海洋信息技术的发展与思考

刘彦祥,欧阳永忠,修义瑞 ,刘亮 ,伊冬云 ,高莹 ,黄斌

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所 天津 300456;2.自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室 广州 510300;3.海军海洋水文气象中心 北京 100161;4.广州量元科技有限公司 广州 510540)

0 引言

海洋约占地球表面的71%,不仅具有地理时空特征,而且在各自然地理单元中最为活跃[1],是潜力巨大的资源宝库和支撑发展的战略空间。自16世纪“地理大发现”兴起以来,人类逐渐通过认识海洋开启全球化发展进程。

海洋数据的获取早期主要通过船舶现场监测和人工采样分析,随着海洋测绘装备研发能力和技术的不断提升,目前已利用海洋测绘和信息技术对海洋空间地理分布数据进行采集、存储、管理、分析、显示和描述。地理信息系统起源于20 世纪60年代初[2],20世纪末“数字地球”的提出使信息技术的开发和应用领域得到空前扩展。随着测绘、遥感、计算机和信息等高新技术的迅猛发展,海洋领域逐渐积累的多源海量数据因时空和维度的多样化以及结构的复杂性,给海洋科学研究带来诸多困难。因此,亟须通过构建数据标准体系,开发具有多源融合和综合分析等功能的信息管理系统,提高工作效率和数据利用率,为科学规划和开发利用海洋以及适应海洋科学发展趋势提供海洋数据应用平台。

海洋信息技术对海洋信息进行科学管理和统计分析,是集海洋测绘、海洋科学与信息以及计算机等学科于一体的综合服务技术。作为海洋信息技术的有机组成部分,海洋地理信息系统集合GIS、数据库和实用数字模型等技术,可为遥感数据、海图数据、GIS和数字模型提供坐标协调、数据存储、信息管理和信息集成的系统结构[3]。

目前海洋信息技术在全局统筹和共享安全等方面仍存在不足,高质量开发利用海洋和保护海洋权益迫切需要发展现代海洋信息技术。本研究梳理国际国内海洋信息技术的发展历程,结合现代海洋科学与信息技术,提出海洋信息技术建设的相关思考,以更好地为海洋可持续发展服务。

1 海洋信息技术的发展历程

1.1 国际

1.1.1 探索阶段(20世纪60年代至90年代初)

20世纪60年代,美国国家海洋数据中心启动海洋信息化研究[4],美国国家海洋测量局应用地理信息技术进行自动化航海图制图。1990年美国海洋学家Manley和动态图形软件专家Tallet合作发表首篇关于海洋信息的论文[5]。随后,加拿大、美国和英国等不断进行海洋信息技术的应用探索,如1991 年美国环境系统研究所推出海洋浏览器、1992年加拿大Universal System 公司推出CARIS GIS工具包、1993年MRJ公司发行CD-ROM 版全球海洋影像和数据集以及美国鹰图公司凭借ECDIS开展航海制图。此外,在美国RIDGE 计划的支持下,信息技术实现在海洋调查中的应用。

该阶段开启信息技术在海洋领域的探索性应用,形成相关应用方案和工具包,但海洋信息技术的理论研究、技术体系构建和专业化应用(如航海)等问题仍亟待解决。

1.1.2 兴起阶段(20世纪90年代中至21世纪初)

随着海洋信息技术应用领域的扩展,高质量的研究成果不断涌现,海洋渔业信息方面的专集和专著相继出版。随着互联网的发展,沿海国家认识到海洋信息技术的重要性,逐渐形成SEAGIS和EUMARIS等区域性协同工作平台[6]。研究者分别从信息获取、模型构建和场分析等方面进行研究和实践,如构建5 D 模型以保证地理数据在时间和尺度上的连续性以及模拟分析涡漩变化和不同深度的海流流态[7]。

该阶段对海洋信息技术的认知更加深入,但随着海洋信息技术理论和应用研究成果的不断丰富以及应用范围的不断扩展,其对系统的软、硬件以及信息数据的格式、标准、存储、处理和分析等的要求越来越高,尤其对模型构建、场分析、可视化和预测预警等的要求更高。

1.1.3 快速发展阶段(21世纪初至今)

随着遥感、物联网、云计算和大数据等新技术的快速发展以及沿海国家对海洋的日益重视,海洋信息技术迎来划时代的发展机遇。发达海洋国家均十分重视海洋信息技术的发展且投入巨大,依赖其领先的技术优势,把发展海洋高科技和海洋信息技术作为海洋开发利用的重中之重,主要政策文件包括美国的《21世纪海洋蓝图》和《美国海洋行动计划》、日本的“海洋白皮书”、加拿大的《加拿大海洋战略》、韩国的《韩国21 世纪海洋》以及欧盟的i-Marine计划。

为提供可靠的全球气候预测预报,美国于20世纪90年代主导开展Argo计划,至2016年Argo已覆盖至边缘海和季节性冰区;2019年参与Argo建设的国家和团体达40 个,累计布放浮标超过1.5万个。此外,美国启动IOOS计划和海洋数据获取增强计划,由此形成集海洋信息获取、处理与管理于一体的全球体系[8]。

该阶段为海洋信息技术提供广阔的发展空间。在智能信息技术的支撑下,海洋信息技术人才培养,大范围、立体化和多维度原型海洋数据实时获取,海洋灾害预测预报和搜救以及可持续绿色生态发展等成为海洋信息技术发展面临的新挑战。

1.2 国内

1.2.1 探索阶段(20世纪80年代前)

该阶段以抢救历史资料和开展文献管理为主[9],主要面临如何最大限度地获取文献、档案和历史信息以及对其进行电子化存储和查询的问题。

1.2.2 兴起阶段(20世纪80年代初至21世纪前)

由于海洋信息技术的应用领域和关注领域不同,信息数据的结构、格式和质量也有所不同,信息数据的获取和处理等受到一定程度的限制。与此同时,以海岸链为基线的全球数据库建设全面开启海洋信息技术研发工作并取得丰富成果,我国自主研发首款海洋地理信息系统,专题库的建设实现海量数据的存储、检索和查询。

1.2.3 发展阶段(21世纪初至“十一五”期间)

基于前期研究成果,该阶段开始建设海洋信息系统,并实现软、硬件的升级改造。在“九五”规划至“十一五”规划的支持下,我国海洋信息化工作初见成效,相关研究成果不断涌现。

1.2.4 高速高质量发展阶段(“十二五”期间至今)

海洋环境管理信息系统研发取得重要成果,《全国海洋观测网规划(2014—2020年)》和“数字海洋”等发展规划相继出台,海洋卫星、岸基站和ADCP[10]等关键海洋信息技术和装备得到空前发展。我国自加入Argo计划以来累计布放400余个Argo浮标,从早期的参与国发展成具有自主研发能力和国际共享能力以及主动承担海洋大国责任和义务的重要成员国。随着北斗剖面浮标数据中心的建立,我国继美国和法国之后第三个拥有可为Argo提供海洋剖面数据接收和处理服务的国家级平台。“透明海洋”“两洋一海”和马里亚纳海沟海洋科学综合观测网等的建设为经略海洋奠定坚实基础。

该阶段更加注重海洋权益维护、海洋人才培养、核心技术自主研发和深远海装备技术研发,同时面临海洋可持续发展的挑战。

2 海洋信息技术的体系框架、关键技术和建设应用

2.1 体系框架

海洋信息技术体系主要包括获取信息数据的采集层,具有云操作系统等功能的设施层,整合各类信息并按标准形成基础库、关联库和专题库的数据层,实现信息资源交换和共享的服务层以及具有信息查询搜索等功能的应用层(图1)。

图1 海洋信息技术体系框架

2.2 关键技术

(1)定位和顶层设计。在广泛和充分调研的基础上开展需求分析,做好海洋信息技术整体框架(宏观)和专项服务(微观)的定位和顶层设计,这是持续开展海洋信息技术建设并具引领性作用的重要一步。

(2)数据获取和安全管理。随着航天/空、卫星、网络、信息和人工智能等技术的不断发展,多源多维度时空数据的获取为海洋信息技术提供海量数据。应统一数据标准并对其分类管理,最终形成大数据信息资源库(数据湖或数据仓库),通过数据库技术实现对信息资源的快速存取、转换、查询和搜索,通过数据融合和同化更好地挖掘、分析和利用信息资源库。

(3)数据分析和场模型构建。通过对融合和同化数据进行插值计算和定性分析特征值等处理,构建场模型,最终形成安全、高效和充分共享的海洋信息管理平台。通过构建集信息资源库、用户和服务等于一体的海洋信息管理平台,实现对海洋全要素的展示、查询、统计和分析,同时整合数据中心的服务。

2.3 建设应用

海洋信息技术的建设应用主要包括7个方面。①云计算+“陆海空天”立体观测云网体系。②标准规范和信息安全管控体系。其中,前者是信息共享的基础和核心,后者是信息安全的保障。③大数据信息资源库。实现信息共享,并进行长期的更新维护。④信息管理和服务平台。确保信息数据可靠,并解决数据中心之间的服务整合和共享问题。⑤“一个平台”和“一张图”及其应用门户。提供一站式服务。⑥业务应用。基于海洋测绘技术和装备,围绕管理和决策等开展分析研究,凸显信息技术对海洋大数据建设的价值,使其更具针对性和可操作性,主要应用包括海岸带综合开发利用、智慧渔业、海域动态管理和海洋灾害预警预报;其中,针对港口、航标和航道[11-12]的灾害预警预报可提升智慧港口的发展水平[13]和社会公益服务能力(如不确定海况下班轮的航线规划[14])。⑦“智能决策”应用。引入人工智能技术,构建集大数据采集、存储、计算、分析和查询以及专家系统等功能于一体的智能数字应用商店,由系统自主提供决策依据,减少人工干预,从而提高管理水平。

3 挑战和应对

海洋信息技术是人类认知海洋、经略海洋和保护海洋的重要手段,其建设面临海洋经济高质量可持续发展以及人与自然和谐共生的挑战,挑战的应对主要包括4个方面。①顺应全球经济一体化和海洋经济振兴的发展潮流,以海洋信息技术助力生态海洋发展以及政府宏观调控和科学决策;②在国家顶层设计的基础上逐层分级并切实有效地发展海洋信息技术;③根据我国海洋开发利用的需求,建立国家级海洋信息技术平台,应用新型海洋信息网络实现信息探测、传输和融合的无缝结合,实现“三全”信息覆盖[15],服务海洋生态文明建设和海洋经济发展;④加强人才培养,通过主动承办世界海洋盛会加强学术交流和技术展示,为行业发展营造良好氛围。

4 结语

海洋测绘装备和技术是获取海洋信息的重要手段,海洋信息技术是认知海洋和经略海洋的重要保障。目前我国具有核心竞争力的海洋信息技术仍较薄弱,一些重要技术装备仍依赖进口。应强化高端海洋测绘装备和技术的自主研发,基于云计算+“陆海空天”观测网的云网体系,运用模型算法、人工智能和数据库等现代技术,构建集信息智能采集、信息资源库、信息共享和安全、数据高效挖掘分析以及多源多维异质异构数据融合等关键技术于一体的现代海洋信息技术体系;通过物理模型和传感器获取数据的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,接入海洋多源信息并建设信息资源库,在安全管控体系下实现信息共享和总线服务的专业应用,从多维度和业务场景等方面开展对海洋信息技术的应用实践;明确海洋信息技术的体系框架、适用范围和维护方式,保障可持续地为海洋经济发展、海洋生态文明建设和海洋公益服务等提供支持。随着“一带一路”空间信息走廊和国家海底长期科学观测系统的建设,海洋信息技术将呈现更加高效、智能、实时、可视和共享安全的特征,实现智慧海洋、美丽海洋和生态海洋的伟大梦想。