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热带海洋学报 >

2024 , Vol. 43 >Issue 5: 158 - 165

DOI: https://doi.org/10.11978/2023099

海洋数据专栏

南海及其附属岛礁海洋科学考察历史资料系统整编3. 数据共享服务及应用

  • 徐超 , 1, 2 ,
  • 龙丽娟 1 ,
  • 李莎 , 1, 2 ,
  • 袁丽 1, 2 ,
  • 徐晓璐 1, 2
展开
  • 1.中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 510301
  • 2.国家地球系统科学数据中心南海及邻近海区分中心, 广东 广州 510301
李莎。email:

徐超(1984—), 男, 山东省新泰市人, 博士, 高级工程师, 从事海洋信息服务研究。email:

Copy editor: 殷波

收稿日期: 2023-07-25

  修回日期: 2023-08-23

  网络出版日期: 2023-09-01

基金资助

国家科技基础资源调查专项(2017FY201400)

国家地球系统科学数据中心(www.geodata.cn)项目(2005DKA32300)

中国科学院“十四五”网络安全和信息化专项(WX145XQ06-05)

中国科学院战略性先导科技专项(A类)(XDA19060500)

国家重点研发计划项目(2022YFE0203500)

广东省科技计划项目(2022B1212050003)

广东省海洋经济发展(海洋六大产业)专项资金项目(粤自然资合[2022] 52号)

收起

Systematic reorganization of historical data of scientific investigation in the South China Sea and its affiliated islands and reefs 3. data sharing service and application

  • XU Chao , 1, 2 ,
  • LONG Lijuan 1 ,
  • LI Sha , 1, 2 ,
  • YUAN Li 1, 2 ,
  • XU Xiaolu 1, 2
Expand
  • 1. South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. South China Sea and Adjacent Seas Data Center, National Earth System Science Data Center, Guangzhou 510301, China
LI Sha. email:

Received date: 2023-07-25

  Revised date: 2023-08-23

  Online published: 2023-09-01

Supported by

Science and Technology Basic Resources Investigation Program of China(2017FY201400)

National Earth System Science Data Center (www.geodata.cn)(2005DKA32300)

The 14th Five-year Network Security and Informatization Plan of Chinese Academy of Sciences(WX145XQ06-05)

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA19060500)

National Key R&D Program of China(2022YFE0203500)

Science and Technology Program of Guangdong Province(2022B1212050003)

Guangdong Province Marine Economic Development (Six Major Marine Industries) Special Fund Project(Guangdong Natural Resources Cooperation [2022] 52)

Fold

摘要

在南海及其附属岛礁海洋科学考察历史资料系统整编项目实施过程中, 数据共享是一项重要工作。文章主要介绍南海科考历史资料整编综合数据库暨“数字南海”平台的设计与建设。首先阐述“数字南海”的设计与开发重点, 实现数据管理共享的流程集约化和资源利用高效化; 其次以“航次一张图”和“岛礁一张图”模块介绍数据的交互分析应用及动态可视化应用。“数字南海”平台建设按照项目目标, 统一规划部署、统一标准体系、统一数据平台、统一成果发布, 数据服务贯穿项目实施的全生命周期, 推动形成共商共建共享共赢的数据工作发展新格局。

关键词： 南海; 历史资料; 系统整编; 数字南海; 数据共享

本文引用格式

徐超 , 龙丽娟 , 李莎 , 袁丽 , 徐晓璐 . 南海及其附属岛礁海洋科学考察历史资料系统整编3. 数据共享服务及应用[J]. 热带海洋学报, 2024 , 43(5) : 158 -165 . DOI: 10.11978/2023099

Abstract

Data sharing is an important task during the implementation of compilation project for the historical data reorganization of scientific investigation in the South China Sea and its affiliated islands and reefs. This study mainly introduces the design and construction of comprehensive database for scientific investigation in the South China Sea and the “Digital South China Sea” platform. First, the design and development focus of the “Digital South China Sea” will be elaborated to achieve the intensification of data management, sharing processes and efficient resource utilization. Then, the interactive analysis application of data and dynamic visualization application are introduced using the “Voyage Map” and “Island Reef Map” modules. The construction of the “Digital South China Sea” platform follows the project objectives, with unified planning and deployment, unified standard system, unified data platform, and unified achievement release. Data services run through the entire lifecycle of project implementation, promoting the formation of a new pattern of data work development that involves joint consultation, construction, sharing, and win-win results.

Key words： South China Sea; historical data; system reorganization; digital South China Sea; data sharing

面对南沙群岛海域被瓜分、岛礁被强占、资源被斥夺、环境被破坏的严峻形势, 根据形势的要求, 自“六五”、“七五”和“八五”计划至今, 我国不间断地开展南海及其附属岛礁的综合调查研究, 考察海区覆盖范围大, 考察持续时间长, 考察涉及学科多, 主要内容着重于资源、环境和权益3个重点。
为了实现南海综合考察历史资料的系统化整编和共享, 徐超、李莎参与实施了南海及其附属岛礁海洋科学考察历史资料系统整编项目, 设计并建设了南海科考历史资料整编综合数据库。该数据库按照“边整编、边建设、边服务”原则, 与项目实施过程一起规划部署, 通过顶层设计、技术创新、整合共享、场景应用等举措, 持续推进信息化与南海科考历史资料整编业务深度融合, 集约建成“数字南海——新型海洋数据管理与共享平台”, 并实现了从“数字南海1.0”到“数字南海3.0”的迭代升级, 实现整编数据的统筹利用、统一接入、开放共享、智能应用。
数字南海面向南海科考历史资料数据资源整合发布与数据可视化等需求, 实现数字化、规范化历史考察数据的综合集成, 共包括科学管理、交互应用、开放共享3个主要功能模块。科学管理系统实现对数字南海各类信息资源的管理, 包括系统、用户、元数据、数据; 交互应用系统注重数据可视化, 基于高效的3D立体地图渲染技术, 实现了航次、岛礁等各类数据的可视化动态展示及统计分析; 开放共享系统提供整编数据资源的在线列表、在线申请、协同存储和特色服务、专题服务各类支撑服务等功能。
南海科考历史资料整编数据只有通过数字南海的整合才能连起来、跑起来、用起来, 才能发挥最大作用, 才能将水文气象、海洋环境、海洋生物、海洋生态、海洋地质各学科数据中隐藏的巨大价值释放出来, 才能服务于我国南海资源开发、环境保护和权益维护。

1 数字南海架构设计

南海海洋数据中心树立系统观念, 加强前瞻性思考、全局性谋划、整体性推进, 为支撑项目全面化收集与梳理、规范化整编与分析、科学化管理与共享的3大实施阶段, 坚持横向到边、纵向到底, 结合南海海洋数据治理体系简单模型, 结合近年来大数据、物联网、人工智能、区块链等技术, 运用信息技术的新理论、新方法和新模式, 构架包含科学管理系统、开放共享系统、交互应用系统等核心功能模块的新型海洋数据管理与共享平台——数字南海, 从而完善南海海洋数据共享服务体系, 提升南海海洋数据服务供给能力, 推动南海海洋数据服务均衡、优质、创新发展。

1.1 系统设计

数字南海的设计既要突出重点, 又要兼顾一般学科, 力求做好南海科考历史资料整编数据在资源方面、环境方面、权益方面的基础数据共享服务, 并在支撑实际应用中不断完善、扩充和更新发展。数字南海的设计包含3个主要目标:
1) 以科学管理推动海洋数据服务均衡发展。围绕全覆盖、多学科、多层次、可持续的目标, 推动提高南海科考历史资料整编数据项目各课题共建能力和共治水平, 鼓励项目各参建单位协同共治、良性互动, 推进整编规程编制与实施的衔接, 实现各类数据资源与信息的科学管理。
2) 以开放共享推动南海海洋数据服务优质发展。坚持共建共治共享, 创新南海科考历史资料整编数据的共享服务方式和开放应用形式, 提高数据共享效能, 不断提升数据服务水平, 满足数据用户多层次多样化需求, 为数据用户提供更加便捷的数据开放共享, 提升数据服务供给能力和服务质量。
3) 以交互应用推动南海海洋数据服务创新发展。充分依托和运用大数据、物联网、人工智能、区块链等新技术, 推动互联网与南海科考历史资料整编数据深度融合, 促进南海科考历史资料整编数据资源整合挖掘与3D立体可视化交互应用, 提升数据的共享效率和专业化水平。
按照上述3个设计目标, 绘制数字南海的架构, 如图1。
图1 数字南海平台架构体系

Fig. 1 Architecture system of the digital South China Sea platform

1.2 技术特点

数字南海架构简洁, 采用模型-视图-控制器(model view controller, MVC)设计模式, 应用浏览器/服务器即B/S结构、J2EE (java 2 platform enterprise edition)平台等主流软件开发技术, 加强体系构架、技术方案、系统管理等方面的安全性、可靠性及可扩展性, 形成多方参与者良性互动, 促进南海科考历史资料整编数据的深度挖掘和有效利用。数字南海的科学管理系统注重系统管理、用户管理、元数据管理、数据管理等相关功能模块的设计与开发; 开放共享系统注重开放服务、共享服务、协同服务、支撑服务等相关功能模块的设计与开发; 交互应用系统主要进行航次一张图和岛礁一张图的相关功能模块的设计与开发。

2 数字南海科学管理系统

2.1 系统管理

安全保障是数字南海系统管理的底线, 安全相关内容已在系列文章2中从物理安全、网络安全、系统安全、应用安全等方面的保障措施进行描述。统一标准相关内容在系列文章1中也已就整编技术规程从数字化处理、标准化处理、质量控制等给出。以上内容本文不再赘述。
数字南海的“数据看板”是“系统管理”后台的一个数据集成展示, 为数据管理者提供了一个直观的界面, 便于用户行为的统计分析, 为后续应用功能深化提供依据。共设计开发4类统计分析及可视化工具:
1) 数据资源动态统计工具。实现按照要素主题词、学科、海域、数据生产方式、仪器设备、数据资助项目、数据生产单位、数据贡献者等多维度的元数据条目数、数据实体个数、数据量(单位: MB)的统计及排序, 为用户数据资产的统计分析提供依据。
2) 数据访问分析统计工具。对网络访问的独立IP数、访问人数、页面访问数、文件数、下载量(单位: MB)等关键指标进行统计分析, 并在线绘制数据访问量、数据下载量、数据下载次数的曲线图, 实现对数据服务的动态监控与趋势分析。
3) 用户分析统计工具。用户注册数采用直方图可视, 可按时间序列分析用户注册行为; 用户来源采用饼状图可视, 分析国际用户分布情况; 全国访问用户省份分布图采用WebGIS动态可视化展示区域用户访问热力, 可为数据推送服务提供依据; 数据用途也采用饼状图可视, 实现支撑服务项目信息与数量的统计, 可为数据精准推送服务提供依据。
4) 排名分析工具。运用多源数据源融合、协同过滤推荐算法对用户浏览信息和行为轨迹进行分析, 判断兴趣点, 挖掘潜在需求, 实现数据资源的多样排序展示, 以及热门资源和优秀数据的智能推荐展示。

2.2 用户管理

数字南海进一步完善用户分类体系, 建立可靠的资源信任与授权管理机制, 建立用户注册系统、用户认证系统、授权管理系统, 采用基于用户和角色的权限分配策略, 并实现数字南海与中国科技云的互联互通, 中国科技云通行证可以用于登录数字南海科研应用服务。
用户角色是根据数据生命周期中数据活动的参与来定义, 划分为数据生产者、数据管理者、数据使用者3类角色。
用户类型根据共享需求分为普通用户、认证用户、课题用户; 用户类型根据功能权限分为前台用户和后台用户, 其中前台用户包括汇交用户和审核用户、后台用户包括系统测试用户、专家用户、管理员用户、超级管理员用户等。
用户管理用于管理用户及其相关信息。在用户管理中, 可以对单个用户的基本信息进行管理, 可进行用户新增、删除、修改和查询; 用户信息包括账号、真实姓名、邮箱、工作单位、来源、用户状态、用户权限等信息。
权限管理提供用户对平台的不同系统界面的访问权限管理功能, 超级管理员可管理各系统界面的访问权限开关, 并设置不同的系统访问权限集合; 超级管理员向用户授予不同的权限集合, 控制用户对不同系统界面的访问权限。

2.3 元数据管理

元数据是关于数据的数据, 主要描述数据集的关键属性信息。良好的元数据管理是数据管理与共享工作的重要基础, 不仅可为数据使用者获取数据提供极大便利, 更可为数据管理者提高管理效率。元数据也是数字南海全局数据资产目录的基本组成。数字南海数据资产目录按照统一的元数据描述规范, 描述各个数据的特征, 对物理上集中或分散的可共享的数据进行编目, 主要包含数据集名称、时间范围、海域范围、学科、数据生产方式等关键信息。
数字南海元数据管理采用“FAIR”原则(Wilkinson et al, 2016; 张丽丽 等, 2018; 宋佳 等, 2021; 邢文明 等, 2021), 力求做到数据的“可查找(findable)”、“可获取(accessible)”、“可交互操作(interoperable)”和“可重复利用(reusable)”。数字南海支持数据使用者通过要素关键词、学科、海域、数据生产方式、数据来源项目、数据生产单位、仪器设备等信息检索、查找及获取数据共享服务。
数字南海提供元数据的在线填报和离线模板的批量导入两种填报方式。两种方式均支持元数据形式的自动校验审核, 对不符合格式要求和内容错误的元数据信息进行提示, 通过形式审核的汇交元数据的内容再经由数据汇交审核用户检查复核后进行标识注册和公开发布。发布后的元数据均获得数字南海唯一元数据ID。
数字南海采用科技资源标识(CSTR, science and technology resource identification)(科学数据中心, 2022b)规范数据的管理与使用, 数据使用数字南海唯一元数据ID通过CSTR标识服务获得全网唯一永久标识符, 实现数据长期、安全、规范管理, 实现数据资源与中国科学院科学数据中心和国家地球系统科学数据中心的互联互通, 促进数据开放共享与使用, 也为南海科考历史资料整编数据的可定位、可追溯、可引用、可统计与可评价提供基础。

2.4 数据管理

数字南海按照“共建共享”数据工作机制, 遵循“谁汇交、谁负责”的原则, 数据生产者是数据的责任人, 对元数据信息及其数据实体的质量负责, 汇交时应确保信息的有效性、科学性、完整性, 数据实体的质量由平台专家用户检查复核。
数据资源的统一接入按照元数据、数据实体、数据说明文档、数据缩略图、数据样例、数据分类的“六位一体”(杨雅萍 等, 2020)实施。

3 数字南海开放共享系统

3.1 开放服务

数字南海本着完全开放共享原则, 允许所有用户浏览数字南海网站发布的全部公开信息, 服务面向数据使用者提供系统导航、信息检索、数据浏览和数据存取等功能。系统导航平面化设计, 简洁大方、简单易用, 可直观地点选元数据目录、浏览数据、获取产品、下载软件等服务模块。
信息检索提供专业化检索功能。首先, 支持数据使用者按照个人习惯进行关键词搜索来检索元数据。其次, 支持通过选择元数据关键信息分类和数据标签对资源进行筛选搜索以及对检索结果的多样化排序。最后, 支持自定义查询和通过地理坐标和地图来进行检索。
同时, 数字南海和中国科学院数据中心进行合作, 将科学数据搜索引擎findata (Findata, 2022)嵌入数字南海网站, 作为数字南海数据检索能力的一个扩展, 现有3700万多个数据集资源, 帮助科研人员更好寻找数据。

3.2 共享服务

数字南海按照“共建共享”数据工作机制, 做好数据共享管理, 规范数据共享流程。整编数据已通过数字南海(http://data.scsio.ac.cn/)发布上线并实施分级分类管理, 完全开放共享元数据2082条, 部分数据实体支持直接在线共享。共享数据依照共享管理办法规范由数据生产者进行适当的安全设置, 确定共享数据的不同访问级别与共享方式等, 切实保护数据生产者的知识产权权益。共享数据在确保依法合规、保障安全的前提下, 依据数据使用者的科研业务需要为其提供共享数据的申请使用服务。
数字南海吸收电商网站优点, 开发“购数车”服务, 方便数据使用者将需求数据加入购数车, 生成数据订单。数据生产者按规则审核数据使用者的数据订单, 确定共享数据使用范围, 通过数据交换机制实现共享数据有序流转和安全应用, 提升共享数据利用效率和应用水平, 实现数据多向赋能。

3.3 协同服务

数字南海利用“数据池”技术为每个数据生产者提供单独的数据池应用, 实现灵活的可重构的数据组织, 提高数据管理与协同的可伸缩性。同时利用中国科学院机构数据协同管理工具DataSpace (科学数据中心, 2022c)和机构数据存储库工具InstDB (科学数据中心, 2022a)来构建包含协同空间和存储库的数字南海数据典藏环境及应用。

3.4 支撑服务

数字南海按照“管理即服务, 共享即服务”的原则, 为所有用户提供汇交服务、特色服务、项目服务、专题服务等。
数字南海创新服务模式, 对应角色类型、用户类型、服务类型, 服务内容及组织保障信息如表1:
表1 数字南海服务模式与组织保障机制

Tab. 1 Digital South China Sea service model and organization guarantee mechanism

服务模式 服务角色 服务用户 服务对象 服务内容 服务组织保障机制
在线服务 数据使用者 普通用户、
认证用户		 所有网络用户 在线数据直接下载; 数据网络无缝共享;
数据交互式动态可视化及分析应用		 门户网站7×24小时在线服务
离线服务 数据使用者、
数据生产者		 课题用户 特殊需求单位
与个人		 离线数据申请订单; 订单审核处理;
提供符合规定的离线数据共享		 专业人员5×8小时响应保障
互动服务 数据生产者 汇交用户 实验室/学科组 支撑交叉科研活动, 提升高
质量数据产品整合与展示		 先易后难, 提升数据质量整治
主动服务 数据生产者 汇交用户 重大项目团队 提供项目立项所需基础数据; 提供项目
产出数据整合的平台条件; 提供项目产
出成果展示的信息技术		 嵌入式科研数据服务, 节省项目
立项成本、数据管理成本, 实现
数据积累可持续
专题服务 数据使用者、
数据生产者		 汇交用户 实验室/学科组、
重大项目团队		 面向国家战略, 汇聚整合海洋领域研究热
点与前沿科学问题的相关数据资源		 边建设边服务, 建立精品
数据集和权威数据库
特色服务 数据生产者 汇交用户 科学家个人 与科学家合作挖掘数据资源,
生产特色数据产品		 保护科学家数据知识产权,
多渠道吸引精品数据资源
汇交服务 数据生产者 汇交用户、
审核用户		 实验室/学科组、
重大项目团队、
科学家个人		 支持航次考察、观测网络、野外台站、
科技计划项目、科研团队、期刊论文、
科学家(个人)等多来源数据汇聚与发布		 支撑数据确权, 保护数据生产者权益, 助力科研项目成果展示和科技
论文发表, 实现多场景数据汇聚

4 数字南海交互应用系统

4.1 航次一张图

航次一张图将南海整个海洋区域的科学考察航次信息、考察所得环境资源数据与信息产品, 以及各类研究成果构架起一个完整的海洋空间信息系统, 使数据使用者可在远程终端计算机上访问海洋三维空间信息系统, 可按所需的形式(如数据、图形等)定点提取相关数据资料。
系统基于百度地图JavaScript API开发, 可实现科学考察航次/航段的航行轨迹、站位站点、观测数据的动态可视化展示及数据共享应用。
以航次/航段为单位, 按照观测平台、考察季节、调查范围、资助单位、科学目标、支撑专题等标签实现航次/航段的信息管理与集成, 同时集成“航次、航段历史时间表”, 全面展示航次/航段全景图, 可以让数据使用人方便直观地通过年份、考察船来查找关联数据。
航次/航段基本信息集成包括船名、航次名称、开始时间、结束时间、航行天数、航程(单位: 海里)、出海总人数、参与单位、首席等信息。选择相应的航次/航段, 可以在线绘制航次/航段站位图。
图2展示了“南海物理海洋与海洋气象资料抢救与整编”课题1963—2015年南海海洋科学考察全部航次共16371站次的站位点。
图2 航次一张图系统截图

审图号: GS(2021)6026号

Fig. 2 A screenshot of the voyage One Map System

4.2 岛礁一张图

岛礁一张图将南海诸岛与海洋空间信息系统建成为数字化的、可量化的、四维的、多精度的、可视化的实用海洋信息系统。
系统基于高德地图Web服务API开发, 实现南海诸岛等众多岛礁的现场调查、遥感调查等多类信息的综合集成展示和数据共享应用。以多要素、多尺度、多时态的空间数据形式集成了南海诸岛的水深、地形、海底地质、地貌结构等信息产品。
图3展示了“七五” “八五” “九五”计划期间共11个航次、历时15年的南沙群岛及其邻近海区综合调查的95次岛礁考察所获取的南海岛礁分布及其地形地貌图。
图3 岛礁一张图系统截图

审图号: GS(2021)6375号

Fig. 3 A screenshot of the South China Sea Islands One Map System

4.3 数据看板

截至2023年7月, 数字南海在应用服务上取得了较好的成绩, 访问人次超过13万, 页面访问数超过28万, 注册用户数超过840个, 在线数据下载次数超过11000次, 在线下载数据量超过220GB。图4展示了数据访问分析统计与用户分析统计。
图4 数据看板

审图号: GS(2023)3026号

Fig. 4 Service data dashboard

5 小结与展望

通过整编技术的实施与整编数据的整合, 南海科考历史资料整编综合数据库建设顺利完成, 已经实现我国南海系统的, 长时间序列的, 高可信度的数据资源的高效汇聚。
数字南海通过建好平台、优化流程、整合资源、对接需求等技术实践活动, 首先满足南海科考历史资料整编数据的高效管理与有序共享的需求。南海科考历史资料整编数据作为支撑我国海洋强国战略和南海社会经济可持续发展的重要战略资源和新型生产要素, 历史资料和历史数据不可再生, 要抢救性地系统整编, 更要全面共享。其次满足海洋观测技术的发展进步对于数据管理与共享的需求。“天-空-岸-海”多手段结合、高密度、多要素、高精度、全天候、全自动的南海海洋立体观测体系逐步形成, 观测数据呈指数增长, 要科学管理, 更要创新服务。
数字南海有两个应用目标, 一是用数字讲好数据故事, 做好数据资产盘点, 做到资源心中有数; 二是用数据讲好科研故事, 做好科技支撑, 做好成果展示。例如, 岛礁一张图的后期开发重点也是两方面: 一方面加强船岸互动展示, 全面实时展示航次/航段的断面和定点站位上开展专业调查的现场场景; 另一方面加强数图互动展示, 以定点站位为最小可用的数据管理对象, 全面集成该站位点上的各学科数据, 并实现数据图形的直接在线绘制分析。在数据汇聚的基础上, 继续去实现整编数据的挖掘, 更好地支撑服务我国海洋强国事业。

参考文献

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