
全球电子海图
本分系统包括全球电子海图产品库、国际标准电子海图浏览和要图标绘3部分。结合全球电子海图产品数据库，扩展现有保障服务范围，依托网络和卫星手段以远程服务方式提供S57电子海图数据支持和分发更新，服务于各类海上应用，逐步改变海洋测绘保障手段落后的现状[9-10]。
⑴全球电子海图产品库：按照国际电子海图数据标准，采用统一的数据模型，建立全球电子海图数据库。基于Oracle数据库体系，实现海图数据的安全存储、读取和写入，存储航海通告、航海书表等数据和开发控件、符号库、浏览器等工具等。
⑵国际标准电子海图浏览：按照S52显示标准，通过对检索表解析、符号化指令判读、显示生成器处理以及符号库的建立[11-12]，实现电子海图的显示还原，定位查询等，并且可达到显示比例的无级缩放、全球漫游、海图要素随比例尺变化的多尺度表达等。
⑶要图标绘：按照标号工具箱的方式，供专业人员下载使用，提供包括指北针、比例尺标尺以及方里网/经纬线的地图整饰功能，实现要图标绘文件的打印输出，满足方案筹划和推演作业需求。
三
、海洋环境信息应用系统实现
海洋环境信息可视化对于直观地观察物理要素的时空变化及分布特征有重要的意义[13-14]，本系统以多种图形或图像形式对海洋环境信息进行可视化处理，呈现给使用者一个相对完整的数字海洋环境信息虚拟世界，通过查询、量测等不同方法手段来提取水下、水上航行必需的海洋环境参数，不仅可提高水上舰船航行的安全性，也能够更好的满足海上工程作业需求。经过充分论证和调研，结合对现有资料和技术关键点的分析，确定了整个系统的研制实施步骤和方案。按照总体技术方案，以全球电子海图分系统技术为基础，并与模拟仿真技术相结合，通过三维方式来展现海洋空间信息，按照多维多窗的显示方式，实现了海图、影像、水文气象信息、海洋重磁数据、专题信息、立体模型等多类型的海洋环境信息的查询、显示、量测和标绘，完成传统海洋环境信息从静态、二维到动态、三维的转变，开发完成了海洋环境信息应用系统实现。
⑴多样化多维化调显：系统在技术上实现跨平台开发，按照多维多窗的显示方式，可按球体、平面或图表的形式，实现不同类型、不同标准数据的同时显示、联动和操控，如图1所示。能够兼容国内外主流操作系统，由标准海图服务通过改进瓦片海图数据组织与索引技术，实现多层级标准海图服务，提供矢量、影像、高程、海底地形数据叠加显示；能够构建多维海洋空间基础地理环境，提供高速动态刷新，实现海洋环境数据分层叠加快速显示；能够提供图标、文字标牌、三维实体模型的三维可视化能力，支持导入自定义三维图形和模型。
图1 多维多窗联动调显示例图
⑵模拟仿真：系统在显示方式上实现二、三维平台区域联动显示，将海图与三维球体相融合，实现了航标、危险物、礁石、沉船、海底管线等海图重点要素的三维模型化仿真。可设计不同的航线，加载多类型多目标进行模拟仿真航行。通过联动模式，实现目标在海图和影像上的同时显示，如图2所示。利用栅/矢一体化联合显示技术，将栅格、矢量数据与电子海图矢量数据相结合，在二维地理信息系统平台与三维地球平台上对矢量、栅格数据、以及电子海图数据可视化，实现二、三维联动显示，以及同平台多源数据的对比显示功能，可以为航海人员提供更加形象直观的航行态势，辅助航海人员对复杂海洋环境条件下的航行安全性进行分析和预判，使用户在不熟悉的水域、狭窄水道等区域航行时制定提前的安全措施，进一步提升船只航行和靠泊安全性。
图2 船只与三维海图的模拟仿真示例图
⑶三维球体表达专题数据：系统在专题要素内容表达上，采用陆海地理空间数据一体化融合处理技术，实现实时资料中的气压、温度、湿、风、浪、能见度等水文、气象要素的信息在三维球体上叠加显示；实现在三维球体上绘制点位的温、盐、密、声等要素的垂直剖面图，绘制热带气旋轨迹图、浮标漂流轨迹图，绘制海流、风、浪、潮流等矢量图，绘制固定断面的海水温、盐、密、声等要素的等值线分布图，绘制平面统计数据的等值线分布图，绘制单点统计剖面数据，绘制数值预报产品分层平面图等，如图3所示。按照时空信息融合的理论和方法以及统一标准，实现各部门生产的多种、多源、多类、多尺度数字海洋环境产品的数学基础、空间描述和符号表达统一，数据格式、分类分级和属性描述规范，充分融合展现海洋环境和态势信息。
a）海水温度
b）海水盐度
图3 三维球体表达专题数据示例图
⑷海洋环境服务保障产品制作：基于保障应用需求，从海洋环境综合信息数据平台中提取专题信息，通过标准化和规范化处理，组成新的资料集。然后通过各种经典算法，对提取出的资料集进行处理，以得到潜在的规律和模式，制作要素齐全、格式标准的各类信息产品，包括专题保障产品、数值预报产品、实测数据产品、统计分析产品、再分析产品、基础地理信息产品、辅助决策产品和动态仿真产品等。能够设定区域范围和比例尺并进行图幅整饰，将生成的各类成果适应不同终端显示或连接打印机输出。
四
、结束语
数字海洋环境信息建设是我们当前面临的重要任务之一。本文从现状、问题、系统设计以及系统实现等方面进行了详细的叙述，通过网络收集、处理海洋环境保障信息，按需为各级用户实时分发保障数据和产品，在数字海洋基础地理平台上融合显示与应用，直接为用户提供信息支持，满足各级用户对海洋环境信息的保障需求，有利于加速海洋环境信息建设。本文只是初步实现了数字海洋环境信息应用系统功能，后续还要进一步完善，统一处理和管理海洋环境综合信息，实现各类信息的标准化融合展现，加强各类应用研究与拓展，探索符合我国国情的海洋信息化建设与应用服务模式，形成与海洋强国战略相适应的海洋环境信息保障体系。
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【作者简介】牛红光，1982年出生，男，河南扶沟人，工程师，从事海图制图及海洋地理信息系统研究；文章来自《海洋测绘》（2018年第4期），版权归《海洋测绘》所有，转载请备注论文作者，说明文章来源，并请备注来自“溪流之海洋人生”微信公众平台。
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