基于GIS的宁波市海洋专题保障预报综合信息服务平台开发与应用

周雅静，龙绍桥

（1.宁波城市职业技术学院，浙江 宁波315100；2.宁波海洋环境监测中心站，浙江 宁波315012）

宁波是海洋大市，有漫长的海岸线，港湾曲折，岛屿星罗棋布，全市海域总面积为9 365 km2，大陆岸线长788 km，岛屿岸线长774 km，占全省海岸线的三分之一［1］。海区海况复杂，是台风、冷空气和爆发性气旋等海洋自然灾害的频发区，平均每年约有2.4个台风影响，带来暴雨、狂风、高潮、巨浪等恶劣状况，造成巨大经济损失和人员伤亡［2］。宁波舟山港现有生产泊位620多座，其中万吨级以上大型泊位近160座，5万吨级以上的大型、特大型深水泊位90多座，拥有我国最大的30万吨级（兼靠45万吨级）原油码头，是中国大陆大型和特大型深水泊位最多的港口。港内船舶进出繁忙，码头前沿微区域流况多变，给大型船舶的靠离作业和安全通航带来了极大困难。宁波沿海渔船众多，且商船航线与渔船传统作业区重叠、交叉现象严重，海上安全事故频发。宁波舟山港也是国内最大的油品和散装化学品中转基地，全国4个战略原油储备基地有2个位于宁波舟山海域，每天有上百艘危险品船舶、多艘超大型油轮在港区作业，存在巨大溢油风险［3］。此外，浙江沿海分布有7座油气钻井平台，油气管道经过舟山、宁波水域，受近年来长江流域来沙锐减、海洋开发活动频繁影响，近海油气管道泄漏事件时有发生，给海洋生态环境带来严重威胁。然而目前潮汐潮流预报、海上应急搜救、海上溢油与化学品漂移扩散预测以及海洋环境预报等业务系统基本是独立和分散的，存在着功能单一、数据无共享、受众面窄、界面不直观等不足，缺乏统一的数据库及信息化服务平台对其进行综合管理。有些系统由于开发建设时间较早，其功能已不能适应日益发展的海洋环境预警报工作的需要，不能满足政府有效进行防灾减灾和应对海上突发事件等工作的要求。针对以上状况，开发一个港口码头潮汐潮流精细化预报、海上搜救、海上溢油及化学品漂移扩散预测以及海洋环境预报为一体的海洋专题保障预报综合信息服务平台，有利于更好地服务地方海洋经济发展，为涉海涉渔部门防灾减灾、应急管理提供基础决策［4］。

1 系统设计

1.1 系统建设的主要内容

1.1.1 GIS平台建设 设计和开发基于RIA模式下的统一的GIS系统，能支持显示大范围的谷歌或Bing地图，同时也能支持显示局地小范围的高分辨率数字地图，各图层间切换快速，并提供灵活的业务应用配置功能。

1.1.2 数据预报模型优化升级 借鉴国内外先进成熟的海上搜救、海上溢油及化学品漂移扩散预报模型系统，进一步优化和升级原有的海流数值预报模型、海浪数值预报模型、海上搜救、溢油及化学品漂移扩散模型，提高模型的分辨率和预报结果的准确度。

1.1.3 应用系统开发 设计集港口码头精细化预报服务、海上搜救、海上溢油及化学品漂移扩散预测，以及海洋环境预报等综合服务信息平台，实现各种数据预报模型的实时调取、预报结果可视化展示以及用户操作的动态实时响应。

1.2 技术路线

系统采用C/S+B/S架构进行开发，使用SQL Server 2008 R2数据库存储数据，采用C#语言实现数据值守服务、文件同步服务、数据分发服务，Web Server技术构建数据共享接口，通过JSON、XML格式进行文件交换。综合展示平台采用ASP.NET、JAVA、FLEX、HTML、CSS、JS、JQUERY、METINFO等技术实现数据的新增、修改、删除、查询、评价、模型计算、GIS展示。GIS平台采用RIA模式下的FLEX、JS技术实现综合库数据（包含经纬度）在一张图上的展示，改善可视化及用户与系统之间的交互性。

2 系统功能与应用效果

宁波海洋专题保障预报综合信息服务平台的总体框架如图1所示。

图1 宁波海洋专题保障预报综合信息服务平台总体框架Fig.1 Frame diagram of Ningbo marine thematic supporting and forecasting integration information service platform

2.1 GIS功能

具备漫游、缩放、图元点选取、距离测量、鹰眼图、比例尺显示和图例显示通用的GIS功能，以及各分辨率底图的自动切换显示。用户可根据需要方便的进行不同专题图层的配置；支持动态图层的生成，并可根据设置条件动态生成各种专题地图。支持SHP文件导入，支持BMP、GIF、JPG、PNG等多种图片格式输出功能和遥感图的互相切换显示。支持电子地图与遥感图的互相切换显示。支持多种业务数据的叠加，如流场、风场、浪场、并进行动画展示。具备交互式绘图功能，如添加标注，绘制线条、范围等。

2.2 RIA平台

采用Adobe Flex技术研发的RIA平台，为海洋预警预报提供非常丰富的矢量及栅格绘制机制，既实现静态的地图绘制展示，还实现闪烁、动画等动态特效的地图图示绘制展现。

2.3 港口码头潮汐潮流精细化预报模块

该模块包含港口码头潮汐潮流精细化预报和重要港区流场预报两大功能。

2.3.1 港口码头潮汐潮流精细化预报 码头定点潮汐潮流预报，在GIS地图上显示各预报码头站点的分布情况（图2），实现对各码头站点未来某个时刻或某个时段潮汐潮流预报数据和过程变化曲线的快速查询（图3、4），自动分析各站点的涨落急时刻、缓流时段等，并能生成图表。能根据给定的条件（如水深、流速大小、流向范围等），自动计算分析，方便用户选取最佳的靠离泊时段。

图2 基于GIS的宁波海域码头分布Fig.2 GIS-based distribution of wharfs in Ningbo

长期验潮站天文潮预报，实现浙北海域的镇海、石浦、北仑、松兰山、乌沙山、岱山、嵊山、沈家门、六横岛等多个长期验潮站的天文潮预报快速查询。

重要航道乘潮预报，在GIS地图上显示宁波舟山港重要航道节点的乘潮水深及高低潮水深分布情况，依据潮汐预报数据，通过选择水深范围，计算分析潮位的乘潮统计，并以图文结合的方式展示给定水深范围内潮汐的起止时间等，方便用户选取某个日期进出航道的最佳时段，如图5为宁波舟山港白石山浅段的乘潮预报。

重要航道乘流预报，在GIS地图上显示宁波舟山港重要航道窄口处通航缓流预报站点，通过选择流速的范围来计算航道预报站点的缓流时间段，以文字和曲线相结合的方式展示流速范围内的起止时间及对应的流向、转流时间；通过选择潮流与码头夹角关系，计算不同范围夹角内的时间输出，以图文方式展示夹角范围内潮流的时间段等，方便用户快速的选取某个日期进出航道的最佳时段。

报表自动化生成打印，基于预报表格模板，利用定点潮汐、潮流预报数据完成潮汐、潮流预报表的自动化生成及打印功能，如图6为关联潮流点（百地年5万吨级LPG码头）对应的潮流预报月报表。

图3 关联潮位点（中油码头）对应的潮汐预报过程Fig.3 Tide forecasting process at the associated tidal site（CNPC wharf）

图4 关联潮位点（百地年5万吨级LPG码头）对应的潮流预报过程Fig.4 Tidal current forecasting process at the associated tidal site（Baidinian 50 000t LPG wharf）

2.3.2 重要港区流场预报 重要港区流场预报又分为重要港区流场预报、航线绘制。重要港区流场预报以宁波舟山港区的电子地图为基础，利用流场预报数据进行可视化界面开发，结合地图对重要港区进行多层的二维潮流预报的展示，通过选择层次，在重要港区叠加此层的流场预报，并通过颜色的深浅及箭头方向、等值线等方式直观地展示流速流向数值预报计算结果。通过鼠标浏览，自动捕捉并显示流场中的任意网格点的流速流向预报值，如图7所示。

航线绘制以宁波舟山港区的电子地图为基础，基于流场预报图，实现航线定制功能，通过交互式绘图绘制航线，并能显示航线上的经纬度。

2.4 海上搜救辅助决策模块

结合地理信息系统数据和实时风场、水动力数据，根据事故发生的时间、位置、预报时效和落水人员或无动力船只等海上目标物等参数，自动调用已有的搜救预报模型对海上目标物漂移轨迹进行预报，并将预测轨迹以及搜索范围动态展现在GIS地图上；动态显示预报轨迹点上大气海洋环境预报数据信息；自动调用和展示事故海域未来3 d的海浪、水温、海流等海洋环境要素的数值预报；叠加展示大（海）面风场、浪场、流场数值预报和经验预报；自动生成、保存及推送预报单，内容包括漂移轨迹及周边的风、浪、流、温等海洋水文动力环境预报数据；提供GIS操作、轨迹回放功能；支持在地图上添加标注、绘制线条、绘制范围；点击标注弹出信息窗口，包含事故地点、发现地点、经纬度等相关信息。支持线条绘制或将已知的一条路径导入到系统中，方便和预测路径对比，支持绘制搜救范围可能影响地区等区域的绘制功能［5-6］。提供宁波海域历史遇险人员、船只事故的查询、统计功能，为有关部门提供海上遇险船只、落水人员的搜救辅助决策依据，如图8为2019年1月1日虾峙门沉船事故落水人员的漂流轨迹预报图。

图5 白石山浅段乘潮预报Fig.5 Riding tide forecasting at the shallow section of Baishishan

图6 关联潮流点（百地年5万吨级LPG码头）对应的潮流预报月报表Fig.6 Monthly report of tidal current forecasting at the associated tidal site（Baidinian 50 000t LPG wharf）

2.5 海上溢油及化学品辅助决策模块

图7 宁波重要港区数值预报展示Fig.7 Display of numerical forecasting on key port areas of Ningbo

图8 虾峙门沉船事故落水人员漂移轨迹预报Fig.8 Drift trajectory forecasting of man overboard in the wreck accident in Xiazhimen

系统根据溢油（或化学品泄漏）事故发生时间、位置、溢油量（化学品泄漏量）、油品（化学品）等初始条件，自动调取海上溢油及化学品漂移扩散模型，开展溢油（化学品）漂移轨迹、扩散范围、风化过程的快速预测，事故期间可根据最新获取的溢油（化学品）面积、位置等信息修正模型初始条件，并将预测结果显示在GIS地图上。支持对漂移扩散路径进行拖曳修正，避免经过陆地现象。支持将生成的漂移路径保存为GIF格式。支持在地图上添加标注，点击标注弹出信息窗口，包含事故地点、发现地点、经纬度等相关信息。支持线条绘制或将已知的一条路径导入到系统中，方便和预测路径对比，支持绘制搜救范围可能影响地区等区域的绘制功能［7-9］。系统自动生成和保存预报单，包括漂移轨迹及周边的风、浪、流、海温等海洋水文动力环境预报数据（图9为2018年5月1日舟山溢油测试中原油漂移轨迹预报图），并将做好的预报单通过邮件或彩信的方式发送给指定用户。

建立溢油（化学品泄漏量）事故数据库、应急资源数据库，提供宁波海域历史发生的溢油（化学品泄漏量）事故、应急资源的录入、查询和统计功能。自动调用和展示事故海域水文气象要素数据预报。

图9 2018年5月1日舟山溢油测试中原油漂移轨迹预报Fig.9 Drift trajectory forecasting of oil in an oil spill test on May 1，2018 in Zhoushan

2.6 海洋环境预警信息模块

海区大面风浪经验预报：以图表方式，提供常规的浙北海域（包括杭州湾、宁波北部海域、南部海域和外部海域）未来3 d的海面风浪预报信息。

海区大面数值预报：以图像和动画的方式，提供浙江海域未来3 d的大面海流、海浪数值预报产品，如图10所示。

海洋灾害预警信息：以文本的形式提供最新的海浪、风暴潮预警信息。

根据用户需求进行预报单定制，包括预报时段、预报要素、预报区域等，最后通过平台、传真或短信等方式进行发布和推送。

2.7 系统管理模块

包括用户管理、权限管理、日志管理、功能管理。

①用户管理。系统提供访问用户新增、删除、停用以及权限分组的管理功能。数据库中存储用户的基本信息以及用户针对各系统的选项配置表，在各栏目中存储用户针对应用的详细信息及权限控制列表，便于用户的管理。②权限管理。系统设计提供用户名、密码、验证码登录方式，同时进行用户的权限分级，不同的权限拥有不同的操作权限，每个用户只能在自己权限内进行操作，而不能进行超越权限外的操作。各用户单位根据各自权限，获取关注区域的观测预报信息。③日志管理。提供系统应用操作、访问等日志的管理功能。日志管理便于管理员及时了解系统的操作及运行情况，包括：系统维护记录、后台访问记录、系统运行状态记录等，为系统的管理提供参考依据。④功能配置。系统能根据用户实际需求灵活增删需要提供服务的预报产品，能对信息平台的界面和功能进行配置，能对预报产品的Web前台表现形式进行选择。

2.8 系统应用效果

系统已在宁波海洋环境监测中心站平稳运行了6个多月，各项专题服务及时准确，界面直观，操作方便，预报产品得到相关部门的一致好评。潮汐潮流精细化预报产品给宁波舟山港码头大型船舶的安全引航和靠离泊作业提供重要技术保障，海上搜救辅助决策漂移轨迹预测产品为宁波涉海涉渔等部门处置今年发生的几起海上突发性事件提供了及时、准确的预报信息。例如：受1808号台风“玛利亚”风浪影响，2018年7月10日22：30左右，一艘“三无”船舶在宁波市象山县檀头山岛东面海域（29°14′00″N，122°04′10″E）上遇险，11人落水。7月11日至12日宁波市海洋预报台通过本系统为市“三防”办、市渔政支队、象山县连续提供2 d的落水人员漂移轨迹预报图（图11），预报图中的预测起点是：2018年7月10日22：20（位置：29°14′00″N，122°04′10.20″E），预测终点为2018年7月12日18：20（位置：29°08′46.80″N，122°01′53.76″E），从图11可以看出，整个预测结果总体围绕在檀头山岛，在黄金搜救时间中，搜救船只根据漂移轨迹预报图的轨迹开展针对性的搜查，最终就在漂移轨迹预报点位置——檀头山岛附近救起7人，发现2具尸体。

图10 宁波海域海洋环境预警报Fig.10 Early warning of the marine environment in Ningbo

图11 宁波象山檀头山岛东面落水人员漂移轨迹预报图Fig.11 Drift trajectory forecasting of man overboard to the east of Tantoushan Island，Xiangshan，Ningbo

3 结论

利用计算机软件开发技术、地理信息技术、信息管理和可视化技术、网络数据库，开发和构建基于GIS的海洋专题保障综合信息服务平台，具有调用迅速、界面友好美观、分辨率高、易管理、查询与统计功能灵活完善、数据更新和维护简便、系统升级容易等特点，生成的定时、定量、定点专业服务产品功能完善，预报准确度高，为地方海洋管理部门、海事部门、引航部门、港口码头业方等单位提供切实有效的预报服务及决策支持，为宁波海洋经济发展提供支撑和保障。