數(shù)據(jù)綜合及處理技術(shù)

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合及處理技術(shù)是以海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)為基礎(chǔ),對(duì)各平臺(tái)不同技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和綜合,通過專業(yè)化數(shù)據(jù)處理形成數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù),該技術(shù)主要包括海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)組網(wǎng)技術(shù)和海洋數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

1.組網(wǎng)技術(shù)

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以GPRS、CDMA、衛(wèi)星、海底光纖網(wǎng)為主體通信方式組成海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng),通過公用或?qū)Ｓ肐nternet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的連接。

在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中,以海底光纖或水聲通信方式組網(wǎng)的海底監(jiān)測(cè)技術(shù)是核心技術(shù)之一。世界各個(gè)海洋大國投入巨大予以發(fā)展海底監(jiān)測(cè)網(wǎng),比如日本提出ARENA 計(jì)劃,建造了由光纜連接跨越板塊邊界的海洋環(huán)境觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用于地震學(xué)和地球動(dòng)力學(xué)研究、海洋環(huán)流研究、可燃冰監(jiān)測(cè)、水熱通量研究、生物與漁業(yè)研究、海洋哺乳動(dòng)物研究、深海微生物研究等。美國啟動(dòng)NEPTUNE (“海王星”)計(jì)劃環(huán)繞“胡安.德富卡”板塊,鋪設(shè) 3000 km 光 纜,進(jìn)行海洋環(huán)境實(shí)時(shí)觀測(cè)。美國和加拿大分別建設(shè)MARS觀測(cè)站和VENUS 觀測(cè)站構(gòu)成了加拿大的海底觀測(cè)網(wǎng)(ocean netuorks canada,ONC)。歐洲根據(jù)全球環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)計(jì)劃開展4D觀測(cè)網(wǎng)建設(shè),英、德、法等國建設(shè)的ESONET(歐洲海底觀測(cè)網(wǎng)),對(duì)地球物理學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、海洋學(xué)和漁業(yè)等提供長(zhǎng)期戰(zhàn)略性環(huán)境監(jiān)測(cè)。

我國于1999年開始在國家海洋局屬系統(tǒng)內(nèi)建立并基本形成分別覆蓋國家、海區(qū)、省、市、縣5個(gè)層次、結(jié)構(gòu)合理、條塊結(jié)合、分級(jí)管理的覆蓋我國全海域的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)和海洋氣象監(jiān)測(cè)網(wǎng)。在組網(wǎng)技術(shù)探索方面,同濟(jì)大學(xué)與中國科學(xué)院2009 年在洋山國際深水港東南建成同濟(jì)大學(xué)東海海底觀測(cè)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了海洋環(huán)境信息的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè);2012 年依托陵水基地建設(shè)了我國首個(gè)南海海底觀測(cè)網(wǎng)試驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)南海海底的監(jiān)控和水中目標(biāo)的監(jiān)視;2013 年浙江大學(xué)在島北部海域建成浙江大學(xué)摘箬山島海底觀測(cè)網(wǎng),主要定位于海洋地震監(jiān)測(cè)。目前,國家海洋局海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海上安全防務(wù)等方面。但我國在海底網(wǎng)技術(shù)方面存在較大差距,特別是在海底接駁盒、海底裝置電能供給及海底工程布設(shè)等技術(shù)方面存在較大差距。未來該技術(shù)將在數(shù)據(jù)傳輸、快速組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)布設(shè)等方面進(jìn)行技術(shù)提升。

2.數(shù)據(jù)分析技術(shù)

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是采用多種平臺(tái)技術(shù)手段、多類型傳感技術(shù),在海洋的不同地理位置、不同時(shí)間對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)所獲取的。因此,必須以有效且共同遵循的體系標(biāo)準(zhǔn),對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的名詞術(shù)語、分類、數(shù)據(jù)格式等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)管理,以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用,應(yīng)在數(shù)據(jù)的可用性、溯源性以及數(shù)據(jù)的時(shí)空耦合和地理關(guān)聯(lián)等方面進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范,以保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性。目前,美國、加拿大、英國等國家在國際組織框架下對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制。而我國雖然有了國家海洋局、中國氣象局等部門牽頭的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),有了各自的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),但由于歷史原因,部門之間存在條塊分割及行業(yè)壁壘,目前各行業(yè)數(shù)據(jù)彼此封閉,在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)方面差距較大。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理技術(shù)

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有時(shí)效性和歷史性,對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理是數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。世界各國都非常注重海洋數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理,如美國國家航空航天局的地球觀測(cè)中心建立了地球觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng),存儲(chǔ)和管理全部數(shù)據(jù),采用的是分布式開放的系統(tǒng)架構(gòu);歐洲航天局也建立了基于任務(wù)的分布式存儲(chǔ)的海洋數(shù)據(jù)中心。在存儲(chǔ)管理技術(shù)方面,國外的海洋大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用了邏輯上集中,物理上分散的分布式服務(wù)器集群存儲(chǔ)架構(gòu)技術(shù),我國還在采用地域上的集中式服務(wù)器存儲(chǔ)技術(shù),隨著數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng),難以實(shí)現(xiàn)在線存儲(chǔ)資源的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和靈活配置,離線數(shù)據(jù)獲取耗時(shí),無法在線直接訪問任意數(shù)據(jù),這就急需我們開展頂層設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)劃的存儲(chǔ)管理技術(shù)研究。

數(shù)據(jù)同化技術(shù)

數(shù)據(jù)同化技術(shù)是對(duì)各種不同類別和時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷地融于數(shù)值模式的技術(shù),以短期分析預(yù)報(bào)結(jié)果作為模式預(yù)報(bào)的初值,并以此將觀測(cè)與模式的結(jié)果不斷融合成為一個(gè)最優(yōu)值,以減小誤差提高數(shù)值預(yù)報(bào)精度。數(shù)據(jù)同化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng),還可利用該技術(shù)有效地將各種類型的海洋觀測(cè)資料融入海洋模式中,生成時(shí)空分布更加完善的分析數(shù)據(jù),廣泛用來制作海洋再分析數(shù)據(jù),以便充分利用通過現(xiàn)有觀測(cè)技術(shù)所能得到的全部信息,揭示海洋的各種真實(shí)狀態(tài)。目前,海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同化技術(shù)根據(jù)所采用的理論原理,可分為兩類:基于統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論的同化技術(shù),如最優(yōu)插值、卡爾曼濾波、擴(kuò)展卡爾曼濾波、集合卡爾曼濾波等;基于優(yōu)控制方法(即變分法)的同化技術(shù),如三維變分、四維變分等。

數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)是隨著海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)急劇增大成為海量數(shù)據(jù)而引入的在大量的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)信息、挖掘規(guī)律的新技術(shù)。目前已有 MapReduce、 Storm、StreamBase、Pregel 等先進(jìn)的并行計(jì)算框架,且在已得到廣泛應(yīng)用。海洋大數(shù)據(jù)在信息挖掘過程中也從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)正交法發(fā)展到了具有時(shí)空解耦特性的四維諧波提取法。但是由于海洋大數(shù)據(jù)的時(shí)空耦合及地理關(guān)聯(lián)特性,導(dǎo)致傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘算法無法有效地進(jìn)行時(shí)空解耦與地理分解,使得挖掘算法成為海洋大數(shù)據(jù)科學(xué)全鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中亟待突破的核心技術(shù),也使得該項(xiàng)技術(shù)成為未來海洋數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

數(shù)據(jù)表達(dá)可視化技術(shù)

利用科學(xué)可視化技術(shù)展示海洋數(shù)據(jù)以及更進(jìn)一步地利用可視化分析技術(shù)挖掘時(shí)空數(shù)據(jù)規(guī)律,是建立從感知到認(rèn)知的關(guān)鍵技術(shù)橋梁。海洋矢量場(chǎng)可視化算法主要有圖表法、幾何法、紋理法、拓?fù)浞ǖ?。?biāo)量場(chǎng)可視化算法在大規(guī)模體繪制、實(shí)時(shí)光照、多變量提特征提取、二維時(shí)空可視化等方面都取得了重要成果。但是隨著海洋數(shù)據(jù)體量的繼續(xù)增大,對(duì)可視化表達(dá)方式、處理效能等方面都提出了非常高的要求,需要一方面盡可能真實(shí)地反映數(shù)據(jù)的特性,另一方面充分提供系統(tǒng)的承載能力和處理能力,提高數(shù)據(jù)的更新和繪制能力?？v觀國內(nèi)外海洋大數(shù)據(jù)的分析技術(shù)研究,我國在數(shù)據(jù)表達(dá)可視化方面與發(fā)達(dá)國家相比不存在差距。