基于GIS的寧波市海洋專題保障預(yù)報綜合信息服務(wù)平臺開發(fā)與應(yīng)用

周雅靜，龍紹橋

（1.寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波315100；2.寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 寧波315012）

寧波是海洋大市，有漫長的海岸線，港灣曲折，島嶼星羅棋布，全市海域總面積為9 365 km2，大陸岸線長788 km，島嶼岸線長774 km，占全省海岸線的三分之一［1］。海區(qū)海況復(fù)雜，是臺風(fēng)、冷空氣和爆發(fā)性氣旋等海洋自然災(zāi)害的頻發(fā)區(qū)，平均每年約有2.4個臺風(fēng)影響，帶來暴雨、狂風(fēng)、高潮、巨浪等惡劣狀況，造成巨大經(jīng)濟損失和人員傷亡［2］。寧波舟山港現(xiàn)有生產(chǎn)泊位620多座，其中萬噸級以上大型泊位近160座，5萬噸級以上的大型、特大型深水泊位90多座，擁有我國最大的30萬噸級（兼靠45萬噸級）原油碼頭，是中國大陸大型和特大型深水泊位最多的港口。港內(nèi)船舶進出繁忙，碼頭前沿微區(qū)域流況多變，給大型船舶的靠離作業(yè)和安全通航帶來了極大困難。寧波沿海漁船眾多，且商船航線與漁船傳統(tǒng)作業(yè)區(qū)重疊、交叉現(xiàn)象嚴重，海上安全事故頻發(fā)。寧波舟山港也是國內(nèi)最大的油品和散裝化學(xué)品中轉(zhuǎn)基地，全國4個戰(zhàn)略原油儲備基地有2個位于寧波舟山海域，每天有上百艘危險品船舶、多艘超大型油輪在港區(qū)作業(yè)，存在巨大溢油風(fēng)險［3］。此外，浙江沿海分布有7座油氣鉆井平臺，油氣管道經(jīng)過舟山、寧波水域，受近年來長江流域來沙銳減、海洋開發(fā)活動頻繁影響，近海油氣管道泄漏事件時有發(fā)生，給海洋生態(tài)環(huán)境帶來嚴重威脅。然而目前潮汐潮流預(yù)報、海上應(yīng)急搜救、海上溢油與化學(xué)品漂移擴散預(yù)測以及海洋環(huán)境預(yù)報等業(yè)務(wù)系統(tǒng)基本是獨立和分散的，存在著功能單一、數(shù)據(jù)無共享、受眾面窄、界面不直觀等不足，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫及信息化服務(wù)平臺對其進行綜合管理。有些系統(tǒng)由于開發(fā)建設(shè)時間較早，其功能已不能適應(yīng)日益發(fā)展的海洋環(huán)境預(yù)警報工作的需要，不能滿足政府有效進行防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對海上突發(fā)事件等工作的要求。針對以上狀況，開發(fā)一個港口碼頭潮汐潮流精細化預(yù)報、海上搜救、海上溢油及化學(xué)品漂移擴散預(yù)測以及海洋環(huán)境預(yù)報為一體的海洋專題保障預(yù)報綜合信息服務(wù)平臺，有利于更好地服務(wù)地方海洋經(jīng)濟發(fā)展，為涉海涉漁部門防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急管理提供基礎(chǔ)決策［4］。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容

1.1.1 GIS平臺建設(shè) 設(shè)計和開發(fā)基于RIA模式下的統(tǒng)一的GIS系統(tǒng)，能支持顯示大范圍的谷歌或Bing地圖，同時也能支持顯示局地小范圍的高分辨率數(shù)字地圖，各圖層間切換快速，并提供靈活的業(yè)務(wù)應(yīng)用配置功能。

1.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)報模型優(yōu)化升級 借鑒國內(nèi)外先進成熟的海上搜救、海上溢油及化學(xué)品漂移擴散預(yù)報模型系統(tǒng)，進一步優(yōu)化和升級原有的海流數(shù)值預(yù)報模型、海浪數(shù)值預(yù)報模型、海上搜救、溢油及化學(xué)品漂移擴散模型，提高模型的分辨率和預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1.1.3 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā) 設(shè)計集港口碼頭精細化預(yù)報服務(wù)、海上搜救、海上溢油及化學(xué)品漂移擴散預(yù)測，以及海洋環(huán)境預(yù)報等綜合服務(wù)信息平臺，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)預(yù)報模型的實時調(diào)取、預(yù)報結(jié)果可視化展示以及用戶操作的動態(tài)實時響應(yīng)。

1.2 技術(shù)路線

系統(tǒng)采用C/S+B/S架構(gòu)進行開發(fā)，使用SQL Server 2008 R2數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，采用C#語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)值守服務(wù)、文件同步服務(wù)、數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，Web Server技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)共享接口，通過JSON、XML格式進行文件交換。綜合展示平臺采用ASP.NET、JAVA、FLEX、HTML、CSS、JS、JQUERY、METINFO等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的新增、修改、刪除、查詢、評價、模型計算、GIS展示。GIS平臺采用RIA模式下的FLEX、JS技術(shù)實現(xiàn)綜合庫數(shù)據(jù)（包含經(jīng)緯度）在一張圖上的展示，改善可視化及用戶與系統(tǒng)之間的交互性。

2 系統(tǒng)功能與應(yīng)用效果

寧波海洋專題保障預(yù)報綜合信息服務(wù)平臺的總體框架如圖1所示。

圖1 寧波海洋專題保障預(yù)報綜合信息服務(wù)平臺總體框架Fig.1 Frame diagram of Ningbo marine thematic supporting and forecasting integration information service platform

2.1 GIS功能

具備漫游、縮放、圖元點選取、距離測量、鷹眼圖、比例尺顯示和圖例顯示通用的GIS功能，以及各分辨率底圖的自動切換顯示。用戶可根據(jù)需要方便的進行不同專題圖層的配置；支持動態(tài)圖層的生成，并可根據(jù)設(shè)置條件動態(tài)生成各種專題地圖。支持SHP文件導(dǎo)入，支持BMP、GIF、JPG、PNG等多種圖片格式輸出功能和遙感圖的互相切換顯示。支持電子地圖與遙感圖的互相切換顯示。支持多種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的疊加，如流場、風(fēng)場、浪場、并進行動畫展示。具備交互式繪圖功能，如添加標(biāo)注，繪制線條、范圍等。

2.2 RIA平臺

采用Adobe Flex技術(shù)研發(fā)的RIA平臺，為海洋預(yù)警預(yù)報提供非常豐富的矢量及柵格繪制機制，既實現(xiàn)靜態(tài)的地圖繪制展示，還實現(xiàn)閃爍、動畫等動態(tài)特效的地圖圖示繪制展現(xiàn)。

2.3 港口碼頭潮汐潮流精細化預(yù)報模塊

該模塊包含港口碼頭潮汐潮流精細化預(yù)報和重要港區(qū)流場預(yù)報兩大功能。

2.3.1 港口碼頭潮汐潮流精細化預(yù)報 碼頭定點潮汐潮流預(yù)報，在GIS地圖上顯示各預(yù)報碼頭站點的分布情況（圖2），實現(xiàn)對各碼頭站點未來某個時刻或某個時段潮汐潮流預(yù)報數(shù)據(jù)和過程變化曲線的快速查詢（圖3、4），自動分析各站點的漲落急時刻、緩流時段等，并能生成圖表。能根據(jù)給定的條件（如水深、流速大小、流向范圍等），自動計算分析，方便用戶選取最佳的靠離泊時段。

圖2 基于GIS的寧波海域碼頭分布Fig.2 GIS-based distribution of wharfs in Ningbo

長期驗潮站天文潮預(yù)報，實現(xiàn)浙北海域的鎮(zhèn)海、石浦、北侖、松蘭山、烏沙山、岱山、嵊山、沈家門、六橫島等多個長期驗潮站的天文潮預(yù)報快速查詢。

重要航道乘潮預(yù)報，在GIS地圖上顯示寧波舟山港重要航道節(jié)點的乘潮水深及高低潮水深分布情況，依據(jù)潮汐預(yù)報數(shù)據(jù)，通過選擇水深范圍，計算分析潮位的乘潮統(tǒng)計，并以圖文結(jié)合的方式展示給定水深范圍內(nèi)潮汐的起止時間等，方便用戶選取某個日期進出航道的最佳時段，如圖5為寧波舟山港白石山淺段的乘潮預(yù)報。

重要航道乘流預(yù)報，在GIS地圖上顯示寧波舟山港重要航道窄口處通航緩流預(yù)報站點，通過選擇流速的范圍來計算航道預(yù)報站點的緩流時間段，以文字和曲線相結(jié)合的方式展示流速范圍內(nèi)的起止時間及對應(yīng)的流向、轉(zhuǎn)流時間；通過選擇潮流與碼頭夾角關(guān)系，計算不同范圍夾角內(nèi)的時間輸出，以圖文方式展示夾角范圍內(nèi)潮流的時間段等，方便用戶快速的選取某個日期進出航道的最佳時段。

報表自動化生成打印，基于預(yù)報表格模板，利用定點潮汐、潮流預(yù)報數(shù)據(jù)完成潮汐、潮流預(yù)報表的自動化生成及打印功能，如圖6為關(guān)聯(lián)潮流點（百地年5萬噸級LPG碼頭）對應(yīng)的潮流預(yù)報月報表。

圖3 關(guān)聯(lián)潮位點（中油碼頭）對應(yīng)的潮汐預(yù)報過程Fig.3 Tide forecasting process at the associated tidal site（CNPC wharf）

圖4 關(guān)聯(lián)潮位點（百地年5萬噸級LPG碼頭）對應(yīng)的潮流預(yù)報過程Fig.4 Tidal current forecasting process at the associated tidal site（Baidinian 50 000t LPG wharf）

2.3.2 重要港區(qū)流場預(yù)報 重要港區(qū)流場預(yù)報又分為重要港區(qū)流場預(yù)報、航線繪制。重要港區(qū)流場預(yù)報以寧波舟山港區(qū)的電子地圖為基礎(chǔ)，利用流場預(yù)報數(shù)據(jù)進行可視化界面開發(fā)，結(jié)合地圖對重要港區(qū)進行多層的二維潮流預(yù)報的展示，通過選擇層次，在重要港區(qū)疊加此層的流場預(yù)報，并通過顏色的深淺及箭頭方向、等值線等方式直觀地展示流速流向數(shù)值預(yù)報計算結(jié)果。通過鼠標(biāo)瀏覽，自動捕捉并顯示流場中的任意網(wǎng)格點的流速流向預(yù)報值，如圖7所示。

航線繪制以寧波舟山港區(qū)的電子地圖為基礎(chǔ)，基于流場預(yù)報圖，實現(xiàn)航線定制功能，通過交互式繪圖繪制航線，并能顯示航線上的經(jīng)緯度。

2.4 海上搜救輔助決策模塊

結(jié)合地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)和實時風(fēng)場、水動力數(shù)據(jù)，根據(jù)事故發(fā)生的時間、位置、預(yù)報時效和落水人員或無動力船只等海上目標(biāo)物等參數(shù)，自動調(diào)用已有的搜救預(yù)報模型對海上目標(biāo)物漂移軌跡進行預(yù)報，并將預(yù)測軌跡以及搜索范圍動態(tài)展現(xiàn)在GIS地圖上；動態(tài)顯示預(yù)報軌跡點上大氣海洋環(huán)境預(yù)報數(shù)據(jù)信息；自動調(diào)用和展示事故海域未來3 d的海浪、水溫、海流等海洋環(huán)境要素的數(shù)值預(yù)報；疊加展示大（海）面風(fēng)場、浪場、流場數(shù)值預(yù)報和經(jīng)驗預(yù)報；自動生成、保存及推送預(yù)報單，內(nèi)容包括漂移軌跡及周邊的風(fēng)、浪、流、溫等海洋水文動力環(huán)境預(yù)報數(shù)據(jù)；提供GIS操作、軌跡回放功能；支持在地圖上添加標(biāo)注、繪制線條、繪制范圍；點擊標(biāo)注彈出信息窗口，包含事故地點、發(fā)現(xiàn)地點、經(jīng)緯度等相關(guān)信息。支持線條繪制或?qū)⒁阎囊粭l路徑導(dǎo)入到系統(tǒng)中，方便和預(yù)測路徑對比，支持繪制搜救范圍可能影響地區(qū)等區(qū)域的繪制功能［5-6］。提供寧波海域歷史遇險人員、船只事故的查詢、統(tǒng)計功能，為有關(guān)部門提供海上遇險船只、落水人員的搜救輔助決策依據(jù)，如圖8為2019年1月1日蝦峙門沉船事故落水人員的漂流軌跡預(yù)報圖。

圖5 白石山淺段乘潮預(yù)報Fig.5 Riding tide forecasting at the shallow section of Baishishan

圖6 關(guān)聯(lián)潮流點（百地年5萬噸級LPG碼頭）對應(yīng)的潮流預(yù)報月報表Fig.6 Monthly report of tidal current forecasting at the associated tidal site（Baidinian 50 000t LPG wharf）

2.5 海上溢油及化學(xué)品輔助決策模塊

圖7 寧波重要港區(qū)數(shù)值預(yù)報展示Fig.7 Display of numerical forecasting on key port areas of Ningbo

圖8 蝦峙門沉船事故落水人員漂移軌跡預(yù)報Fig.8 Drift trajectory forecasting of man overboard in the wreck accident in Xiazhimen

系統(tǒng)根據(jù)溢油（或化學(xué)品泄漏）事故發(fā)生時間、位置、溢油量（化學(xué)品泄漏量）、油品（化學(xué)品）等初始條件，自動調(diào)取海上溢油及化學(xué)品漂移擴散模型，開展溢油（化學(xué)品）漂移軌跡、擴散范圍、風(fēng)化過程的快速預(yù)測，事故期間可根據(jù)最新獲取的溢油（化學(xué)品）面積、位置等信息修正模型初始條件，并將預(yù)測結(jié)果顯示在GIS地圖上。支持對漂移擴散路徑進行拖曳修正，避免經(jīng)過陸地現(xiàn)象。支持將生成的漂移路徑保存為GIF格式。支持在地圖上添加標(biāo)注，點擊標(biāo)注彈出信息窗口，包含事故地點、發(fā)現(xiàn)地點、經(jīng)緯度等相關(guān)信息。支持線條繪制或?qū)⒁阎囊粭l路徑導(dǎo)入到系統(tǒng)中，方便和預(yù)測路徑對比，支持繪制搜救范圍可能影響地區(qū)等區(qū)域的繪制功能［7-9］。系統(tǒng)自動生成和保存預(yù)報單，包括漂移軌跡及周邊的風(fēng)、浪、流、海溫等海洋水文動力環(huán)境預(yù)報數(shù)據(jù)（圖9為2018年5月1日舟山溢油測試中原油漂移軌跡預(yù)報圖），并將做好的預(yù)報單通過郵件或彩信的方式發(fā)送給指定用戶。

建立溢油（化學(xué)品泄漏量）事故數(shù)據(jù)庫、應(yīng)急資源數(shù)據(jù)庫，提供寧波海域歷史發(fā)生的溢油（化學(xué)品泄漏量）事故、應(yīng)急資源的錄入、查詢和統(tǒng)計功能。自動調(diào)用和展示事故海域水文氣象要素數(shù)據(jù)預(yù)報。

圖9 2018年5月1日舟山溢油測試中原油漂移軌跡預(yù)報Fig.9 Drift trajectory forecasting of oil in an oil spill test on May 1，2018 in Zhoushan

2.6 海洋環(huán)境預(yù)警信息模塊

海區(qū)大面風(fēng)浪經(jīng)驗預(yù)報：以圖表方式，提供常規(guī)的浙北海域（包括杭州灣、寧波北部海域、南部海域和外部海域）未來3 d的海面風(fēng)浪預(yù)報信息。

海區(qū)大面數(shù)值預(yù)報：以圖像和動畫的方式，提供浙江海域未來3 d的大面海流、海浪數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，如圖10所示。

海洋災(zāi)害預(yù)警信息：以文本的形式提供最新的海浪、風(fēng)暴潮預(yù)警信息。

根據(jù)用戶需求進行預(yù)報單定制，包括預(yù)報時段、預(yù)報要素、預(yù)報區(qū)域等，最后通過平臺、傳真或短信等方式進行發(fā)布和推送。

2.7 系統(tǒng)管理模塊

包括用戶管理、權(quán)限管理、日志管理、功能管理。

①用戶管理。系統(tǒng)提供訪問用戶新增、刪除、停用以及權(quán)限分組的管理功能。數(shù)據(jù)庫中存儲用戶的基本信息以及用戶針對各系統(tǒng)的選項配置表，在各欄目中存儲用戶針對應(yīng)用的詳細信息及權(quán)限控制列表，便于用戶的管理。②權(quán)限管理。系統(tǒng)設(shè)計提供用戶名、密碼、驗證碼登錄方式，同時進行用戶的權(quán)限分級，不同的權(quán)限擁有不同的操作權(quán)限，每個用戶只能在自己權(quán)限內(nèi)進行操作，而不能進行超越權(quán)限外的操作。各用戶單位根據(jù)各自權(quán)限，獲取關(guān)注區(qū)域的觀測預(yù)報信息。③日志管理。提供系統(tǒng)應(yīng)用操作、訪問等日志的管理功能。日志管理便于管理員及時了解系統(tǒng)的操作及運行情況，包括：系統(tǒng)維護記錄、后臺訪問記錄、系統(tǒng)運行狀態(tài)記錄等，為系統(tǒng)的管理提供參考依據(jù)。④功能配置。系統(tǒng)能根據(jù)用戶實際需求靈活增刪需要提供服務(wù)的預(yù)報產(chǎn)品，能對信息平臺的界面和功能進行配置，能對預(yù)報產(chǎn)品的Web前臺表現(xiàn)形式進行選擇。

2.8 系統(tǒng)應(yīng)用效果

系統(tǒng)已在寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站平穩(wěn)運行了6個多月，各項專題服務(wù)及時準(zhǔn)確，界面直觀，操作方便，預(yù)報產(chǎn)品得到相關(guān)部門的一致好評。潮汐潮流精細化預(yù)報產(chǎn)品給寧波舟山港碼頭大型船舶的安全引航和靠離泊作業(yè)提供重要技術(shù)保障，海上搜救輔助決策漂移軌跡預(yù)測產(chǎn)品為寧波涉海涉漁等部門處置今年發(fā)生的幾起海上突發(fā)性事件提供了及時、準(zhǔn)確的預(yù)報信息。例如：受1808號臺風(fēng)“瑪利亞”風(fēng)浪影響，2018年7月10日22：30左右，一艘“三無”船舶在寧波市象山縣檀頭山島東面海域（29°14′00″N，122°04′10″E）上遇險，11人落水。7月11日至12日寧波市海洋預(yù)報臺通過本系統(tǒng)為市“三防”辦、市漁政支隊、象山縣連續(xù)提供2 d的落水人員漂移軌跡預(yù)報圖（圖11），預(yù)報圖中的預(yù)測起點是：2018年7月10日22：20（位置：29°14′00″N，122°04′10.20″E），預(yù)測終點為2018年7月12日18：20（位置：29°08′46.80″N，122°01′53.76″E），從圖11可以看出，整個預(yù)測結(jié)果總體圍繞在檀頭山島，在黃金搜救時間中，搜救船只根據(jù)漂移軌跡預(yù)報圖的軌跡開展針對性的搜查，最終就在漂移軌跡預(yù)報點位置——檀頭山島附近救起7人，發(fā)現(xiàn)2具尸體。

圖10 寧波海域海洋環(huán)境預(yù)警報Fig.10 Early warning of the marine environment in Ningbo

圖11 寧波象山檀頭山島東面落水人員漂移軌跡預(yù)報圖Fig.11 Drift trajectory forecasting of man overboard to the east of Tantoushan Island，Xiangshan，Ningbo

3 結(jié)論

利用計算機軟件開發(fā)技術(shù)、地理信息技術(shù)、信息管理和可視化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)和構(gòu)建基于GIS的海洋專題保障綜合信息服務(wù)平臺，具有調(diào)用迅速、界面友好美觀、分辨率高、易管理、查詢與統(tǒng)計功能靈活完善、數(shù)據(jù)更新和維護簡便、系統(tǒng)升級容易等特點，生成的定時、定量、定點專業(yè)服務(wù)產(chǎn)品功能完善，預(yù)報準(zhǔn)確度高，為地方海洋管理部門、海事部門、引航部門、港口碼頭業(yè)方等單位提供切實有效的預(yù)報服務(wù)及決策支持，為寧波海洋經(jīng)濟發(fā)展提供支撐和保障。