数字化海洋（精选7篇）
数字化海洋 篇1
一、海洋档案数字化综述
海洋档案是从事海洋事业诸项活动的相关记录和重要凭证,不仅囊括了海洋管理、科研数据、海洋调查、资源开发、交流合作等多方面内容,而且也是我国海洋事业形成决策、指引工作的基本依据。 随着海洋工作的日益拓展,关于海洋档案的科学利用及有效需求必将日趋增强,而海洋档案工作的数字化水平,将直接关系海洋档案信息资源的服务质量。
经过多年的努力,海洋系统各单位基本上已开展了档案数字化工作,海洋档案数字化成果已成为国家海洋事业的重要资产。档案管理系统的应用,不仅提升了海洋档案管理整体工作水平,也对海洋历史档案进行了抢救性保护。但海洋档案数字化在提供高效快速服务的同时,也存在安全隐患。如何保障海洋档案数字化资产,成为当前急需解决的一个重要问题。
二、海洋档案数字化副本的特性分析
1.对软硬件系统的依赖性。我们知道,有别于传统档案信息以人工可识别的记录符号直接记录于纸张等载体上,海洋档案数字化副本是以数字编码的形式记录于电子载体上,有时为了安全保密等因素的考虑还往往进行压缩编码、加密等处理,人的肉眼根本无法识读,即是在高倍显微镜下也只能看见记录的痕迹而无法读懂它们的含义。只有在配合了相应的软硬件及解密的情况下,人们才可以从机器的输出系统上窥得海洋档案数字化副本信息的全貌。同时, 对机器设备的依赖性还表现为另一个含义,即技术的更新、软硬件设备的升级也会导致原有的信息无法识别。海洋档案数字化副本信息对软硬件的依赖性给今后的安全管理带来了很大的困难。
2.存储的高密度性。海洋档案数字化副本信息无论是以磁盘、 磁带还是光盘进行存储,其存储密度都大大高于过去的各种信息介质。海洋档案数字化副本信息存储的高密度性一方面为我们节约馆藏空间,扩大馆藏容量带来了有利条件;另一方面也对载体的保护提出了更严格的要求,因为任何一条轻微的划痕都有可能导致数以千计的海洋档案数字化副本信息遭到破坏。
3.信息与载体之间的可分离性。传统的档案,信息被固化在某一载体上,成为一个不可分离的“实体”,使之具有明显的原始性特征。而海洋档案数字化副本信息则可以以非实体形式进行加工和管理,这种可分离性造成了海洋档案数字化副本信息的易于更改,而且更改后可不留痕迹;易于复制,而且分不出原件和复制件。同时, 也使得海洋档案数字化副本信息能够在网络环境下自由流动,易于传输,读者可以通过通信线路在异地调阅或形成文件。信息与载体之间的这种可分离性,给海洋档案数字化副本信息的安全性提出了前所未有的挑战,人们在保护海洋档案数字化副本实体不受破坏, 信息内容不被更改的同时,还必须保障网络通信的安全,因为在网络环境下,信息在任意一个节点都有可能被截取、中断、篡改和伪造,如何保障海洋档案数字化副本信息的安全成为摆在我们面前亟待解决的课题。
三、海洋档案数字化副本的安全风险分析
海洋档案数字化副本存在如下安全风险:首先是海洋档案数字化的系统依赖性安全隐患,因电子载体与硬件、软件及操作平台具备不可隔离的依赖性,致使档案信息在耐久存取或可读层面存在安全隐患,存在不同程度的技术、应用和安全缺陷;第二是海洋档案数字化信息迁移过程的隐患,因电子媒介存在硬件与软件更新的现实,致使海洋档案数字化信息在考虑耐久保存的前提下,必须选择相应的保存环境,而迁移过程中出现的海洋档案数字化信息丢失现象,无疑会破坏海洋档案的真实及完整性;第三是网络本身的安全隐患所产生的系列问题,如恶意站点对海洋档案信息的拦截、读取、破坏及篡改等;第四是网络攻击带来的安全隐患,网络环境的开放性决定了档案工作具备不可规避的攻击特质,一旦出现系统缺陷或漏洞,势必会成为网络攻击的选择目标;第五是重要海洋档案缺少异地、异质备份保管管理机制,无法保障重要档案的绝对安全;第六是人为因素产生的安全隐患,海洋档案数字化存在人为性、操作性特质,档案管理人员因意识、知识及能力存在缺陷,一旦出现有意、无意的更改或销毁,定会造成无法挽回的损失;第七是法律法规制度缺失的安全隐患,虽然档案数字化已成趋势,但尚未形成一套科学适用的管理制度和标准体系;第八是保密问题的安全隐患,缺失人防、物防、技防三位一体的电子档案信息安全防范体系,不利于隐患的及时发现和排除以及严防档案损毁和泄密事件的发生。
四、海洋档案数字化资产安全管理的对策研究
1.管理对策研究。海洋档案数字化建设需具备较强的管理技术水平和安全制度措施。因而,首先要强化档案人员的业务培训力度, 不断拓展专业知识面,提高综合素质,以确保其技术能力的适应性要求。毋庸置疑,档案数字化是网络信息时代发展的必然趋向,作为档案人员要有责任感和危机意识,不仅要具备严密的防范思维,更要具备自觉的保密安全意识。而作为档案管理部门,要抓好各项档案管理制度的完善和落实,采取积极有效的奖惩机制,以调动和激励档案人员的工作热忱,使其内化为自身职业素养的道德操守。为切实加强电子档案安全管理,我国出台了《电子档案移交与接收办法》、《档案信息系统安全等级保护定级工作指南》、《档案数字化外包安全管理规范》等相关法律法规和标准,对档案数字化推进过程提供了制度保障。就海洋档案的发展而言,新时期下要结合实际,在贯彻落实国家相关规定的同时,不断完善海洋档案安全应急、保密等方面的管理制度和标准,从而使档案管理安全可行。
2.网络对策研究。首先是硬件安全问题,为确保档案数字化安全运行,需做到专人专用,包括计算机设备、移动存储设备等,需制订专人操作制度,且在设备选择上,要尽量规避“新”技术或产品的盲目追捧,务必确保设备的保密检测前提。其次是操作系统问题,作为网络安全的重要基础,操作系统安全包括了病毒监控、入侵排查、 、 防火墙设置及运行监控等重要基础内容,而这一过程需充分考虑我国实际国情,不仅要兼顾选择产品的自主知识产权和源代码的公开对象,更要确保定期行为的安全扫描和检测,此外还需强化身份识别、技术方案验证、网络管理和监控、安全审计跟踪等相关措施。第三是杀毒软件对策问题,要切实转变由被动向主动的安全防御意识,不仅要确保定期的安全查毒和调整病毒防范策略,而且要兼顾网络机器的在线预警强化功能,一旦发生状况,以便管理人员及时应对;第四是内外网安全问题,应使用加密设备,并采取监控、隔离等措施,确保网络安全。
3.信息对策研究。首先是数据一致性及完整性的保护,为防止磁盘故障、机器断电、病毒感染及其他事故而产生信息数据缺失,原则上可采取完全备份和增量备份相结合、定时备份与异地备份为辅助的方式予以处理,确保备份的实时性与容错性;其次是海洋数字化档案的记录载体保护,应确保其规避电磁干扰、光纤干扰、防尘及腐蚀性气体的破坏,而且档案管理人员需强化责任意识,尽量规避不当操作;第三是数字签名及验证,为保证信息的完整性、不可抵赖性,可采取电子签名、电子印章、指纹技术、数字证书等予以规避;第四是信息加密技术,可针对信息收发双方建立必要的加密措施,以确保涉密电子信息内容的非公开性;第五是双套归档制度的完善和实施,即海洋数字化档案与纸质档案的同一性保存;第六是数字化档案的销毁工作,要切实规避可能存在的随意性和不规范性;第七是强化系统预警功能,一旦发生系统安全事件,档案管理人员可及时做出影响分析,并根据事件等级做出相应的应对措施,从而规避安全隐患。
总之,网络信息化时代为海洋档案数字化建设提供了机遇和挑战,而对于档案数字化的安全隐患,虽涉及诸多因子,但对于档案管理人员而言,切实保障海洋档案数字化健康稳定发展,既是时代发展提出的必然要求,也是适应海洋事业全面发展的重要内容。
数字化海洋 篇2
以我国某海上油田的钻井平台为例, 分析其存在的问题及原因。从美国引进的海洋钻井平台中电站动力系统由数量相当, 功率充足的发电机组成;由可控硅组件组成SCR中的直流调速的传动控制的系统, 整流电路由一般的三相电控制[1]。将发电机组的交流电源输入可控硅组件中, 通过直流电源驱动直流电动机。
在常年的工作中, 海洋钻井平台上的电机设备出现严重的老化现象, 整个系统经常出现问题。设备的控制性能较差, 灵敏度等方面大大降低, 最严重的是电路的负荷能力差, 系统中的磁场会出现因电流不稳而不断跳闸的现象。整个海洋钻井设备系统的日常维修频繁, 给检查工作造成了严重的影响, 不能及时满足钻井生产的需要。
基于以上情况, 结合具体的海洋钻井平台的发展趋势, 对其平台的SCR系统进行数字化的升级改造。
1 海洋钻井平台SCR系统数字化升级改造概述
对SCR系统进行有效的数字化升级改造需要从三个方面进行, 一是采用权威公司的直流调速的装置对主电路的4只主断路器进行更换[2], 这样的更换要在电启动的前提下, 保证对可控硅控制系统的技术升级。二是采用权威公司的可编程控制器进行数字化的技术升级, 控制整个SCR系统的继电逻辑控制环节。三是对钻井平台中各类电动机的励磁控制单元进行有效的技术升级及更新。
2 钻井平台中SCR系统数字化升级改造技术分析
2.1 主电路技术特点及改造分析
海洋钻井平台中的SCR系统主电路采用三相桥式的全控整流电路。该电路的电压脉动小, 比较适用于负荷容量较大的主电路。并联RC阻容, 在一定情况下抑制可控硅关断时产生的电压, 对电路进行保护。另外, 可控硅的监视灯可以为具体的工作操作提供指示, 用来限制可控硅的导通可以利用桥臂的电抗器来完成。快速的熔断器用来保护短路。在快熔熔断时, 快速跳闸的自动开关, 可以避免事故的发生。保护可控硅系统的完整性, 从而保障整个控制系统的性能。SCR系统采用塑壳短路器来完成控制系统与电网的有效隔离[3], 防止短路或过载的保护。
2.2 SCR系统的继电逻辑控制环节
可编程序控制器是SCR系统中的逻辑控制环节的核心, 它能改变系统中大量的繁琐的继电器控制, 通过有效的软件程序完成这样的控制。为了保证中央控制器的可靠性进而抗干扰性, 该系统可以采用西门子功能强大的中央控制器, 使用专业的电源板提供所使用的电源, 消除与控制器的电源的联系。为保证控制系统的安全性, 采用直入的方式控制数字量的输入信号, 隔离中间的继电器。
除此之外, 根据CPU周围所有的扫描用户程序对软件进行设计。在进行周期计算时, 处理器中一定要读入所有输入端的有效信号。最后, 存储重要的影像资料, 对程序进行扫描, 这样的扫描要在内部计数器位存储计数器的控制下进行。
这样的软件设计程序的组织比较清晰, 结构简单明了。系统的软件在进行设计时根据钻井工艺的要求编制用户的程序, 使SCE系统中的逻辑控制工艺得到不断的优化。
2.3 SCR系统的励磁控制单元
在海洋钻井平台的SCR系统中, 传动柜要对钻井泵有一定的作用力, 此时, 励磁电流会起到闭环控制的作用。随后采用PI的调节器, 进而使用脉冲的变压器达到传送的目的, 使其产生一定的脉冲, 将强电与弱电进行有效的隔离[4]。而采用动磁场是对双电机才适用, 一旦励磁控制单元的参数出现明显的错误, 平台上的各种电动机的电枢和电流就会出现非常严重的误差, 最终出现负荷不平衡的现象, 这样的问题对整个电机的运行是非常不利的。因此要检测电枢电流的差值, 变换电压控制信号, 改变励磁控制单元的电流值和控制单元输出的电流值, 继续调整电枢的电流值, 使其保持一定的平衡状态。
3 结语
针对传统的海洋钻井平台的特点, 分析其存在的问题及原因, 对SCR系统进行各个单元的数字化升级改造, 解决一些长期存在的问题, 通过具体的钻井实验将其应用在海洋油气资源的开采上。改造后的海洋钻井平台具有稳定的运行, 更好的满足了钻井生产的需要, 符合海洋钻井平台的现代化发展的趋势, 为海洋油气资源的开发开辟了新的技术道路。
参考文献
[1]崔波, 申宏, 何川等.基于智能无线传感器网络技术的海洋钻井平台应力实时检测系统[J].海岸工程, 2013, 32 (3) :40-46.
[2]李浩, 任鸿, 于雷等.基于数字网络技术的海洋石油钻井平台监控系统的设计与研究[J].天津科技, 2012, (5) :72-74.
数字化海洋 篇3
海洋学作为一个单独学科领域诞生的原因是海洋对于人类福利的重要性、科学问题的丰富性、研究这些问题所需的专门知识以及海洋中过程和事件的实际尺度。尽管海洋学已取得了一定的进展, 但仍必须弄清楚海洋在气候变化和全球化影响下的变化, 这种变化的方向、速度和大小, 以及对地球及其生命系统, 包括对人类的影响[2]。目前有关海洋的大科学计划是为了研究新的事实和发展对全球大气-海洋系统的结构和功能的洞察力。在《21世纪议程》的推动下, 海洋观测的国际性项目, 如全球海洋观测系统 (GOOS) 、全球海洋站综合观测系统 (IGOSS) 、全球海平面观测系统 (GLOSS) 、东北亚海洋观测系统 (NEAR-GOOS) 、世界海洋环流试验 (WOCE) 、全球海洋通量研究 (GOFS) 、热带海洋与全球大气实验 (TOGA) 等[3]纷纷开展, 美国更于2006年6月底通过了由近海、区域和全球三大海底观测系统组成的“海洋观测计划 (OOI) ”, 2008年起建, 计划使用30年。其中最为重要的是区域性海底观测网, 即东北太平洋的“海王星 (NEPTNUE) 计划”[4]。
在“数字地球”[5]建设的大潮下和社会需求的推动下, “数字海洋”的研究与建设工作也蓬勃开展起来。“数字海洋”是以计算技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础, 以宽带网络为纽带, 运用海量地理信息对海洋进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的四维描述, 并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活福利[6]。从实际建设角度, “数字海洋”是指通过海洋调查、海洋监测监视 (包括卫星、飞机、船舶、浮标、岸站) 和社会普查统计等数据获取手段, 用数字的方法将海洋信息 (海洋自然、生态环境、天文气象、生物物种、矿藏资源、海洋物理、海洋化学) 、涉海活动 (海上航运、水产、倾废、科研、调查、资源开采和海岸带开发利用等科研活动) 、法律法规、方法标准及整个海洋环境的时空变化装入计算机中, 并把它们和相关的所有其他数据及其实用模型结合起来, 在计算机网络系统里把真实的海洋重现 (通过模拟或虚拟) 出来, 从而为人类的生存、可持续发展以及日常的工作、学习、生活和娱乐服务[7]。科学完善的“数字海洋”系统可以通过计算机模拟和虚拟, 从而从认知到信息传输, 再到信息处理、预测和发布, 直到智能决策, 有效地支持海洋研究, 并支持人海关系调控。
“数字海洋”是科学工程, 即强调“数字海洋”建设需要进行科学研究, 尤其是计算技术、标准和方法等的研究, 更强调“数字海洋”是一项工程, 需要按照工程项目进行管理。科学工程不是因需求而进行的个体研究和建设, 而是作为一个整体进行的研究和建设, 即作为一个“工作母机”。相对于工程, 科学工程更强调了工程的“创新性”、“系统性”、“科学性”以及“持续性”[8]。因此, 对“数字海洋”从该角度可以分成3个层次, 即科学工程项目、具体工程项目和客户使用终端。把“数字海洋”作为一项科学工程, 有利于切实推动上述3个部分工作的开展和科学管理, 有利于作为工程项目促进相关工作的进一步开展和升级更新, 有利于带动“数字海洋”基础研究和促进“数字海洋”支撑体系的建立, 有利于“数字海洋”系统的运行和维护。
继行业和局部研究应用之后[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21], “数字海洋”整体建设开始实施。2004年实施的“我国近海海洋综合调查与评价”项目第三部分为“中国近海‘数字海洋’信息基础框架”[22], 周成虎等进行了“中国海岸带环境遥感监测与信息系统技术集成及其应用”[23], 上海市准备打造“海洋的数字神经”[24]。
1 “数字海洋”科学工程的必要性
“数字海洋”建设是由真实海洋, 经知识海洋, 到虚拟海洋即“数字海洋”的过程。这决定了“数字海洋”是一项科学工程。
1.1 海洋认知—决策的困难
海洋是地球表层的复杂系统, 海洋学的发展是多学科综合集成的结果, 海洋中存在大量的不确定性信息、随机信息、模糊信息、灰色信息以及未知信息。由于海洋信息的多源性、多态性、多样性以及时空分布的不均性, 目前人类对海洋的认识仍是零散的, 还没有形成相对比较完整的知识体系, 对海洋运动变化的机理还没有把握, 对海洋运动变化的模拟预测还停留在局部小区域的数值逼近层次上, 相关的模拟或预测方法少且不成熟。
1.2 整体人海关系调控的缺失
人海关系即人类与海洋之间的关系以及以海洋为背景的人与人之间的关系, 是人地关系的重要组成部分。岸线破损、资源破坏、环境污染和生态退化等问题严重影响了人类社会和经济发展以及人海关系的和谐。鉴于海洋的复杂性, 人海关系调控困难至少有3个方面:①人海关系的影响机制与响应机制仍不清楚;②人海关系调控涉及多学科和多种技术, 如地理科学、社会科学、海洋科学、资源科学、环境科学、生物科学和生态科学等, 以及产业技术、生物技术、新材料技术、能源技术、信息技术、监测技术和环境治理修复技术等高新技术;③海洋海岸带空间广阔, 环境千差万别, 人类活动不便, 有些人海关系调控手段和工程难以有效实施[1];④工程时效难以预测。
作为人海关系调控技术支撑的“数字海洋”, 从理论、技术和构件到实践过程, 从信息处理到信息预测和智能决策等功能的实现, 也会受到各种各样的制约。
1.3 “数字海洋”系统普适性与特殊性的矛盾亟须解决
“数字海洋”应用涉及政治、军事、经济、社会和管理等14个重点领域, 包括军事活动、海上维权、海上执法、港务管理、水务管理、海洋环境管理、海域使用管理、海上重大工程、海洋产业活动、海洋科技成果转化与交易、科研教育与知识创新服务、海洋灾害预警预报、信息发布和信息咨询等。每个领域都有独特的需求, 如何整合需求的特殊性与系统的通用性是亟须进行研究的问题, 包括数据结构、系统平台、数据传输、系统安全和模型库等方面。
1.4 探测海洋工作任重而道远
低温、黑暗、高压、缺氧、电磁波衰减快、环境动荡、高盐腐蚀[25]和广阔等特点, 为人类深入探测海洋并且了解海洋设置了巨大的障碍。尽管海洋学近年来蓬勃发展, 然而人类对海洋的了解未必比对月球的了解多[4]。
2 “数字海洋”科学工程框架设计
结合应用需求及系统建设要求, “数字海洋”科学工程框架内容如图1。
“数字海洋”科学工程的内容从应用角度包括科学、技术和工程应用3个层次, 从产业角度, 包括应用基础、技术开发和产业化3个层次, 两种层次纵横交叉或重叠。
在“数字海洋”科学工程框架中, 科学/技术科学是建设基础, 技术/技术开发是工作, 工程应用/产业化是系统运行和应用。
在“数字海洋”科学工程框架中, “数字海洋”数据基础设施是系统核心, “数字海洋”应用工程是业务核心, 法律、法规和标准体系是保障, 技术、设备和信息获取是基础 (图2) 。
“数字海洋”科学工程最重要的部分是数据处理平台, 该部分是虚拟海洋的情境设计与管理, 是虚拟海洋世界的中枢。如果没有高效、完整的数据处理平台, “数字海洋”建设则成为数据库建设, 不能通过计算、模拟和智能处理来支持海洋研究及人海关系调控, 也不符合计算机科学的智能化发展方向。
3 “数字海洋”科学工程建设
3.1 “数字海洋”科学工程研究内容
“数字海洋”科学工程研究内容包括3个部分, 即外围 (基础) 科学技术研究、保障体系研究与核心应用理论技术研究。
外围 (基础) 科学技术研究包括计算技术、网络传输技术与数据挖掘技术等。随着计算机科学的发展, 这些技术不断发展。“数字海洋”科学工程对该部分内容更重要的是研究其集成技术, 使这些技术有效、无缝地集成到“数字海洋”系统中, 最大限度地发挥这些技术的作用。
保障体系研究包括标准规范体系、法律法规体系以及“数字海洋”科学工程的基础理论等的研究。这部分研究针对性强, 需要投入较大的力量。
核心应用理论技术研究是“数字海洋”科学工程研究的重点, 主要包括数据处理平台和信息交换平台。信息交换平台是“数字海洋”中人-机交互、信息交互的界面, 是数据有效集成和提供系统功能的核心组件之一。数据处理平台更重要的是数据的处理、信息的转换和客观世界的模拟 (虚拟) 再现, 只有这部分才能实现支持评价评估、规划优化、决策对策和协调控制的功能, 才能实现辅助认知海洋的功能, 才能真正达到“数字海洋”的目的。
“数字海洋”科学工程研究分为3个层次, 即国家层次、区域层次和地方层次。国家层次的任务是协调标准规范、法律法规以及“数字海洋”科学工程基础理论的研究;区域层次更集中于数据处理平台和信息交换平台的建设;地方层次更强调具体应用技术, 即具体功能实现中的科学技术问题, 如某个海湾的潮流预测等。
3.2 “数字海洋”科学工程建设层次
从1.3中可以看出, “数字海洋”的应用, 或者说对“数字海洋”的需求, 既有整体区划规划工作, 又有具体管理工作;既有大区域层面上的, 又有具体城市的;既有政府管理, 又有企业决策;既有具体用户, 又有社会公众;既有行政管理, 又有市场运作。
结合我国行政管理体制及海洋管理体制, 基于“数字海洋”的技术要求及资金要求, “数字海洋”建设应该分为4个层次:国家层、大区域层、地方省市级层和地方用户层。
3.2.1 国家层 (科学工程)
负责基础设施建设, 统筹协调标准体系的建设, 统筹协调关键技术的研究, 统筹协调信息获取网络的建设, 统筹协调其他层次的建设, 统筹协调“数字海洋”原型系统的研究和建设 (图3) 。
3.2.2 大区域层 (技术平台)
负责数据基础设施建设, 负责具体技术研究, 协调信息获取网络建设, 协调地方层次的建设, 协调“数字海洋”的设计、施工、维护和调整, 协调数据同步 (图4) 。
3.2.3 地方省市级层 (应用平台)
负责具体应用平台建设及维护, 负责具体的信息获取 (地方信息) , 负责具体应用的提供, 负责“数字海洋”需求的提供 (图5) 。
3.2.4 地方用户层次 (终端)
地方用户层次是具体的用户, 是“数字海洋”的使用者, 也是具体需求的提供者。
3.3 “数字海洋”科学工程建设重点
本着统筹 (时间/区域/层次) 规划、分步实施、抽象设计、模块化开发、基础研究同步、统一标准、超前性与跨平台性、安全性、技术/平台的国产化/本地化以及实用性的原则, 重点进行以下建设。
3.3.1 基础建设
包括海洋/海岸即时观测系统/网络、业务数据获取网络以及数据中心的建设。
协调海洋、交通、环保、地震、气象和军队等部门的浮标网、临海监测台站和全国海洋环境监测网, 构建信息获取通道, 尤其是要发挥卫星飞机等天基空基遥感技术的机动优势。
层次性的数据中心建设更能体现出运行效率与建设效率, 并节约成本。
3.3.2 基础数据库建设
包括空间信息数据库以及属性数据库。
标准的统一[16]以及异构数据的融合[26]是数据库建设的关键所在。
3.3.3 典型应用
选择适宜的业务化管理领域进行试点性建设, 包括应用服务逻辑划分、用户互动界面设计以及应用服务逻辑实现。
3.3.4 培育海洋软件产业
数据处理平台是“数字海洋”最重要的部分。数字处理需要海洋软件来完成, 目前国内的海洋软件寥寥无几, 虽经有识之士呼吁, 但工作还未真正开展, 迫切需要从国家层面给予重视和指导。
4 “数字海洋”科学工程管理建议
“数字海洋”科学工程应采用先公益、后收益的方式进行建设, 其管理应由政府主导。
4.1 制定“数字海洋”科学工程建设规划
国家层面上应制定“数字海洋”科学工程建设规划纲要, 从基础研究、技术集成、示范领域、资金匹配、工程进度、建设主体、责任与义务和管理规定等方面确定原则, 进行指导。
4.2 成立”数字海洋”科学工程建设指导机构
国家层面上成立“数字海洋”科学工程建设指导机构, 协调各部门、各行业的需求和信息, 协调基础研究以及协调各研究项目成果的使用, 并对示范工程进行指导和监督。
4.3 加强基础研究与技术集成研究
人类对海洋的认知还很少, 因此对海洋信息的获取和海洋运动变化规律的认识是“数字海洋”建设的基础工作。
海洋是多学科交叉集中的领域。“数字海洋”作为科学工程, 对其他技术的集成是其建设的一大特色。不同技术集成的方式和效果是研究的重要内容, 不同维度和不同来源的信息的整合、不同区域研究结果以及计算模式的推广使用也需要进一步进行研究。
“数字海洋”科学工程是一项系统工程, 必须按照系统工程的原理进行管理, 才能使“数字海洋”科学工程建设得以有效的实施和运行。
数字式海洋物探气枪震源控制系统 篇4
气枪震源控制系统是气枪震源系统的关键组成部分, 主要功能是完成对气枪震源的激发控制, 实时采集气枪同步信号、近场子波信号、压力和深度数据, 从而对气枪震源的激发质量进行监控。气枪震源控制系统分为模拟和数字两种。数字式气枪震源控制系统的主要特点是在气枪震源附近完成采集信号的数字化处理, 缩短了模拟信号传输的长度, 减小炮缆的芯线数量, 能够允许更小的偏移距。高质量的3D、4D地震勘探, 需要高度重复的、宽频震源的信号, 然而, 目前许多勘探船舶仍使用传统的模拟震源控制系统, 控制器所需采集的模拟控制和监测信号, 通过又长又昂贵的炮缆传递, 而炮缆在复杂的海上作业环境中, 极易出现漏电的情况, 从而导致模拟的震源信号不能满足高精度3D、高重复4D勘探的需要。数字式气枪震源控制系统弥补了模拟气枪震源控制系统的不足。
目前, 气枪震源主要有Sleeve枪、BOLT枪、G枪等, 气枪震源控制系统由国外垄断, 这制约了我国海洋地震勘探技术的发展。该文提出一种用于海洋物探的数字式气枪震源控制系统, 该系统能够完成对海洋气枪震源的同步控制和延迟控制, 对于立体震源的研究、气枪阵列组合及气枪震源控制方式的研究具有实际的应用意义。
1 系统结构
数字式气枪震源控制系统主要分为硬件平台与操作控制软件两部分, 硬件平台包括水下及室内硬件;软件部分主要至系统控制软件, 运行于水上工作站。系统的具体设计目标如下。
(1) 水下单元。
(1) 同步控制精度0.1ms;
(2) 点火电压60/90VDC;
(3) 近场采样率0.25、0.5、1、2、4ms;
(4) 近场采样分辨率24bit;
(5) 压力深度采样分辨率16bit。
(2) 室内单元。
(1) 可控制阵列数12个;
(2) 支持震源数4个;
(3) 一个阵列可控制子枪数12个;
(4) 近场记录格式SEG-D;
(5) 最小内部循环时间小于3 s。
数字式气枪震源控制系统总体结构如图1所示。水下硬件包括近场采集、同步信号采集、点火控制以及数据传输板;室内硬件包括数据接收板和控制板。
近场信号采集采用专用地震信号采集套片, 同步信号和压力深度信号的采集采用高精度采集芯片[3,4], 采集数据的处理采用FGPA完成, 高压485传输机制对数字化的信号进行长距离传输, 在室内对点火控制以及采集数据的处理通过百兆网络与操作软件实现互联, 并实现导航和枪控触发信号的接收功能;控制软件部分完成系统整体控制功能, 包括参数配置、命令发送、操作控制、数据记录、实时显示等。
整个水下系统被设计成一种分布式架构, 可分为多个阵列, 每个阵列支持多个采集传输单元模块。该架构使得该系统能够支持多气枪阵列的同时点火控制、数字化处理等 (图1) 。
水下单元是整个系统的关键部分, 位于水下每个子枪的附近, 包括采集包和传输包。采集包主要是实现对每个气枪的点火进行控制, 并把同步信号、近场和压力深度数据进行数字化, 传输包主要实现把每个枪阵所有采集包的数据传输到室内系统。
室内控制单元主要实现对水下各单元的控制, 把接收的数据处理后发送给工作站, 包括室内控制箱体和电源箱体两部分。
2 水下单元设计
水下单元包括采集模块、传输模块和连接线, 如图2所示, 位于水下气枪附近1 m左右, 与传感器一起安装在枪架上, 其两端共有两个8芯AG插座, 分别用于供电、命令和数据的发送、连接近场检波器、连接外部的压力或者深度传感器以及连接气枪震源的电磁阀和线圈。由于采集模块安装与水下与气枪距离约1m左右, 气枪激发时振动比较大, 因此采集模块的制作需要采取防水和防振措施。
每个采集模块负责的工作有如下几项。
(1) 命令的接收与发送:接收室内控制单元传来的命令, 根据命令字和命令号进行解析, 控制采集及传输部分的工作, 同时控制电磁阀的点火。
(2) 数据采集:采集近场检波器、压力和深度传感器的数据, 按照一定的格式打包发给室内控制单元。
(3) 供电:采集模块把输入的DC48V电源转换成数据采集板和本级压力深度传感器需要的电源。
水下单元的数据传输通过RS485完成, 各个级联传输包之间通过RS485总线方式实现水下单元的数据传输。该单元需要完成与室内控制单元通讯、控制气枪震源的点火、采集气枪线圈数据、采集近场传感器数据、采集压力深度传感器的数据、采集辅助数据、点火检测及状态判断等功能。
数据采集部分则采用专门的高精度AD采集气枪震源线圈以及近场传感器的数据;采用单片机来对电磁阀点火及数据的采集进行控制, 利用单片机的内部AD来采集压力、深度以及辅助数据。命令和数据的接收与发送采用RS485总线传输, 由于炮缆的长度一般在四五百米左右, 每个枪阵的第一个采集模块与室内系统的传输距离应该要达到600 m, 因此485传输距离要大于600 m。
3 室内控制箱体设计
控制箱体位于室内, 与上位机通过网络进行连接, 与导航和采集系统通过同轴电缆进行连接, 与水下单元通过RS485总线进行相连, 与电源箱体通过RS485总线相连, 如图3所示。主要完成如下功能。
(1) 通过百兆网口接收控制工作站的控制命令和配置参数, 并通过RS485总线转发给12个水下单元阵列以控制其工作状态。
(2) 接收12个水下单元阵列传来的数据, 分离出线圈数据、近场检波器数据、压力和深度传感器数据以及状态数据, 并通过百兆网口发送给控制工作站。
(3) 实现对电源箱体以及12条炮缆供电的控制功能。
(4) 接收导航传来的Nav_start, 产生TB信号, 控制水下单元的工作方式。
(5) 接受控制工作站传来的报警信息, 进行相应的报警。
4 系统工作协议
根据整个系统的设计结构, 需要建立如图4所示的通讯通道。其中, 通道 (1) 为系统控制单元 (SCU) 与工作站之间的通道为上行数据通道, 通道 (2) 为SCU与工作站之间的通道为下行的命令通道, 通道 (3) 为SCU与采集板之间的命令数据通道。其中 (1) 、 (2) 为网络通信, (3) 为RS485总线通信方式。
系统的总体流程包括两条主链路流程:一是命令流程, 二是数据流程。
(1) 命令流程:由工作站或者SCU发起, 按通信协议进行系统的初始化配置、工作模式设置、正常放炮、QC监控、数据存储控制等所有命令的封装、发送, 并由SCU箱体内的板卡进行命令的解析、转发, 一部分命令由SCU箱体内的板卡进行处理, 一部分命令转发至水下单元执行。命令流程中还包括SCU箱体内同步指令的处理流程与命令反馈信息处理流程。
(2) 数据流程:由水下单元采集电磁阀线圈、近场、压力和深度传感器以及各种辅助的数据, 进行封装后通过485总线通信方式发送给SCU箱体内的CPU板, 按通信协议进行数据的解析和处理, 再进行封装后传给工作站完成数据的存储与监控等。
5 测试与验证
气枪震源控制系统的主要功能是完成对气枪震源的点火控制, 实时采集气枪同步信号、近场子波信号、压力和深度数据, 从而对气枪震源的点火质量进行监控。为验证该文所提设计方法和系统结构, 利用Altera公司的Stratix系列芯片以及ST公司基于ARM Cortex-M3核的STM32F103R8处理器作为主要实现芯片, 设计实现一套数字化震源控制系统, 并对该系统进行一系列实验室和海上现场测试, 包括系统通信测试、系统监控测试、系统性能测试等方面。2015年3月, 该系统在物探船上进行野外实验, 图5为进行水下单元固定安装的现场图;图6为响炮时一个阵列的气枪同步波形及近场检波器的采集波形;图7为随机响炮时近场检波器连续采集的3炮波形图。
野外试验进行了两天, 连续响炮约4 000炮, 整个试验过程中整个系统运行稳定, 气枪的延迟误差在0~0.02 ms左右, 与模拟气枪震源控制系统的零点几毫秒相比, 该套系统的同步控制精度提高了一个数量级, 达到了与国外数字枪控相同的指标;另外, 野外还进行了气枪震源延迟控制试验, 该系统可以实现3种方式的延迟控制: (1) 阵列与阵列间固定延迟响炮; (2) 每一条枪固定延迟响炮; (3) 所有枪随机响炮。气枪震源延迟控制的实现对于立体震源的研究、气枪阵列组合及气枪震源控制方式的研究具有实际的应用意义, 可以拓展平面震源的低频端能量、补偿高频端的陷波点, 有利于深海油气地震勘探的中深部目的层成像[5]。
6 结语
气枪震源控制系统直接关系着海洋物探震源工作的稳定性、可靠性以及震源性能, 该文提出一种数字式气枪震源控制系统, 由水上、水下两部分组成, 分别用于完成系统监控以及近场地震波形数字化采集。水下系统设计成一种分布式架构, 利用前置高品质数字化电路直接对近场波形进行数字化处理。在水下采集和传输模块的共同配合下, 数字化信号直接送至水上系统进行相应的处理, 从而完成对于海洋物探气枪震源系统的实时控制。该系统结构简洁、易于实现, 并且具备良好的扩展能力。实验室及海上试验表明, 该系统除了能够满足海洋物探对于气枪震源控制系统的同步控制要求外, 还能够实现气枪震源的多种延迟控制方式, 对于立体震源的研究、气枪阵列组合及气枪震源控制方式的研究具有实际的应用意义, 可以拓展平面震源的低频端能量、补偿高频端的陷波点, 有利于深海油气地震勘探的中深部目的层成像。
摘要：设计一种用于海洋物探的数字式气枪震源控制系统, 该系统由水上、水下两部分组成。水上部分负责控制指令的发送和数据的处理显示;水下系统设计成一种分布式架构, 利用前端电路直接对采集波形进行数字化处理, 从而完成对于海洋物探气枪震源的实时控制。该系统结构简单、易于实现, 并且能够支持多震源的同步控制和延迟控制。
关键词：地震勘探,气枪震源,同步控制,立体震源
参考文献
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数字化海洋 篇5
随着社会经济的发展、人口增加和城市化进程的加快,尤其是社会经济发展的趋海化加剧,造成连云港海洋公园与当地经济生活区高度重叠,同时将经济发展的增长点［1］和“视角”投向海洋保护区。 因此,涉及沿海地区海洋公园的开发与保护,尤其是调整相关利益各方生态环境及其经济利益分配关系的生态补偿机制便成为学术界、管理部门和公众关心的热点问题。
“丝绸之路经济带”和 “21世纪海上丝绸之路” 对于构筑陆海统筹、东西互济的全方位开放新格局具有十分重要的战略意义。 当前,采用传统的方式进行海域管理,缺乏信息技术的辅助决策,难以实现海洋的有效管理和海洋资源的合理开发和保护。 因此,亟需对分散的信息系统资源进行整合,建立一个功能集全、接口统一的海洋综合管理与服务信息系统平台。
1海州湾及海洋公园功能分区
海州湾位于苏北鲁南地区,西靠江苏省连云港市沿岸,东临黄海,湾口北起山东省日照市岚山镇的佛手咀, 南至江苏省连云港市连云港区的高公岛,岸线长86.81 km,海湾面积876.39 km2。 海州湾是典型的海洋海岸岛礁自然地貌区, 生态系统独特, 是历史文化遗迹最具有科学价值和保护价值保护对象最集中的区域。 此外,海州湾海洋生物种类繁多,具有重要的学术研究和保护价值,其沿岸及附近岛屿还是鸟类迁徙的重要通道。
海州湾海湾生态系统与自然遗迹海洋特别保护区于2008年1月被国家海洋局正式批准建立在其建设基础上,2011年5月26日,为打造低碳绿色、环保的海洋生态旅游区域,海州湾内建造海洋公园获得国家海洋局批准。 该公园是全国公布的7个国家级海洋公园中面积最大的,也是江苏省唯一被列入国家级海洋公园名录的海洋公园。
根据不同的主导功能,海洋公园分为重点保护区、生态与资源修复区、适度利用区及预留区4个功能区,总面积514.55 km2。
2海洋公园开发利用现状［2］
根据现场调查及资料分析,海洋公园及周边海域主要开发利用方式有渔业用海(贝类养殖、围海养殖等)、交通运输用海、造地工程用海、旅游娱乐用海和保护区用海等。
2.1渔业用海
海岸滩涂主要由当地渔民从事养殖活动;滩面较高区发展了高涂围海养殖,兴庄河口与沙汪河口之间的淤长型淤泥质岸段有赣榆海洋经济开发区管理委员会组织建设的赣榆海洋经济开发区高涂蓄水养殖用海项目;外围的海州湾大片海域进行了开放式海水养殖(主要进行贝类增养殖),东侧外海建设了人工鱼礁工程。
2.2交通运输用海
绣针河口与龙王河口之间的砂质海岸(柘汪、 海头附近) 是规划建设中的连云港港北翼赣榆港区。 目前起步工程已经开始建设,其中包括始于绣针河口南侧1.2 km,总长约6 350 m的东防波堤工程;依托东防波堤建设的突堤工程(码头堆场);突堤西侧和南侧的3个5万t级通用泊位和1个5万t级液体化工泊位。
2.3造地工程用海
围填海建设面积为24.30 km2。 连云港海滨新城规划建设成为以海为源,以人为本,环境优美、功能完善、具有时代气息的海上连城,集居住、商贸、 行政办公、休闲娱乐等功能于一体的现代化新型示范城区。
2.4旅游娱乐用海
海州湾旅游度假区位于江苏省赣榆县海头镇境内,北起神仙路,南至龙王河,总面积4.86 km2。 这里拥有江苏省最大的优质黄金沙滩,适合发展海滨观光、疗养和多种水上运动等项目的旅游业。
3目前海洋公园管理存在的问题
3.1多部门管理、权属不清且建设缺乏统一规划
在有居民的海岛生态保护方面,目前海洋公园中连岛的管理完全参照陆上管理模式,这就造成海洋部门某些方面在管理上插手困难。 连岛拥有国有林场,植被养护职能主要在林业部门,环保部门主要负责垃圾处理打包外运及污水处理;有居民海岛污水排污口的设置,海洋部门主要负责周边海域的管理(包括港口用海,渔业用海,旅游娱乐用海等)。 关于有居民海岛沙滩的管理,海洋行政部门主要管理海岸线以下的部分。 这一现状造成海岛权属未定性,多部门管理牵头难,效率低,矛盾大;重复管理现象严重,管理缺位、越位等问题重生。
此外, 海洋公园的建设涉及生态建设规划、旅游规划、无居民海岛开发利用与保护规划、港口规划等各种相关规划和海洋功能区划。 多种规划、区划之间的内容并不完全吻合, 甚至存在一定冲突。 在生态建设、旅游发展、基础设施建设及相关产业的发展和保护中,海洋公园的建设、经营缺乏完整、 系统、科学的总体规划,难以进行统一协调管理。
3.2海洋管理缺乏硬性法规,操作力度不大
缺乏海岛/海岸带综合管理方法与技术, 缺乏海洋资源可持续利用的评估指标体系和方法［3］,缺乏可操作的海岛及岸线管理细则, 法律约束力不强,管理成效低,面临着管理和执法无法有效同时开展的问题。 目前,海州湾海域只出台了一部海州湾特别保护区暂行办法,海洋公园还没有针对性的管理办法。 关于海岛和岸线只能参照兄弟单位试行,在执法力度上没有力量。 对海域而言,造成生境的破坏,生物多样性的损失,此外海岸线有萎缩趋势。
3.3公众缺乏正确的海洋保护理念
海洋经济作为连云港经济的支柱产业,海洋开发需求扩张与环境破坏并存,矛盾凸现。 为了建立起人与海洋和谐、可持续的关系,迫切需要人们拥有一种先进的科学的理念———资源开发和环境保护并重的思想。 针对目前快速发展的海洋经济大环境,发展海洋环保意识将有助于缓解海洋开发与海洋生境恶化之间的矛盾。 从公众的知识水平、观念认知、 行动意愿3个维度剖析海洋危机产生原因并对人海矛盾根源作深刻的哲学反思［4］。 在此基础上提出合理的人海关系应具备3个观念,即:确立海洋是整体生态系统的意识、提倡资源补偿意识指导下的海洋开发理念和维护生境的可持续发展。
通过利用国际基金、非政府组织的力量开展生态保护, 鼓励和吸引国内外民间资本投资生态保护非常重要。 尤其是要探索在政府投入引导下的社会多元化投入机制, 让社会广泛参与海洋保护工作。
3.4科技投入不足 , 缺乏有效的现代化管理手段
海洋公园建设工程中各类信息资源尚未进行有效整合,海洋地形地貌数据、遥感数据等分散在不同的行业部门,导致行业部门各自为政,难以满足海洋实际业务的管理需要。 采用传统的方式进行管理,缺乏信息技术的辅助决策,难以实现海洋公园乃至海州湾地区海域的有效管理和海洋资源的合理开发;同时,引领海洋科技创新的科研机构缺乏,实施海洋技术创新的研发中心较少。 目前亟需对分散的信息系统资源进行整合,建立一个功能集全、 接口统一的海洋综合管理与服务信息系统,增强业务处理能力,提高管理工作的效率,提升管理水平,为海洋资源的有序开发和海洋开发的综合决策提供技术支撑。
4新形势下海洋公园能力建设数字化模式探讨
针对海洋公园尚未达到信息化、规范化管理的现状,数字化建设立足于“保护海洋生态与环境、提高海洋资源利用水平、维护海洋权益、促进海洋经济发展”开发和保护的模式,形成覆盖保护区管理各个方面的综合管理与服务信息系统,实现海洋分析评价和服务的智能化、实现海洋决策管理的科学化、实现海洋基础信息服务的社会化。
4.1保护区数字化管理方案研究
通过对基础数据库建设、 信息服务与发布平台、移动应用平台、海域动态监测与管理系统、海域环境监测与管理系统、 资源修复项目管理系统、海洋信息可视化系统、 应用支撑体系建设等的研究, 以满足保护区数字化管理与服务信息系统对数据的需求。
4.2室外宣传屏及海洋展示馆设置
海洋公园的宣传系统是基础设施建设的重要组成部分,能够起到告知、标示、指引和警示作用, 景观点缀和美化环境作用。 为更好地介绍海洋公园环境和物种资源,展示和宣传海洋公园特色,在海洋公园区域设室外宣传屏,以完善旅游基础设施建设与宣传教育设施建设,推进海洋公园规范化建设。
另外,通过购置并定做海州湾海洋公园生活的海洋生物标本, 特别是搜集地方特有的土著种、珍稀濒危种、重要经济物种等,建立的海洋展示馆。 围绕海州湾独特海洋生态系统以及海洋生物资源,展示目前海州湾海洋环境状况与待保护程度。 海洋展示馆的设立是对外宣传的最好的窗口,对于提高海洋公园知名度、加大公众的宣传教育,增强周围社区居民的海洋环保意识,开展海州湾海洋公园生物多样性及生境长效管理研究具有非常重要的作用。 此外,标本馆不定期在馆内外举办海洋生物知识讲座, 使其成为周边中小学海洋生物科普宣传基地, 这也是户外宣传的另一种有意义的存在形式。
4.3海洋公园专用无线视频监控系统
在海洋公园内设置监视监控设施,主要包括室外监视前端、中间数据传输控制、室内监控设备以及立杆等全套设施,以对海洋公园内的相关活动实施动态监控。
依托公共通讯网络(3G)的无线传输信道和接入电路, 安装海洋公园视频监控采集与传输设备并在海洋公园管理部门建设视频监控平台,将现场图像实时传送到各级管理部门,实现视频音频信号及相关数据采集、数字化、压缩、无线传输,图像信息的本地存储、 导出和远程调用控制,GPS定位数据上传及各种传感器数据上传预留接口等功能,为构建全国国家级海洋公园视频监控系统提供基础接入点。
4.4海洋公园地理信息系统建设
海洋公园地理信息空间数据库,包括行政区划图、地形图、遥感影像以及生态环境调查数据,社会经济调查数据。 开发B/S和C/S［5］结构的海洋公园地理信息服务平台, 支持空间和属性信息的检索交互式浏览、分析评估、历史数据的动态展示和专题图制作及输出。 与海洋公园监测监视设备集成实现监视监测信息与地理空间信息的高度整合与深化应用。
4.5海州湾海洋公园科研监测能力建设
随着海洋经济的快速发展,对生态环境造成了越来越严重的破坏,海洋环境污染问题已经成为人类所面临的最大挑战之一。 为加强海洋公园生态管控能力,有必要提升海洋公园生态环境的科研监测能力,提升科研监测能力水平,建设海洋环境在线监测系统。 针对海洋自然灾害预警的需求及海洋环境参数实时监测的需要,将已有的成熟技术和新的理论、先进的技术成果进行有机的结合,建立能够自动、连续、实时监测海洋环境参数;自动传输、存储、处理和分析数据;数据产品自动发布、远程动态监控的高精度、智能化海洋监测信息系统［6］。
此外,连云港海洋公园近海海域为赤潮高发区, 在海水水质、沉积物、生态环境(浮游动植物、底栖生物、潮间带生物)等方面研制实时、可靠的海洋环境在线监测系统;建立准确、高效的赤潮预测预警系统［7］,最大限度地降低赤潮灾害带来的经济损失构建齐全、类型多源、系统的海洋环境数据库平台为连云港市海洋综合监管提供坚实的数据基础。 做好基础资料的搜集,符合新形势下国家海洋开发战略部署和社会发展的迫切需要。
4.6推进无人机在海州湾海洋公园的研究应用
随着江苏沿海开发新一轮热潮的到来,海州湾沿岸地区的海岸地貌发生了巨大变迁,现有的航空遥感技术手段因其成图周期长、成本高等特点已无法适应经济发展的需要。 以无人驾驶飞机为空中遥感平台的技术,具有快速、宏观、动态、小而便捷等特点,可以很好地弥补传统监测方法的缺陷,满足现阶段我国对海洋遥感监测业务的需求。 依托低空无人机航摄遥感系统高分辨率数据快速获取能力结合日臻成熟的以三维可视化技术和计算机网络技术为代表的新一代地理信息技术,构建三维海域立体信息化监管平台成为可能,实现传统海域监管向现代海域监管的转变。 运用3 S、虚拟现实和互操作等手段,以数字化、动态模拟、可视化的方式监管海域使用情况,重现海域使用的变化规律,为海洋综合管理、海洋经济可持续发展提供科学依据和技术支撑。
5结束语
海洋科学技术是发展海洋生产力的手段［3］,也是发展海洋产业的重要支撑。 通过建立海洋生态资源动态变化模型,建立基础数据库,并实时更新,立体、实时、可视、系统化展示海州湾生态系统,定量化描述各生态因子的生态过程及相互关系,阐明生态机制、规律与趋势,利用数学、物理、化学公式及互联网技术、数据库技术等手段建立海洋生态资源动态模型。
“数字海洋”伴随 “数字地球”战略的提出而应运而生,是海洋工作领域的体现和再创新。 该理念综合应用3S技术、数据库技术、计算机技术、数值模拟技术、虚拟现实技术等,对海洋各种信息进行实时采集、有序处理、快速传输、多维显示、逼真描述的综合性数字化信息系统。 “数字海洋”采用数字化、可视化、网络化的信息表达方式,模拟、分析、研究海洋资源环境现状及其发展趋势,直观展示海洋自然形态和社会经济活动状态,为海洋综合管理和宏观决策、海洋经济及社会发展、海洋国土安全维护等提供综合支持与服务,代表了现代海洋管理的发展方向。
参考文献
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数字化海洋 篇6
关键词：数字海洋,海洋资料,共享服务
多年来,我国已投入了巨额资金对管辖海域及国际海底的部分海域资源和环境进行了多次大规模的调查研 究,获得了大 量的海洋 科学数据。然而,由于历史原因,不同历史时期、不同业务体系的海洋资料存储标准、调查仪器设备(观测精度、订正、校正值)、采用的计 算公式、基准点、基准面及坐标系统等不统一,从而造成不同区块、不同年代和不同项目获取的海洋资料难以融合使用,海洋资料的整体应用价值得不到充分的发挥。为此有必要开展统一规范的海洋资料整合技术,但海洋资料整合工作涉及多个管理部门和业务单位以及多类型的海洋资料,是一项复杂的系统工程。
与此同时,我国相关行业对海洋环境、资源、管理和海洋经济开发利用等海洋科学数据的需求也将越来越大,如何实现海量数据的集中管理与高效共享使用已经成为海洋工作者亟须解决的重要任务。
为此,国家海洋局启动了海洋公益性行业科研专项经费项目———“基于数字海洋的资料整合与共享应用服务示范”,旨在解决上述问题,开展技术和服务模式的探索。
1 研究目标
“基于数字海洋的资料整合与共享应用服务示范”公益项目正是立足于解决海洋资料整合技术与实现高效统一的数据管理与共享,利用先进的信息技术,以我国数字海洋框架为基础,实现海洋资料的整合和共享应用,充分发挥海洋资料在海洋经济、海洋综合管理、海洋科研、社会公众以及各类专题应用等领域的服务保障能力和对我国社会经济发展的支撑作用。
该项目的主要目的:一是为了研究我国历史上多种来源、不同观测手段、不同坐标基准的海洋环境调查资料以及目前我国业务化观测的 海洋环境资料整合处理方法,建立海洋环境资料整合技术体系,为全面开展我国海洋环境资料整合奠定技术基础;二是为了进一步检验资料整合处理的技术水平,开展整合处理资料成果的环境信息产品研制;三是利用并行、虚拟化等新技术,尝试解决大数据量访问效率低和资料共享使用的问题;四是利用目前我国数字海洋信息基础框架建设成果,开展信息共享服务示范,进一步发挥我国数字海洋建设成果在海洋综合管理和科学研究中的重要作用。
2 研究内容
“基于数字海洋的资料整合与共享应用服务示范”项目的研究内容主要包括以下几方面。
2.1 海洋水体环境资料整合处理技术研究和产品研制
针对现有的海洋水体环境资料,充分考虑其来源、获取手段等特点,编制覆盖面广、可操作性强、规范性严的海洋资料的整合技术标准。在此基础上开展海洋水体环境资料整合处理技术研究,包括海洋水文、海 洋气象资 料的标准 化,排重,各类质量控制方法研究,订正、平差计算,数据质量评价及检验评估,要素抽取、转换等整合处理技术研究,以及原始数据集、基础数据集和要素数据集的整合处理。同时开展海洋环境地理产品研制,包括西北太平洋区域海洋水体环境基本场信息产品的研制、山东近岸区域基础地理数据、水深数据更新及重点区域的三维全景产品制作。形成较为完善的海洋水体环境资料整合处理和应用技术方法体系以及各类海洋水体环境与基础地理信息产品,为海洋综合管理、应急指挥、科研等提供海洋环境地理基础数据和产品支撑。
2.2 海底资料整合处理技术研究和产品研制
根据现有海底资料特点,开展海洋地质、地球物理调查资料处理技术的标准化建设,包括建立和完善海洋沉积物粒度分析、黏土矿物分析、年龄测定的标准化技术、多源异构的原始船测信息到基础地球 物理数据 转换的标 准化技术 等。同时开展海洋沉积物地质数据分析技术标准化研发和示范性数据产品构建、海洋多波束测量信息水深地形转换的处理技术标准化研发和示范性数据产品构建、海洋重力测量信息布格异常转换的处理技术标准化研发和示范性数据产品构建、海洋磁力测量信息异常转换的处理技术标准化研发和示范性数据产品构建、多源多时空海洋地球物理资料融合处理技术标准化研发和示范性数据产品构建。旨在完善构建覆盖海洋地质、地球物理各类调查资料采集处理技术体系,为今后相关数据的处理建立依据。
2.3 海洋资料管理和共享服务系统建设
海洋资料管理和共享服务系统是实现海洋资料高效管理与有效服务的重要方式,因此建立一套基于并行数据库和虚拟化工作空间的海洋资料管理和共享服务系统,以适应海量数据的管理应用需求,同时满足用户对海洋资料的高效、安全的应用服务需求,并达到在科研用户中示范应用的目的。通过建立安全、有效的数据库,实现海洋数据在原始数据库层、基础数据库层、要素数据库层、产品数据库层间的顺畅流转和有效存储管理。同时用户可通过海洋数据门户网站进入虚拟化工作空间,使用系统数据进行模型运算、产品制作等,在提供高效数据应用服务的同时保障数据安全。
用户通过该系统在数字海洋专网节点远程检索,使用该系统提供的全部海洋基础资料。同时,用户可利用系统的计算环境,制作专属数据成果和产品,并通过系统向管理员提交下载申请,审核通过后,可将成果和产品下载到本地客户端使用。
2.4 基于数字海洋传输共享技术研究与信息共享服务系统研制
开展各类海洋资料共享服务建设,需要建立有效的数据交换渠道。基于数字海洋框架的互联技术,使多个业务节点实现即时资料的共享服务。通过已建设的数字海洋框架的系统接口、数据接口和应用服务接口,集成海洋环境与地理信息、要素数据库和产品数据库,开发具有并行数据高速检索、ETL(数据抽取、转换、加载)、可视化表达和产品、在线即时分发服务等功能的海洋信息共享服务系统,并基于此系统开发海洋灾害应急专题信息服务系统,为海洋灾害(突发事件及自然灾害)应急提供综合信息产品服务[1]。
2.5 海洋综合管理信息服务示范应用
根据山东省海洋管理部门应用示范的需求,首先开展基于“数字海洋”信息基础框架和海洋信息共享服务系统服务接口改建工作,进行应用中间件开发或业务系统改造,实现山东省海洋综合管理业务系统自动化获取海洋环境与基础地理数据;再通过数字海洋信息基础框架、海洋信息共享服务系统和海洋防灾减灾专题应用,获取数据产品和服务。由此实现在海域管理、海洋经济、海洋环保、防灾减灾等海洋管理业务工作中对海洋环境与基础地理数据的共享应用,并对系统运行及共享应用效果进行评估,为其他沿海省、市、自治区海洋管理部门海洋环境与基础地理信息共享提供示范(图1)。
3 创新点
(1)建立完善海洋资料整合处理标准规范,按照面向应用服务的数据组织模式,改造现有档案式管理模式的数据,建立以要素为索引的整合数据和信息产品。
(2)建立基于并行数据库的海量数据存储、查询和运算体系,提高大数据量快速处理能力。
(3)采用虚拟化技术为用户提供海洋综合管理和科研的数据应用工作空间,在满足数据安全的基础上为用户提供高效的数据共享服务。
(4)建立海岸带全景三维模型,实现基于三维球体模型的高分辨率和多视角实景影像以及背景场、实时数据的网络化快速调用和访问。
4 海洋环境与基础地理资料共享实现技术方法
通过海洋资料整合技术研究,研制资料整合管理制度和海洋水文、气象、地质、地球物理资料的整合技术规程。基于数字海洋信息基础框架,结合现有的业务体系,利用网络互联互通技术,建立统一的数据通信网络,对汇集、接收的海洋环境和基础地理资料开展数据整合处理技术研究和应用,在资料整合的基础上,初步形成原始数据、基础数据、要素数据集和产品数据的数据库管理体系,并构建海洋环境与基础地理资料共享服务示范系统,面向政府机构、高校单位等用户开展示范应用。总体流程如图2所示。
从项目内容结构和各项工作之间的前后逻辑关系上,总体技术流程包括以下几个环节。
(1)开展资料整合技术研究,包括资料的标准化处理、排重技术的研制、数据质量控制技术研究、订正平差计算、数据质量评价及检验评估、要素抽取转换技术研究。开展示 范性海洋信息产品的研制工作,包括插值方法、统计分析方法、客观分析方法等统计方法的研制,以及不同类型不同分辨率产品的制作。建立海洋资料整合标准规范体系。对整合处理后资料,按照级别,分别建成原始数据、基础数据、要素数据和产品数据库。
(2)基于并行数据库技术以及虚拟化应用研究,建立多层次 海洋环境 与地理信 息数据库 系统,研发海洋资料共享门户软件,为科研用户搭建一个包括原始数据集、基础数据集、要素数据集、产品数据集,访问高效、安全可控,又方便共享使用的用户工作空间。
(3)通过研究并引入当今最新的数据集成管理与数据共享技术,连接数字海洋信息基础框架现有数据仓库作为信息共享服务系统数据库的主要数据来源,并集成资料整合的要素数据库和产品数据库,通过系统集成,实现信息产品在线申请、审批、下载功能模式的整合,建立信息共享服务系统[2]。
(4)开展海洋业务网络互连技术研究和网络通信系统研发,调研试点专网的网络结构、网络技术、设备、节点接入等情况,对网间互连技术进行研究。以数字海洋专网为基础,配置网间互联设备,设置网间互联管理节点,实现业务化海洋观测、监测资料的汇集、接收,为海洋资料整合工作提供资料基础[3]。
(5)利用信息共享服务系统,以山东省内海洋业务系统为试点开展海洋综合管理应用示范,并根据试点节点反馈意见,对海洋信息共享服务系统运行效果进行评估,改进应用方式手段,提高数据共享效率,为全国其他沿海省、市、自治区海洋管理部门使用海洋信息共享系统提供示范。
5 小结
(1)本项目建立了规范的多源海洋资料整合技术体系,首先从资料整合技术与管理的标准规范入手,着重开展了各类典型的海洋环境与地理信息数据整合技术的研究,同时对海洋资料进行了系统的分类,包括原始数据、基础数据、要素数据和产品数据。对于科学、合理的管理我国海洋资料具有较高的借鉴意义。
(2)将并行数据库技术运用到海量海洋环境与地理信息数据的处理与管理工作中,并利用虚拟技术构建用户虚拟运行环境,用户利用远程虚拟桌面在服务器提供的虚拟空间进行数据应用,既保证了所有数据均未脱离服务器,又使用户在授权后可方便地获取运行结果。这是有效实现我国海洋资料集中管理、充分共享的新模式,对于发挥资料的应用价值具有重要意义。
(3)基于数字海洋球体系统建立高精度、大区域海岸带三维全景数据模型,使海洋综合管理者脱离传统抽象的二维海岸带场景,真正具有现场感、临近感的工作状态,大大提高海洋综合管理的有效性、准确性和时效性。这是实现我国精细化海洋综合管理的有效途径。
(4)该项目构建基于数字海洋框架的海洋资料共享服务示范系统将有效推进我国海洋数据共享服务,其工作思路与运用的技术手段,可为同行业相关研究起到示范与参考作用。
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数字化海洋 篇7
计算机和GIS技术的快速发展使GIS软件具有了强大的图形编辑分析和数据处理功能, 水下地形图数字化和数字高程模型 (DEM) 的生成与叠合分析成为水下地形分析的一种趋势[1,3]。应用GIS软件的空间数据处理与分析功能, 将海图资料数字化后建立DEM, 可以直观的展示辐射沙脊群的地形、地貌, 而且也为各种地形特征的定量分析和不同类型专题图的制作提供基本数据。
DEM在地形信息容量与精度方面存在误差, 在不同程度上影响辐射沙脊群地形分析的精度, 仅由地理信息相关软件插值生成的DEM不能完整、准确的表达出辐射沙脊群的地形、地貌等特征。为了能够更加准确、清晰的表现辐射沙脊群地形变化的特征, 笔者在使用GIS软件插值生成DEM并按地形、地貌特点分层设色后, 结合图形处理软件photoshop制作辐射沙脊群区域的立体效果图。由此方法制作而成的效果图不仅可以更加清晰的表现出区域的地形变化特点, 制作过程较之常规的立体图制作方法更加简便。
1 研究区域概况
南黄海辐射沙脊群分布于江苏岸外, 黄海南陆架海域, 自射阳河口向南至长江口北部的蒿枝港。南北长199.6 km, 东西宽140.0 km, 呈褶扇状向海, 由70多条沙脊与潮流通道组成, 脊槽相间, 水深介于0-25m。辐射沙脊群海域为南部太平洋前进潮波和北部旋转潮波所控制, 并在弶港地区辐聚, 且具有大潮差的特点[4]。涨潮时, 潮流自北、东北、东和东南方向涌向弶港海岸;落潮时, 潮流以弶港为中心, 呈150°的扇面向外逸散, 形成以弶港为中心的放射状潮流场[5]。
2 DEM构建
2.1 创建Shapefile文件和Geodatabase数据库
Shapefile和Geodatabase都是Arc GIS的数据组织方式。Shapefile文件由存储空间数据的shape文件、存储属性数据的d Base表和存储空间数据与属性数据关系的.shx文件组成;Geodatabase是Arc GIS数据模型发展的第三代产物, 它是面向对象的数据模型, 能够表示要素的自然行为和要素之间的关系, 按照层次型的数据对象来组织地理数据, 包括对象类 (Object Classes) 、要素类 (Feature Classes) 和要素数据集 (Feature dataset) [6]。
本研究中矢量化工作主要包括:①等深线屏幕矢量化;②等深线标赋深度值;③水深点屏幕矢量化;④水深点标赋深度值。矢量化的过程是以栅格图为底图, 用GIS软件对底图上的等深线及水深点等要素进行矢量化。对等深线密集的区域可以采用简化等深线的方式进行矢量化, 即只勾绘能够反映地形变化的等深线或者每隔数条矢量化一条等深线。矢量化后结合原有海图对数字化结果赋正确属性值。
2.2 DEM模型的生成
通过以下步骤生成所需要的DEM模型数据:
(1) 以包含等深线和水深点的数据集作为矢量数据源创建TIN表面。通过ARC/INFO的Create Tin命令创建TIN表面, 以使整个研究区域都含有深度值。
(2) 将TIN表面数据转换为栅格表面数据, 并对数据进行进一步检查。
最终生成的DEM数据还需要检查, 即将DEM数据内插生成等深线与海图扫描影像分色叠合显示, 检查有无偏移超限。有不合格的地方, 需退回检查原因并修改直至无误。
3 应用Photoshop软件呈现DEM的立体效果
在以往的研究工作中已尝试了多种方式来实现利用平面图形表示三维立体视觉效果, 如地貌晕渲制图法、等高线分层设色法、明暗等高线法和粗细等高线法, 但这些方法都存在明显的缺点:等高线法具有能详细刻画地貌特征、便于图上量测等优点, 但其不足之处在于它所表示的地形立体感不强, 不便于初学者使用;地貌晕渲制图法虽然可以形成较好的视觉立体效果, 且直观生动, 但无法定量表现地形的起伏特征;等高线分层设色法又往往干扰对其他要素的表示, 在应用中有一定的限制[7~8]。明暗等高线法和粗细等高线法虽然克服了以上两种方法的缺点, 但制作过程又较为繁琐, 不够简便。而结合图像处理软件photoshop实现的立体效果, 虽然立体感效果不是非常强烈, 但也形成了较好的视觉立体效果, 而且定量的表现出地形的起伏特征, 同时不干扰其他要素的表示, 其缺点是立体效果不能根据需要进行调节, 只能以固定的量值表示地形变化。虽然如此, 在制作区域效果图时, 结合photoshop软件制作而成的效果图仍然比以往几个方法制作而成的效果更为理想, 更便于使用。
在GIS软件中生成DEM后, 根据DEM数据自动生成矢量等深线, 叠加根据海图资料矢量化后的等深线数据, 提取水深0m、5m、10m、15m、20m、25m等深线, 按辐射沙脊群区域地形变化特点分层设色, 保存为Photoshop中可识别的图片格式。
首先应用Photoshop软件的色彩范围命令, 分别提取水深0m、5m、10m、15m、20m、25m各层色彩, 并分别存储为图层;再应用图层样式的斜面和浮雕命令来实现各个图层的立体效果;最后分别叠加斜面和浮雕效果后的所有图层即可实现研究区域的立体效果图。
为了更好的展现辐射沙脊群的区域特点, 笔者叠加了部分江苏省沿海行政区域范围, 最后效果图如图2显示。
4 DEM在辐射沙脊群研究中的应用
南黄海辐射沙脊群发育形成于南黄海西部江苏岸外水深30m以浅地区, 是世界上最大的由陆架潮流沙脊与多条潮流通道相间的海底地貌组合体系。85期间, 由国家科委与国家海洋局组织进行全国海岸带与海涂资源综合调查, 首次对辐射沙脊群进行了系统的调查, 积累了地形、地貌、气象水文、泥沙、生物等资料, 阐明了辐射沙脊群的动力环境、海底地貌特征、表层沉积物组成、泥沙来源、成因与动态分析等。21世纪海港开发提出对相关沙脊体与潮流通道冲淤变化与稳定性研究, 在王颖院士组织与指导下, 南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室研究小组开展了野外调查、海图及相关资料分析工作。在此基础上, 笔者根据研究需要, 制作辐射沙脊群全区立体效果图, 此研究成果直接运用于江苏沿海开发、港口建设与土地围垦工作, 同时具有重要的科学价值。
摘要：本文结合前人研究成果, 提出结合GIS软件以及Photoshop软件来制作辐射沙脊群DEM分层设色图, 成图立体效果直观, 整体效果清晰, 地形表达准确。高精度的DEM可以直观的展示辐射沙脊群的地形、地貌, 为各种地形特征的定量分析和不同类型专题图的制作提供基础数据, 研究成果直接运用于江苏沿海开发、港口建设与土地围垦工作, 具有重要的科学价值。
关键词：DEM,海洋工程,南黄海辐射沙脊群
参考文献
[1]杨存建, 刘纪远, 张增祥.GIS支持下不同坡度的土壤侵蚀特征分析[J].水土保持学报, 2002, 16 (6) :5～6.
[2]Miline J A, Sear D A.Modelling riverchannel topography using GIS[J].International Journal of GIS, 1997, 11 (5) :499～519.
[3]Sear D A, MilineJ A.Surface modelling of up land river channel topography and sedimentology using GIS[J].Physical and Chemistry of the Earth, Part B, 2000, 25 (4) :396～406.
[4]王颖主编.黄海陆架辐射沙脊群[M].北京:中国环境科学出版社, 2002.47～236.
[5]诸裕良, 严以新, 薛鸿超.南黄海辐射沙洲形成发育水动力机制研究[J].中国科学 (D辑) , 1998, 28 (5) :409～410.
[6]汤国安主编.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京:科学出版社, 2006.41～360.
[7]汤国安, 杨玮莹, 刘咏梅.一种基于DEM的明暗等高线制图方法[J].测绘通报2001, 21 (7) :39～40.