北部灣位于中國大陸海岸帶西南端、南海西北部，毗鄰東盟和粵港澳大灣區(qū)，也是西部陸海新通道平陸運河入海地，戰(zhàn)略地位十分突出。然而，北部灣海域自然災害凸顯，熱帶氣旋活動與藻華頻發(fā)，給海洋生物帶來了不容小覷的損害，而且廣西貝類支柱產業(yè)的欽州大蠔春季死亡災害的發(fā)生與環(huán)境鹽度長期過高有關。因此，亟需打造融合監(jiān)測、預警、溯源、防災、生態(tài)休閑和線上交易的全產業(yè)鏈智慧海洋牧場服務平臺 ，為北部灣海洋牧場生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和海洋漁業(yè)發(fā)展提供技術支撐。
1平臺系統(tǒng)設計與開發(fā)
隨著海洋環(huán)境感知和信息傳輸技術水平的提升，海洋時空數據資源得到了極大豐富，這對海洋數據組織管理方法提出了更高的要求，基于網格模型的時空數據組織方法為海量、多源異構和動態(tài)的海洋大規(guī)模時空數據的高效管理提供了途徑。而根據北斗網格位置碼(GB/T39409-2020)，萬世萬物的區(qū)域時間和位置均可在國家地球剖分型域時空框架下賦值、定義，建立融合時空數據的北斗網格碼索引將大幅提高海洋空間信息的查詢、組織與管理效率。
1.1 平臺系統(tǒng)設計技術原理
本服務平臺的技術原理主要包括通訊機制設計、時空大數據預處理和服務平臺開發(fā)3部分，保障海洋牧場示范區(qū)數據的采集、傳輸、融合、銜接與展示。
服務平臺不但要求實現海洋地理時空網格化數據的自動采集、遠程傳輸、處理入庫，滿足應用示范的要求，而且在此基礎上還需要實現遠程修改遙測站運行的參數和通訊參數。通訊機制總體設計為：(1)建立了以控制中心為核心的一體化信息系統(tǒng);(2)提供了各分中心自動控制本轄區(qū)海上海下采集的操作平臺，通過通信監(jiān)控前置機，自動采集所有遙測站的數據并按照設定的工作方式發(fā)送到中心;(3)可以對所有運行遙測站進行運行參數設置，控制采集站的運行;(4)通過移動技術信道(4G)遠程自動同時提取所有遙測站的歷史固態(tài)數據?；谝苿?G技術的遠程數據采集技術，實現對遠程海洋生態(tài)傳感器實施實時監(jiān)控與數據采集。
時空大數據的管理過程具備一系列的標準約束，以現有大數據行業(yè)標準為基礎，經過一系列對比與分析，篩選出適合海洋牧場大數據處理的行業(yè)標準，并通過參考現行國際通用標準編制海洋牧場數據處理新標準，以補充完善海洋大數據管理標準體系。依照標準，結構化數據(關系數據庫)存入Hbase數據庫，半結構化數據(JSON日志)和二進制數據(視頻、音頻)等存入HDFS文件。
平臺數據主要包含2類： (1)即測數據與存儲 ，包括北斗時空網格化數據，海洋(水上/水下)高精度導航定位數據，布設示范區(qū)域海洋大地測量基準(信標)與應答感知設備數據，海上/海下位置服務原型系統(tǒng)數據，數字海洋綜合業(yè)務系統(tǒng)運行數據等;(2)歷史調查數據 ，包括“908專項”中國近海海洋綜合調查與評價資料，其中包含近岸海域、海岸帶、海島、沿海地區(qū)社會經濟等基礎調查數據信息。對數據跨越數據庫、格式、應用等多層次差異的融合管理，將提高數據信息的整合與管理水平。
1.2服務平臺的開發(fā)
數據庫、視頻、音頻和日志等海洋多源異構數據經數據清洗、轉換、質檢等步驟按照HDFS、Hcatalog、Hbase、Redis等目標存儲庫進行分類寫入儲存，以web或日志模塊進行數據抽取與展示。運用ETL工具進行數據的清洗與整合，使離散、凌亂的數據得以有序入庫。
基于海洋數據信息來源廣泛、形式復雜多樣等特點，本研究引入Hadoop2.2.0框架應用于海洋多源異構數據的存儲、提取、整合與分析等方面。在該集群環(huán)境下，海洋環(huán)境感知系統(tǒng)與數據庫通過JBoss服務器并結合MapReduce編程模型，將符合查詢條件的數據映射給可視化展示平臺。同時，平臺采用J2EE架構，基于restapi設計風格，持久層采用hibernate、mybatis等相關框架設計，主要使用Java編程語言和服務器端Java技術，通信數據包采用輕量級的JSON格式，業(yè)務應用系統(tǒng)和數據集成平臺均基于Hadoop2.2.0及oracle11g(或以上)大型數據庫上，平臺至少集成HBase、Hive、Im-pala、Sqoop、Phoenix組件。基于Html5體系和開源ECharts、webGL展現海洋大數據。北部灣海洋牧場地理時空數據網格化智慧服務平臺的總體開發(fā)框架如圖1所示。
■北部灣海洋牧場地理時空數據網格化智慧服務平臺
為了提高信息服務質量，平臺運用了WebService客戶端和服務器使異地用戶自由HTTP通信;引入控制反轉和依賴注入消除組件或者模塊間的直接依賴，使得軟件系統(tǒng)的開發(fā)更具擴展性;提升數據檢索技術，保證檢索性能和檢索速度，從海量數據中提取信息依然流暢。
2平臺功能與應用
2.1 平臺主頁面
本研究搭建的北部灣海洋牧場地理時空數據網格化智慧服務平臺web主頁面(圖2)以深藍色色調為主，查詢登錄網站為：http：//47.92.145.187：8081/front/index，現已免費開放給科研工作者和養(yǎng)殖戶，為北部灣海洋牧場提供海洋生態(tài)數據與災害預警信息。
■北部灣海洋牧場地理時空數據網格化智慧服務平臺web主頁面
2.2 平臺主要模塊
(1)海洋牧場高精度位置服務。 依托海洋大地測量基準信標與應答感知設備，為水面船舶、觀光垂釣平臺、網箱、筏架、蠔排、水下魚礁、AUV、ROV等海洋牧場生產設施設備提供高精度的位置信息服務。
(2)鄰近海域大地水準面模型分析。 依托海洋大地測量基準信標與應答感知設備，通過解算，在平臺上顯示海洋牧場鄰近海域網格化的大地水準面數值。
(3)示范區(qū)水動力數值模型分析。 顯示水動力要素的網格化空間分布和時間變化，形象生動地表達計算結果，為研究近海區(qū)域波浪、潮流、泥沙運動規(guī)律提供科學決策依據。
(4)海洋科學數據智能查詢。 通過北部灣經濟區(qū)科學數據智能查詢系統(tǒng)和北部灣經濟區(qū)科學數據輔助分析決策系統(tǒng)，進行氣候資源、地質信息、水文信息等數據的可視化、瀏覽、查看、統(tǒng)計展示。
(5)浮標信息監(jiān)測與分析。 通過浮標采集風向、風速、表層流速、表層流向、平均波高、波數、氣溫等海洋物理監(jiān)測數據以及水溫、電導率、鹽度、溶解氧、葉綠素濃度、pH等海洋理化監(jiān)測數據，豐富海洋牧場環(huán)境信息要素。
(6)北部灣海洋牧場雷達監(jiān)控系統(tǒng)。 通過雷達遠距離探知北部灣海域民用船舶航行路線，對危害海洋牧場的偷竊作案船只或肇事船只進行追蹤，保障安全生產。
(7)精細化管理與快速監(jiān)測預警。 實現示范區(qū)內海洋產業(yè)的精細化管理，為水面船舶、觀光垂釣平臺、網箱、筏架、蠔排、水下魚礁、AUV、ROV等海洋牧場生產設施設備提供高精度的位置信息服務和屬性管理，實現管理者心中有數、智能決策。同時，實現動態(tài)監(jiān)測預警，通過計劃模塊和監(jiān)測模塊提供的數據進行對比分析計算和評分，快速判斷是否進行超標預警，并以不同的方式展示計劃與監(jiān)測的現狀數據用于輔助決策。
(8)大蠔交易系統(tǒng)與趨勢分析。 通過交易系統(tǒng)，統(tǒng)計查詢存放、展示、銷售的大蠔產品，記錄存放的貨物信息，由于需要充分利用存放空間，把不同農戶的商品存放在同一區(qū)域，需要精確查找識別不同農戶存放的貨品。對所有電商的在庫商品進行統(tǒng)計分析，對有保質期的商品進行有效期檢查，如有發(fā)現即將到期的商品，系統(tǒng)將有提示，電商還可以查詢到商品出貨情況。
3討論
北部灣海洋牧場地理時空數據網格化智慧服務平臺在開發(fā)了示范區(qū)全域時空北斗網格碼的網格化算法基礎上融合了環(huán)境數據時空演變、北斗抗干擾多功能數據采集、海洋承災體脆弱性調查與評價模型、陸海綜合體核心數據庫及入庫標準、水動力數值模擬模型、海洋大地測量基準(信標)與應答感知設備等多項關鍵數據信息與軟硬件內容，同時通過優(yōu)化檢索算法增加了網格數據索引效率，提升了對海洋牧場生態(tài)環(huán)境、生物資源、氣象、水動力等多源異構數據的感知與管理水平 ，可為業(yè)內從業(yè)者提供借鑒。該平臺示范區(qū)位于欽州茅尾海欽州大蠔主產區(qū)，平臺由海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、浮標信息監(jiān)測與分析、北部灣海洋牧場雷達監(jiān)控等多元系統(tǒng)組成 ，通過連入相應系統(tǒng)，可立體監(jiān)測海洋牧場蠔排生產運營狀況與潛在生態(tài)安全威脅。
在當今科技高速發(fā)展的形勢下，海洋數據感知與傳輸能力不斷提升，海洋數據呈現爆炸式增長，但海洋數據來源眾多、處理分析復雜，海洋牧場數據管理的信息化水平有待提升?；诤Ｑ蟠髷祿姇r空關聯、高耦合等特點，引入基于北斗網格碼的地理時空數據組織方法，為海洋大數據的高效管理提供助力，同時可為實現現代海洋牧場廣域生態(tài)環(huán)境多維信息化監(jiān)控、發(fā)展現代化海洋牧場甚至全域型海洋生態(tài)牧場奠定基礎。隨著我國海洋牧場戰(zhàn)略空間不斷擴大，在“生態(tài)、精準、智能、融合”的海洋牧場新階段戰(zhàn)略構想理念指導下，通過科學選址、資源修養(yǎng)護、安全保障等手段構建現代海洋牧場多維動態(tài)立體監(jiān)測體系，打造融合監(jiān)測、預警、溯源、防災、生態(tài)休閑和線上交易的全產業(yè)鏈現代化海洋牧場信息管理平臺，從而達到“提品牌、增效益、止損失”目標，促進產業(yè)轉型升級。
4 結論
(1)構建了集海洋科學數據在線采集分析、海洋災害監(jiān)測預警、海產品全域溯源線上交易功能的智慧服務平臺。 實現對海洋牧場及其周邊區(qū)域地理時空網格化數據轉換、存儲與展示，形成一套對應的生態(tài)、產業(yè)和生活復雜陸海監(jiān)管信息采集與分析系統(tǒng)，對海洋牧場進行精細化管理以及監(jiān)測預警。
(2)服務平臺引入了北斗網格碼算法和北斗/GPS信號水下盲區(qū)的海洋牧場水下高精度位置服務，是該服務平臺的重要特點。 依托全球剖分網格，將傳統(tǒng)的多邊形空間求交檢索算法轉化為網格編碼數值匹配檢索算法，大幅降低空間檢索的計算復雜度并提升了空間數據的檢索效率。依托水下的海洋大地測量基準信標與應答感知設備，通過海上海下一體化高精度定位算法的解算，建立區(qū)域海洋大地測量基準與海上/海下綜合位置服務系統(tǒng)，為區(qū)域內用戶提供高精度的位置服務。
(3)服務平臺促進了產業(yè)融合。 平臺主要服務于欽州“龍門蠔灣”養(yǎng)殖產業(yè)示范區(qū)，產業(yè)融合上從海上漁業(yè)向多產業(yè)融合轉變，覆蓋廣西欽州本地優(yōu)勢天然蠔苗的繁殖、大蠔養(yǎng)殖與交易，促進了產業(yè)增值和生態(tài)保護的結合。在傳統(tǒng)海洋數據管理信息系統(tǒng)基礎上，利用網絡數據庫、數據快速檢索、數據網絡分析、北斗網格碼、可視化等技術手段與方法構建了北部灣海洋牧場地理時空數據網格化智慧服務平臺(查詢登錄網站為http：//47.92.145.187：8081/front/index)。該服務平臺具有界面友好美觀、分辨率高、檢索速度快等特點，可為北部灣海洋牧場提供切實有效的信息服務與決策支持，促進北部灣海洋經濟健康發(fā)展。
來源 | 本文原刊于南寧師范大學學報(自然科學版)2023年第2期
