多源数据融合的山东省智慧海域平台系统设计与应用

李阳，岳英洁，单长贺

（1.山东省淡水渔业研究院，济南 250013；2.山东省国土测绘院，济南 250100）

海洋信息化是认识、开发、利用、发展和保护海洋的基础，以互联网、人工智能、大数据为代表的新一代信息技术已深度融入全球经济和社会生活，并逐步向海洋领域延伸，成为促进海洋经济高质量发展的重要动能。

作为拥有全国近六分之一海岸线，海域面积与陆地面积相当的海洋大省，山东省在全国率先提出智慧海洋突破行动，计划到2035 年基本建成与海洋强国战略相适应，海洋经济发达、海洋科技领先、海洋生态优良、海洋文化先进、海洋治理高效的海洋强省。山东省委、省政府印发的《海洋强省行动计划》中提出推进智慧海洋突破行动，要求加强海上新型基础设施建设并加快智慧化赋能。尽管山东省海域信息化建设已取得了一定成绩，但与海洋强省行动计划要求相比还存在一定差距，特别是在多源数据融合、多系统衔接、大数据应用、智慧化分析等方面还存在很多不足之处。

1 国内外发展现状

1.1 国内外海洋信息化发展现状

美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）建立了统一的国家海洋数据中心，引进来自国家合作伙伴、美国综合海洋观测系统（Integrated Ocean Observing System，IOOS）等数据源，并向公众共享发布上述海洋信息。加拿大通过整合海洋观测基础设施和网络，建立了加拿大海洋观测网络( Ocean Networks Canada，ONC) 和智慧海洋系统（Smart Ocean Systems) ，通过海洋数据观测、数据管理、系统建设和数据分析等，服务于科学研究、环境监测、海上安全、渔业和水产养殖、交通运输等领域[1]。

我国的海洋信息化建设起步相对较晚，整体发展过程可分为三个重要阶段:用直观数字体现的“数字海洋”、用海量信息认识的“透明海洋”和用知识服务的“智慧海洋”。近年来我国海洋信息能力建设步伐加快，形成了涵盖由“天-空-海-岸-海底”组成的海洋观测网基本框架，建设了东海及南海海底科学观测网等一批海洋信息网络设施；成功发射自主海洋卫星，初步形成了海洋环境全天候监测能力；完成了我国80 海里范围内海域重要海岛（礁）测绘工作，建立了新一代全球海洋环境资料数据集和海洋综合数据库[2-5]。

原国家海洋局自2006 年开始建设国家海域动态监视监测管理系统，数据主要来自卫星遥感、航空遥感和地面监视监测，系统运行在海域专网，确保数据安全和快速传输，搭建了海域使用动态监控与指挥办公、海域使用动态监视监测业务管理、海域动态评价与决策支持三个应用系统，分别在2006－2008 年和2009－2010 年两个阶段建设了国家、省、市、县四级海域使用动态监视监测业务体系和系统软硬件、传输网络环境，实现了系统的业务化运行。通过系统，能够快速反映国家海域使用动态，缩短行政审批周期，基本实现办公数字化，提升了海域使用管理部门的管理效能。

1.2 多源数据融合技术发展现状

现已有诸多学者对多源数据融合开展研究。李仕峰针对时空大数据多来源、多粒度、多模态、海量和时空关联复杂等特点，通过对多源异构数据汇聚技术、时空数据融合技术进行研究，构建了一整套多源异构数据从汇聚、融合到应用的流程，以推动多源异构数据在政府决策、行业管理和社会公众等领域的应用，提升了政府数据分析和治理能力，提高了行业管理的经济和社会效益，增加了多源异构数据的社会应用价值[6]。在智慧城市发展中，多源时空大数据通过与数据挖掘、复杂网络、机器学习等方法进行融合和集成，实现从空间形态、建成环境、人类活动、群体情绪，到空间-行为交互的多维城市动态感知[7]，Cao 等通过构建基于端到端的深度神经网络，有效融合了卫星遥感影像和基于人群活动的社会感知数据，精准识别了城市中的功能区。研究表明，遥感影像与社会感知数据具有显著的互补性[8]。Tu等通过融合遥感影像和手机定位数据，揭示了从城市中心到城市郊区的城市功能与人类活动空间动态[9]。

1.3 山东省海洋信息化发展现状

近年来，山东省海洋信息化工作有序推进，海域海岛管理信息化建设已取得了长足进展，多个应用系统实现了业务化运行，提升了管理工作的质量和效能。但与国家和省关于海洋信息化发展的要求相比，还存在一些不足：一是已有系统不能与其他相关业务系统、国家系统进行有效衔接，数据存储分散、标准不统一；二是已有系统未实现政务信息共享功能，不能满足省政府办公厅、省发改委、不动产登记等业务系统的对接需求；三是随着信息技术手段的不断进步和监测装备的更新换代，全景影像、三维数据、实时监控视频等成为海域综合管理和决策的重要数据支撑，已有系统不能集成兼容多源数据。

在海洋强国、海洋强省等国家、省级重大战略实施与自然资源管理“两统一”改革的大背景下，海洋综合管理面临着新的挑战和问题，迫切需要多源数据融合的空间数据体系和更加“智慧”的平台进行支撑。本文从海域综合管理水平和服务效能的提升角度出发，设计了山东省智慧海域平台系统，针对二、三维数据融合以及海陆数据融合进行了关键技术研究，实现了山东省智慧海域平台系统的高效运行，取得了良好效果。

2 系统设计

山东省智慧海域平台建设是在全省海洋信息化建设总体框架的基础上，以计算机硬件与网络通信平台为依托，以智慧海域核心数据库为枢纽，以海域海岛动态监视监测、海域项目审批管理等业务流程为主线，以智慧海域管理信息平台为支撑构建的互联互通的海域资源数字化展示、业务管理和决策支持服务体系。

平台设计了包括海域使用项目管理系统、海域动态监视监测管理系统、海岛动态监视监测管理系统、数字化展示系统、海岛使用项目管理系统、海底电缆管道路由管理系统、整治修复项目管理系统、海域行政界线管理系统8 个应用系统，采用B/S 架构，基于HTML、JavaScript、ArcGIS 和Skyline 进行系统开发，数据库采用Oracle11gR2、ArcSDE软件进行建库[10]。

平台采用分布式部署，在前期国家海域动态监视监测管理系统建设的海域专网中运行，海域专网接入了省政府电子政务内网，遵循电子政务广域网管理规章，构建了纵向和横向网络，纵向网络联通省、市（县）海洋主管部门，横向网络联通省政府相关专业部门，提供专业版海洋专题信息服务。

从分层架构的角度来看，各个节点都由4 个层次构成，即支撑层、数据层、服务层和应用层，安全保障体系和运行保障体系贯穿整个平台，总体框架如图1所示。

图1 总体框架图

（1）支撑层

支撑层包括网络、服务器、计算机软硬件设备、存储备份系统、安全保密系统等。

（2）数据层

山东省智慧海域核心数据库，由基础地理信息数据、影像及模型数据、实时监测监控数据、管理信息数据组成，所有数据资源在逻辑上规范一致、物理上分布，彼此互联互通。

（3）服务层

服务层主要包括海域使用项目管理、海域动态监视监测管理、海岛管理以及数字化展示等服务。本层对外提供数据操作接口、业务流接口、地图服务接口和数据库引擎，对内实现基础的数据更新交换并支撑主要业务系统的业务应用。

（4）应用层

面向终端用户，包括省、市、县三级海域综合管理业务用户、省、市、县三级海域动态监管中心及其他相关处室、技术支持单位，服务用户完成相关业务流程，协助技术支持单位进行信息维护。

3 数据融合

3.1 数据资源组织

山东省智慧海域平台收集、采集、制作的数据主要有四大类：一是空间矢量、行政区划、地址地名等基础地理信息数据；二是二维遥感影像、实景影像（地面实景及空中实景）、三维港口等实体模型和三维地形地貌数据等影像及模型数据；三是视频监控、环境监测数据、监测车辆、无人机运行轨迹数据等实时监测监控类数据；四是各类规划数据、保护区数据、权属数据以及行政审批、动态监管等业务过程中产生的管理类数据（图2）。

图2 智慧海域数据资源组织

基础地理信息数据包括各级行政区划、政务地图、电子海图、海岸线、海域界线等，该类数据主要从相关部门收集得到。

影像及模型类数据包括各种分辨率的卫星影像、航空影像、三维实景影像、各种三维模型、海岸带数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、海岛DEM 等，二维影像主要通过收集入库、对接天地图等数据资源服务获得；海岸带、海岛DEM 通过收集获得；三维实景影像及三维模型主要通过自主采集和生产制作获得，三维实景影像通过“地面车载三维激光全景采集系统+单兵三维激光全景采集设备+无人机空中全景采集设备”完成海岸带三维实景采集，通过影像处理软件完成拼接，与采集轨迹数据进行关联，将激光点云数据与全景进行融合、配准，最终生成海岸带三维实景影像数据集，并通过软件发布为可调用的三维实景地图服务。三维模型是利用三维激光扫描仪采集的激光点云来建立港口等区域的模型。点云三维框架构建主要由HD Pt Modeling 软件完成相关模型框架建立，将模型框架导入3DMAX 中进行纹理贴图后将模型文件统一转换为具有纹理金字塔的Skyline xpl 文件格式，利用Skyline 软件将三维模型打包处理为三维网格图层数据（3D Mesh Layer，3DML）格式。3DML 包括所有模型数据的多分辨率网格切片，支持用户浏览和查询无限制大小的三维网格图层。

实时监测类数据包括海洋环境实时监测数据和各类视频监控数据以及监控设备的实时位置、轨迹数据，主要通过系统接入的实时监控设备运行获得。

管理类数据包括各类权属数据、规划、区划数据、生态红线数据、各类保护区规划数据以及海域动态监视监测业务和成果数据等，其中海域动态监视监测数据通过系统流转不定期生成，其余管理类数据通过收集获得。

以上数据来源多样化、数据内容和格式均不统一，需要首先进行数据整理，主要包括：数据分层、格式转换、坐标转换、数据编辑、符号库制作、入库前质量检查等内容，并且针对不同专题数据需分别进行符合其特点的个性化处理工作，完成对于该专题数据的融合前准备。

3.2 数据融合

智慧海域平台将来源于不同平台、不同格式的空间数据按照统一的方式存储到空间数据库中，整合国家、省、市、县各级海域专题数据资源，统一数据标准，为业务应用系统提供服务接口，统一地理信息服务。平台数据库采用分布式部署模式，按照“分建共享”原则，根据统一的数据标准规范整理制作数据。

本文重点介绍二维影像、地图与三维实景影像、三维模型等的二、三维数据融合以及海陆垂直基准统一和海陆一体化电子地图表达的海陆数据融合。

3.2.1 二、三维数据融合

采用基于流模式的三维模型处理方式，将三维模型和二维影像数据统一制作成多分辨率、最优流方式的3DML，同时将所有地形和影像数据建立影像金字塔结构，将模型对象构建线性四叉树和R 树空间索引，将纹理通过关联模型建立顺序索引并入库，利用二、三维一体化GIS 技术，实现不同采集形式、数据结构的信息在数据模型、数据管理、可视化和分析功能等方面的融合。海量二维数据可以直接在三维场景中高性能可视化，二维分析功能可以直接在三维场景中操作，同时遥感影像、DEM 和各类矢量数据可为三维模型提供具有真实地形感的、可灵活交互式的景观服务。例如三维量测与分析功能，可在三维景观交互环境中进行距离量测、面积量算、淹没分析、通视分析等（图3）。

图3 二、三维数据存储及空间索引模型

3.2.2 海陆数据融合

在海陆垂直基准统一方面，利用卫星测高数据及长短期验潮数据建立高程深度基准转换模型的技术方法，采用验潮站订正技术构建海域深度基准面模型，实现了离散、跳变和不连续的深度基准面无缝化，构建山东省区域高程深度基准转换模型，与现有的向海洋延伸的高精度山东省区域似大地水准面模型叠加完成山东省区域海陆垂直基准的统一，实现海域不同范围水深测量成果的融合（图4）。

图4 高程/深度基准转换

在海陆电子地图融合方面，统一海陆要素分类分级体系和编码规则，规定了海图电子地图数据分层与命名、地图分级、地图表达等内容，通过海陆一体电子地图符号库，建立了一套海陆多源海量数据融合技术流程，通过建立陆海地理要素类别映射关系集，统一要素分类分级体系和编码规则，将陆海多源地理要素统一在相同语义框架下。在此基础上，提出了空间相似性的同名实体匹配融合方法，完成了同名实体匹配和几何图形合并，实现了山东省域海陆数据的一体化融合（图5）。

图5 海陆数据融合流程图

4 系统功能实现及应用

数字化展示系统作为海域动态监视监测管理、海岛动态监视监测管理、海域使用项目管理、海岛使用项目管理等7 个业务系统的数据基础系统，贯穿其整个业务流程，负责其他业务信息、分析结果的统一展示。本文着重就数字化展示子系统和海域动态监视监测管理子系统的功能实现及应用进行举例阐述。

4.1 数字化展示子系统

数字化展示子系统是整个平台的数据基础，通过调用各种面向服务架构（Service-Oriented Architecture，SOA）的数据接口服务及功能接口服务，基于“服务+适配器+Open API”的方式开发，实现资源浏览、地图展示、三维浏览、全景展示、空间分析和二、三维联动等功能。数字化展示子系统融合了基础地理信息数据、影像及模型数据、实时监测类数据和管理类数据，对全省海域、海岛、港口、岸线等进行多分辨率、多尺度、多时空、多角度的综合展示，为海域审批提供真实全面的现场状况，为海洋预报减灾和港口运营及安全管理提供精准的数据支撑（图6）。

图6 数字化展示子系统

（1）海洋预报减灾应用情况

平台提供覆盖全省海岸带的激光点云数据，覆盖率达85%以上，测量平面坐标误差小于0.1 m，高程误差小于0.15 m，快速生成海岸带DEM，为风暴潮等海洋灾害提供快速精确的淹没区域计算，对灾害进行精准防范；全景影像可以直观地了解受灾区域的概况并紧急疏散拥堵区域，结合全景影像和DEM 地形数据划定安全区域并进行合理疏散。

（2）港口运营及安全管理应用情况

基于平台的港口空地一体化全景数据及精细化三维模型数据，可清晰直观地了解港区内物流运输的路径并锁定集散拥堵区域，加快运输车辆出入港的运行效率；利用三维模型进行风暴潮灾害的淹没区域分析；设置电子围栏拦截危化品错误堆放，为港口安全应急提供精准化、可视化的指挥决策支撑，有效提升港区的综合管理能力和安全应急能力（图7）。

图7 智慧港口应用案例

4.2 海域动态监视监测管理子系统

海域动态监视监测管理子系统，设计为B/S结构，基于ASP.NET、ArcObject 及Silverlight 进行开发。实现用海项目及海域空间资源监视监测任务下达、执行、成果上传的网络化运行和多源监管数据展示以及海域使用动态统计分析功能，并与国家海域动态监视监测管理系统衔接（图8）。目前系统已实施到2015 年以来省级批复的用海项目海域使用动态监管中，完成了8个领海基点海岛、2个待开发利用海岛的周边海域调查，用于15个重点海湾、5 个重点河口、98 个海岸带整治修复项目、990 km2重点海域以及全省砂质岸线和重点生态岸段的动态监视监测工作，全省海域动态监视监测业务进入标准、规范的业务化运行阶段。

图8 海域动态监视监测业务应用

5 结语

掌握海洋空间资源，强化海陆统筹，树立海陆一体的国土空间思想是山东省实施海洋强省战略的重要指引。本文介绍了山东省智慧海域平台系统的框架、功能以及数据融合的关键技术，并展示了平台的应用成果。通过山东省智慧海域平台建设，构建了多来源、多尺度、多时空、海陆一体化深度融合数据中心,实现了海域综合管理业务纵向一体化、横向协同化的一站式集成服务，提升了海洋空间资源综合管理及应用水平，并且在实际应用中取得了良好的社会效益和经济效益，为智慧海洋建设提供了山东样板。未来将继续在海洋强国、海洋强省的战略引领下，在智慧海洋行动的框架指导下，继续提高海洋综合管理及运用的智慧化水平。