数字海洋原型系统设计与实现初步

1、 邮局订阅号 :/年 技 术 创 新博 士 论 坛PLC 技术应用 200例 “ 数字海洋 ” 原型系统设计与实现初步Preliminary design and realization of China Digital Ocean Prototype System(1.中国科学院研究生院 ;2. 中国科学院遥感应用研究所 刘贤三1,2池天河2王晓明2张 新2LIU Xian-san CHI Tian-he WANG Xiao-ming ZHANG Xin摘要 :基 于 现 有 “ 数 字 海 洋 ” 的 概 念 及 其 相 关 研 究 , 结 合 对 我 国 “ 数 字 海 洋 ” 建 设

2、战 略 部 署 的 分 析 , 设 计 了 中 国 “ 数 字 海 洋 ” 原 型 系 统 框 架 ; 另 外 , 根 据 用 户 类 型 和 应 用 需 求 的 不 同 , 设 计 了 “ 数 字 海 洋 ” 原 型 系 统 公 众 版 和 管 理 版 的 功 能 模 块 ; 并 从 数 据 处 理 流 程 和 信 息 服 务 需 求 角 度 分 析 了 “ 数 字 海 洋 ” 原 型 系 统 数 据 处 理 及 信 息 服 务 模 式 ; 最 后 给 出 了 原 型 系 统 实 现 的 初 步 进 展 。 关键词 :数字海洋 ; 原型系统 ; 设计 ; 实现 中图分类号 :TP319文献标

3、识码 :AAbstract:In this paper, With the analysis of the construction strategy of China “ Digital Ocean ” , the framevork of China “ Digital Ocean ” Prototype System is designed on the basis of the existing concept and the relational research work of “ Digital Ocean ” ,In ad -dition, this paper put for

4、ward function modules of “ Digital Ocean ” Prototype System of oriented-public release and oriented-man -agement users release according to its user types and application. Moreover, the data processing and information service model has been analyzed from the point of data processing flow and informa

5、tion service demand. Finally, some research work achievement is dis -played in this paper.Key words:Digital Ocean; Prototype System; Design; Realization文章编号 :1008-0570(201003-3-0009-03引言“ 数字海洋 ” 伴随 “ 数字地球 ” 战略的提出应运而生 , 是数字 地球十分重要的组成部分 , 是 “ 数字地球 ” 理论和技术在海洋工 作领域的体现和再创新 。 “ 数字海洋 ” 可以用数字化手段统一地 处理和表现海洋问

6、题 , 使人类最大限度地理解并有效地利用海 洋信息资源 。 目前 , “ 数字海洋 ” 尚无明确的概念 。 美国 、 日本等发 达国家从不同的角度对 “ 数字海洋 ” 这一概念进行了描述 , 但实 际建成的系统并不多见 。 我国的相关专家和学者也对这一概念 进行了描述 , 认为数字海洋是由海量 、 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 。我国近海海洋综合调查与评价专项 , 确立了建设 “ 中国近海 数字海洋 信息基础框架 ” , 构建 “ 数字海洋 ” 原型系统的战略部 署 。 开展 “

7、数字海洋 ” 原型系统及其关键技术的研发 , 是其重要任 务之一 。 根据本文对 908专项总体战略部署的理解 , “ 数字海洋 ” 原型 系 统是 以 908海 洋调 查 和 评价 数 据 、 历史 数 据 、 海洋 基 础 地理数据 , 以海洋 业 务数 据 为 支撑 , 基 于 地球 球 体 模型 、 面 向 社 会公众和业务管理服务的业务化运行的 “ 数字海洋 ” 球体系统 。 实现 “ 数字海洋 ” 原型 系 统 是建 设 整 个 “ 数 字 海 洋 ” 系 统 的 主要 内容之一 。1“ 数字海洋 ” 原型系统框架“ 数字海洋 ” 原型系统的主要目标是构建一个以海洋基础 地理数据

8、, 海洋监 测 数据 、 海 洋 业务 数 据 为基 础 , 以 三维 可 视 化 球体平台为支撑 , 实现海底 、 水体 、 海面多种海洋要素 、 海洋现象 的交互式三维可视化表达 、 再现和预现的网络化信息系统 。“ 数字海洋 ” 原型系统数据来源可分为 5类 :海洋基础矢量 数据 , 基 础遥 感 影 像数 据 与 DEM 数据 , 海 洋 基础 数 据 与产 品 数 据 、 海洋专题数据 、 海洋业务数据 。 海洋基础矢量数据按不同比 例尺进行划分 , 用于实现基本的 GIS 空间查询与分析功能 。 各种 不同 来 源与 不 同 分辨 率 的 海洋 遥 感 影像 数 据 与不 同 比

9、例尺 的DEM 数据共同构成 “ 数字海洋 ” 原型系统的三维可视化背景场景 。 海洋基础数据与产品数据用于实现海岛 、 海岸带 、 海底 、 海 平面 等自 然 要 素的 基 于 球体 模 型 的三 维 可 视化 展 示 以及 海 水 温度 、 盐度 、 密度 、 风场 、 流场 、 台风 、 海面上升 、 赤潮 、 潮汐 、 等海 洋现象与海洋过程的模拟与表达 。 海洋专题数据与业务数据则 主要用于各种海洋专题信息和业务信息的查询与显示 , 主要包 括海域管理 、 海岛 管 理 、 海洋 环 境 保护 、 海 洋 经济 资 源 、 海洋 权 益 、 海洋科技 、 海洋执法等专题和业务信息

10、。“ 数字海洋 ” 原型 系 统的 用 户 可分 为 几 类 :海 洋 政 府机 关 、 海洋部门专业用户和各类海洋管理人员 、 普通公众用户 。为了有效管理和利用各种海洋数据 , 使之更好地为各类用 户服务 , 本文设计了一种层次框架 , 包括 :数据库层 、 数据仓库层 、 可视化模型层 、 组件层和展示层 , 如下图 1所示 。 (1分布式的数 据库层 。 主要是指分布于各个海洋部门的各类海洋数据 , 它们是 构建 “ 数字海洋 ” 原型系统的基础 , 也是构建海洋数据仓库的重 要数据来源与依据 。 (2数据仓库层 。 主要是作为一个统一的海 洋数据存储容器 , 针对不同复杂多变的海洋时

11、空动态数据 , 构建 一个面向专业应用的海洋时空数据仓库平台 。 (3三维可视化建 模层 。 主要是指针对现有的海洋要素 , 海洋现象与海洋过程数据 进行基于球体的三维可视化建模 , 在此基础上搭建可视化模型 库 。 (4组件层 。 主要是专门针对服务器和客户端设计两种组件 , 即基 于 网格 和 信 息协 同 服 务的 技 术 的服 务 器 端数 据 更 新与 发 布组件和客户端的浏览与分析组件 。 (5展示层 。 主要是指客户 端海洋时空数据的再现 , 通过设计出一种友好的海洋信息展示 界面为广大公众用户 , 海洋专业人员等提供信息服务 。刘贤三 :博士研究生9-技术 创 新 微计算机信息

12、 (管控一体化 2010年第 26卷第 3-3期元 年 邮局订阅号 现场总线技术应用 200例 博 士 论 坛图 1“ 数字海洋 ” 原型系统框架Fig 1Architecture of CDODS2“ 数字海洋 ” 原型系统功能模块“ 数 字 海 洋 ” 原 型 系 统 针 对 不 同 的 用 户 , 分 为 两 种 应 用 模 式 :运行于 Internet 的公众版和运行于 “ 数 字海 洋 ” 专 网的 管 理 版 。 “ 数字海洋 ” 原型系统公众版主要实现基于地球球体模型的 小尺度海洋 基 础 地理 数 据 、 专题 数 据 集成 与 海 洋监 测 、 预 报信 息的实时更新 ,

13、通过 Internet 实 现 面向 公 众 信息 查 询 , 信息 产 品 及科普知识的发布 。 “ 数字海洋 ” 原型系统管理版主要实现基于 地球球体模型的小尺度海洋基础地理数据展示 , 运行于 “ 数字海 洋 ” 专网上 , 面向管理用户 、 专业用户实现区域性海洋数据的多 种表达 , 海洋信息及数据的查询检索 、 简单分析模型运算 、 海洋 管理过程中产生的业务信息的展示和发布等 。1 公众版系统模块a. 展示海底地形 , 海底管线等海洋调查数据信息 。 包括海底 地形的浏览 , 海底管线信息的浏览查询功能 ;b. 展示水体 、 海面信 息 。 提供局部区域的海面 、 水体可视化模拟

14、, 并展示海上灯塔 、 钻 井台 、 船只 、 潜标 、 浮标 、 港口 、 码头等设施的可视化表达 ;c. 海洋预报信息服务 。 包括局部海区的海浪 、 海表温度 、 海洋潮汐 、 海 滨浴场环境质量预报信息并实现动态更新 ;d. 展示海岛 、 海岸带 信息 。 主要实现部分海岛 、 海岸带调查数据的三维可视化表达 。 提供全国海岛 、 海岸带矢量数据的展示与信息查询 。 实现部分 海岛海岸带经济 、 资源和环境的信息展示 ;e. 海洋灾害过程的三 维可视化模拟 。 主要实现风暴潮潮位的预警预报 , 局部区域的海 平面上升 过程的模拟与灾害评估 、 台风路径模拟及历史信息 查询 。2 管理版

15、系统模块a. 海底信息展示 。 提供海底地形 、 海底矿产资源 、 海洋石油 天然气等信息的查询与浏览 ;b. 水体要素的可视化 。 主要提供局部区域的海水温度 、 盐度 、 密度 、 以及海洋流场的三维可视化表 达 , 风场与流场类似 ; 海面可视化表达 。 c. 除与公众版类似的功能 外 , 还提供海面气象信息 (风 、 气温 、 气压 可视化表达 、 海面气象 信息查询等功能 ;d. 大洋与极地科学考察航线规划设计与信息 查询 。 主要提供基于球体模型的科考规划路线生成与展示 , 并能 提供 历 史科 考 的 路线 及 其 重要 节 点 信息 展 示 与查 询 功 能 ;e. 海洋现象及

16、灾害过程的可视化模拟 。 主要提供海平面上升 、 台风 、 风暴潮等灾害发展过程的时空动态展示 :历史展现 、 未来的预 报 , 模型运行结果的实时展示 。3“ 数 字 海 洋 ” 原 型 系 统 数 据 处 理 与信息服务模式构建 “ 数字海洋 ” 原型系统 , 需要真实客观地表达海洋 的 现 状 , 重现海洋的变化过程 , 预测海洋的变化趋势 , 使人类最大限度 地理解海洋状况以及变化过程 。 综合应用多种海洋数据处理方 法 , 把多源海洋数据变成可理解的信息 , 是数字海洋系统建设的 基础 。从数据处理流程角度分析 , “ 数字海洋 ” 原型系统由数据获 取 、 数据处理 、 增值信息服

17、务组成 , 如图 2所示 。 数据处理和信息 服务的目的是实现集成与共享宝贵的海洋信息与产品 , 充分利 用信息资源 , 整合相关的技术方法与信息应用 , 满足用户的信息 需求 。 数字海洋的信息服务可以分为两个层次 , 即数据处理模块 提供基本的信息与产品及其共享服务 , 以及在此基础上进一步进行信息处理形成的个性化可定制的增值信息服务 。数据获取模块通过立体监测和综合调查等手段 , 利用先进 的空间 、 海面和水下探测技术 , 综合应用遥感与现场观测等多种 方法 , 进行多平台立体观测 , 获取了大量宝贵的海洋数据 , 为数据 处理模块提供丰富的数据源 , 为最终用户提供感兴趣的数据 。图

18、 2数据处理与信息服务模型Fig 2Data Processing and information service model of CDOPS数据 处 理模 块 以 立体 监 测 和综 合 调 查等 手 段 获 取 的 数 据 源为基础 , 采用多种数据处理方法进行数据分析 , 形成相应的数 据信息产品 , 为下游的增值信息服务模块以及最终用户提供基 本的信息与产品共享服务 。“ 数字海洋 ” 原型系统以空间位置为核心关联点 , 对于海洋 地理空间信息与遥感信息需要进行数据转换和空间配准 , 处理 成 可 以 向 三 维 地 球 球 体 平 台 加 载 的 数 据 格 式 , 转 换 为 基

19、 于WGS84地球坐标的统一空间框架 , 统一高程基准和深度基准 , 以满足 “ 数字海洋 ” 的信息表达需求 。“ 数字海洋 ” 原型系统建设需要空间上密集分布 、 时间跨度 连续的各类海洋信息与产品作为支撑 , 以实现海洋要素和海洋 过程等信息的动态可视化显示与表达 。 海洋具有时空变化复杂 性的特点 , 海洋基本信息场是 “ 数字海洋 ” 主要研究内容之一 。 通 过遥感反演和各类现场观测获取的海洋信息 , 进一步处理生成 海洋基本信息场信息产品的方法 , 除了常用的统计方法 , 主要包 括 :客观分析方法 、 同化方法 、 融合方法 、 以及 GIS 插值方法等 。增值 信 息服 务

20、模 块以 数 据 处理 模 块 生成 的 地 理 空 间 信 息 与海洋基本信息场产品为基础 , 根据最终用户的应用需求 , 进一 步进行预报 、 模拟 、 评价 、 可视化等信息处理 , 整合相关的技术方- 邮局订阅号 :/年 技 术 创 新博 士 论 坛PLC 技术应用 200例 法与信息 , 充分利用宝贵的海洋信息资源 , 为管理用户和公众用 户提供个性化可定制的增值信息服务 。4“ 数字海洋 ” 原型系统初步实现数字海洋是一项复杂的系统工程 , 是多种学科和多种技术 的综合体 。 数字海洋的建设不仅依赖于已经成熟的技术 , 而且还 需要突破一些新的关键技术与方法 。 主要包括 :宽带网

21、络 、 卫星 影像获取 、 海量数据的压缩与存储 、 互操作 、 科学计算以及分布 式数据库 、 数据融 合 与 同化 、 时 空 数据 库 、 虚 拟现 实 技 术 、 各 类 海洋应用模型以及 WebGIS 技术等 。 如何将这些技术合理有效 地应用到原型系统的建设中去是系统建设成功的关键 。 现阶段 需要解决的关键技术问题是海量数据的压缩 、 组织与管理 、 分 布式的数据库技术 、 海洋时空数据库技术以及虚拟现实技术 。“ 数字 海 洋 ” 原 型 系 统采 用 基 于 skyline 与 ArcGIS 的 二 次 开发方式 , 基于 C#、 JavaScript 和 VBScript

22、 三种脚本编程语言进 行开发 , 已取得了一些阶段性的进展 。 由于篇幅限制 , 只给出某 一功能的实现截图 , 如图 3, 展示了某一时刻的全球海表温度 。 这 些功能在一定程度利用了上述关键技术 , 但是如何更加有效利 用这些技术是今后本系统需要进一步研究和完善的内容 。图 3某一时刻的全球海水温度Fig 3Global sea surface temperature of sometime5结束语本文在基于已有 “ 数字 海 洋 ” 研究 的 基 础上 , 提 出 了 “ 数 字 海洋 ” 原型系统构建的系统框架 , 并对系统的主要功能模块进行 了设计 , 分析了原型系统的数据处理与信息

23、服务模式 。 这些都已 应用到具体的原型系统研发中了 , 取得了一些阶段性的进展 。 随 着 “ 数字地球 ” 相 关 理论 与 技 术的 成 熟 以及 各 种 海洋 地 理 信息 系统新技 术 尤 其是 基 于 地球 球 体 模型 三 维 可视 化 技 术的 不 断 涌现 , 如何将这些技术合理运用到 “ 数字海洋 ” 原型系统的构建 中是需要进一步探索的问题 。本 文 作 者 创 新 点 :构 建 了 “ 数 字 海 洋 ” 系 统 建 设 的 框 架 ; 对 “ 数字海洋 ” 系统建设内容 、 数据处理与服务模式进行了探索 ; 并 给出了系统初步研究成果 。参考文献1陈述彭 . 数字地球

24、战略及其制高点 J.遥感学报 ,1999,3(4:247-253.2候文峰 . 中国“ 数字海洋 ” 发展的基本构想 J.海洋通报 ,1999(6:1-10.3承继成 , 林珲 , 周成虎等 . 数字地球导论 M.北京 :科学出版社 , 2000,219-222.4谢波 . 李利军 . 林岚 . 基于 GIS 和 VR 技术的三维城市规划系统 的研究 J.微计算机信息 ,2004,20(10:126-127.5林绍花 . 我国海洋信息技术与服务工作发展构想 . 海洋信息 , 2002(1:8-10.6叶仰名 , 黄加棋 . 中国数字海洋的总体技术系统框架 . 海洋科 学 ,2001,25(5:

25、1-4.7谢仕仪 . 数字海洋的开发方式选择与研究 J.海洋科学 ,2003,27(1:19-22.8薛永生 , 胡建宇 . 构建数字海洋系统的模式设计 J.海洋科学 , 2000,24(8:4-6.9苏奋振 , 杜云燕等 . 中国数字海洋构建基准与关键技术 J.2006,8(1:12-15.10刘宝银 , 张杰 . 海洋科学的前沿 -“ 数字海洋 ” J.地球信息科学 ,2000(3:8-11.作者简介 :刘 贤 三 (1982-, 男 (汉 族 , 湖 北人 , 中 国 科学 院 遥 感应 用研究所博士研究生 , 主要研究方向为海洋地理信息系统理论与应用 。Biography:LIU Xi

26、an -san (1982-,Male (Hannationality,Hubei Province,postgraduate of Institute of Remote Sensing Application, CAS. Research work on Marine Geographic Information theory and application.(100049北京 中国科学院研究生院 刘贤三(100101北 京 中 国 科 学 院 遥 感 应 用 研 究 所 刘 贤 三 池 天 河王晓明 张 新(GraduateSchool of Chinese Academy of Science,Beijing 100049, China LIU Xian-san(Instituteof Remote Sensing Applications, Chinese Academy of Science, Beijing 100101, China LIU Xian-san CHI Tian-he WANG Xiao-ming ZHANG Xin通讯地址 :(100049中国科学院研究生院 刘贤三(上接第 16页 2黄骥 . 一种新型的基于样本的 Web 信