数字深海“一张图”建设内容探讨

　　数字深海“一张图”建设内容探讨

　　    随着人类对海洋的不断探索，深海事业不断发展，已进入前所未有的机遇期。深海数据是认识深海和参与深海治理的重要基础。深海数据来源广泛，类型格式多样，数据量大，蕴含价值巨大。尤其是深海空间数据的综合展示和挖掘分析，更是大数据时代对深海数据应用的迫切需求。“一张图”最早指国土资源“一张图”工程，是遥感、土地利用现状、基本农田、遥感监测、土地变更调查以及基础地理等多源信息的集合，与国土资源的计划、审批、供应、补充、开发、执法等行政监管系统叠加，共同构建统一的综合监管平台，形成资源开发利用的“天上看、网上管、地上查”网络，从而实现资源动态监管的目标。“一张图”作为一种数据管理和应用的理念，已经在国土资源、空间规划、生态保护、水务水利、应急预警等领域得到了较好运用。

　　    在陆地的矿产资源管理领域，也建立了矿产资源“一张图”。当前，深海领域管理决策者、领域科学家以及社会公众等对数字深海“一张图”的呼声越来越高。对不同时期、不同来源、不同精度的深海调查研究成果进行“一张图”综合展示、可视分析和深度挖掘，将为我国参与深海综合治理、深海资源勘探和开发利用、深海环境管理等活动提供基础数据和辅助决策支撑。

　　    1、深海数据的内容和特点

　　    1.1深海数据来源和内容

　　    经过多年建设发展，我国获取并积累了大量深海数据。自20世纪70年代以来，我国组织实施了70多个航次的资源环境调查，600多个研究开发项目／课题，积累了丰富的一手自主调查原始数据和研究成成果资料，内容以国际海底区域和公海深海矿产资源、生物基因资源、环境基线调查为主。同时，自然资源部等组织实施了多项国家涉深海专项调查（如全球变化与海气相互作用专项等）、研究和整编任务，获取的数据内容以海洋环境学科（物理海洋、海洋生物化学、海洋底质、海洋地球物理、海洋遥感和基础地理、海底地形地貌和海洋声光）为主。国际海底区域是人类共同继承的财产，国际合作与交换获取的数据是深海数据的重要来源，包括国际海底管理局(ISA)、国际组织／计划（如Argo、GTSPP、WOD等）公开共享的各类海洋数据，以及我国与他国双／多边合作调查获取的数据。基于上述各种来源数据，有关单位制作的各类深海信息产品，包括海洋环境综合数据集、要素数据集、统计分析、实况分析和再分析产品等。另外，涉海部委、科研院所和高校、大型企业等部门与机构，在不同的历史时期，通过深海装备研发、深海深渊科学研究等，也获得了大量数据和成果资料。

　　    1.2深海数据的特点

　　    深海数据具有类型全、格式复杂多样、数据加工处理层级多、时效不一的特点。深海调查是综合性的调查，获取数据学科类型涉及海洋水文、海洋气象、海洋生物、海洋化学、海洋地质、海洋地球物理、海洋声学、海洋基础地理和海洋遥感、海洋矿产资源等。深海数据格式复杂多样，既有结构化数据，如温盐、海流、气象数据等；又有非结构化数据，如照片、视频、报告等。深海数据通常采用多种记录格式，包括仪器装备记录的原始数据格式（如多波束、浅剖、重力、磁力、地震、CTD、ADCP等）、明码格式(TXT)、表格excel、文档(doc、pdf)、矢量图形（ArcGIS、MapGIS等）、照片视频(jpg、mp4等)。另外，深海数据加工层级多，从数据获取到数据应用，通常会经过不同程度的加工处理，既有仪自记录原始数据、实验室分析测试原始记录和结果、又有后处理标准数据集，即包括经过解码、格式换、质量控制、整理后的标准统一的数据，还包括合数据集、要素数据集、成果图件在内的各种信息产{品。深海数据的时效不一，既有实时观测数据（如浮标等），也有延时和历史数据等。

　　    2、数字深海“一张图”总体架构

　　数字深海“一张图”可借用国土资源“一张图’的基本理念，同时要紧密结合深海数据的内容、特点和现状，特别是要面向深海空间数据应用需求来建立。数字深海“一张图”的目的是实现各类深海空间数据的综合集成、多样化查询检索、综合展示和可视分析应用。总体上，数字深海“一张图”由深海空间数据管理体系、深海空间数据综合展示和深海空间数据可视分析等部分组成。深海空间数据管理体系是基础，一方面要梳理建立深海空间数据分类体系，另一方面建立深海空间数据管理规则和基于GIS的管理工具，使深海空间数据能够按照统一的信息分类编码体系、统一的信息资源目录体系、统一的面向对象数据组织的基本原则进行集中管理。深海空间展示系统是在数据管理体系的基础上，实现不同视角、不同区域、不同主题等查询检索与综合展示。深海空间数据可视分析系统是一个交互式系统，可对深海空间数据进行叠加分析、缓冲分析等空间数据挖掘，面向深海活动态势、深海勘探工作部署、深海矿产资源潜力评估，以及深海数据检验结果分析和深海装备仪器效能分析等应用需求，提供可视化分析工具。

　　    3、深海空间数据管理体系

　　    3.1深海空间数据分类体系

　　深海空间数据是指深海数据中具有强空间特性的数据成果产品，主要包括具备空间信息的各种矢量数据和成果图件，也是应用侧最迫切需求的数据。建立深海空间数据分类体系是建设数字深海“一张图”的重要基础。可以按照来源、区域、类型和格式对深海空间数据进行分类。

　　深海空间数据主要来源于国际海域大洋“八五”至“十三五”期间的相关航次调查和研究成果、涉深海专项整编和研究任务、相关单位自主研发的海洋环境统计分析产品、实况分析和再分析产品等。按照区域，可划分为全球海域、太平洋、大西洋、印度洋等，在每一个区域范围内按照调查区域分布进行次一级的区域划分。按照类型，包括海洋基础地理底图数据、重要区域位置数据、调查研究程度信息、海底地形地貌数据、海洋重磁、物理海洋、海洋生物化学、深海矿产资源、海底视像和专题信息等。按照格式，包括不同版本ArcGIS产生的shp格式图件、MapGIS产生的点线面矢量格式图件、网格化数据(grd、tif)、视频(vido、mp4等)、文档(pdf、doc)、图像(jpg)等。

　　现有的深海空间数据须进行适当的矢量化改造，才能够满足后续综合展示和可视分析的需求。对于已经采用shp、MapGIS等空间矢量文件存储的数据，进行必要的格式转换、属性信息补充、坐标投影变换等处理，形成标准的空间矢量数据文件。对于采用jpg、doc、pdf等非空间矢量文件存储的数据，按照一定的规则，赋予空间位置信息和非空间属性信息。

　　    3.2深海空间数据管理系统

　　根据《海洋信息元数据》《地质调查元数据内容与结构标准》等标准，按照8个表来描述深海空间数据集，分别是主表、单位与发行情况表、关键词表、坐标范围表、数据更新记录表、空间数据表、图层数据表和非空间数据表。主表用来描述数据集的概要情况，定义数据集编号、描述数据集类型、版本、语言、有效性、摘要、数据源、生产时间和质量说明等。单位与发行情况表描述数据集负责单位、负责人与数据发行和使用限制等情况。关键词表描述数据集的关键词、涉及的关键地名、名称等。坐标范围表描述数据集所覆盖的多边形区域的坐标范围。数据更新记录表用来反映数据集和元数据更新历史。空间数据表对数据集包含的空间信息，如拐点经纬度、比例尺、参照信息等进行详细描述。图层数据集表进一步描述组成空间数据的图层内容、图层属性信息。非空间数据表对数据包含的非空间（属性）数据进行进一步详细描述。

　　通过深海空间数据管理系统，实现空间数据和非空间数据的存储管理，以及数据整合、数据更新和数据服务等基本功能。数据整合功能实现对多源数据格式转换、坐标系与投影重新定义、空间数据结构统一、拓扑重建、空间数据接边、镶嵌、拼接和表格数据结构统一等。数据更新功能实现实时和非实时／定期数据更新。数据服务功能实现地图服务和目录服务，用户可以通过数据服务系统实现数据的查看展示及对数据资源的目录构建和管理。

　　    4、深海空间数据综合展示和可视分析

　　    4.1深海空闻数据综合展示

　　    不同视角的展示，应用对象主要为深海事务组织者、管理者和关注深海的社会公众等。展示的视角包括深海工作、深海数据资源、深海矿产资源勘探评价与开发利用以及公海环境管理和保护等概况。聚焦我国和他国在深海的主要活动，在世界地图上展示我国在深海的工作概况和取得的主要成就。数据内容包括基础地理底图、我国在三大洋活动聚焦的区域位置（包括矿产资源调查区、靶区、合同区、远景区，以及环境管理区等）、已经走过的航迹、开展的站位测线位置、深潜器及深海大型装备下潜的地理位置、地理实体命名的位置等。聚焦深海数据资源情况，在世界地图上展示深海大数据各类数据的来源、数据时空分布、数据量等情况。聚焦我国和他国已经开展的深海矿产资源调查、评价和开发利用情况，按照不同矿种（多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、稀土）展示调查、评价、开发、利用情况。聚焦深海环境管理和保护，按照不同区域展示我国深海环境管理成果。

　　    不同区域范围的综合展示，应用对象主要为深海事务组织者和管理者、深海领域科学家、关注深海的社会公众等。按照全球范围、三大洋、调查区、靶区、合同区、试采区、首采区、环境管理区等区域范围的成果查询检索与展示。

　　    不同主题的综合展示，应用对象主要为深海事务组织者和管理者、深海科学家等。按照深海环境背景、深海地形地貌、深海重磁场特征、深海地质特征、深海环境基线研究、深海矿产资源调查、深海地理实体命名、深海典型视像、深海研究报告等方面的关键词，查询特定或自定义空间范围内的数据成果，展示方式包括数据分布、图片、图件、视频、照片等。

　　    4.2深海空间数据综合可视分析

　　    深海活动态势综合分析，提供交互式的基础地理底图、测站测线密度、勘探合同区工作进展、环境管理计划发展趋势、地理实体命名现状、基础能力保障，以及全球地缘政治、空间地理格局等全局性空间数据图层的综合展示和全局性的可视化分析，为全面掌握深海活动态势提供支持。

　　    勘探工作部署规划分析，提供多来源深海资源和环境调查观测测站／测线历史及现状信息的汇总、查询检索和统计分析功能，提供深海当前测站、测线总体布局。按照各类调查装备和仪器设备、调查要素、获取资料时空范围等特点，结合不同时空分辨率海洋环境背景场产品、不同比例尺海洋基础地理和海底地形地貌产品以及公海保护区规划、区域海洋环境管理计划、他国权益主张等研究成果，综合分析深海数据匮乏或空白的区域，探讨今后深海资源勘探和环境调查测站／测线的必要性和可行性，为深海勘探工作部署提供数据和信息支撑。

　　    矿产资源潜力综合评估分析，提供全球深海环境背景、多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物等矿产资源调查信息、环境基线信息等现状查询检索和综合分析功能，提供海上运输通道、地缘政治、空间地理格局等叠加分析、缓冲分析等综合可视分析功能，综合评估全球深海矿产资源潜力，提出今后深海勘探总体布局和规划建议。

　　    数据检验结果分析，综合评估深海数据的接收与质量情况，定量检测各类数据误差和精度。具体包括：系统评价深海数据集接收情况；汇总数据质量控制情况，利用无可疑或错误信息的文件数与实收文件数的比值，综合评价各类数据质量情况；结合各类数据的质量评价情况，综合评估数据观测精度；综合展示各类数据的接收情况评价、质量评价、精度检验结果。

　　    深海调查仪器设备效能分析。通过对不同航次、不同单位、不同调查设备获取的同一数据要素（如温盐、海流、重磁、多波束等）进行综合评估和分析，进而判断调查装备仪器的使用效能，提出深海调查装备使用最优化组合方案。

　　    5、结语

　　    世界各主要海洋国家围绕海洋空间拓展、战略资源开发、新型技术装备研发、海洋环境保护等，正在积极推动深海领域进入新发展阶段。数字深海“一张图”的建设也必将与时俱进，拓展新的功能。本文提出的数字深海“一张图”建设内容是参考了现有各领域“一张图”建设思路，基于深海空间数据资源现状，紧密结合当前和未来一段时期深海数据应用决策需求而建立的。本文仅对数字深海“一张图”的建设内容和总体思路做了初步探讨，在下一步具体建设过程中，将面临空间数据转换、语义补充表达、数据挖掘分析等大量的技术问题，还需要深入研究探索，不断更新完善。

　　                    摘自：《海洋信息技术与应用》2022年第3期