（电力电子与电力传动专业论文）网络型海洋环境监测数据挖掘和动态发布信息系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sah u g es y s t e m ，m o n i t o rt h ec o m p l e x i t ya n dc o r r e l a t i o nm a r i n ei t e m si st h e k e yp o i n t o fm a r i n ee n v i r o n m e n t m o n i t o r i n g t h e e f f e c t i v e n e s so fm a r i n e m o n i t o r i n gh a si m p r e s s i v ea n dl o n g t e r me f f e c to nu t i l i z i n g ，p r o t e c t i n ga n dd i s a s t e r p r e d i c t i o n b yp a r t i c u l a ra n a l y z i n gt h en a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a ls t a t u s ，a n dt h e d i s a d v a n t a g e so fo u rc o u n t r yi nm a r i n em o n i t o r i n gf i e l d s ，d e s i g nt h ef r a m e w o r ko f t h em a r i n em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o ns y s t e ma n df i n i s ht h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t a n a l y z e e s t a b l i s has t r o n gb a s ef o rn e t w o r k ，i n t e l l i g e n t ，d i s t r i b u t e da n dm o d u l a r i z e d m a r i n em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o ns y s t e m b yi n t r o d u c i n gg i st e c h n o l o g yt o d i s t r i b u t em a r i n ed a t aw i t hg e o g r a p h y i n f o r m a t i o ng r e a t l yi m p r o v e dt h ee f f e c ta n de f f i c i e n c yo fm a r i n ed a t ad i s t r i b u t i n g m e a n w h i l ed e s i g nt h em a r i n e x m ls c h e m af o rd a t ai n t e r a c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n t o p e r a t es y s t e ma n di n f o r m a t i o ns y s t e m d e s i g nv e c t o rm a pf l a m ef o rl a iz h o uw a n b a s eo nt h ev e c t o rm a pd e s i g na n dd e v e l o pg i sc l i e n ta p p l i c a t i o nw i t hm a p o b j e c t s t h ec h a p t e ra l s og i v e sp a r t i c u l a rk e yt e c h n i q u e sd e s c r i p t i o na b o u td a t ar o m a n c e ， v e c t o rq u e r ya n di n f oq u e r ya n ds oo n a f t e rt h a tr e s p e c t i v e l yd e s i g na n dd e v e l o p w e b g i ss e r v i c eb ya r c i m sa n dm o i m s b yc o n t r a s tw ef o u n dt h a tm o i m si s m o r es u i t a b l ef o rt h ei n f o r m a t i o ns y s t e m a s p n e to f n e tf r a m e w o r kw a su s e dt o d e v e l o pw e bb r o w s e rf o ru r lc o m m a n db u i l d i n g ，i nt h i sw a yb u r d e no ft h em a p s e r v e rg o e sd o w na n dp e r f o r m a n c eg o e su p t h em o n i t o r i n gs u b s y s t e mu s e sd i s t r i b u t e ds t a t i o nf o re q u i p m e n tm a n a g e m e n t ， f u r t h e rm o r ee m b e d d e dg sw a si n v e s t i g a t e df o rt h ed i s t r i b u t e ds t a t i o ns o f t w a r e t h ee q u i p m e n tm o n i t o r i n ga n dd a t am a n a g e m e n ta b i l i t yo fd i s t r i b u t e ds t a t i o nw a s g r e a t l yi m p r o v e d i n v e s t i g a t e i nn e wd a t am i n i n gt e c h n i q u ea n dc o m p a r i n gaf e wk i n d so f c l u s t e r i n gm e t h o d s ，i n t r o d u c e ds q u a r e e r r o rc l u s t e r i n gm e t h o df o rp r e d i c a t i o no f h a r m f u la l g a lb l o o m s t h ep r e d i c a t i o nf u n c t i o nw a se m b e d d e di nt h eg i sc l i e n t a p p l i c a t i o ns ot h a t t h eg i sc l i e n ta p p l i c a t i o nc o u l dp r o v i d ed i s a s t e re v a l u a t i n g i n 山东大学硕士学位论文 s e r v i c ea n di n t e l l i g e n c ed e c i s i o n m a k i n gs u p p o r t a tt h ee n do ft h ep a p e r t h ed i r e c t i o n sa n dm e a s u r e st ob ei m p r o v e da n ds t u d i e d f u r t h e rw e r ep o i n t e do u t k e yw o r d s ：m a r i n em o n i t o r i n g ，g i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，v e c t o rm a p 删s ( i i l t 8 m 。m 8 ps 。r v e r ) ，h a b ( h a r m f u la l g a lb l o o m s ) ，c l u s t e r i n ga n a l y s i s i v 附件一 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：三避日 期：如d 6 6 f 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 蝴：超新虢让域期：塑盟f 山东大学硕士学位论文 1 1 选题背景及研究意义 1 绪论 海洋是一个丰富的资源宝库，随着陆上资源开发殆尽，海洋成为了一个重 要的战略资源基地。包括我国在内的世界各国都在积极进行海洋资源的开发和 利用。我国是一个海洋大国，濒临渤海、黄海、东海和南海，大陆海岸线长达 1 8 0 0 0 多公里，面积5 0 0 平方米以上的海岛6 5 0 0 多个，管辖海域包括领海、毗连 区、专属经济区、大陆架等约3 0 0 万平方公里，相当于我国陆地国土面积的三分 之。我国人口已经超过1 2 亿，需要开发海洋资源来提供越来越多的食物、矿 产和水资源，获取更多的海底油气资源和其它海洋能源，维护和保障国家海洋 权益。近几年来，随着海洋经济的迅速发展也带来了一系列的问题，海洋资源 浪费严重，海洋生态环境恶化，自然灾害频繁发生等。以赤潮为例，近年来的 发生频率越来越高，范围越来越大，持续时间越来越长，造成了巨大的经济损 失【1 1 。海洋自然灾害已经成为了制约海洋经济发展的瓶颈，因此迫切需要加强对 海洋自然灾害的预报预警工作。然而，海洋是一个极其复杂的系统，要做到对 海洋灾害及时、准确地预警，就需要监测和分析大量的具有相关性的海洋物理、 生物和化学等要素信息。我国各级涉海部门以及静地政府都投入了大量的人力 物力来监测海洋，获得了丰富而宝贵的历史数据资料。但是这些数据的分析、 利用却因为其巨大的数据量和海洋数据的地理唐息属性( 诸如酸碱度、藻类密 度等等，其地理位置擞为重要) 等原因受到丁限制”。同时传统的海洋；嗌测系统 依赖人： 监测成本高昂且监测效率和数据密度过低，导致灾害预警的精度远 远达不到要求，不能有效的进行赈灾减灾：| = = 作。引入g i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o n s y s t e m ) 技术的信息系统：i 备海洋峪测要素数据和矢量地图融合到一起，可以极大 提高海洋监测数据的利用效率和发布范围。 我国政府对海洋监测给予了高度的重视，确立了国家“十五”攻关项目“海 洋环境预测和减灾技术”，而且海洋监测技术主题电被确立为国家8 6 3 计划资源 环境领域的l 心个主题之一 3 - 4 1 。同时，近些年自动化技术、检测技术、计算机技 术和通信技术的日趋成熟，已经为研制新型高效的海洋监测信启、系统提供了有 山东大学硕士学位论文 力的技术保障。在此背景下，研制海洋监测信息系统完全符合国家海洋开发战 略部署和社会发展的迫切需要。该系统针对海洋自然灾害预警的需求及海洋环 境参数实时监测的需要，将已有的成熟技术和新的理论、技术成果进行有机的 集成，最终建立能够自动、连续监测海洋环境参数，自动存储、传输、处理和 分析数据，数据产品自动发布和共享的高精度、智能化快速海洋监测信息系统。 本课题是山东省科学技术发展计划重点项目“海洋环境在线监测及灾害智 能预警系统的研匍j ( 2 0 0 4 g g 2 2 0 5 1 0 8 ) ”的子课题。本论文的研究成果，对我国 的加强海洋自然灾害的赈灾减灾工作和海洋环境保护工作，有重要的实用价值； 对海洋监测信息系统的发展有重要的借鉴和指导意思：并能为各级政府综合管 理，维护海洋权益，合理开发利用海洋资源，保护海洋环境等重大决策和长远 规划提供及时、准确、可靠的科学依据。因此其推广应用的产业化前景非常乐 观。 1 2 国内外海洋监测研究现状 世界各国都非常重视海洋灾害的预报工作，的美国2 0 世纪8 0 年代初建立 了海洋环境数值预报系统，其s l o s h 模式( s e a ，l a k ea n do v e r l a n ds u r g e sf r o m h u r r i c a n e s ) 能预报海、湖和陆上由飓风引起的风暴潮，在防灾预报中发挥了重 要作用：欧洲各国也发展了浅水的第三代海浪数值计算模式。进入2 1 世纪美国 n o a a ( 国家海洋大气局) ，针对各种频发自然灾害逐步建立起了其对应的专题 信息系统。诸如，密西西比湾卡特里娜飓风生态影响信息系统、墨西哥湾西部 和北部溶解氧监测信息系统、国家沿海监测信息系统( c o a s t a lo c e a no b s e r v i n g s y s t e m ) 、有害藻华监测信息系统( h a r m f u la l g a lb l o o m so b s e r v i n gs y s t e m ) 等等。 这些系统交叉覆盖丁整个美国沿海，采用先进的：巳星遥感和g i s 技术结合形成 了一个立体的监测体系，可提供近实时海洋信息数据，为其灾害预警提供了强 有力的支持。欧洲国家研制了r o s e s ( r e a l t i m e o c e a ns e r v i c e s f o r e n v i r o n m e n t a n ds e c u r i t y ) ：r o s e s 是一个综合的海洋环境资源信息平台，提供丰富的服务 和数据产品，它通过现场监测系统获取实时的海洋监测数据。目前r o s e s 对七 个地区的有害藻华( h a r m f u l a l g a lb l o o m ) 灾害进行监测，将来会拓展到全欧洲。 联合国教科文组织政府间海洋学委员会建立了全球海洋监测系统g o o s ( g l o b a l o c e a no b s e r v i n gs y s t e m ) ，该系统为海洋预报和研究、海洋资源的合理开发和保 山东大学硕士学位论文 护、控制海洋污染、制定海洋和海岸带综合开发和整治规划等提供长期和系统 的资料。g o o s 已成为联合国教科文组织政府问海洋学委员今后一个时期内乃 至下一个世纪的重点计划。 国内c 上l 有很多学者对搭建符合我国国情的海洋监测信息系统做了很多工 作。为我国海洋监测的信息化作出了有益的探索。近几年国内海洋监测信息技 术有了较大的提高，已经有科研成果应用于我国的海洋监测事业部门。2 0 0 1 年 石绥祥等引入了w e b g i s 技术进行海洋信息共享，目前已经应用于国家海洋局 提供海洋信息共享服务。之后几年内，诸多学者对w e b g i s 技术在海洋信息共 享和信息j f 台搭建中的应用进行了更加深入的探讨和研究，也取得了一些成果。 但是，目前国内的海洋监测信息系统尚未形成有效的共享机制，海洋共享渠道 仍然不畅，与国外相关领域技术水平尚有较大差距啊，未结合底层在线数据采 集系统，未能实现实时数据共享。并且自成体系，没有统一的数据结构。近实 时的海洋信息监测和智能预警在国内的研究也相对滞后。 1 3 本文研究的主要内容 本文：f j _ 海洋监测信息系统分为数据采集子系统、数据管理子系统、模型分 析子系统、数据产品子系统。该四个子系统涵盖了数据采集、处理、制作、+ 发 布的整个数据信息系统的流程。本文主要做了以一f - q ：作： 。、 ( i ) 查阅大量国内外相关资料乖实地渊研，剥。目前海洋临测信息系统的发展 ：陡况作了详细的分析，并且以此为基础进行了其功能需求分析，完成了集成架 构的设计。 ( 2 ) 在w i n d o ws e r v e r2 0 0 3 操怍系统环境下完成了数据管理和用户管理系 统的开发。 ( 3 ) 进行j 7g i s 客户端开发，创新性的在其中嵌入即时数据赤潮智能预臀模 块。 ( 4 ) 开发了基于m o i m s 和a r c i m s 的高性能w e b g i s 服务器，创新性的 实现了海洋地理信息地图服务器雨i 实时数据采集终端的在线数据交互。 ( 5 ) ：陌g i s 技术引入到嵌入式台站中并进行了相关的软件殴计。提高了分 布式台站的管理能力。 本文：肾多种- f 台、多个模块、多种 办议干多种技术有机的整合到一起。建 山东大学硕士学位论文 立起了功能完善、实时性强和数据效率高的海洋监测信息系统。 山东大学硕士学位论文 2 海洋监测信息系统集成架构设计 2 1 海洋监测信息系统结构分析 2 1 1 海洋监测信息系统原理 近年来随着网络技术和传感器技术的快速发展，传统的海洋监测技术也随 之有了长足的进步。海洋监测自2 0 世纪9 0 年代开始取得了重大的进展，突破 了以船只考察为主的格局先进的计算机技术、能源技术、无线电传输技术和电 子技术的引进，使各种海洋监测仪器成为汇集多种先进技术的载体，海洋监测 正在向实时、密集、立体、长期、系统方向发展。目前已经出现了多样化监测 海洋手段和技术，浮标和浅标技术、水声监测技术、岸基高频低波雷达海洋环 境探测技术、水下观测平台技术、沿海生态环境自动监测技术和遥感海洋应用 技术。将这些监测技术通过监测信息系统有机的组合起来，海洋环境监测系统 也从最初的单一海洋要素采集器或海洋监测站的多要素观测系统，发展到区域 海洋监测系统集成，并逐渐向建歧国家级全球性的一体化的海洋环境立体监测 网络体系发展。 如右图 6 i 区域海洋立体监测集 成系统示意图，该系统集空中、海面、 水下、海岸基多平台临测i 5 芝舒为 体，和数据中心、数据通信网络共同 构成海洋环境立体雌测网络体系。海 洋监测信息系统，通过由各币 t 先进临 测设备和手段组成的立体监测网络 体系，获取海洋i 嗌测要素信息，先进 图2j 区域海洋立体监测集成系统示意图 的监测手段已经可以提供包括气象、 水文、化学、生! 物要素的近实时的全方位信息，尤其是气象和水文目前的技术 已经足以提供实时的监测数据。海洋监测信息系统的子系统之一，分布式台站 子监控系统：| 哿海洋监测设备进行分组管理和分组数据预处理，并且组织成数据 报文汇总至数据管理子系统，模型分析子系统和数据产r 守r 子系统动态的对数据 山东大学硕士学位论文 中心数据进行信息分析、动态智能预警和数据发布。 2 1 2 海洋监测信息系统设计目标 海洋监测信息系统的构建是按照智能化、模块化、网络化、多功能化、标 准化和规范化的原则，以实现立体监测、数据集成、数据处理与信息产品开发、 数据共享与信息服务等功能为目的，设计并构造一个用户需求驱动的，端到端 ( 从海洋环境要素监测到数据产品应用及制作) 的海洋监测与灾害预报系统。 该系统能实时地或准实时地、长期地、连续地、准确地完成监测区域海洋环境 要素监测数据的采集、通信、分析、处理、存储及数据库管理 7 】，制作出符合 监测海域的环保、海洋开发利用、减灾、防灾需要的实测、预报、预警、评价、 图形、统计分析等信息产品，并能够及时、有效地响应不同的用户群体的信息 需求，为各类专业或普通用户提供多种基本的或个性化的定制信息产品，使用 户能够快速、准确地获取并使用他们所关心的自然灾害的监测与预报信息。最 终，实现和其它海洋环境监测系统互通互联、互相补充，构建一体化的海洋环 境立体监测网络体系，共享海洋信息资源，及时、准确地跟踪和反映海洋环境 监测要素的变化状况，为管理决策者提供详实可靠的监测数据信息、科学的预 报、预警信息，共同为我国海洋环境资源的保护、开发及利用服务。 该信息系统设计兼顾了系统的灵活性、可扩展性和对用户需求变化及实现 约束的适应性，确保在技术层面和非技术层面上都符合规范逻辑和清晰易懂。 这样的设计方法既兼顾了系统的向下兼容性( 即海洋监测与智能预警预报系统 可以充分依托应用该系统的监测海域现有的海洋环境监测基础设施，有效地利 用现存的监测系统、监测数据及专家知识) ，又保证了系统实现业务化运行的可 行性。按照鼓计目标，最终实现的海洋监测信息系统：睁具有如下特点： ( 1 ) 自动综合监测，由单一的海洋环境参数监测系统或人工采集、分析系统 向自动的、复杂的多层次、全方位的海洋环境参数监测系统发展，测量参数包 括水文、气象、化学、生物等近3 0 个参数： ( 2 ) 模块化结构，各功能模块采用开放式、标准化、和模块化发计，具有集 成度高，独立性强，配置灵活的特点，可以适应不同应用的需要。根据具体需 要，可以灵活地集成或拼装成不同用途的自动监测系统，无需重新开发软件： ( 3 ) 提供基于x m l 的数据交换标准，可轻松实现系统内部或和其它异构监 测系统之间的数据交换、传输及处理等： 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 在线预警，采用先进的数据挖掘算法建立各种自然灾害相应预测模型， 利用监测网络提供的实时监测数据实现在线灾害预警； ( 5 ) 数据实时传输，利用无线或有线通讯手段向监测网络中心和用户实时传 输监测数据： ( 6 ) i 监测网络和信息网络二网合一，实现集中监视、操作和管理。使得管理 与现场分离，管理更能综合化和系统化。通过人机接口，可对远程监测设备进 行实时采集、分析、记录、监视和操作控制，及在线巡检、动态配置等： ( 7 ) 数据资源共享，互为补充，提高系统利用率，减少数据资源的浪费；为 灾害预警和赈灾减灾部门提供可靠及时的原始监测数据和智能预警结果。 ( 8 ) 增强服务功能，i 监测和服务一体化，为各类用户提供通用服务和定制的 个性化服务，使用户能高效地使用系统提供的数据资源。 2 1 3 海洋监测信息系统功能需求分析 海洋监测信息系统其核心功能是对海洋要素数据进行采集、分析、存储和 发布。通过对国家海洋监测部门、监测站的实地调研，细致明确了海洋监测信 息系统的功能需求： ( 1 ) 需满足海洋特殊环境和多变天气下的全天候数据采集，并且必须保证数 据采集设施和数据传输方式的可靠性。 ( 2 ) 海洋监测信息系统针对不同类型的监测目的，其数据需求不同。要求提 供对应的精确数据。以赤湖预警为例需要提供气象、水文、化学、生物四大类 监测要素。 ( 3 ) 受传感器没备所限，不同门类监测要素最小监测时间和监测精度不同， 数据中心需要提供灵活的数据处理机制和人工数据修正接口。 ( 4 ) 海洋峪测站需要提口 无人值守模式，自动完成数据预处理、数据入库、 数据报文、紧急情况处理。 ( 5 ) 信息产品要面向不同等级用户，包括公众数据服务、赈灾减灾政府职能 部门数据服务、海洋专家数据服务等等，为不同层面的客户提供相应的数据访 问权限。 ( 6 ) 地理信息系统作为信息发布终端，为扩大数据发布效率需要提供地理信 息网络服务。 对海洋仆矗测信息、系统的功能需求，进行可行性分析，确立了系统功能结构 山东大学硕士学位论文 模型参见下图。 滩 翡 数据中心 嵌入式分布台站 2 2 系统集成协议设计 户 管 理 模 g i s 客户端 w e b g i s 服务器 客户端数据分析 其它数据服务 用 户 2 2 1 子系统间数据通信 海洋监测信息系统的系统结构由四个子系统组成，数据采集子系统、数据管 理子系统、灾害预警子系统、数据产品子系统。各个子系统受海洋环境等因素 的限制，基于完全不同的硬件设备和软件系统。实现用户与各个子系统以及个 子系统之间或其内部的交互，则需要一套满足异构平台数据通信的系统集成数 据通讯协议。 为了将分布在不同场所的异构子系统无缝地集成在起，实现用户与各子 系统及各子系统之间的交互，需要一套系统集成协议支持分布式、异构子系统 之间的交互。各子系统之间交互的核心是数据交互( 即数据交换) ，在这一层面， 各子系统应能够相互透明地访问分布的、异构的数据集。同时，交互不应仅仅 是各子系统互相交换数据，【_ 包应当包含在数据交换过程中发生的对数据的操作 ( 数据清求、数据添加、删除、查询等) ，这往往涉及到不同子系统的不同软件 功能模块之间的相互调用、相互协作。此外，无论是对数据的操作，还是数据 本身，为了在各子系统之间进行交互，尤其是异构平台之间，需要将所有的操 作( 服务调用) 和操作的数据( 服务调用的参数和返回值) 进行规范化的描述， 形成规范化的文档后进行发布，以供所有需要参与交互的子系统共同遵守。 图 构结 能功统系 息詹测 监幽崮群蚓目酏 罢王而 山东大学硕士学位论文 | 群9 一j 山东大学硕士学位论文 异构平台的数据交换和跨系统数据共享的问题。参见图2 4m a r i n e x m l 架构 图。 2 2 3 协议架构设计 海洋监测信息系统中所采用以t c p i p 协议簇为核心的通信协议架构，包括 h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 超文本传输协议) 、t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c o l ，传输控制协议) 、u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报) 和s o a p ( s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c o l ，简单对象访问协议) 。 其中，h t t p 是w e b 服务器用来处理服务器和客户机之间的数据流的协议， 属于应用层的面向对象的协议：h t l p 协议是目前i n t c r n e t 通信中应用最广泛的 协议之一。在该信息系统中，海洋信息的数据产品提供w e b 服务，远程共享给 i n t e r n e t 上的客户。浏览器端和服务器端的数据交互依赖与h t t p 协议。 t c p 是一种提供面向连接的可靠的字节流传送服务的协议：t c p 协议为用 户提高可靠的数据传输协议。该系统中数据产品w e b 服务器( 如地理信息系统 地图服务器) 与数据中心之间的通信，其数据包为海洋监测数据，采用t c p 协 议保证数据传送的可靠性。 u d p 是一种提供用户之间的不可靠无连接的报文传输服务的协议：s o a p 是一个基于x m l 的消息协议，它指定了从一个过程发送基于x m l 的消息到另 一个过程的方式，通常是从一台机器到另一台机器。 系统集成阱议兼容了当前主流的、通用的、可跨j 帚台操作的通信协议和编 码标准。系统集成协议的应用，使有害藻华监测与预报系统允许用户透明地访 问和操作分布在不同场所的子系统的信息资源，而无需按照信息所在场所、信 山东大学硕士学位论文 包的格式和存储方式等使用不同的方法。系统集成协议架构如表2 5 所示。 表2 5 系统集成】办议架构 用户层 h t t pt c pu d p 信息层 t c p 数据采集层 监测层 t c p + s o a p 数据集成层 2 3 数据产品子系统 2 3 1 概述 数据产品子系统是整个海洋监测信息系统的终端产品，向用户提供信息服 务。数据产品子系统对于整个嗡测信息系统的效能有着决定性的影响。数据产 品子系统以数据管理予系统和智能预警子系统处理后的海洋环境监测要素数据 为基础，对用户提供数据查询、检索、分析、显示及管理，实现相关信息产品 的制作与管理、数据共享与信息服务的系统。同时数据产品子系统还要通过系 统内部通信网络为整个系统提供管理、调度服务。本质上讲，数据产品子系统 是为海洋监测信息系统提口 人机交互的系统。数据产品于系统，包括地理信息 模块、监测要素实时峪测分析模块、数据处理与信息制作模块、系统管理模块。 参见图2 6 。 数据产品面向用户，要以用户需求为驱动。同时，亦根据不同的用户提供 专属其相应用户级别的服务。 ( 1 ) 普通用户：实现用户最低权限，系统为该类用户提供最基本的只读权限 信息服务。仪包括灾害预报、气象预报、普通级别的地理信息服务。 ( 2 ) 高级用户：实现用户高级查询权限，系统为该类用户提供原始数据资料 查询的权限，该级别用户可浏览所有可用数据，并且提供诸如数据库遍历、报 表生成、自定义地理信息系统等服务。 ( 3 ) 专家用户：该类用户钏有数据处理的最高权限，不但拥有前两类用户的 权限，而且拥有数据录入权限。该类用户提供给国家海洋监测部门和救灾赈灾 职能部门的专家，进行数据校正、专家意见的录入。 ( 4 ) 管理员用户：提供设备：扶；蠡调度、查询、控制权限，用于自身系统维护。 山东大学硕士学位论文 地理信息系统 海洋环境要素实时监测 数据处理与信息制作 系统管理 g i s 客户端 w e b g i s 统计分析 数据查询 图形输出 信息发布 模型算法管理 图2 6 数据产品子系统结构组成图 高级报表 2 3 2 地理信思系统模块 基于g i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) 技术的地理信息发布模块，实现 c s 和b s 架构的空间数据共享。将海洋监测要素数据融合到精确的海洋矢量 地图中，进行数据发布。将有着复杂空间相关性的大量数据直观的呈现给用户。 让用户摆脱传统的枯燥的数据报表。并且提供动态的预警信息和自然灾害趋势 预测( 以赤潮为例，根据赤潮发生区域风速、风向、浪高等要素? 状态动态预测 赤潮灾区的漂移轨迹) 。 2 3 3 监测要素实时监测分析模块 海洋监测要素实时监测分析模块，可以同时对多个监测要素的变化进行实 时跟踪，并以动态曲线的形式生动、直观的反映给用户。提供多种用户自定义 一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一 山东大学硕士学位论文 模式，自由没定历史数据曲线绘制模式和实时动态曲线绘制模式，同时提供历 史数据的各种数据分析功能，诸如月份均值曲线绘制等等。图2 7 为监测要素 实时监测分析模块运行图，四个不同监测点的不同要素同时动态监控，跟踪实 时数据的采集动态的进行曲线绘制。 图2 7 监测要素实时监测分析模块 一 2 3 4 数据处理与信息产品制作模块 通过与数据管理于系统和模型分析子系统交互，完成后期数据处理及信息 产一f ；| i 制( j - 干i i 发布，包括： 统汁分析： 具：除了提d 用户可以自定义的高级报表工具外，还提供 e x c e l 和w o r d 文档转换接口，方便用户：倚各种统计分析结果转换为e x c e l 或w o r d 文件： 一 套向：i ：具：提供用户可进行多种组合查询的智能查洵模式和预订义查询模 式，高级用户还可以通过使用标准的s q l 查向浯句直接对数据进行操作； 图形输出：提口静：冬图表( 饼? 扶图、柱状圈、折线圈等) 和g i s 地图产，鬲 的打印输出等功能： 信启、发：( f i - 1 - 具：包括定制短信、定制e m a i l 、即时通讯客户端软件三种实 时息息发布： 具和门户网站。用户可以通过登陆系统门户网站、发送手机短信 的方式或使用即时通讯客户端软件订阅系统提供的各类信息产品( 按照系统定 一1 3 山东大学硕士学位论文 制的信息发布要求的信息格式、形式，自动制作的标准信息，包括实时数据、 历史数据、统计分析报表、预警信息和图表等) ，系统根据用户殴定的信息获取 方式和所需信息种类，通过手机短信、e m a i l 或即时消息的形式主动、即时地 向用户提供信息服务( 通过网络直接将预报产品及实况信息自动传输到远程客 户端或手机等信息终端并显示) ，从根本上改变了传统的被动服务( 用户需要登 陆服务网站，进行相关查询) 的设计思想，极大地提高了服务水平和效率，有 利于对用户群体进行细分，根据不同的划分，向用户提供定制的、个性化的、 所需即所得的信息服务。 2 3 5 系统管理模块 系统管理模块提供面向不同等级用户的网络服务，用户可以本地或者远程 登录进行系统管理工作，包括设备管理、用户管理、数据库管理、数据交换标 准管理、网络通信管理和预警系统专属的模型管理。系统管理模块提供了完善 的系统管理接口，兼顾用户服务和底层设备的管理。 2 4 小结 本章结合目前先进的海洋监测手段和技术，对海洋监测信息系统原理进行 研究的基础上，深入探讨了海洋监测信息系统的发展方向和特点。结合实际情 况对海洋监测信息系统进行了功能需求分析和可行性分析，确立了其功能结构 框架。完成了海洋监测信息系统通信协议和m a r i n ex m l 架构设计，解决了各 个子系统问的异构平台通信、数据交互等问题。数据产品子系统是面向用户的 终端系统，其效能直接影响整个系统的信息服务水平，本文对该子系统：咨庞杂 的信息服务进行了模块化设计，以g i s 为核心各个模块完成特定功能而又彼此 交互。 本章详细分析了海洋监测信息系统及其各个子系统的功能框架，并且分别 给出了技术方案，为进行网络化、智能化、分布化、模块化的高性能海洋监测 信息系统的开发奠定了基础。 山东大学硕士学位论文 3 地理信息系统设计与实现 海洋舱测的重要目标是进行海洋的灾害预警，因此需要对海洋监测要素的 数据均进行大量的分析工作。随着海洋监测技术的迅猛发展，数据采集量和范 围日益扩大。传统的数据报表、数据贴图所提供的数据分析能力已经远远达不 到精确灾害预测的需求。枯燥、大量的具有地理相关性的数据的优化利用，及 如何解决海洋变化快速j 盗测与决策支持过程间的鸿河“1 ，已经成为海洋监测的 一个关键问题。近些年来兴起的g i s ( 地理信息系统) 技术，为海洋监测信息 发布提供了理想的解决方案。 海洋地理信息系统是数据产品子系统的核心，整个数据服务产品围绕着 g i s 展开，g i s 提供复杂海洋专题数据模型接口外，还需要为相关数据产品提 供完备的数据接口和转换机制，因此海洋g i s 的系统集成，不仅是多种数据集 的融合与集中管理，也不仅是多目标统一数据库的建立还应当体现在统一的用 户界面、无缝数据库、嵌入式的分析机制、面向专业领域的g i s tl 6 d 7 。 3 1 地理信息系统介绍 地理信息系统英文全称为g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m 。g i s 起源于2 0 世 纪6 0 年代，它作为有关空间数据管理、空间信息分析及其传播的计算机系统， 在其4 0 多年的发展历程中已经取得了很大成就，并广泛地应用于土地利用、资 源管理、环境临测、交通运输、城市规划、经济建设以及政府各职能部门1 8 1 。 地理信息系统不叹汉是简单的电于地图，而是一利t 集采集、处理、传输、存储、 管理、查询检索、分析、表达和应用地理信息的计算机系统，是分析、处理和 挖掘海量地理数据的通用技术。它主要包括计算机硬件、软件、地理数据和用 户等几个部分。地理信息系统n 二为一种迅速发展的空间信息分析技术使它几乎 可以应用于所有的行业，并正在走进人们日常的工作、学习和生活中”。 完整的地理信息系统大致由以f j l 个部分组成2 “： ( 1 ) 机算汁硬件平台：g i s 可充分利用包括从主服务器到桌面工作站乃至网 络计算的一切计算资源。 ( 2 ) g i s 专业软件：g i s 软件提供存储、分析、显示地理数据的功能，要素 山东大学硕士学位论文 包括：地理数据输入、工具：空间数据库管理工具：空间查询、分析、可视化 表达：图形用户界面。 ( 3 ) 地理数据：g i s 系统必须建立在准确使用地理数据基础上，数据来源包 括室内数字和野外采集，以及从其它数据的转换。数据类型分为空间数据、属 性数据，并与关系数据库互相连接。 ( 4 ) g i s 人员：g i s 应用的关键是掌握实施g i s 来解决现实问题的人员的素 质。这里既包括从事g i s 系统开发的专业人员，也包括采用g i s 完成日常工作 ，的最终用户。 ( 5 ) g i s 模型：g i s 专业模型和经验，是g 1 s 应用系统成败的至关重要的因 素。 地理信息系统软件开发平台提供商e s r i 、m a p l n f o 等主流公司并未提供统 一的g i s 数据标准，同时应用于不同领域的地理信息系统也有各自不同的数据 交换机制，因此地理信息系统开发的重点在于提供面向公众的数据监测环境、 数据结构和类型的设计以及基于数据的信息服务和系统功能设计1 。 3 2 地理信息系统开发模式和开发平台选取 地理信息系统有三种主流的开发模式，完全自主开发、宿主型二次开发、 基于g i s 组件的二次开发： ( 1 ) 完全自主开发，不依赖于任何g i s 软件开发平台，从地理信息数据采集， 矢量图层制作到地理信息数据产品制作，其中的算法、分析等全部独立开发， 并且用某种开发语言进行算法的实现。这种开发模式虽然不依赖于任何的商业 地理信息开发平台，但是从软件工程开发的角度讲，这样开发出来的产品无论 从功能、结构、可移植性、可靠性上很难与成熟的地理信息开发平台相媲美。 ( 2 ) 宿主型二次开发，指基于g i s 软件平台进行的应用系统软件开发。主流 的商业g i s 软件开发平台都提供了供用户进行自主二次开发的脚本语言，如 e s r i 公司的a r c v i e w 提供丁a v e n u e 语言，m a p l n f o 公司的m a p l n f op r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言。用户可以使用这些脚本语言在相应的软件平台下开发地 理信息系统，但是作为一币噜t 非主流的高级语言，功能很弱、执行效率低下。 ( 3 ) 基于g i s 组件的二次开发，利用g i s 软件平台所提供的基于o c x 技术 的g i s 组件，在通用的软件开发平台如，v i s u a lc 、v i s u a lb 、n e t 等开发环境 山东大学硕士学位论文 下进行地理信息系统的软件开发。地理信息系统功能通过g i s 组件嵌入到通用 平台下的应用软件中。目前流行的g i s 组件有m a p l n f o 公司的m a p x ，e s r i 公司的m a p o b j e c t s 等。 以上三利t 开发方式各有特点，经综合评价和慎重考虑，开发模式选择基于 g i s 组件的二次开发。开发模式对比参见表3 1 。 表3 i 地理信息系统开发模式对比 开发难度开发成本产品性能 一 自主开发向 。低 低 宿主型二次开发尚局低 。一 基于g i s 组件的二次开发 d ：i 中向 m a p l n f o 公司的m a p l n f op r o f e s s i o n a l 和e s r i 公司的a r c g i s 系列开发平台 是当今功能最完善，扩展性能最好的开发平台。尤其是a r c g i s 是一套可伸缩的 产品，由一系列软件模块组成的，提供了灵活多样的组合模式，进行相应地理 信息数据产品的开发、部署和管理工作。海洋监测地理信息系统以及其附属数 据产品，需要有完善的扩展功能和可移植性。e s r i 公司的a r c g i s9 0 开发平台 提供了足够的海洋地理信息搭建环境，所以本文的海洋地理信息系统开发工作 选取该j f 台作为开发环境。 a r c g i s9 0 平台，软件包架构图如一f 。 a r e g i s9 桌面g i s 嵌入式g i s 服务器g i s 移动g i s a r c v i e w a r c l m s a r c e d i t o r a r c g i se n g i n e a r c g i sa r c g i sm o b i l e a r c i n f o 客户端 服务器 浏览器 a r c p a d a r c r e a d e r 应用程序 客户端 a r c g i s a r c s d e 通用数据服务 蜘娴蕈由离囱 图3 2a r c g i s9 0 系统架构图 ( 1 ) 桌面g i s 一a c r r e a d e r 、a r c v i e w 、a r c l n f o 、a r c e d i t o r 和a r c g i s 扩展 模块是一套可伸缩的产品，用来创建、共享、管理和发布地理信息。 1 7 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 嵌入式g i s 一a r c g i s e n g i n e 是一个完整的嵌入式g i s 组件库和工具包， 开发者能用它创建一个新的、或扩展原有的可定制的桌面应用程序。使用 a r c g i se n g i n e ，开发者能：降g i s 功能嵌入到已有的应用程序中，如基于工业标 准的产品以及一些商业应用( 如m i c r o s o f tw o r d 和m i c r o s o f te x c e l ) ，也可以 创建自定义的应用程序，为组织机构中的众多用户提供g i s 功能。 ( 3 ) 服务器g i s 一a r c g i ss e r v e r 、a r c l m s 和a r c s d e 用于创建和管理基于 服务的g i s 应用程序，在大型机构和互联网上众多用户之间共享地理信息。 a r c g i ss e r v e r 是一个应用服务器，它包含一个可共享的g i s 软件对象库，能在 企业和w e b 计算框架中建立服务器端的g i s 应用。a r c l m s 是通过开放的i n t e r a c t 协议发布地图、数据和元数据的可伸缩的网络地图服务器。a r c