数字海洋地理空间交通治理框架建设方法研究
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作者:李春旭 董江 惠大涛 张明睿 周昱城
摘 要：海洋地理空间信息数据对于航运智能化发展至关重要，是推进智能航运的基础和框架，它不但能实现各涉海部门的信息整合，而且能为未来航运发展提供更加高效的服务。本文以基础数据为支撑、数据的共建共享为关键、政策法规标准为保障、应用服务为宗旨。通过开展数字海洋地理空间框架建设，构建海上交通治理框架，从而为保障交通秩序、处理应急事件和促进绿色环保提供基础支撑。
关键词：地理空间;智能航运;治理框架;交通秩序;应急事件
中图分类号：U692 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）01-0048-03
20世纪末，“数字海洋”的概念伴随着“数字地球”战略的提出应运而生，它是通过卫星、遥感飞机、海上探测船、海底传感器等进行综合性、实时性、持续性的数据采集，实时实地地获取各类信息，然后，通过卫星因特网等网络进行数据、计算、知识等的交互，完成海洋环境的模拟、预测、预报，使海洋变得可視化、数据化，使大海转变为人类开发和保护海洋最有效的虚拟视觉模型。
地理空间框架是基础地理信息资源及其采集、加工、分发、服务所涉及的政策、法规标准、技术、设施、机制和人力资源的总称，是以公共服务为导向的国家空间信息基础设施，由基础地理信息数据体系、目录与交换体系、政策法规与标准体系、组织运行体系和公共服务体系等构成。海洋地理空间信息交换与共享对于航运智能化发展至关重要，是推进智能航运的基础和框架，它不但能实现各涉海部门的信息整合，而且能为未来航运发展提供更加高效的服务。海上交通治理是围绕海上货物运输所涉及的所有海事事务，包括航海、港口、安全监管、助航保障、应急救助等等。数字海洋地理空间交通治理框架旨在通过开展数字海洋地理空间框架建设，从而为保障交通秩序、处理应急事件和促进绿色环保提供基础支撑。
因此，本文研究构建数字海洋地理空间交通治理框架，构建符合发展需求的海上交通公共信息共享服务平台，使涉及海上交通治理的众多信息资源得到更有效和充分的利用，更好地为服务对象提供信息服务，保障航行安全。
1构建方法研究
空间信息共享和发布对于海上交通至关重要，空间信息共享不但实现了多个业务部门的信息整合，而且能为各部门提供分布式信息共享交换服务，是推进智能航运的基础和框架，也是构建海洋空间数据架构（MSDI）的关键要素。如何利用网络发布及数据库应用等技术共享海上交通空间信息，更好地为实际应用服务，是目前急需研究解决的问题。数字海洋地理空间交通治理框架参照地理空间框架的结构概念，以解决21世纪海上交通治理新问题为目标，是海上交通地理信息数据及其采集、加工、交换、服务所涉及的政策、法规、标准、技术、设施、机制和人力资源的总称，它由基础数据体系、目录与交换体系、应用服务体系、政策法规与标准体系和组织管理与运行保障体系构成。
1.1 基础数据体系研究
基础数据体系研究分为：海事测绘数据库，航行要素数据库，航行保障数据库，海洋环境数据库。
1.1.1海事测绘数据库
海事测绘数据库的建设主要以地理信息技术为方法支撑，收集整理基础的地理信息数据资源，具体内容应该包括：电子海图产品、行政区划、港口城市等重要的基础地理信息数据，遥感影像资料，陆地（STRM/ASTER）或海域（ETOPO）的DEM数据等。
海事测绘数据库的数据资源内容体系如下图2所示：
1.1.2航行要素数据库
航行要素数据库资源内容体系如下图3所示，船舶在航行过程中紧密关联的数据要素包括航道、港口、船舶、航行路线等内容。这些数据都可以用空间上的点、线、面等几何方法来表达，通过建立GIS数据集来支持的对资源内容的存储、显示、分析挖掘等，港口、航道、船舶、航行路线都是数字海洋地理空间交通治理不可或缺的资源内容。
1.1.3航行保障数据库
航行保障数据库的资源内容体系如下图4所示，包括航标数据、航行障碍物数据、航行警告数据、航行规制数据、应急保障设施数据等内容。考虑到航标、航行通告等数据存在的快速变化、分布不均、标准不一等情况，要求必须收集整理沿线的航行保障数据信息，并制定更为详细的数据更新方案，保证数据的时效性。
1.1.4海洋环境数据库
海洋把全世界沟通联系在一起，然而世界各地陌生的地理环境也可能为船舶航行安全带来挑战。因此，地理环境数据也被认为是数字航海交通治理框架中不可缺少的信息服务。实际上，传统的海事地图中也会选择介绍航路沿线的自然与人文因素，这些内容通常包括海雾、海冰、气温、风浪、洋流、潮汐、时区、社会经济、风土习俗等数据资料，不仅可为船舶航行提供参考，也可为科考、旅游等活动提供信息资料。
1.2 目录与交换体系研究
1.2.1海洋地理空间大数据管理
传统的空间数据存储技术追求高度的数据一致性和容错性，扩展性不足，面对非结构化和半结构化的数据时，存储能力一般。普通的关系型数据库无法进行有效的存储和管理。海洋空间大数据的管理与整合，需要将分布式存储与云计算平台相结合，并联合多种大数据存储技术，实现对结构化、半结构化、非结构化的海量、多源、异构空间数据的存储和管理。
1.2.2海洋地理数据处理
数据处理主要根据不同的业务需求利用海洋数据处理模型等方式对海洋数据进行分析处理。首先对数据进行预处理;然后对数据进行整合，整合过程中，要注意处理图形数据的属性信息与其唯一标示信息， 使其满足与不同属性库的连接;建立海洋数据处理模型，包括海洋环境模型、海洋水文模型、海洋发展模型、海洋灾害模型以及海洋行为模型;最后采用分类、神经网络、优化、分析社会网络等方法进行数据分析。 1.2.3海洋地理信息服务接口设计
数据服务接口是为数据采集、处理、更新及应用服务的，需秉承精简的设计理念，尽量降低对接系统的开发难度。参照其他行业的设计经验，标准化的数据服务接口一般需提供HTTP接口和动态链接库接口两种对接方式。
1.2.4支撑可视化技术
基于ECharts的可视化数据处理方法通过Ajax技术能够实现动态海洋数据的绘制，把难于理解的传统数据在屏幕上直观地显示出来，并通过人机交互手段控制数据的提取和显示，为分析、理解海洋数据提供技术支持。
1.2.5目录和门户
海上互联平台将是数据资源体系和应用服务体系的衔接点，主要通过目录和门户服务为访问用户提供数据资源获取渠道，而目录和门户服务建设的效果直接影响着海上互联平台的用户体验，对数字海洋地理空间交通治理框架的建设效果存在直接影响。
1.3 应用服务体系研究
航海保障应用服务系统直接面向用户，数字海洋地理空间交通治理框架建设的理论方法与实践研究将以用户体验为导向，重点研究航海保障应用服务系统的开发与实现。首先分析全球海洋地理空间数据服务的潜在用户类别、规模以及需求内容，然后重点研究为各类潜在用户提供航海保障、应急救援、信息交流共享等服务的功能内容、实现技术、可视化方法等，研究实现多层次、多粒度、跨媒体的应用服务方法，实现一站式的通航信息服务。
2总结
数字海洋地理空间交通治理框架建设理论方法与实践研究，是构建全球海上交通地理空间信息系统的前期科学探索。本文在参考“数字地球”的概念、理论和方法基础上，研究面向交通治理的地理空间信息为基础的信息系统构建方法，研究巨量地理信息数据的获取、处理、存储、分享机制和方法，从而为海上交通治理提供支撑。
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基金项目：国家重点研发计划资助项目海上搜救关键技术研究与示范，项目编号：2017YFC1404700
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