南海是仅次于珊瑚海和阿拉伯海的世界第三大陆缘海，居于西太平洋和印度洋之间的航运要冲，具有丰富的自然资源和重要的战略地位。随着对地观测技术的不断进步，每天均有大量的海洋观测数据及信息产品产生^[1]，此外互联网信息已成为一种重要的海洋数据源，可为南海相关科学研究提供保障。然而不同来源的海洋数据在存储方式以及语义描述上通常存在较大差异，而当前缺乏有效方式实现对此类数据的组织、处理、管理与分析，难以满足数据集成与共享的需求；另外当前以海洋数据的处理与分析挖掘为主，而轻视了决策模拟在国家海洋战略中的重要作用，因此急需开展相关研究，以满足南海科学管理与决策服务的需求。

“数字海洋”建设促使海洋信息化程度的不断加深，借助于地理信息技术在空间分析上的强大优势，MGIS被广泛应用于海洋环境保护^[2-6]、海洋灾害预警应急^[7-9]、海洋信息服务^[10-12]等方面。Web技术的发展，促进了数据与功能的共享与集成。肖如林等^[13]结合网格、语义网等技术理念，依据SOA的多层次架构设计实现了三维虚拟海洋原型系统，支持多源数据组织与服务动态集成。何亚文等^[14]针对海洋信息的分布性、信息类型及格式的多样性、数据的海量性及计算量大的特点，设计实现了海洋信息网格服务平台，提高了海洋信息处理效率。邢喆等^[15]设计实现海洋空间信息管理与服务平台，实现多源数据的组织与管理。然而当前研究仍以基于Web的数据处理与分析为主导，缺乏结合互联网信息，进行相关知识发现以为决策服务的能力，尤其是国家海洋强国战略为MGIS的发展提出新要求，即在数据和功能集成与共享的基础上，实现针对南海科学分析与决策模拟的支持。

针对当前研究中的不足，为实现针对卫星影像、水文气象、自然资源、地形地貌等结构化数据，以及文字、图片等非结构化数据的统一组织、处理、分析与管理，进而支持南海情势分析与决策模拟，本文在分析国内外MGIS研究成果及相关技术的基础上，设计实现了基于SOA南海地理信息决策模拟系统。该系统引入本体思想构建支持数据、功能和服务发现与检索的统一语义描述框架，可为不同用户提供高效的服务支持。

1   材料与方法

1.1   系统总体框架

南海地理信息决策模拟系统设计基于SOA，采用C/S模式，将数据和功能部署到服务器端，而客户端负责计算结果的可视化表达。该系统以服务方式实现数据和功能模型的集成与共享，利用Web Service技术在网络条件下实现功能模型调用及数据交互。为实现对所发布的数据、功能服务的统一组织与管理，该系统设计构建服务注册管理中心，引入本体思想，基于OGC、ISO相关标准形成对所有服务的统一语义描述，避免因服务语义描述的不规范造成服务集成中的困难，从而实现客户端与服务器端间，以及服务器端间灵活的、可扩展的数据传输与交互。该系统总体框架如图 1所示，由下而上依次为：资源层、服务层、事物层、应用层及用户层。

图  1  系统架构

Fig.  1  System Architecture

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(1) 资源层，负责非结构化和结构化数据、工具，以及模型资源的获取、组织和管理：其中非结构化数据是指与南海地区相关的各类图片、文本和视频等数据，需进行结构化处理并与空间位置关联，以便于检索；结构化数据主要涉及南海地区的卫星影像、水文气象、自然资源、地形地貌等类型的数据，可直接存储到空间数据库中；工具和模型主要涉及南海分析评价与决策模拟相关的功能模型，需将其参数、服务描述，及服务地址等信息存储到数据库中，便于功能模型的统一管理。

(2) 服务层，针对资源层中的空间数据、功能模型等，统一发布为符合OGC标准的服务形式(WMS、WFS、WCS和WPS等)，并依据OGC、ISO中相关标准形成规范化的服务描述，从而实现服务在语义与语法结构上的统一，以支持数据与功能服务发现与检索。

(3) 事务层，构建统一的服务注册管理中心，形成对各种服务进行注册、发现、组合、执行和管理等。服务注册管理中心负责注册并验证由用户提交的服务，且可依据用户检索需求提供相应服务。如果当前服务无法满足用户需求，将利用专家知识库中相关知识，依据功能服务的输入输出参数、功能，以及性能等参数描述，将已有服务重新组合生成新的服务返回给用户。

(4) 应用层，集成南海信息查询分析、可视化、情势分析与决策模拟等功能服务，并为用户提供统一的访问与操作界面，用户可根据自身需求查询检索相关的数据及功能服务，并可设置相应的功能参数以实现不同条件下的南海情势评估模拟。

(5) 用户层，管理各种用户基本操作、记录分析用户操作习惯。依据用户角色的不同设定相应的操作权限，以应对不同层次用户的服务需求。

1.2   系统数据库设计

该系统设计采用Oracle数据库，整个数据库系统包括基础数据库、遥感影像数据库、产品数据库、文档资料数据库、海洋信息数据库，以及辅助数据库：基础数据库设计存储南海地形地貌数据及海图数据，以显示南海地形地貌及海洋背景信息；遥感影像数据库设计存储南海地区中高分辨率各类遥感影像，包括Landsat、QuickBird、高分1号和高分2号等，以显示整个南海地区地物类型及分布概况；产品数据库设计存储由海洋环境要素、重要军事设施、南海及周边地区影像、地形地貌和气象水文等类型数据制成的各种专题地图；文档资料数据库设计存储互联网采集的地图数据、网络新闻、图片及视频数据等；海洋信息数据库设计存储海洋环境数据和矿产资源数据，包括渔场分布、油气资源分布、水深分布、海浪、海流、海温、盐度和密度等海洋信息数据；辅助数据库主要包括存储各类数据及服务描述元数据信息库，用于服务发现、检索及规则推理的专家知识库，以及存储系统日志、系统菜单和用户权限等信息的系统数据库。

1.3   系统功能设计

该系统功能设计基于Web Service，将复杂的计算任务交由服务器端，而客户端负责实现计算结果的可视化表达。该系统功能模块除了基本的地图操作模块、数据库管理模块和系统维护模块外，还有与分析评价密切相关的南海信息查询浏览模块、岛礁信息提取模块、航线自动生成模块、海洋水文气象分析模块、热点事件分析模块、南海情势评价模块和岛礁情势评价模块(表 1)，以下针对系统关键功能模块设计展开论述。

表  1  系统功能设计

Tab.  1  Function Design

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(1) 岛礁信息提取模块，利用高分辨率遥感影像，依据岛礁地貌形态及地物光谱特征提取岛礁及周边各种类型的地物，包括植被、房屋、机场、港口码头等信息，并计算其面积。

(2) 航线自动生成模块，包括障航区提取与航线自动生成两个部分。该模块可依据读入的海图数据提取禁区、养殖区等固定障航区，并通过设置安全等深线自动提取浅水障航区，最后实现对障航区的可视化表达；依据障航区的分布状况，设计实现自动绕行障航区的准则，采用最优寻径等策略，实现南海海域任意两点间最短距离航线的自动生成。

(3) 海洋水文气象分析模块，该模块可展示未来72 h南海海域海浪、潮汐、海流和风场要素的动态变化过程，支持对任意位置处海洋水文气象要素属性信息的查询分析，以图表形式展示该位置处海洋要素在时间维度上的动态发展过程；同时该模块支持对各类海洋要素的时空变化特征分析，如生成海洋要素场等值线，以及剖面图等。

(4) 热点事件分析模块，构建专题化的网络爬虫，利用关键字获取互联网中与南海地区相关的新闻事件，依据新闻事件中出现的地名建立与空间位置的关联，并以折线图、网状图，以及专题渲染图等形式表达各类事件的发展趋势，支持用户对任意地名相关新闻及历史事件的分析检索。

(5) 南海情势评价模块，主要针对南海地区油气资源、航道安全、热带风暴，以及海难救援的分析评价，一般选取恰当的影响因素构建评价模型：选取油气盆地的空间位置、资源现状与潜力、招标开采情况等影响因素，形成对油气资源开发价值的综合评估；选取水深、年均大风、大浪频次等影响因子，形成对南海主要航线的安全性评价；针对热带风暴时空分布特征进行统计分析，以评估热带风暴对每个区域的影响；依据南海周边各国舰船数量在南海海域的空间分布概率特征，评估各国对任意位置处的搜救能力，为救援实施提供参考。

(6) 岛礁情势评价模块，包括岛礁战略评价、岛礁建设态势评价，以及岛礁控制水道评价：选取停泊条件、高潮高地面积、干出礁面积、跑道建设长度及方位等权重因子，综合评估各岛礁的战略价值；依据岛礁环境要素及建设情况，分析各岛礁对周边海域的影响态势，以评估岛礁对海域的控制力；依据南海主要水道周边岛礁空间分布情况，评价岛礁对水道的控制力，进而评价南海周边各国对水道的控制力。

1.4   关键技术

该系统采用了多项技术以支持多源数据与功能模型的集成、共享与互操作，包括多源空间数据融合匹配技术、语义网技术、地理信息检索技术、自然语言处理技术、时空过程可视化技术等，以下主要针对其中的多源空间数据融合匹配技术、地理信息检索技术和时空过程可视化技术展开论述。

(1) 多源空间数据融合匹配技术

针对该系统涉及的南海地区卫星遥感影像、海温、海盐、海浪、海流、潮汐等结构化数据，以及文字、图片、视频、表格等互联网非结构化数据，需实现多源空间数据的融合匹配以支持相关信息检索。因此引入多源空间数据融合匹配技术，在非结构化数据预处理的基础上(即以地名词典与地理本体的建立为基础，从数据的文本描述中识别提取其主题与地名信息，并赋予地名对应的空间坐标)，从语义与空间两个方面实现空间数据的规范化与结构化表达：前者在地理本体的基础上，形成海洋要素描述框架，实现对同类别要素的统一描述并赋予相应的要素编码；后者在统一空间参考实现的基础上，依据邻近距离、空间结构和方位相似性实现同名点匹配，依据距离、方位和形状相似性实现同名线与面的匹配，最终形成多源数据的统一管理。

(2) 基于本体的地理信息检索技术

针对多源异构的海洋环境数据，有效的语义标注是数据集成与共享的基础。传统信息检索是以关键字匹配为基础，依据空间数据的元数据描述实现信息检索。若元数据描述中缺乏对应的关键字，则无法检索获得相应信息。为提高信息检索的效率，引入本体建模思想，以海洋领域中的概念为基础形成统一的语义框架，实现对所有数据的统一语义标注。利用地理信息检索技术，依据从检索词中识别出的主题、地名及空间关系，对元数据描述中的对应内容进行相似性匹配，并按照相似性程度对检索结果排序，从而提高了信息检索的效率，可满足用户的不同检索需求。

(3) 时空过程可视化技术

海洋环境要素表达，如海浪、海流、潮汐、海温等，应体现其时空动态变化特征，揭示其中的变化规律。引入时空过程可视化技术，设计实现具有时间属性特征的点、线、面与体的可视化表达方法，展示海洋环境要素在时间维度上的动态变化过程^[16](表 2)，支持对任意时空位置处海洋环境要素属性的查询，满足用户对海洋要素查询分析的需求。

表  2  时空过程可视化^[16]

Tab.  2  Spatiotemporal Processes Visualization

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2   结果与讨论

依据系统总体设计框架，以及数据库与功能设计概要，本文基于SOA，以Oracle数据库为基础存储系统所涉及的各类型数据，以C#为开发语言，利用ArcGIS二次开发工具集实现功能研发与部署，通过Web Service实现客户端与服务器端数据传输与功能交互，最终完成整个系统研发。以下主要展示说明该系统部分关键功能。

图 2展示了选定位置处的海洋要素在未来72 h内随时间的动态变化过程。该功能以海洋预报数据为基础，引入时空过程可视化技术，利用插值方法计算每个时刻选定位置处海洋要素数值大小，以连续曲线表达其时空过程变化。

图  2  海洋要素动态变化曲线

Fig.  2  Dynamic Curve of Marine Features

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图 3展示了海上航线的自动生成功能，该功能以南海地区海图数据与潮汐数据为基础，允许用户设置所需安全水深、波高，以及起止位置等参数，依据海图数据与潮汐数据插值计算在安全水深、波高条件下的障航区范围(图中绿色范围所示)，进而计算连接起止位置并绕远离障航区的海上最短距离航线(图中红线所示)。

图  3  海上航线自动生成

Fig.  3  Automatic Generation of Marine Route

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图 4展示的是热点事件检索分析，该功能以从互联网获取的文本信息为基础，在已建立地理本体的支持下，利用地理信息检索技术匹配互联网文本与检索词在主题、地名、空间与时间关系上的综合相似性，并将符合条件的检索结果返回给用户，同时该功能可以折线图、等级渲染图的方式对结果进行可视化表达。

图  4  热点事件分析

Fig.  4  Analysis of Hot Events

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图 5展示的是岛礁对水道的控制评价，主要依据岛礁空间分布情况进行缓冲区分析，生成岛礁对周边海域及水道的控制范围，用来评估南海周边各国对主要水道的控制力。

图  5  岛礁控制水道分析

Fig.  5  Analysis of Waterway Controlled by Islands

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3   结论

(1) 本文设计实现了基于SOA的南海地理信息决策模拟系统，集成了南海地区卫星影像、水文气象、自然资源、地形地貌等结构化数据，以及文字、图片等非结构化数据，实现了围绕南海地区的信息查询、可视化表达、分析评价等功能，并利用本体思想构建了数据与服务语义描述的统一框架，以支持空间数据检索与服务发现，解决了以往数据与服务检索不全面的问题，为决策制定提供宝贵的数据基础，也为MGIS建设提供了技术支持。

(2) 由于本文系统设计采用C/S模式，需要有相应的软硬件平台以支持该系统的正常运行，因此该系统的可移植性、可扩展性较弱，未来需考虑设计实现B/S模式的系统，使用户可以直接通过网页进行访问而不需安装相应的软件平台。另外由于系统涉及大量的空间数据及功能模型计算，单一计算节点将难以满足系统需求，因此未来考虑采用云计算方式提高数据存储与处理的能力。