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韬海论丛 | 2020年第09期 海洋信息化与智慧海洋建设
为方便读者快速了解海洋发展研究领域的热点问题和最新研究成果，中心全新推出“韬海论丛”栏目。以期通过专题形式探讨热点问题，多角度反映专家观点，为关心海洋研究的学者提供最新资讯。
本期专题：
海洋信息化与智慧海洋建设
2020年第09期论题速览
01
我国智慧海洋的发展建议
姜晓轶，国家海洋信息中心海洋信息化部主任；
潘德炉，中国工程院院士、研究员。
02
海洋信息化顶层设计框架
何广顺，国家海洋信息中心主任、中国海洋发展研究中心海洋经济与资源环境研究室主任等。
03
“透明海洋”的战略方向、建设路径与对策建议
李大海，中国海洋大学海洋发展研究院研究员；
吴立新，中国科学院院士、中国海洋大学教授等。
04
海洋大数据应用现状及应用前景
陈戈，中国海洋大学信息科学与工程学院教授等。
1
我国智慧海洋发展的建议
【论点撷萃】
智慧海洋的发展应基于海洋综合立体感知，互联网实时信息传输和大数据、云计算、知识挖掘等三大高新技术，以海洋综合感知网、海洋信息通信网、海洋大数据云平台等信息基础设施建设为主体，搭建海洋信息智能化应用服务群，即“两网、一平台、一个应用服务群”，并建立贯穿各个环节的标准质量、运维服务、技术装备和信息安全体系。各组成部分之间相互关联、相互融合，形成了一个有机整体。
——姜晓轶，潘德炉
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多年来，我国一直致力于海洋事业发展，但还远不能满足供给侧结构性改革、创新驱动发展、海洋强国建设等重大战略需求。因此，必须利用新一代信息技术，构建以海洋信息智能化基础设施为核心的海洋信息体系，加快海洋核心智能科技的创新研发，实施智慧海洋工程，为海洋资源开发利用、海洋经济发展、海洋生态环境保护和海洋权益维护，提供全面透彻的信息感知、泛在随行的通信保障和精准智能的决策服务，创新海洋治理体系，构筑全球竞争优势，从而全面提升认识海洋和经略海洋的能力。
一、智慧海洋内涵
现代通信技术、计算机技术，以及搭载多种海洋传感仪器和卫星遥感技术的发展，使人类能够以组网的方式，全面立体实时获取海洋信息，并且建立了“数字海洋”，利用数字去表达海洋。
随着人类对海洋开发利用的不断深入和综合管控的逐步加强，现在的海洋是由海洋环境、装备和各种人类活动等多种元素综合作用构成的复杂巨系统。人类面对海洋这个巨系统出现的开发利用能力不强、环境规律掌握不透、权益争端处置不当等种种问题，多源于对海洋认识不清、应对失据、缺乏智慧之故。信息与物理融合的知识革命使人们开始用知识去经略海洋，用智慧去开发利用海洋资源、建设海洋生态文明和保障国家海洋安全，海洋技术革命进入智能服务时代。因此可以说智慧海洋是海洋信息化的深度发展，是信息与物理融合的海洋智能化技术革命4.0，是将新一代信息技术与海洋环境、海洋装备、人类活动和管理主体四大板块信息深度融合，实现互联互通、智能化挖掘与服务，是认识和经略海洋的神经系统。
二、智慧海洋定位与体系框架
智慧海洋的发展定位应是引导我国海洋智能化技术革命4.0的信息基础能力建设，主要包括海洋信息智能化基础设施建设，以及核心海洋智能科技创新与核心信息装备研发。智慧海洋的发展应基于海洋综合立体感知，互联网实时信息传输和大数据、云计算、知识挖掘等三大高新技术，以海洋综合感知网、海洋信息通信网、海洋大数据云平台等信息基础设施建设为主体，搭建海洋信息智能化应用服务群，即“两网、一平台、一个应用服务群”，并建立贯穿各个环节的标准质量、运维服务、技术装备和信息安全体系。各组成部分之间相互关联、相互融合，形成了一个有机整体。智慧海洋总体框架和构想示意图如图1和图2所示。
海洋综合感知网是智慧海洋的核心基础，主要功能是实现海洋环境、海上目标、涉海活动和重要海洋装备等信息的全面获取，为智慧海洋提供数据源。
海洋信息通信网是智慧海洋的联通纽带，通过提高海洋综合感知、海上协同行动和海上公众服务通信保障三大能力，着力解决不具备业务化海洋通信能力、过度依赖国外卫星通信、通信安全没有保障和水下定位导航能力基本空白四大问题，实现各类海洋感知、管理决策、指挥控制信息和指令的安全、实时、畅通传输。
海洋大数据云平台是智慧海洋的神经中枢，通过建设海洋大数据云平台，实现对全部涉海行业信息基础设施的集约利用以及各种海洋数据资料的交互融合和智慧挖掘，显著提升海洋信息资源的智能分析和共享服务水平，为海洋环境认知、装备研发、安全管控、智能应用等提供海洋存储计算资源、数据资源和应用资源等支撑服务。
海洋信息应用服务群是智慧海洋核心价值的体现，通过统一规划设计面向海洋安全与权益维护、海洋综合管理、海洋开发利用、海洋公共服务保障、海洋环境认知和生态文明建设需求，以升级、重构、新建等方式整合各部门涉海信息存量资源，打通涉海领域行业应用之间的信息与业务应用系统交流渠道，形成统筹发展、共享协作的智能化应用服务体系。
四、智慧海洋发展建议
智慧海洋发展目标要符合新时代中国特色社会主义建设的总体要求，是一项长期性、基础性和战略性的任务，应像我国的航天工程一样，做好统筹规划，分阶段、有步骤地滚动实施。
第一，探索创新建立建管用统筹、产学研联动、科研与应用相结合的体制机制，积极推进海洋信息基础设施共建、信息共享和产业共融，探索政府购买服务的管理运营模式。按照国家战略部署，适应重点任务和业务需求，做好资源间的协调配合，统筹推进智慧海洋发展。
第二，整合拓展我国现有海洋观测、监测和调查资源，全面形成与海洋强国建设需求相适应的海洋信息自主获取能力，获取管辖海域、深海大洋、南北两极以及全球重点关注区域的海洋环境、海上目标和活动等的全要素实时连续信息。综合利用陆、海、空、天、潜等多种通信手段，逐步建设覆盖全球海域的自主通信能力，提供稳定可靠、安全、大容量的信息传输与交换服务。
第三，深入开展海洋大数据汇集管理、融合处理和挖掘分析等技术攻关，制定国家海洋信息资源管理共享政策法规，整合建设国家层面的海洋大数据资源体系，搭建标准统一、开放兼容的海洋大数据云平台，推进数据资源的互联互通，显著提升海洋大数据的处理分析、深度融合和共享开放服务水平，充分发挥海洋信息的服务效能。
第四，建立完善海洋信息获取、传输、处理分析、产品研制与应用服务的标准体系，实现标准研究、编制、优化、验证、检测、评估全过程支持，统一技术体制，消除信息孤岛隐患。建立多层次、一体化的海洋信息安全组织架构，加快构建以防为主、软硬结合的信息安全管理体系。
第五，围绕海洋信息感知技术和装备领域国产化程度偏低的短板，加强国产技术装备研制，特别是海洋核心装备关键零部件、传感器等的研制和产业化，突破关键核心技术，获得一批原创性技术成果和发明专利，提升我国海洋信息感知技术装备自主创新能力。
*节选自《谈谈我国智慧海洋发展的建议》，有删减，原刊于《海洋信息》2018年01期；作者姜晓轶，系国家海洋信息中心海洋信息化部主任；潘德炉，系中国工程院院士、自然资源部第二海洋研究所卫星海洋动力环境学国家重点实验室研究员。
2
海洋信息化顶层设计框架
【论点撷萃】
海洋信息化发展既要求加大海洋信息化基础设施建设，改变核心关键技术受制于人的局面，也要改变各自为政、信息垄断的现状，提升海洋信息服务的基础能力。同时，要加大海洋信息化战略重要意义、重要价值和重要功能的宣传，培养从业人员的信息意识、网络技能、数据素养、安全防范意识等，将互联网思维模式渗透到政策制度设计、海洋事务决策等方方面面，避免出现热衷搞硬件环境建设、过度依赖投资的现象，推动海洋信息化步入可持续发展之路。
——何广顺，李晋
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一、海洋信息化框架设计
以信息为主导，面向国家海洋信息化发展的总体目标，按照体系化工程的设计方法，从整体、全局和综合的视角出发，对海洋信息化所涉及的各个方面、各个层次和各种关系进行梳理分析和统筹考虑，为海洋信息化发展有序推进提供依据。
1.总体架构设计
海洋信息化总体架构主要包括海洋信息基础设施能力建设、海洋信息资源要素培育、海洋信息应用服务模式创新等3个方面。同时，信息标准规范、信息安全、关键技术、政策机制、人才队伍、资金等共同构成海洋信息化的支撑保障体系。由此形成纵横联动、相互作用的有机整体（如图1所示）。
图1 海洋信息化总体架构
（1）核心发展能力
从横向来看，以建立海洋状态全面感知、信息广泛互联、资源按需分配和服务协同智能的海洋信息化发展体系为核心，重点建立3个方面的核心发展能力
海洋信息基础设施建设能力。与其他行业相比，海洋信息化基础设施能力建设被赋予更多的国家责任和公共属性，国家海洋利益覆盖到哪里，海洋信息感知能力和通信能力就应该保障到哪里。
海洋信息资源要素培育能力。作为重要的社会财富，信息资源已成为继劳动力、土地、资本、企业家之后的第五大生产要素。海洋信息资源掌握的多寡、海洋信息应用能力的强弱直接成为衡量我国海洋综合实力的重要指标。相比其他生产要素，共享性、再生性、倍增性是信息资源的基本属性，因此，统筹规划、科学汇集、高度共享是提升海洋信息资源利用效益的关键。
海洋信息应用服务模式创新能力。“服务”是信息化发展历程中最为重要的概念之一。信息技术中的“基础设施即服务、平台即服务、软件即服务”，对应着信息产业发展实践中的集中分享、分散增值、定制运作、按需取用等。随着云计算、物联网、大数据技术在海洋领域的深入应用，海洋信息产品、海洋信息系统也将越来越多地融入到信息服务之中。
（2）技术支撑体系
从纵向来看，以技术支撑和环境保障两大体系为主线。其中，海洋信息化技术支撑体系主要包括信息安全支撑、关键技术支撑、标准规范支撑3个方面。
信息安全支撑。海洋信息化建设过程中应面向海洋综合感知、海洋信息通信、海洋信息资源处理分析与智能服务等各环节建立全过程覆盖的信息安全防护体系和信息安全管理体系，确保基础设备、核心系统、关键数据的安全可控。
关键技术支撑。海洋信息技术能力直接决定着海洋信息化的发展水平。新一代信息技术在海洋领域的应用日趋广泛，海量的海洋信息存储和高速计算能力取得新突破，信息安全技术防护和安全管理建设取得明显进展，信息化运行的物理环境得到大幅改善，有效支撑了应用系统和数据的部署、存储、管理和运行，为推进海洋信息化建设奠定了信息技术基础。
标准规范支撑。标准规范体系在信息技术快速发展应用过程中，发挥着基础性、规范性、引领性的作用。在海洋信息发展中，应结合现有海洋信息标准，在做好与国家信息化标准和相关法律法规配套衔接的基础上，紧密跟踪信息技术发展趋势和海洋信息技术发展应用状况，及时转化科技创新成果，持续优化、补充、修订海洋行业相应的信息化标准，形成覆盖全面、动态优化的海洋信息化标准体系，提升标准的科技含量和技术水平。
（3）环境保障体系
海洋信息化环境保障体系主要包括政策机制、人才队伍、经费投入等3个方面，是海洋信息化建设的重要组成部分。
政策机制保障。健全发展机制、完善配套政策是海洋信息化发展的基本保障。
人才队伍保障。人才队伍是第一资源，人才竞争也是最终的竞争。海洋信息化发展要进一步创新人才评价与激励机制，建立多形式、多层次、多学科、多渠道的人才保障格局。
经费投入保障。经费保障也是海洋信息化发展中不可或缺的重要环节。在公共基础设施建设领域、关键性、基础性海洋信息技术研发等领域，国家要加大财政投入，推动海洋信息化稳步进入良性循环阶段。同时应积极引导社会各界参与，鼓励金融机构创新金融支持方式，推广运用政府和社会资本合作（PPP）模式，构建全面的经费保障体系。
2.技术架构设计
海洋信息化从技术架构来看，可以抽象描述成自下而上的4个层次，即基础设施层、数据服务层、平台服务层、应用服务层，由信息安全、关键技术和标准规范构成技术支撑体系贯穿于全过程。其中，下一层是上一层的基础和支撑，但它们之间并非严格的等级递进关系，任何一层都可以直接面向不同层级的用户提供服务，并通过彼此间的反馈和响应，实现全局联动（如图2所示）。
基础设施层包括感知基础设施、通信基础设施和计算存储基础设施等，通过对基础设施资源的虚拟化和调度管理，对其进行“服务化”改造后，即可为上一层级或最终用户提供最基本的服务。
数据服务层以海洋数据资源为核心，包括对不同专业领域的海洋数据资源进行标准化处理、质量控制、综合管理、挖掘分析等。
平台服务层以构建统一通用的服务构建能力、服务访问能力和服务管理能力为目标，提供一套面向应用开发的开源式的服务架构，以保证上一层级各式各样的应用服务架构相统一、数据可共享、业务可协同。
应用服务层从具体的业务服务场景出发，按照行业领域分别构建智能化的海洋综合管理、海洋经济监测、交通航运服务、海洋政务服务、海洋渔业服务、海洋旅游服务等系统，通过基础设施层、数据服务层、平台服务层的共建、共用、共享，建立高效循环、迭代生长的具备生命力的应用服务群体。
3.应用服务架构设计
创新海洋信息应用服务模式，提升信息技术在涉海行业领域的全面渗透和跨界融合能力，以信息化推进海洋事业发展，是海洋信息化建设的根本目的。海洋信息基础设施、存储计算资源、开发平台、数据资源本身即是应用服务的一部分，但仅仅是单一孤立的基础性服务，尚未涉及到信息技术与服务场景和业务流程本身的交互融合。
*节选自《海洋信息化顶层设计框架》，有删减，原刊于《海洋信息》，2018年01期。作者何广顺，系国家海洋信息中心主任、中国海洋发展研究中心海洋经济资源与环境研究室主任；李晋，系国家海洋信息中心副研究员。
3
“透明海洋”的战略方向、建设路径
【论点撷萃】
围绕构建“透明海洋”物联网技术体系这个主线，在天空、水面、水下和海底四个空间层次布放智能观探测装备，开展海洋多层次、多维度、多平台的智能协同、互联、一体化立体感知关键技术与装备研发，构建面向全球海洋环境与目标感知的“海洋物联网”技术体系，建立海洋智能模拟与大数据分析中心，基于海洋大数据开展综合应用与信息服务，建立“透明海洋”综合应用示范区，最终实现海洋的状态、过程、变化和目标四个“透明”。
——李大海，吴立新等
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一、战略方向
实施“透明海洋”战略，就是围绕“加快建设海洋强国”战略需求，以提升全球海洋信息获取、分析和预报能力为目标，以综合化、体系化、智能化、动态化为特征，建立完善现代化海洋立体观测系统，增强海洋认知、海洋预报和海洋信息服务能力。经过5-10年的努力，研发一批具有自主知识产权的海洋观测技术装备，基本建成立体化和系统化的海洋环境和资源监测网，自主研发符合我国国情和经济社会发展需求的海洋与气候预测系统，实现对全球海洋中尺度、西太平洋-南海-印度洋亚中尺度、重点海域百米级的预测预报能力，构建“透明海洋”信息服务系统，大幅提升海洋观测对海洋经济发展、生态文明建设和国家安全的支撑能力。
围绕构建“透明海洋”物联网技术体系这个主线，在天空、水面、水下和海底四个空间层次布放智能观探测装备，开展海洋多层次、多维度、多平台的智能协同、互联、一体化立体感知关键技术与装备研发，构建面向全球海洋环境与目标感知的“海洋物联网”技术体系，建立海洋智能模拟与大数据分析中心，基于海洋大数据开展综合应用与信息服务，建立“透明海洋”综合应用示范区，使我国海洋环境的观测感知能力从百公里级提升到公里级、观探测参数从物理海洋为主拓展到多学科主要参数、模拟仿真空间分辨率达到百米级、全球大洋及特定海域实现智能模拟/回溯/预测预报，最终实现海洋的状态、过程、变化和目标四个“透明”。具体而言，依据“基础研发—关键技术突破—形成装备或应用”链条在六个方面展开布局。
二、建设路径
1.“卫星观澜”——新体制卫星海洋遥感。在天基观测方面，针对当前海洋卫星观测对水体穿透能力、观测精度有限的问题，创新卫星遥感技术，构建海洋卫星观测的中国方案，实现海洋从中尺度到亚中尺度、表面到海洋混合层、主动微波与主动光学联合同步观测。研制新型海洋激光雷达以及相应的干涉成像高度计和真实性检验系统，在国际上首次构建将宽刈幅干涉成像雷达高度计与激光雷达水体剖面同步观测相结合的新体制。一是通过研发星载海洋激光雷达及水体剖面信息提取技术，实现大洋混合层垂直穿透的海洋综合信息探测。二是通过研发新机制干涉成像高度计及反演方法，实现全球海面从中尺度到亚中尺度分辨的海洋动力过程的观测。三是通过研发新体制海洋透视卫星同步观测与真实性检验关键技术，开展新体制海洋透视卫星技术与地面应用系统关键技术研究、亚中尺度分辨率的数据产品制作及海洋三维数据反演。
2.“海气交互”——海气界面观测。在水面观测方面，发展海面智能移动和定点锚系平台互连观测与探测技术，综合利用大型锚系海气观测浮标、漂流式海气观测浮标、波浪滑翔器、无人船等观测平台，构建集多手段、协同组网、高时空分辨率、网格化观测、数据实时通信等功能于一体的海气交互观测技术系统，实现对海-气界面物质能量交换的实时监测、水下移动观测平台的通信中继。基于当前水面观测技术装备现状，主要从以下几个方面推进技术研发。一是设计研发高海况下海气监测浮标系统，以黑潮延伸体为目标海域，根据高海况工作环境进行针对性设计。二是针对深水海域特点设计相应锚系系统，满足大水深多传感器感应耦合式测量要求。三是设计研发智能化浮标控制和通信系统，支持系统自我诊断，实现数据、信息的(准)实时回传、存储管理及诊断、自动维护与备份等功能，支持多种方式实时数据回取。四是设计能源供给系统，满足浮标系统长时间工作和搭载多种设备的能源需求。
3.“深海星空”——深海观探测。在水下观测方面，开发全水深水下无人智能小型移动观测平台，研发基于新平台的多学科传感器。构建深海长期定点实时观测平台和移动观测平台相结合的水下观测系统，实现对深海动力、电、磁、声学、生物地球化学等环境要素的实时或准实时综合观测，构建覆盖全球深海大洋的一体化、全水深综合观测技术体系。为了实现上述目标，需要在以下几个方面推进技术突破。一是开发多参数深海实时潜标观测系统，研制潜标单元、数据采集单元、水声通信单元和卫星通信单元，并进行系统综合集成。二是开发全海深剖面智能浮标平台技术，包括主被动浮力驱动与压力补偿技术、深海多参数传感器集成与数据处理技术、海洋环境能源利用技术等。三是开发水下平台通信组网技术。四是开发新型水下传感器技术。五是开发水下接驳无线充电等海洋观测网能源补充技术。
4.“海底透视”——海底观探测。在海底观测方面，开发海底自主高精度定位、新一代接驳技术和数据传输技术，建设以勘测海底过程、重塑海底环境为目标的海底观测技术示范系统，为环境观测提供基础平台和技术支撑。当前，海底观测系统总体上还处于起步试验阶段，面临诸多技术制约。建设海底观测系统，需要在以下几个方面进行技术攻关。一是开展海洋环境仿真及特征分析。二是研制海底观测网深海湿插拔连接器，攻克海底观测网深海光电湿插拔连接器设计、制备和测试技术。三是研发高精度海底地球物理场多尺度立体探测技术，实现关键海域海底边界层信息快速提取。
5.“深蓝大脑”——智能模拟与大数据。在数据处理方面，发展海洋高分辨率模拟器、人工智能与大数据技术，建设“透明海洋”中枢系统。基于超级计算机研发控制平台，建设全球亚公里级透明海洋智能模拟器，实现对“透明海洋”系统的智能自驱动、自发现和自演进。数据处理与应用是“透明海洋”的核心组成，是“透明海洋”为国家经济社会发展与安全服务的重要载体。一是要研发机器智能、边缘计算和大数据分析等前沿技术，建立具有自主智能、自动发现、自演进的深蓝大脑，构建面向超大规模、超高维度、超复杂海洋大数据的可高速处理的自主智能与协同控制体系。二是搭建基于“深蓝大脑”的“空-天-地-海”海洋物联网络中枢系统，实现空间精细、时空连续、分量完备的“透明海洋”大数据系统。三是建立透明海洋智能计算平台，通过人工智能引导，初步具备任务驱动的观测设备自主控制与调度能力，形成设备智能交互体系框架和区域海洋物联网智能感知平台。四是构建超高精度类脑智能并行计算平台，研究国产众核环境下的多机高速协同计算与管理，高效分布式访存、多机分布式模型共享等体系模型以及集异构处理器协同任务分配技术。
6.“透明示范”——海洋环境与目标信息综合应用与服务。“透明海洋”战略实施是一个逐步推进的过程。可先行推动示范区建设，选择重要区域，对各类新技术开展示范应用，逐步整合形成新的技术体系与应用模式，再逐步向全球海域拓展。根据我国海洋强国战略发展需求，建议在“两洋一海”区域建设“透明海洋”海洋物联网综合应用示范区，开展多尺度多学科海洋物质能量循环、深海大洋动力过程及其气候资源效应等重大科学研究，开展海洋环境综合信息服务，研发目标综合感知与辅助决策信息系统、自适应快速环境评估示范系统，突破跨平台组网感知技术，形成多位一体的现代化海洋观测体系。“透明海洋”区域示范应当统筹技术研发与示范应用目标，兼顾先进性与实用性。一是开发海洋环境协同组网适应性观测与目标探测技术，集成浮标、潜标、ARGO浮标、水下滑翔机、智能浮标、卫星遥感等多样化观测手段和数据反演方法，获取更精确可靠的海洋环境数据。二是开发高分辨率海洋同化与数值预报技术，研发“两洋一海”区域耦合延伸期数值预测系统，实现对区域大气、海洋要素的多时空尺度的延伸期预测。三是开发海洋环境效应智能决策技术。
*节选自《“透明海洋”的战略方向与建设路径》，有删减，原刊于《山东大学学报（哲学社会科学版）》2019年02期。作者李大海，系中国海洋大学海洋发展研究院研究员；吴立新，系中国科学院院士、中国海洋大学教授；陈朝晖，系中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室教授。
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海洋大数据应用现状及应用前景
【论点撷萃】
如何打破壁垒，建立统一数据标准，以一种集成共享的模式分发空间数据、协同完成传统数据的处理是问题之一。如何解决数据共享难题，避免信息系统的重复建设及资源的浪费是问题之二。如何将各学科融会贯通，突破关键通用分析技术，实现海洋数据一体化的分析是问题之三。如何实现海洋大数据的一体化产业化应用，为政府部门提供决策支撑，解决民生、国防、安全、环保等领域的问题，保障人类社会的健康持续发展是问题之四。
——刘帅，陈戈等
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一、海洋大数据定义及特征
1.海洋大数据定义
海洋本身是一个巨大、复杂、非线性的系统,各种现象及过程极其复杂,时空尺度千差万别,承担着各类物质与能量的运输,包含的学科、领域众多,涉及海洋化学、海洋地质学、物理海洋学、海洋生物学等。从海洋大数据能力方面进行阐述：海洋大数据是观测或计算得到的不同时空尺度的海洋信息,是辅助了解海洋状态,发现海洋过程及规律,解决海洋系统所面临的挑战的基础,其核心能力是预测未来一段时间内的海洋环境、气候及资源的时空变化。
2.海洋大数据特征
理解海洋大数据的特征对于如何进行海洋数据的存储、管理、分析、挖掘，乃至可视化及知识发现至关重要。对于传统大数据特征的描述，高德纳最早将其描述为“3V”:即海量性、快速性、多样性。此外，数据价值、数据真实性、数据有效性分别被IBM、国际数据中心等作为大数据重要特征纳入大数据特征描述中。然而由于领域认知及获取的数据的不同，已有研究对于大数据特征的描述并没有统一的共识，至少都是认同高德纳提出的3V特征，以此也作为了与传统数据区分的条件。
海洋大数据在体量、数据类型以及数据速度上都满足传统大数据的特征,已有相关研究对此进行详细阐述,主要体现在：
体量大。各类海洋观测计划覆盖全球几乎所有大洋,进行着各类周期性、实时性的数据采集,各类海洋模式如MOM、POP、ROMS也极大的扩充了海洋数据的体量,并且成为海洋数据中存量最大的和增长最快的数据分支,其分辨率也逐渐提高,目前MASNUM第三代海浪数值模式,已经达到了全球空间分辨率约2km。海洋大数据体量不断增长,目前其总体量已达到EB级。
高维度(多变量)。在数据种类方面,海洋数据涉及物理海洋、海洋遥感、海洋化学、海洋生态、海洋生物等方面,其中仅物理海洋就包括有风、气压、叶绿素、气温、水温、盐度、湿度、浊度、波浪等近200种不同的数据变量,数据维度及变量极多。
动态性。海洋数据具有明显的快速数据流转及动态的体系特征,各类观测网及设备不断对时刻变化的海洋系统进行探测,数据迭代更新速度快,并且随着处理能力的提升,对获取数据的实时性、近实时性要求也越来越高。
海洋大数据也表现出与其他大数据不一样的特性,主要体现在：
时空相关性。绝大部分区域相近的空间位置及时间点都具有相同或相近的物理属性,如温度、盐度等属性在临近区域不会存在显著差异。这也将会导致海洋大数据存在一定的冗余性,高度时空关联的特性使得大数据通用的数据挖掘算法普适性差,构建大规模海洋数据处理应用较为困难。
多尺度性。多尺度是海洋大数据的重要特征,这是由于海洋系统是由不同层次的子过程组成,各个物理过程都有各自的时空及区域尺度,在不同的层次上所遵循的规律和体现的特征不尽相同。时间上的多尺度从秒、分、时、日、季节内变化、季节变化、年际变化、一直到年代甚至世纪更长的年代际变化。空间上多尺度涉及湍流尺度、中尺度、海盆尺度、行星尺度。地域尺度包括近岸、近海、深远海以及极地。
异构性。由于海洋大数据的多源采集及应用目的不同,海洋大数据存在明显的异构性,一方面表现为系统异构,即数据生产所依赖的观测系统存在显著差异,如来自不同数据中心的数据；另一方面表现为模式异构,数据的逻辑结构或组织方式不同,如各种不同格式的海洋数据。
二、海洋大数据应用现状
海洋大数据蕴含着难以估量的巨大价值，能够为气候、生态、灾害等领域提供可靠的科学依据，为人类感知、预测物理世界提供前所未有的丰富信息。如何更好地发挥海洋大数据优势，挖掘其蕴含的巨大价值将对人类社会的发展至关重要。NOAA建设了综合海洋观测系统，整合海洋观测的资源和技术来应对海洋应用的各类需求，同时为了应对不断增长的大数据处理需求，其将三个数据中心(气象数据中心，地质数据中心，海洋数据中心)联合组成国家环境信息中心NCEI，专门处理及应对地球系统数据信息相关应用需求。法国海洋开发研究院IFREMER作为欧洲领先的海洋数据研究机构，为应对海洋大数据管理及应用需求建设了9个数据发布中心，负责海洋大数据产品处理、存储和发布，支持不同领域的研究活动和基于空间数据的应用。2011年，法国海洋数据实验室的Nephelae平台项目率先采用大数据和云计算的相关技术，在云端对用户的请求以及数据进行处理，并返回结果。
海洋大数据的应用目前还存在以下问题：在海洋数据标准方面，由于观测设备及应用的不同，以致数据难以得到统一管理与应用，因此如何打破壁垒，建立统一数据标准，以一种集成共享的模式分发空间数据、协同完成传统数据的处理是问题之一。在海洋大数据共享方面，由于领域的独立性及数据的安全性，导致海洋数据往往产生众多信息孤岛，无法充分发挥数据价值，如何解决数据共享难题，避免信息系统的重复建设及资源的浪费是问题之二。在海洋大数据分析方面，由于数据口径的不同，对于一体化的数据从融合、挖掘、可视化等技术存在兼容性较差的问题，如何将各学科融会贯通，突破关键通用分析技术，实现海洋数据一体化的分析是问题之三。鉴于大数据全链条中前段问题的存在，导致海洋大数据应用落地的困难，如何实现海洋大数据的一体化产业化应用，为政府部门提供决策支撑，解决民生、国防、安全、环保等领域的问题，保障人类社会的健康持续发展是问题之四。综上所述，目前海洋大数据的应用仍存在许多问题仍需更深一步的研究与拓展。
二、海洋大数据应用前景
未来海洋大数据将广泛应用于海洋环境监测、防灾减灾、海洋资源开发、经济建设等领域，通过海洋大数据的挖掘分析，推动海洋行业应用的发展。在风暴潮监测中，利用海洋大数据结合沿海城市信息，通过大数据分析和挖掘，提升风暴潮预警报、防灾减灾、灾害评估水平；在远洋渔业中，利用海洋大数据结合船舶位置信息、作业信息、渔情预报，做到未捕先知，挖掘远洋渔业的规律和潜力；在溢油监测中，通过海洋大数据结合船舶交通信息、港口航道信息，分析溢油的特征和规律；在海洋资源开发中，利用海洋大数据，对油气开发的勘探、开发、维护提供全方位的支撑，提高油气田的生产效率。
此外海洋大数据充分挖掘及应用还很有可能解决一些长期困扰科学家的重要科学问题。如厄尔尼诺/拉尼娜，作为典型的气象异常，它会直接引起海温异常，导致天气、气候等不同尺度的海-气灾害，同时还会引起全球众多区域的极端天气、火灾、滑坡等次生及衍生陆地灾害。但是目前科学界对厄尔尼诺/拉尼娜的发生周期(2-7年)及机理研究尚不确定，无法做到准确预测及预报，特别在厄尔尼诺/拉尼娜发生当年，容易在西北太平洋和东北太平洋形成威力强大的登陆型台风和飓风，它们或北上或西移，对沿线国家的人类生命财产安全、社会经济发展等带来巨大的破坏。我们认为很有可能在海洋大数据支撑下解决这类重要的科学问题。
*节选自《海洋大数据应用技术分析与趋势研究》，原刊于《中国海洋大学学报（自然科学版）》2020年01期。作者刘帅，系中国海洋大学信息科学与工程学院博士；陈戈，系中国海洋大学信息科学与工程学院教授等。
编辑：陈嘉楠
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