數字海洋,海洋信息化的必經之路

2022-01-08 星天海洋

 


我國海洋事業面臨著前所未有的發展機遇 


海洋信息化是國家信息化的重要組成部分,也是我國海洋事業發展的重要推動力,在海洋事業發展中起著戰略性、支撐性和帶動性的重要作用。國產航母的下水,代表我國海軍的軍事力量和裝備更新速度加快,軍隊信息化將迎來新一輪的建設周期,「大航海」時代將使得海洋信息化領域迎來重大機遇。「海洋強國」是我國未來一個階段的一項重要國家戰略,海洋權益的維護需要打造一支具備打贏信息化戰爭能力的現代化海洋強軍。

我國海洋信息化的發展階段


1.第一階段20世紀90年代之前

起步階段:主要開展對海洋調查和考察數據的搶救性保存,海洋信息工作者記錄了寶貴的第一批海洋資料;

2.第二階段「八五」期間

基礎階段:在數據文檔基礎上依託商業化軟體,開展專題資料庫建設工作;

3.第三階段「九五」期間

能力建設階段:依託三期日元貸款項目的實施,以專題資料庫為支持,建立了海洋信息系統及各子系統,實現了軟硬體設備的升級換代;

4.第四階段「十五」以來

應用開發階段:海洋信息化成果初步顯現。

海洋信息化的重要性


1.提高海洋開發刊用水平需要人量、長期、多學科的海洋信息;

2.政府決策與海洋管理需要創新、準確的海洋信息輔助;

3.海洋權益維護需要翔實的海洋信息和快速有效的信息處理能力;

4.國家安全和國防建設需要海洋環境信息系統的支撐。

數字海洋是什麼?


航海圖確保船舶的安全航行;測深圖顯示海底的地貌;衛星測量海洋表面的氣溫和天氣……然而,這些數據都無法告訴我們海面和海底之間有些什麼。

數字海洋,是指通過海洋調查、海洋監測監視、社會普查統計等數據獲取手段,利用計算機把它們和相關的所有其它數據及其實用模型結合起來,在計算機網絡系統裡把真實的海洋重現出來,形成的一個總體系統。

數字海洋是立體化、網絡化、持續性的全面觀測海洋,並獲取海量數據,構建虛擬海洋世界的工程。

我國數字海洋公眾版iOcean

數字海洋是在全球信息化的大背景下,隨著數字地球產生的,體現了社會對海洋信息化的強烈需求。

海洋信息化與數字海洋


信息化的首要問題是信息的數位化。這種數位化的結果使得在我們生活的物理世界之外,又產生了一個數字世界,或虛擬世界。以前數位化的形式主要以數據和文字為主,而目前圖像、語音、視頻等多媒體數位化成果越來越多,這些結果通過資料庫、伺服器、網絡等構成一個海量的數字世界,成為我們現實生活在數字世界的映射。從這個角度,可以理解為信息化是將我們生活的物理世界通過同態映射變換為數字世界,同時利用逆映射將數字世界轉換至物理世界,成為我們認識和改造物理世界的工具。

數字海洋涵蓋了海洋信息的正、逆映射過程中從信息獲取、處理、可視化到應用服務的整個過程的各個環節,以信息流為主線,起著銜接各個環節的橋梁作用。因此,也就涉及到數據處理、數據管理、數據模型、可視化表達、決策模型和系統集成等多種技術等集成,同時為人們認知海洋提供了工具和信息服務的手段。

相對於陸地,海洋覆蓋面積更大、環境更加複雜,然而,現如今最前沿的海洋科學機構對海洋世界發生的事情也只了解很少一部分,我們對海洋世界的了解要達到我們對陸地了解一樣的程度,可能需要幾十甚至上百年的努力。然而,GIS和地理空間Web技術的最新發展為管理大量的海洋地理數據提供了一個框架,我們正在以前所未有的速度朝著這一目標前進。

一些地理空間信息技術發展


1.無人機測繪

無人機收集的數據持續不斷地、實時地流入平臺中。無人機與GIS技術的結合已經好幾年了,通常用於滅火,監測環境變化和植被管理等應用。海洋行業也已經開始逐漸意識到無人機技術對沿海管理,水文測量,石油作業等的優點。無人機是一種收集航拍數據經濟有效和安全的方式。當用戶將無人機數據導入到GIS裡時,無人機數據的價值將會大大增加。

通過將無人機數據與各種其他類型的數據相結合,用戶可以提高他們對海岸和海上發生的情況的理解。平臺存儲的無人機數據,以後也可以使用。此外,利用無人機數據來創建海岸線,碼頭和管道的三維地理空間可視化,可以用來支持設施和資產的管理和分析。

無人機測繪適用於許多類型的事故,例如漏油和化學危害反應。在漏油之後,無人機捕獲環境圖像,然後利用GIS繪製出受影響的區域,並使用海洋學參數(風,潮流和潮汐數據)來計算洩漏物隨時間的轉移。緊急中心工作人員使用這些偵察地圖來規劃應急響應並部署資源,例如確定溢出物周圍的繁殖位置。

沿海社區可以使用3D地圖,為海平面上升做準備

2.伺服器技術

現在地理空間的伺服器技術讓基礎海事信息的訪問更加便捷,利用GIS的各種工具,將這些信息添加和補充到海圖上也很方便。Web程序提供帶有導航信息的底圖,與其他地理信息層進行交互,對分析任務和決策提供支持。海圖服務直接讀取國際水文組織(IHO)S-57信息(包括加密數據),傳統上用於船上導航安全。通過將Web數據帶入在線GIS環境中,用戶可以快速創建海圖,並用於管理海上交通,監測沿海保護區和進行其他海事活動。

用戶還可以將其他在線數據(如NOAA電子航海圖網站,NOAA ENC在線)納入GIS,並與在線S-57數據相結合,然後在交互地圖上製作和更新海洋情報,並將其用於沿海地區管理,海上能源作業,海洋規劃等。

 

3.水深數據模型應用

IHO S-100通用海道數據模型的開發和產品生產已經比較成熟了,IHO S-102是國際海道組織基於S-100建立的關於水深表面數據產品的規範,相比之下,S-102產品編繪簡單、更新便捷,能大大縮短新水深數據應用於船舶航行的周期。現在許多GIS系統已經支持S-102的產品和應用,用戶可以進行數據管理,生成多個測深曲面,使用這些測深圖進行安全導航,疏浚作業,沉降分析,海岸繪圖,管道布線,軍事行動支持等。

 

4.海洋底圖服務

2011年Esri通過ArcGIS Online正式發布了世界第一份海洋底圖。海洋底圖旨在提供最好的權威海測數據的地圖表達,包括海底要素名稱、水體名稱和特定區域的水深值。海洋底圖是為了更好地支持各類型的海洋GIS應用,是建設海洋GIS的關鍵第一步。任何與海運、海洋科學、海洋保護、或者海洋管理等相關的個人或組織都可以有效利用海上邊界、能源基礎設施、航運活動、海底地質學、海洋表面和航海圖等在內的疊加要素或者web服務,並使其與水深測量數據動態地結合起來。

通過海洋底圖,海洋方面的專家,包括水文學家、港務局人員和海岸區域規劃者在進行研究和創建自己的地圖時,有了統一的信息來源。

OCEAN BASEMAP

5.多維分析能力

地理空間技術在多維建模中的進展推動了科學發現。科學家可以從三維模型數據中垂直取樣,分析從海面到海底的情況,並根據深度研究該層內的數據,如溫度,鹽度,和其他化學、物理和生物學信息。此外,科學家還可以通過比較3D模型中的時間層,查看這些屬性隨時間的變化。

三維分析

海洋多維模型一直是許多與棲息地管理組織有關的機構研究的主題。研究人員使用這些模型來創建海洋生態單元(EMU),其中包含相關的海洋物理環境數據,包括水柱變量和海底地形特徵。研究人員通過使用EMU分析位置屬性並將其與物種分布數據進行比較,評估非生物環境與物種之間的關聯程度。這意味著研究人員可以評估氣候變化造成的影響,評估生態系統的商品和服務,規劃保護項目,管理資源和進行各種科學研究。可以通過統計學k-means聚類算法對EMU進行分區,來進行深度分析。

海洋生態評估EMU

地球觀測組織正在建立全球地球觀測系統系統(GEOSS),這是一個全球地圖服務。海洋生態單元將把具有時空屬性的海洋數據帶入GEOSS裡。地球觀測組織希望GEOSS能為海洋的規劃和管理提供科學支持,並了解海洋生態系統是如何受到氣候變化和其他擾動的影響的。

地理空間情報幫助海洋組織了解現在,預見未來。為了獲得豐富的海事情報,需要有想像力的分析師,一個支持Web的地理空間平臺,強大的分析工具和高質量的數據。

數字海洋是海洋信息化的必經之路

「數字海洋」技術體現了海洋科學技術、空間科學技術、信息科學技術等學科領域的交叉融合,數字海洋系統是海洋信息化的核心平臺。通過數據的有效管理和整合,形成支撐科技發展和海洋管理的權威的、全面的、共享的、持續增長的海洋信息資源,在信息化中發揮核心基礎信息支撐平臺的作用;形成面向不同用戶需求,並能解決重大海洋問題的權威數據集和基礎系列產品;同時發展成為海洋科學研究和海洋管理提供基礎數據和基本功能的有效支撐工具。

未來的海洋,是數字的海洋、是智慧的海洋。

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