海洋信息共享与集成的迫切需要

海洋信息共享与集成的研究现状~

目前在海洋领域，国内外专门从事海洋信息共享与集成的研究并不多，海洋信息的共享与集成主要表现在海洋GIS研究和海洋数据共享平台研发这两个方面(李海涛，2007)。本书主要从海洋信息共享平台方面对当前的一些进展进行追踪，在其他方面，卢明生(2005)较系统地对我国海洋信息化工作进行了回顾和总结。
在海洋数据共享建设方面，国外有较大发展，产生了许多数据共享平台，并且得到了很好的应用，如: 美国国家海洋数据中心(NODC)、日本国家海洋数据中心(JODC)、英国的国家海洋数据中心(BODC)等。1960 年正式成立的国际海洋资料交换委员会，促进了国际间海洋资料交换工作的开展，并进行了编码资料格式的标准化工作，为各国国家海洋中心资料共享起到了重要作用(田友强，2005)。全球数据中心(WDC)网络把海洋信息网列为重要组成部分，提供了大量海洋、海岸带的数据(王英梅等，1999)。美国的WDC-A 海洋学中心已建立了国家级的海洋资料数据库群和世界海洋资料数据库 WOD94、WOD98、WOD01、WOD05，依托互联网技术集成了多个分布式海洋资料数据库，提供包括元数据信息查询、数据查询和资料产品查询的共享服务(李海涛，2007)。由美国国家海洋与大气委员会(NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration)负责的站点(http://www.nodc.noaa.gov/)提供了大量的美国和全球有关海洋研究的数据，并完成本国观测区域与世界其他区域数据的合并和拼接工作，这些数据处于实时更新中。美国的MMI(Marine Metadata Interoperation)研究项目主要目的是实现海洋领域数据共享，它提供一个开放的资源共享平台，任何组织和个人都可以将与海洋相关的信息资源注册到MMI 中，而 MMI 将利用自己的平台为用户注册的资源做广泛的宣传，以便其他组织可以发现和利用这些资源。同时，MMI 还是一个海洋信息协作平台，注册用户可以向 MMI 提出申请，MMI 将会为其创建一个用户组或资源共享空间，用户可以通过这个共享空间实现与其他用户的交流。美国航空航天局下的 JPL 实验室物理海洋学数据现有档案分发中心(PO.DAAC/JPL)的网站是提供卫星遥感信息和资料的另一个主要来源，其网站地址是:http://podaac.jpl.nasa.gov/。美国宇航局戈达德空间飞行中心(GSFC)的网站地址是http://www.gsfc.nasa.gov/，该中心设置了水色遥感信息和数据资料的网页。美国宇航局航空观测海洋学实验室(AOL)、美国国防气象卫星(DMSP)、美国海军研究实验室(NRL)等也都提供了海洋方面的遥感信息服务。某些大学和组织机构也建立网站，提供了遥感信息、数据、研究成果和与其他网站的链接。例如，关于 TOPEX/Poseidon 的海洋学研究，可看 http://www.csr.utexas.edu/eqpac/与 http://www.csr.utexas.edu/sst/gsda-ta.html 关 于 SeaWiFS 的 海 洋 学研究， 可 看 http://www.ae.utexas.edu/courses/ase389/midterm/courtney/seawifs.html/(海洋遥感信息和数据相关网站，2005)。由俄联邦水文气象与环境监测局负责的站点，拥有 1890 ～1994 年间的 64 个国家测量的水深和海面数据，其中包括 1090000 个海洋测站的测量数据(王英梅等，1999)。英国建立了十分完善的水域海洋数据库，该数据库的时空覆盖率和数据质量精度极高，并被应用于涉及海洋运输与通信、海洋资源、海洋能源与矿产方面的海洋信息系统建设(赵清伟，2009)。德国、瑞典、日本、泰国、印度、孟加拉国、印度尼西亚、越南和马来西亚等国家也分别建立了各自的专题数据库和共享平台系统(赵清伟，2009)。在海洋空间数据基础设施建设方面，空间数据基础设施(SDI)在美国、英国、加拿大、澳大利亚、日本等发达国家发展很快，一些发展中国家如马来西亚、伊朗等国也都在积极推进。近五年来 SDI 的活动领域已经扩展到了地区和全球范畴。“海洋空间数据基础设施”是 SDI 的重要内容，目前开展的国家、区域乃至全球 SDI 建设都十分注重海洋空间信息问题(夏登文，2006)。1998 年，美国在 SDI 方面开展的 16 个框架示范项目中就有多个项目涉及海洋水文数据库、海洋管理、海洋多源数据融合等内容(夏登文，2006)。
我国国家海洋信息中心根据多年积累的海洋数据资料，建立了中国海洋信息基础网，对大量的海洋数据进行管理和分发，拥有国内外海洋调查数据和国内海洋站资料、海浪资料、海洋化学数据，海洋地质、海冰、海洋生物资料，海洋污染情况调查数据等(王红梅等，1999)。WDC-D 海洋学中心是继美国 WDC-A、俄罗斯 WDC-B 海洋学中心之后的第三个世界资料中心、海洋学中心，拥有其长期稳定的国内海洋基础资料来源(王红梅等，1999)。2001 年起，中国科学院海洋研究所、中国老教授协会海洋分会国际海洋信息共享委员会和天津市科技协会国际海洋信息研究中心联合开发了 “中国近海及毗邻洋区国际海洋信息管理系统”。该系统的建立和逐步推广应用，为海洋信息处理和错情分析、诊断技术的发展，中国近海资料处理标准的建立，以及海洋科学研究的发展起到积极的促进作用。2005 年，国家 “十一五”基础条件平台建设重大专项 “青岛市海洋科学数据共享平台建设”一期建设完成，初步实现了数据管理、目录服务、数据服务、功能服务等共享服务功能，可基本满足海洋科学数据共享服务需求(李海涛，2007)。2009 年6 月12 日上午，由国家海洋局举办的第二届中国 “数字海洋”论坛在天津开幕，期间，国家海洋局副局长陈连增启动了 “iOcean 中国数字海洋公众版”信息服务系统，这标志着我国首个采用集成创新技术研发的以海洋为主要内容的社会公众服务系统正式投入应用。iOcean 作为宣传海洋文化的窗口、传播海洋知识的阵地和提供信息服务的门户，是我国 “数字海洋”从起步建设迈向应用服务的一个重要标志。“Ocean 中国数字海洋公众版”采用了目前国际先进的三维地球球体表达技术，通过其中包含的海洋调查与观测、数字海底、海洋预报、海上军事等子系统，实现了海底、水体、海面、海岛等多种海洋自然要素和海洋现象的直观表达，为公众展现了一个有生命力的虚拟海洋世界。同时，“iOcean 中国数字海洋公众版”是我国自 2006 年正式实施 908 专项 03 项目——— “中国近海 ‘数字海洋’信息基础框架构建”以来取得的第一个为社会公众服务的应用成果，对于普及海洋知识、宣传海洋文化、提高公众海洋意识等都具有重要的意义。
另外。在学术方面，2005 年作为国内首次针对海洋数据集成的专著 《海岸带及近海科学数据集成与共享研究》问世(杜云艳等，2005)。该书旨在围绕海岸带及近海多源数据的集成与共享，从底层数据实体的设计、建设，数据技术系统的研发，多源、多格式数据的集成与发布等多方面探讨数据集成的难点和欲解决的新思路及关键技术。近年涌现出一大批关于海洋数据(信息)共享集成的研究论文(石绥祥等，2001; 李安虎，2004;李彦，2004; 李红喜等，2004; 李红喜等，2004; 林宁等，2004; 陈继香，2004; 郭忠文等，2005; 李海涛，2007; 杨鹏，2007; 何亚文，2008; 李杰，2008; 冯文娟，2008; 刘文亮，2008; 杨峰，2008; 王显玲，2009)，为海洋信息服的共享集成研究做了很好的前沿探索和铺垫。

基于上述，一方面是海量的海洋数据未得到充分利用，造成了大量的资源的浪费和重复建设问题，另一方面却由于各行业中对海洋数据、信息和知识的需求得不到满足。这种不满足大部分是由于当前的共享体制还只是数据层面的共享，缺乏信息与知识层面的共享。随着 “数字海洋”建设的全面而深入的开展，上述矛盾将愈发突出。
因此本研究就是在当前发展趋势以及研究状况大背景下开展的，旨在采用网格技术，针对海洋信息的特殊性，对海洋信息服务网格中的几个关键问题进行深入研究。从体系结构、标准与规范、海洋信息服务的发布、服务的注册与管理以及海洋信息服务实时集成与综合应用等进行海洋信息服务网格研究，为海洋信息共享与集成的实践过程提供重要理论指导和方法支持，本研究具有重要理论和实际意义。
(1)促进海洋信息服务的发展: 对海洋信息服务进行语义表达与描述研究的同时，必然也会对海洋信息服务的设计、描述、绑定和发现标准和机制提出新的问题，带来新的挑战，促使海洋信息服务朝着语义海洋信息服务的方向发展进化。
(2)丰富和发展海洋信息共享与集成的理论和方法: 数据集成是海洋信息集成的基础和最关键部分，方法集成是信息集成的重要内容，知识集成是信息集成的最高阶段(李海涛，2007)。本研究从这三个方面内容，综合利用 Web Services、网格、语义网、本体四种先进的技术来实现。这三部分内容内在关联，四种技术互相补充，较完整地实现了多方位、多层次的信息共享与集成。同时提出了相应的综合集成方法并开发了一个原型系统，作为海洋信息集成的过程指导和工具支持。这样横向的集成内容、集成技术和纵向的集成方法、工具，构成了较完整实用的信息集成技术框架和方法体系。
(3)丰富和发展 MGIS 的理论和方法: 海洋地理信息系统(Marine Geographic Infor-mation System，简称 MGIS 或海洋 GIS)(王芳等，2007)，作为实现海洋数据管理、时空分析、可视化等功能无缝集合的技术和理论，蕴含着强烈的集成思想: 集成了多来源多格式海洋数据(兼空间数据和属性数据)的管理; 集成了多种基础统计方法、高级时空分析方法和通用 GIS 分析方法; 集成了多种可视化方法。所以集成是海洋 GIS 的主要特征，同时海洋 GIS 也是海洋信息集成理论和技术水平的集中体现，是海洋信息集成成果的集大成者(李海涛，2007)。因此，本研究研究的基于服务的海洋信息共享与集成的理论和方法，很大程度上也是 MGIS 的理论和方法。本书的研究成果也同样会丰富和发展 MGIS 的理论和方法。
(4)推进新一代 MGIS 的研制: 新一代地理信息系统应该实现语义层次上的互操作，并且应该是一种智能化、大众化和分布式的系统(方裕等，2001)，海洋地理信息系统也不例外。本研究中，增加了知识集成思想，同时结合最新的 Web Service、语义网、网格技术、本体技术变革了 MGIS 的体系架构，使得无论在技术上还是思想上有了很大的提升，这对新一代的 MGIS 有很大的借鉴意义。
(5)盘活海洋信息资源，推动海洋科研的进展: 本研究的语义支持的海洋信息服务发现与集成方法在提高海洋信息的发现集成效率的同时，也盘活了宝贵的海洋信息资源，提高了信息的利用度，还为广大科研人员节省了大量信息查找及处理的时间。此外，提供的 “三维海洋网格操作平台(VRMarine)”为海洋科研人员提供了重要的工具支持，方便他们 “一站式”的对分布式的多源海洋信息服务进行集成，远程三维可视化及操作分析，使他们能够把主要时间和精力放在科学研究本身上，有利于缩短他们的科研进程，创造出更多更好的研究成果，从而有助于推动海洋科研进展。
(6)推动 “数字海洋”的早日实现: 自从 1998 年美国副总统戈尔提出 “数字地球”的口号以来，相关理论和技术层出不穷。作为 “数字地球”的重要组成部分， “数字海洋”也作为国家的海洋战略的主要内容，得到了多项国家项目(国家 863、海洋局 908等)的支持。“数字海洋”是一项复杂、综合的大工程、大科学。本研究有助于最大程度地整合 “数字海洋”信息资源，并在技术上、方法上为 “数字海洋”做前沿探索与铺垫，为 “数字海洋”的早日实现推波助澜。
(7)为其他行业或领域提供借鉴: 本书虽然主要是针对海洋信息服务进行研究，但其中的一些思想、技术、方法具有很强通用性，可以为其他行业或领域提供宝贵借鉴。

毋庸置疑，要建设海洋强国，有效开发海洋资源，发展海洋经济和保护海洋环境，必须首先借助于数字化、信息化手段认识海洋自身所具有的环境特点，掌握其中发展变化规律。对于每一个海洋国家而言，海洋的信息化建设水平、信息化程度及信息化应用程度是衡量一个海洋国家海洋实力的重要标志。海洋国家国力的增长越来越多地依赖于是否掌握了国际可比的、系统、完整、准确、可靠的海洋数据和相关信息(陈奎英，2004)。加快国家的海洋信息化建设，提高海洋数据、海洋信息的利用率，是我们国家实施可持续发展战略，提高政府决策水平，提高海洋管理效率，维护国家海洋权益，为海洋科学研究提供信息化、现代化的研究手段等都具有重要意义，是国家增强国力、科技创新能力、实施“海上强国”战略的必然选择(陈奎英，2004)。随着“数字地球”战略的提出，作为“数字地球”的一个重要组成部分———“数字海洋”势在必行，“数字海洋”逐渐成为研究的热点。“数字海洋”是以海洋客观现象为研究对象，以国家信息基础设施即信息高速公路为依托，以海洋空间数据基础设施(MSDI)为基础，以最新信息技术为支撑的一个庞大而复杂的系统(侯文峰，1999)。

当前，随着“数字海洋”的开展，传统海洋调查手段的日益丰富，自动化和数字化，观测手段也日益丰富，尤其以RS、GPS、GIS技术为代表的3S技术的应用，使得大面积、多时相、高分辨率的海量的海洋数据的获取和应用提供了有效的手段。多源海量海洋数据的获取为人们研究、认识海洋，从而更好的开发利用海洋资源，更好地进行海洋管理并为人们的生产生活服务提供了良好的前提。然而，长期以来由于海洋数据的多源性(包括各种专题数据，如海洋环境数据、海洋气象数据等)、海洋数据获取手段的多样性(如台站数据，船测数据，浮标数据)、多种海洋数据处理方式的不同(如同化数据，反演数据以及各种处理工具的处理数据)以及多种历史资料数据等，使得海洋数据在数据标准，数据格式上都具有很大的差异性。这给海洋数据海洋信息的共享造成了很大的不便。同时，尽管人们对海洋领域有着浓厚的兴趣，但是只有一些互相独立的单位分别进行研究，收集数据的格式只有他们自己能使用。而且，长期以来由于海洋资源管理体制的不健全，没有形成有效的海洋信息资源管理体制，缺乏必要的信息管理与共享法规和技术手段，尽管人们对海洋进行长期的调查，但也都是各个单位分别进行研究。涉海部门之间、机构之间的各类海洋信息资源的渠道不够畅通，造成海洋信息资源现状不清、基础信息资源不足。相当一部分海洋信息掌握在各级政府及所属企事业单位，处于分散、闲置状态(陈奎英，2004)，从而使海洋研究工作效率低下，数据使用率低，导致各种海洋信息资源的浪费和国家投资的巨大浪费，也阻碍了海洋研究发展。

我国海洋面积广阔，为了进行海洋环境监测和海洋的合理利用，在沿海各省都设有负责海洋管理和海洋监测部门，并在各省的沿海布设很多的海洋监测台站，进行海洋环境的长期监测和数据的积累。海洋各部门获得的海洋数据分别存储在各个海洋单位，并由各海洋单位进行数据的加工、处理、分析和可视化。各单位获得的数据存储格式多种多样，有的使用文本研究件格式存储、有的使用Excel存储，有的使用大型关系数据库进行存储，即使使用相同格式，数据内部规定又可能不同，如字段命名、数据类型、长度等，因此造成了海洋数据异质异构。

由于海洋单位分布造成的海洋数据的多源分布性和数据存储的异构性，使海洋数据用户单位对海洋数据的共享与集成提出强烈的需求，李海涛从多个方面论述了海洋环境数据集成的迫切性(李海涛，2007)，杨峰(2008)则对其中需求进行了分析，总结出以下几条。

1.3.1.1 异构数据的归一化

海洋环境监测项目日益多样化，涉及海洋科学的各个方面，如海洋物理、海洋生物、海洋化学、海洋气象等多个领域，数据被不同研究目的的科学团体或个人收集，且各种监测项目都具有一定的监测指标。由于海洋数据在采集设备、信息处理平台、数据存储格式等方面的不同，形成了异构数据，致使数据很难实现集成、交换和共享(张峰等，2007)。因此，海洋用户特别需要将这些异构的海洋数据进行数据格式的归一化，以方便集成。为了将各种监测数据进行格式的统一，需要寻找一种既有利于数据的存储和表达，又方便数据的传输和共享的数据格式。

1.3.1.2 数据“一站式”访问

由于海洋管理部门和海洋环境监测部门的空间分布，造成海洋环境监测数据存储位置的分布，各自管理自己所有的海洋环境数据，各个海洋单位进行数据的使用时，需要繁琐的手续进行数据的获取，即使不涉及到保密部分的常规数据的获取也相当的困难。因此，各海洋单位和海洋数据的用户需要拥有数据的单位通过一定的技术方法进行数据的网络共享，用户可以通过标准化的接口获得和使用数据。海洋数据发布到网络上，处于无组织状态，这对用户进行数据发现极其不便，需要将这些网络数据进行集成达到“一站式”的访问。用户需要有这样一个站点，它将各个单位发布的海洋数据可以通过注册的方式进行收集，并对这些数据的状态进行管理，如现在数据是否在线、是否可以使用等等，用户只要登录到这个站点，就可以发现自己需要的数据。

1.3.1.3 数据快速准确查找

海洋用户工作当中，可能涉及多种类型、大范围、高时空粒度的数据，这需要数据的快速准确的查找功能的支持。这种查找过程对用户应该屏蔽海洋数据的具体位置，只需集成数据服务的元数据信息。元数据是对数据进行描述的数据，在海洋数据中，元数据的内容包括数据的发布单位、数据的专题类型(海温、叶绿素等)、数据的时空间尺度和粒度等详细的描述性信息。用户根据海洋数据的这些元数据信息，准确快速地找到想要使用的数据。

1.3.1.4 数据高效可视化

可视化可以帮助用户直观、形象的进行数据的展示和分析。海洋现象具有高维、动态和多尺度的特性，这需要高效的可视化方法。这种可视化必须能够反映海洋的高维的同时，还必须是实时在线的可视化(因为海洋动态变化、海洋数据更新快，不可能事先进行可视化产品的生产)，同样还必须能集成多源的数据进行可视化。

1.3.1.5 多源数据集成分析需求

进行海洋现象的研究，需要多种类型的海洋要素数据，如赤潮预报分析，可能涉及海洋温度场数据、叶绿素数据和其他海洋环境要素数据。分析过程需要获得多个数据源的多种类型的数据，并进行集成，以便于统一进行数据的处理分析。随着海洋信息科学的发展，对海洋数据的需求越来越多，对海洋信息的分布共享技术的依赖性越来越强，分布式的数据只有进行很好的集成，才能方便用户的使用，并提高数据使用的效率。因此海洋数据的集成是海洋数据使用不可缺少的步骤。

由上可见，“数字海洋”的建设对海洋的开发与利用、国防与国家安全、海洋科学研究、海洋环境保护、海洋综合管理以及保证海洋经济可持续发展等方面都具有十分重要的意义。然而在“数字海洋”的建设过程中，一方面海洋数据获取能力突飞猛进，积累海洋数据曾几何级增长;而另一方面海洋数据共享及集成需求迫切，却缺乏有效的方法。因此，当前海洋数字化建设的形势对海洋信息服务的建设提出了迫切的要求。

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