多源數據融合的山東省智慧海域平臺系統設計與應用

李陽，岳英潔，單長賀

（1.山東省淡水漁業研究院，濟南 250013；2.山東省國土測繪院，濟南 250100）

海洋信息化是認識、開發、利用、發展和保護海洋的基礎，以互聯網、人工智能、大數據為代表的新一代信息技術已深度融入全球經濟和社會生活，并逐步向海洋領域延伸，成為促進海洋經濟高質量發展的重要動能。

作為擁有全國近六分之一海岸線，海域面積與陸地面積相當的海洋大省，山東省在全國率先提出智慧海洋突破行動，計劃到2035 年基本建成與海洋強國戰略相適應，海洋經濟發達、海洋科技領先、海洋生態優良、海洋文化先進、海洋治理高效的海洋強省。山東省委、省政府印發的《海洋強省行動計劃》中提出推進智慧海洋突破行動，要求加強海上新型基礎設施建設并加快智慧化賦能。盡管山東省海域信息化建設已取得了一定成績，但與海洋強省行動計劃要求相比還存在一定差距，特別是在多源數據融合、多系統銜接、大數據應用、智慧化分析等方面還存在很多不足之處。

1 國內外發展現狀

1.1 國內外海洋信息化發展現狀

美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）建立了統一的國家海洋數據中心，引進來自國家合作伙伴、美國綜合海洋觀測系統（Integrated Ocean Observing System，IOOS）等數據源，并向公眾共享發布上述海洋信息。加拿大通過整合海洋觀測基礎設施和網絡，建立了加拿大海洋觀測網絡( Ocean Networks Canada，ONC) 和智慧海洋系統（Smart Ocean Systems) ，通過海洋數據觀測、數據管理、系統建設和數據分析等，服務于科學研究、環境監測、海上安全、漁業和水產養殖、交通運輸等領域[1]。

我國的海洋信息化建設起步相對較晚，整體發展過程可分為三個重要階段:用直觀數字體現的“數字海洋”、用海量信息認識的“透明海洋”和用知識服務的“智慧海洋”。近年來我國海洋信息能力建設步伐加快，形成了涵蓋由“天-空-海-岸-海底”組成的海洋觀測網基本框架，建設了東海及南海海底科學觀測網等一批海洋信息網絡設施；成功發射自主海洋衛星，初步形成了海洋環境全天候監測能力；完成了我國80 海里范圍內海域重要海島（礁）測繪工作，建立了新一代全球海洋環境資料數據集和海洋綜合數據庫[2-5]。

原國家海洋局自2006 年開始建設國家海域動態監視監測管理系統，數據主要來自衛星遙感、航空遙感和地面監視監測，系統運行在海域專網，確保數據安全和快速傳輸，搭建了海域使用動態監控與指揮辦公、海域使用動態監視監測業務管理、海域動態評價與決策支持三個應用系統，分別在2006－2008 年和2009－2010 年兩個階段建設了國家、省、市、縣四級海域使用動態監視監測業務體系和系統軟硬件、傳輸網絡環境，實現了系統的業務化運行。通過系統，能夠快速反映國家海域使用動態，縮短行政審批周期，基本實現辦公數字化，提升了海域使用管理部門的管理效能。

1.2 多源數據融合技術發展現狀

現已有諸多學者對多源數據融合開展研究。李仕峰針對時空大數據多來源、多粒度、多模態、海量和時空關聯復雜等特點，通過對多源異構數據匯聚技術、時空數據融合技術進行研究，構建了一整套多源異構數據從匯聚、融合到應用的流程，以推動多源異構數據在政府決策、行業管理和社會公眾等領域的應用，提升了政府數據分析和治理能力，提高了行業管理的經濟和社會效益，增加了多源異構數據的社會應用價值[6]。在智慧城市發展中，多源時空大數據通過與數據挖掘、復雜網絡、機器學習等方法進行融合和集成，實現從空間形態、建成環境、人類活動、群體情緒，到空間-行為交互的多維城市動態感知[7]，Cao 等通過構建基于端到端的深度神經網絡，有效融合了衛星遙感影像和基于人群活動的社會感知數據，精準識別了城市中的功能區。研究表明，遙感影像與社會感知數據具有顯著的互補性[8]。Tu等通過融合遙感影像和手機定位數據，揭示了從城市中心到城市郊區的城市功能與人類活動空間動態[9]。

1.3 山東省海洋信息化發展現狀

近年來，山東省海洋信息化工作有序推進，海域海島管理信息化建設已取得了長足進展，多個應用系統實現了業務化運行，提升了管理工作的質量和效能。但與國家和省關于海洋信息化發展的要求相比，還存在一些不足：一是已有系統不能與其他相關業務系統、國家系統進行有效銜接，數據存儲分散、標準不統一；二是已有系統未實現政務信息共享功能，不能滿足省政府辦公廳、省發改委、不動產登記等業務系統的對接需求；三是隨著信息技術手段的不斷進步和監測裝備的更新換代，全景影像、三維數據、實時監控視頻等成為海域綜合管理和決策的重要數據支撐，已有系統不能集成兼容多源數據。

在海洋強國、海洋強省等國家、省級重大戰略實施與自然資源管理“兩統一”改革的大背景下，海洋綜合管理面臨著新的挑戰和問題，迫切需要多源數據融合的空間數據體系和更加“智慧”的平臺進行支撐。本文從海域綜合管理水平和服務效能的提升角度出發，設計了山東省智慧海域平臺系統，針對二、三維數據融合以及海陸數據融合進行了關鍵技術研究，實現了山東省智慧海域平臺系統的高效運行，取得了良好效果。

2 系統設計

山東省智慧海域平臺建設是在全省海洋信息化建設總體框架的基礎上，以計算機硬件與網絡通信平臺為依托，以智慧海域核心數據庫為樞紐，以海域海島動態監視監測、海域項目審批管理等業務流程為主線，以智慧海域管理信息平臺為支撐構建的互聯互通的海域資源數字化展示、業務管理和決策支持服務體系。

平臺設計了包括海域使用項目管理系統、海域動態監視監測管理系統、海島動態監視監測管理系統、數字化展示系統、海島使用項目管理系統、海底電纜管道路由管理系統、整治修復項目管理系統、海域行政界線管理系統8 個應用系統，采用B/S 架構，基于HTML、JavaScript、ArcGIS 和Skyline 進行系統開發，數據庫采用Oracle11gR2、ArcSDE軟件進行建庫[10]。

平臺采用分布式部署，在前期國家海域動態監視監測管理系統建設的海域專網中運行，海域專網接入了省政府電子政務內網，遵循電子政務廣域網管理規章，構建了縱向和橫向網絡，縱向網絡聯通省、市（縣）海洋主管部門，橫向網絡聯通省政府相關專業部門，提供專業版海洋專題信息服務。

從分層架構的角度來看，各個節點都由4 個層次構成，即支撐層、數據層、服務層和應用層，安全保障體系和運行保障體系貫穿整個平臺，總體框架如圖1所示。

圖1 總體框架圖

（1）支撐層

支撐層包括網絡、服務器、計算機軟硬件設備、存儲備份系統、安全保密系統等。

（2）數據層

山東省智慧海域核心數據庫，由基礎地理信息數據、影像及模型數據、實時監測監控數據、管理信息數據組成，所有數據資源在邏輯上規范一致、物理上分布，彼此互聯互通。

（3）服務層

服務層主要包括海域使用項目管理、海域動態監視監測管理、海島管理以及數字化展示等服務。本層對外提供數據操作接口、業務流接口、地圖服務接口和數據庫引擎，對內實現基礎的數據更新交換并支撐主要業務系統的業務應用。

（4）應用層

面向終端用戶，包括省、市、縣三級海域綜合管理業務用戶、省、市、縣三級海域動態監管中心及其他相關處室、技術支持單位，服務用戶完成相關業務流程，協助技術支持單位進行信息維護。

3 數據融合

3.1 數據資源組織

山東省智慧海域平臺收集、采集、制作的數據主要有四大類：一是空間矢量、行政區劃、地址地名等基礎地理信息數據；二是二維遙感影像、實景影像（地面實景及空中實景）、三維港口等實體模型和三維地形地貌數據等影像及模型數據；三是視頻監控、環境監測數據、監測車輛、無人機運行軌跡數據等實時監測監控類數據；四是各類規劃數據、保護區數據、權屬數據以及行政審批、動態監管等業務過程中產生的管理類數據（圖2）。

圖2 智慧海域數據資源組織

基礎地理信息數據包括各級行政區劃、政務地圖、電子海圖、海岸線、海域界線等，該類數據主要從相關部門收集得到。

影像及模型類數據包括各種分辨率的衛星影像、航空影像、三維實景影像、各種三維模型、海岸帶數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、海島DEM 等，二維影像主要通過收集入庫、對接天地圖等數據資源服務獲得；海岸帶、海島DEM 通過收集獲得；三維實景影像及三維模型主要通過自主采集和生產制作獲得，三維實景影像通過“地面車載三維激光全景采集系統+單兵三維激光全景采集設備+無人機空中全景采集設備”完成海岸帶三維實景采集，通過影像處理軟件完成拼接，與采集軌跡數據進行關聯，將激光點云數據與全景進行融合、配準，最終生成海岸帶三維實景影像數據集，并通過軟件發布為可調用的三維實景地圖服務。三維模型是利用三維激光掃描儀采集的激光點云來建立港口等區域的模型。點云三維框架構建主要由HD Pt Modeling 軟件完成相關模型框架建立，將模型框架導入3DMAX 中進行紋理貼圖后將模型文件統一轉換為具有紋理金字塔的Skyline xpl 文件格式，利用Skyline 軟件將三維模型打包處理為三維網格圖層數據（3D Mesh Layer，3DML）格式。3DML 包括所有模型數據的多分辨率網格切片，支持用戶瀏覽和查詢無限制大小的三維網格圖層。

實時監測類數據包括海洋環境實時監測數據和各類視頻監控數據以及監控設備的實時位置、軌跡數據，主要通過系統接入的實時監控設備運行獲得。

管理類數據包括各類權屬數據、規劃、區劃數據、生態紅線數據、各類保護區規劃數據以及海域動態監視監測業務和成果數據等，其中海域動態監視監測數據通過系統流轉不定期生成，其余管理類數據通過收集獲得。

以上數據來源多樣化、數據內容和格式均不統一，需要首先進行數據整理，主要包括：數據分層、格式轉換、坐標轉換、數據編輯、符號庫制作、入庫前質量檢查等內容，并且針對不同專題數據需分別進行符合其特點的個性化處理工作，完成對于該專題數據的融合前準備。

3.2 數據融合

智慧海域平臺將來源于不同平臺、不同格式的空間數據按照統一的方式存儲到空間數據庫中，整合國家、省、市、縣各級海域專題數據資源，統一數據標準，為業務應用系統提供服務接口，統一地理信息服務。平臺數據庫采用分布式部署模式，按照“分建共享”原則，根據統一的數據標準規范整理制作數據。

本文重點介紹二維影像、地圖與三維實景影像、三維模型等的二、三維數據融合以及海陸垂直基準統一和海陸一體化電子地圖表達的海陸數據融合。

3.2.1 二、三維數據融合

采用基于流模式的三維模型處理方式，將三維模型和二維影像數據統一制作成多分辨率、最優流方式的3DML，同時將所有地形和影像數據建立影像金字塔結構，將模型對象構建線性四叉樹和R 樹空間索引，將紋理通過關聯模型建立順序索引并入庫，利用二、三維一體化GIS 技術，實現不同采集形式、數據結構的信息在數據模型、數據管理、可視化和分析功能等方面的融合。海量二維數據可以直接在三維場景中高性能可視化，二維分析功能可以直接在三維場景中操作，同時遙感影像、DEM 和各類矢量數據可為三維模型提供具有真實地形感的、可靈活交互式的景觀服務。例如三維量測與分析功能，可在三維景觀交互環境中進行距離量測、面積量算、淹沒分析、通視分析等（圖3）。

圖3 二、三維數據存儲及空間索引模型

3.2.2 海陸數據融合

在海陸垂直基準統一方面，利用衛星測高數據及長短期驗潮數據建立高程深度基準轉換模型的技術方法，采用驗潮站訂正技術構建海域深度基準面模型，實現了離散、跳變和不連續的深度基準面無縫化，構建山東省區域高程深度基準轉換模型，與現有的向海洋延伸的高精度山東省區域似大地水準面模型疊加完成山東省區域海陸垂直基準的統一，實現海域不同范圍水深測量成果的融合（圖4）。

圖4 高程/深度基準轉換

在海陸電子地圖融合方面，統一海陸要素分類分級體系和編碼規則，規定了海圖電子地圖數據分層與命名、地圖分級、地圖表達等內容，通過海陸一體電子地圖符號庫，建立了一套海陸多源海量數據融合技術流程，通過建立陸海地理要素類別映射關系集，統一要素分類分級體系和編碼規則，將陸海多源地理要素統一在相同語義框架下。在此基礎上，提出了空間相似性的同名實體匹配融合方法，完成了同名實體匹配和幾何圖形合并，實現了山東省域海陸數據的一體化融合（圖5）。

圖5 海陸數據融合流程圖

4 系統功能實現及應用

數字化展示系統作為海域動態監視監測管理、海島動態監視監測管理、海域使用項目管理、海島使用項目管理等7 個業務系統的數據基礎系統，貫穿其整個業務流程，負責其他業務信息、分析結果的統一展示。本文著重就數字化展示子系統和海域動態監視監測管理子系統的功能實現及應用進行舉例闡述。

4.1 數字化展示子系統

數字化展示子系統是整個平臺的數據基礎，通過調用各種面向服務架構（Service-Oriented Architecture，SOA）的數據接口服務及功能接口服務，基于“服務+適配器+Open API”的方式開發，實現資源瀏覽、地圖展示、三維瀏覽、全景展示、空間分析和二、三維聯動等功能。數字化展示子系統融合了基礎地理信息數據、影像及模型數據、實時監測類數據和管理類數據，對全省海域、海島、港口、岸線等進行多分辨率、多尺度、多時空、多角度的綜合展示，為海域審批提供真實全面的現場狀況，為海洋預報減災和港口運營及安全管理提供精準的數據支撐（圖6）。

圖6 數字化展示子系統

（1）海洋預報減災應用情況

平臺提供覆蓋全省海岸帶的激光點云數據，覆蓋率達85%以上，測量平面坐標誤差小于0.1 m，高程誤差小于0.15 m，快速生成海岸帶DEM，為風暴潮等海洋災害提供快速精確的淹沒區域計算，對災害進行精準防范；全景影像可以直觀地了解受災區域的概況并緊急疏散擁堵區域，結合全景影像和DEM 地形數據劃定安全區域并進行合理疏散。

（2）港口運營及安全管理應用情況

基于平臺的港口空地一體化全景數據及精細化三維模型數據，可清晰直觀地了解港區內物流運輸的路徑并鎖定集散擁堵區域，加快運輸車輛出入港的運行效率；利用三維模型進行風暴潮災害的淹沒區域分析；設置電子圍欄攔截?；峰e誤堆放，為港口安全應急提供精準化、可視化的指揮決策支撐，有效提升港區的綜合管理能力和安全應急能力（圖7）。

圖7 智慧港口應用案例

4.2 海域動態監視監測管理子系統

海域動態監視監測管理子系統，設計為B/S結構，基于ASP.NET、ArcObject 及Silverlight 進行開發。實現用海項目及海域空間資源監視監測任務下達、執行、成果上傳的網絡化運行和多源監管數據展示以及海域使用動態統計分析功能，并與國家海域動態監視監測管理系統銜接（圖8）。目前系統已實施到2015 年以來省級批復的用海項目海域使用動態監管中，完成了8個領?；c海島、2個待開發利用海島的周邊海域調查，用于15個重點海灣、5 個重點河口、98 個海岸帶整治修復項目、990 km2重點海域以及全省砂質岸線和重點生態岸段的動態監視監測工作，全省海域動態監視監測業務進入標準、規范的業務化運行階段。

圖8 海域動態監視監測業務應用

5 結語

掌握海洋空間資源，強化海陸統籌，樹立海陸一體的國土空間思想是山東省實施海洋強省戰略的重要指引。本文介紹了山東省智慧海域平臺系統的框架、功能以及數據融合的關鍵技術，并展示了平臺的應用成果。通過山東省智慧海域平臺建設，構建了多來源、多尺度、多時空、海陸一體化深度融合數據中心,實現了海域綜合管理業務縱向一體化、橫向協同化的一站式集成服務，提升了海洋空間資源綜合管理及應用水平，并且在實際應用中取得了良好的社會效益和經濟效益，為智慧海洋建設提供了山東樣板。未來將繼續在海洋強國、海洋強省的戰略引領下，在智慧海洋行動的框架指導下，繼續提高海洋綜合管理及運用的智慧化水平。