空天地海一體化海洋監(jiān)測(cè)體系研究＊

李曉威，范儒彬，馬榮華，葉成瑤，陳小云，陳升敬，謝宏堅(jiān)，呂建明

（1.廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510440；2.廣州賦安數(shù)字科技有限公司，廣東 廣州 510610；3.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510006）

對(duì)海洋立體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、分析和利用，不僅可以推動(dòng)海洋相關(guān)科學(xué)研究，也能夠?qū)Ω魃a(chǎn)應(yīng)用部門提供可靠的數(shù)據(jù)支持，例如海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)部門、海洋災(zāi)難預(yù)警預(yù)報(bào)部門、國(guó)防安全部門、海洋個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域等。目前世界各國(guó)都加大了對(duì)海洋監(jiān)測(cè)的投入力度，中國(guó)也在“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的號(hào)召下，逐年增加針對(duì)海洋要素立體監(jiān)測(cè)及海洋大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用等領(lǐng)域的投入和政策扶持。

當(dāng)前，中國(guó)已初步建立覆蓋管轄海域的海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。但在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)、信息集成應(yīng)用、監(jiān)測(cè)能力建設(shè)等方面還存在一定不足。針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)所存在的問題，本文提出空天地海一體化監(jiān)測(cè)體系，以實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)效用最大化。具體而言，該體系具有如下特色：①綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、海岸視頻監(jiān)控、監(jiān)測(cè)浮標(biāo)、岸基監(jiān)測(cè)站等空、天、地、海立體監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)海洋數(shù)據(jù)的多層次、異步、流式融合；②基于數(shù)字地球技術(shù)實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空天地海可視化立體呈現(xiàn)；③運(yùn)用人工智能分析算法實(shí)現(xiàn)多模態(tài)海洋時(shí)空數(shù)值分析模型和多尺度異常可視事件檢測(cè)模型，通過多模態(tài)自監(jiān)督優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)模型的自適應(yīng)持續(xù)優(yōu)化；④針對(duì)水文要素監(jiān)測(cè)、地理要素監(jiān)測(cè)、海洋赤潮監(jiān)測(cè)等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的融合應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)外海洋監(jiān)測(cè)體系的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近幾年，中國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)得到迅速的發(fā)展，衛(wèi)星遙感、海上浮標(biāo)、自動(dòng)驗(yàn)潮儀、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、高清視頻監(jiān)控等技術(shù)設(shè)備被廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中，大幅提高政府管理部門對(duì)海洋環(huán)境信息的獲取能力[1-3]。以天基、空基、?；?、岸基4 個(gè)維度構(gòu)建的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，保證了海洋環(huán)境數(shù)據(jù)獲取的全面性和準(zhǔn)確性[4]。

目前中國(guó)已形成了國(guó)家、海區(qū)、省、市、縣5 級(jí)海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，截至2016 年，中國(guó)已建有海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)235 個(gè)，其中國(guó)家機(jī)構(gòu)94 個(gè)（國(guó)家監(jiān)測(cè)中心1 個(gè)、海區(qū)監(jiān)測(cè)中心3 個(gè)、中心站17 個(gè)、海洋站73 個(gè)），地方機(jī)構(gòu)141 個(gè)（省級(jí)16 個(gè)、地級(jí)市44 個(gè)、縣級(jí)81 個(gè)）[5]。

中國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)分為起步、發(fā)展和提升3 個(gè)階段。

1.1.1 起步階段

從1978 年第一次海洋污染監(jiān)測(cè)到1984 年“全國(guó)海洋污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)”的建立是中國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的起步階段。通過對(duì)近海海域海洋監(jiān)測(cè)的調(diào)查，為中國(guó)沿海城市了解海洋污染情況，以及相關(guān)部門對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的管理和決策提供了依據(jù)。

1.1.2 發(fā)展階段

1983 年《中華人民共和國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)法》正式生效，中國(guó)海洋環(huán)境保護(hù)工作進(jìn)入了一個(gè)新的階段。1984 年“全國(guó)海洋污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)”成立大會(huì)在天津召開，“全國(guó)海洋污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)”將全國(guó)有關(guān)海洋污染監(jiān)測(cè)的工作進(jìn)行了統(tǒng)一，形成統(tǒng)一的工作方案和技術(shù)要求，使海洋污染監(jiān)測(cè)的分析測(cè)試方法保持一致，為全面了解和整體評(píng)價(jià)中國(guó)海洋的污染狀況提供了條件。

通過長(zhǎng)年對(duì)海洋環(huán)境管理工作的全面開展，提高了海洋環(huán)境管理工作的效率，使中國(guó)海洋環(huán)境管理工作邁入了新的臺(tái)階，同時(shí)為之后中國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.1.3 提升階段

中國(guó)利用遙感衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、監(jiān)測(cè)浮標(biāo)、岸基監(jiān)測(cè)站等技術(shù)手段，構(gòu)建了海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，組建了“全國(guó)海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)”。此監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立改變了長(zhǎng)期以人工操作為主的操作手段，實(shí)現(xiàn)了海洋監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化，同時(shí)將開展海洋自然環(huán)境監(jiān)測(cè)工作和掌握海洋環(huán)境狀況工作有機(jī)結(jié)合起來(lái)，對(duì)中國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的提高起到了積極的促進(jìn)作用，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)空天地海一體化海洋監(jiān)測(cè)體系的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

從20 世紀(jì)60 年代末開始，國(guó)外相繼開發(fā)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)。70 年代末，污染傳感器和污染監(jiān)測(cè)技術(shù)有了較大的發(fā)展，為了提高水文氣象浮標(biāo)的利用率，研究污染與水文氣象環(huán)境的關(guān)系，美國(guó)、挪威和俄羅斯在水文氣象浮標(biāo)上增加了水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，成為了水文氣象水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，如美國(guó)EB52 型浮標(biāo)、挪威TOBIS 浮標(biāo)、俄羅斯ACK-3000 浮標(biāo)都進(jìn)行了海洋環(huán)境污染方面的改進(jìn)[6]。

在20 世紀(jì)80 年代初，美國(guó)就發(fā)展了海岸海洋自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)（CMAN）。80 年代末，挪威和德國(guó)在歐共體尤里卡海洋計(jì)劃（EUROMAR）的支持下，分別開發(fā)了SEAWATCH 系統(tǒng)和MERMAID 系統(tǒng)，其中SEAWATCH 系統(tǒng)由超小型的海上TOBIS 浮標(biāo)和陸上數(shù)據(jù)處理中心組成，這是一個(gè)適用于地區(qū)性海洋環(huán)境預(yù)報(bào)服務(wù)的實(shí)用系統(tǒng)；MERMAID 系統(tǒng)是一個(gè)模塊結(jié)構(gòu)的全自動(dòng)海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因該系統(tǒng)是模塊式結(jié)構(gòu)，所以可以通過拼裝，集成為適用于岸站、平臺(tái)、浮標(biāo)、船舶等不同觀測(cè)平臺(tái)和不同觀測(cè)目的的觀測(cè)系統(tǒng)[7]。

20 世紀(jì)末，美國(guó)、日本、法國(guó)等國(guó)家推出全球性海洋觀測(cè)計(jì)劃，旨在全球大洋中放置3 000 個(gè)剖面浮標(biāo)，組成一個(gè)全球海洋觀測(cè)網(wǎng)，同時(shí)借助衛(wèi)星定位和通訊系統(tǒng)，快速大范圍獲取海洋資料數(shù)據(jù)[8]。

1.3 中國(guó)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)體系存在的問題

1.3.1 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)內(nèi)容不完善

中國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的作用是對(duì)中國(guó)人為活動(dòng)影響區(qū)域的海洋環(huán)境質(zhì)量、海洋生態(tài)健康狀況和赤潮、海岸帶地質(zhì)災(zāi)害等進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[9]。中國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域小，主要是近岸及近海海域，尚未完全覆蓋所有管轄海域，遠(yuǎn)海監(jiān)測(cè)能力不足、立體化程度不高。在海上關(guān)鍵島嶼、重要戰(zhàn)略支點(diǎn)等重要區(qū)域還未形成監(jiān)測(cè)體系，無(wú)法及時(shí)獲取重要區(qū)域的海洋生態(tài)健康狀況。

1.3.2 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)管理協(xié)調(diào)機(jī)制不完善

首先，自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等多部委的近岸監(jiān)測(cè)區(qū)域存在交叉重復(fù)；其次，由于部門之間的相對(duì)獨(dú)立，使得海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目重復(fù)建設(shè)；另外，各部委之間監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，監(jiān)測(cè)設(shè)備、人員、分析方法不同導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所反映的信息也存在差異，數(shù)據(jù)很難在各機(jī)構(gòu)之間互通有無(wú)、共享利用，影響了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)效能的最大發(fā)揮[10]?，F(xiàn)有法律法規(guī)并沒有明確對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)間的協(xié)調(diào)機(jī)制做出明確的規(guī)定，從而在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)踐中容易造成各部門單一考慮自身需求的問題，進(jìn)而造成各監(jiān)測(cè)管理職能和職責(zé)分散、交叉與重疊。

1.3.3 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)能力薄弱

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)能力薄弱主要表現(xiàn)在以下2 方面：①監(jiān)測(cè)人員專業(yè)技能不高。海上工作環(huán)境艱苦惡劣，監(jiān)測(cè)人員普遍缺乏海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，而且資金待遇不高，從而限制了監(jiān)測(cè)人才隊(duì)伍的建設(shè)?，F(xiàn)今沿海城市的監(jiān)測(cè)部門發(fā)展迅速，但是大多數(shù)員工未經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，也沒有接觸過相關(guān)的監(jiān)測(cè)手段，對(duì)許多監(jiān)測(cè)手段不了解，無(wú)法提供有效的改進(jìn)手段；而且在偏遠(yuǎn)艱苦地區(qū)，監(jiān)測(cè)人員十分缺乏，且大多數(shù)監(jiān)測(cè)人員存在知識(shí)陳舊、專業(yè)技能較低等不足[5]。②監(jiān)測(cè)設(shè)備不足。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作主要是對(duì)海水、大氣和水文地質(zhì)進(jìn)行勘察，而監(jiān)測(cè)環(huán)境往往比較惡劣，故障率高、設(shè)備成本及運(yùn)行成本較高。經(jīng)費(fèi)不足長(zhǎng)久以來(lái)制約了中國(guó)監(jiān)測(cè)設(shè)備升級(jí)，影響了監(jiān)測(cè)工作的進(jìn)步。中國(guó)雖然逐步增加了在海洋監(jiān)測(cè)方面的投資，但與滿足海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)發(fā)展的實(shí)際需求還有很大的一段距離。同時(shí)，由于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備技術(shù)的發(fā)展尚不成熟，監(jiān)測(cè)設(shè)備普遍存在準(zhǔn)確度低、故障率高和使用壽命短等問題。

2 空天地海一體化海洋監(jiān)測(cè)體系設(shè)計(jì)

2.1 總體目標(biāo)

對(duì)于上述存在的主要問題，面向海洋智能信息化和全方位監(jiān)測(cè)，提出了空天地海一體化海洋監(jiān)測(cè)體系，立足大數(shù)據(jù)、人工智能、空間地理信息技術(shù)，深度挖掘多模態(tài)海洋監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)多尺度、多層面的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。具體而言，該體系包含以下4 個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)：①綜合運(yùn)用衛(wèi)星遙感（天）、無(wú)人機(jī)航拍（空）、海岸視頻監(jiān)控（地）、監(jiān)測(cè)浮標(biāo)（海）等多模態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效、可擴(kuò)展的多源異構(gòu)海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、清洗、對(duì)齊、特征抽取和分析。②充分發(fā)揮多模態(tài)海洋數(shù)據(jù)的聯(lián)合效用，實(shí)現(xiàn)基于多尺度時(shí)空分析技術(shù)的多源海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深度關(guān)聯(lián)和跨層推理，并基于數(shù)字地球技術(shù)實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空天地海可視化立體呈現(xiàn)。③基于多模態(tài)自監(jiān)督優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)模型的自適應(yīng)持續(xù)優(yōu)化，提高對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)能力。④實(shí)現(xiàn)空天地海一體化示范應(yīng)用。針對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海岸線監(jiān)測(cè)等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，充分融合衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)航拍、海岸視頻監(jiān)控、岸基監(jiān)測(cè)、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)等多模態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的實(shí)際融合應(yīng)用。

2.2 應(yīng)用場(chǎng)景分析

空天地海一體化海洋監(jiān)測(cè)體系主要研究海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海岸線監(jiān)測(cè)等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，該體系充分融合衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)航拍、海岸視頻監(jiān)控、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)等多模態(tài)數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)資源的實(shí)際融合應(yīng)用，并重點(diǎn)研究跨模態(tài)數(shù)據(jù)之間的協(xié)同工作。其中，應(yīng)用場(chǎng)景包括水文要素監(jiān)測(cè)、地理要素監(jiān)測(cè)和海洋赤潮監(jiān)測(cè)。

水文要素監(jiān)測(cè)：海洋水文要素對(duì)海上活動(dòng)影響很大。主要研究?jī)?nèi)容包括利用海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流場(chǎng)、海霧、海表溫度、海面風(fēng)場(chǎng)、海洋水色、有效波高、洋面風(fēng)場(chǎng)、洋面風(fēng)場(chǎng)矢量、海面大氣水汽含量、海上氣溶膠、海冰、葉綠素質(zhì)量濃度等20 多種要素因子以及長(zhǎng)時(shí)間序列變化預(yù)測(cè)和異常分析，并在此基礎(chǔ)上建立全海洋區(qū)域重點(diǎn)海域高時(shí)間分辨率、高空間分辨率的海洋水文要素監(jiān)測(cè)。

地理要素監(jiān)測(cè)：根據(jù)中國(guó)海域海岸線及海島礁區(qū)域測(cè)區(qū)形狀不規(guī)則、水域覆蓋面積占比多、地形地貌復(fù)雜等特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)海岸線、海島、潮間帶、港口碼頭、違規(guī)建筑的監(jiān)測(cè)，以及海洋功能區(qū)規(guī)劃等功能，檢測(cè)重點(diǎn)地區(qū)海岸、島礁和重點(diǎn)海域，并結(jié)合人工復(fù)核的結(jié)果，對(duì)監(jiān)控監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)。

海洋赤潮監(jiān)測(cè)：針對(duì)引發(fā)赤潮的主要因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)遙感、監(jiān)控視頻、浮標(biāo)探測(cè)等技術(shù)手段，對(duì)發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)判，為海洋赤潮災(zāi)害應(yīng)急提供數(shù)據(jù)和決策支持。

2.3 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空天地海一體化海洋監(jiān)測(cè)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示，具體包含以下5 個(gè)層面。

2.3.1 數(shù)據(jù)源層

在廣域性數(shù)據(jù)獲取方面，利用高分衛(wèi)星和多源衛(wèi)星進(jìn)行大面積、常態(tài)化、持續(xù)性監(jiān)測(cè)。在微觀層面上，通過海上浮標(biāo)監(jiān)測(cè)海水狀況動(dòng)態(tài)變化；針對(duì)局部區(qū)域，通過海岸視頻監(jiān)控進(jìn)行探測(cè)和自動(dòng)識(shí)別；針對(duì)特定重點(diǎn)目標(biāo)或重點(diǎn)事件，采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)性、機(jī)動(dòng)性、三維化監(jiān)測(cè)。

2.3.2 數(shù)據(jù)接入層

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的訪問接入，其中包括視頻、網(wǎng)頁(yè)、應(yīng)用系統(tǒng)等類型的外部應(yīng)用接入。

2.3.3 數(shù)據(jù)處理層

采用分布式系統(tǒng)架構(gòu)支持對(duì)海量數(shù)據(jù)的高效處理和分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析服務(wù)及數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能，并提供多維分析引擎、分布式查詢引擎，支持靈活的多維分析。對(duì)于接入系統(tǒng)的空、天、地、海4 個(gè)方面的不同來(lái)源、不同格式的海洋大數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、加載處理，為后續(xù)的特征處理、數(shù)據(jù)融合、算法研究、模型訓(xùn)練等研究工作和具體業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3.4 支撐層

主要構(gòu)建系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用功能和AI 應(yīng)用功能。業(yè)務(wù)應(yīng)用功能包括提供數(shù)據(jù)上傳、時(shí)空數(shù)據(jù)查詢、后臺(tái)服務(wù)管理、服務(wù)發(fā)布、數(shù)據(jù)預(yù)覽、智能服務(wù)檢索、元數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理、運(yùn)維統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)配置等功能，AI 應(yīng)用功能包括圖像識(shí)別、水色識(shí)別、視角對(duì)齊、圖像生成、數(shù)據(jù)推演和多模態(tài)預(yù)測(cè)等功能。

2.3.5 應(yīng)用層

主要研究根據(jù)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海岸線監(jiān)測(cè)等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，充分融合衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)航拍、海岸視頻監(jiān)控、監(jiān)測(cè)浮標(biāo)等多模態(tài)數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)資源的實(shí)際融合應(yīng)用，并重點(diǎn)研究跨模態(tài)數(shù)據(jù)之間的協(xié)同工作。

2.4 功能設(shè)計(jì)

空天地海一體化海洋監(jiān)測(cè)體系的主要功能包括3大方面，分別為水文要素監(jiān)測(cè)、地理要素監(jiān)測(cè)和海洋赤潮監(jiān)測(cè)。其功能設(shè)計(jì)如圖2 所示，效果圖如圖3 所示。

圖2 空天地海一體化海洋監(jiān)測(cè)體系功能設(shè)計(jì)

圖3 空天地海一體化海洋監(jiān)測(cè)體系效果圖

空天地海一體化海洋監(jiān)測(cè)體系的主要功能如下：①顯示模塊。該模塊主要包括顯示監(jiān)控視頻、無(wú)人機(jī)視頻、無(wú)人機(jī)日志、綜合預(yù)警事件、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的異常變化情況和真實(shí)與預(yù)測(cè)情況對(duì)比。②點(diǎn)位信息展示。通過點(diǎn)擊任意一個(gè)站點(diǎn)，顯示該站點(diǎn)的詳細(xì)信息，包括浮標(biāo)站點(diǎn)信息、浮標(biāo)異常點(diǎn)信息、監(jiān)控點(diǎn)信息和監(jiān)控異常點(diǎn)信息。③數(shù)據(jù)展示。主要對(duì)監(jiān)控視頻、浮標(biāo)和無(wú)人機(jī)視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)分析操作，并將分析結(jié)果進(jìn)行展示。④浮標(biāo)反演數(shù)據(jù)渲染。利用有限的浮標(biāo)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，可反演出海洋覆蓋范圍內(nèi)任意位置的預(yù)測(cè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)信息，并通過熱力圖展示，同時(shí)利用渲染播放功能清晰且直觀地查看到浮標(biāo)數(shù)據(jù)的走勢(shì)變化。⑤統(tǒng)計(jì)模塊。統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)的預(yù)警事件，預(yù)警事件統(tǒng)計(jì)包括某監(jiān)控點(diǎn)的預(yù)警事件統(tǒng)計(jì)和一段時(shí)間的預(yù)警事件統(tǒng)計(jì)。其中，某監(jiān)控點(diǎn)的預(yù)警事件統(tǒng)計(jì)可通過列表選點(diǎn)和地圖選點(diǎn)的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意所選監(jiān)控點(diǎn)位的預(yù)警事件的統(tǒng)計(jì)，并以折線圖的形式展示；以柱狀圖的形式顯示所有監(jiān)控點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的預(yù)警事件統(tǒng)計(jì)，默認(rèn)統(tǒng)計(jì)最近一個(gè)月內(nèi)的預(yù)警事件。⑥視頻反演渲染。利用監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，模擬生成遙感影像圖，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遙感動(dòng)態(tài)。⑦地圖、監(jiān)控、無(wú)人機(jī)視角對(duì)接。將地圖與監(jiān)控、地圖與無(wú)人機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，點(diǎn)擊任意一個(gè)異常點(diǎn)，即可調(diào)用相應(yīng)的視頻。

2.5 核心算法

多源多模態(tài)數(shù)據(jù)的智能分析與關(guān)聯(lián)方法是本文所提出的立體監(jiān)測(cè)體系的核心關(guān)鍵。涉及的算法包括目標(biāo)檢測(cè)算法、多模態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)齊算法、浮標(biāo)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的融合反演算法以及監(jiān)控視頻和遙感數(shù)據(jù)的融合反演算法。下面對(duì)這些算法進(jìn)行簡(jiǎn)要的描述。

2.5.1 目標(biāo)檢測(cè)算法

針對(duì)重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行非法行為的違法目標(biāo)識(shí)別，包括船只、施工人員、挖掘機(jī)、推土機(jī)、活動(dòng)板房等，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的違法目標(biāo)的識(shí)別和判斷。

2.5.2 多模態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)齊算法

經(jīng)語(yǔ)義分割后得到圖像塊信息，抽取每個(gè)圖像塊的全局特征，然后結(jié)合每個(gè)圖像塊的類別標(biāo)簽和位置的相對(duì)性，并利用匈牙利匹配方法，建立監(jiān)控畫面和遙感圖像中圖像塊之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面和遙感圖像精確的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜成像條件下圖像的快速、精確配準(zhǔn)。

2.5.3 浮標(biāo)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的融合反演算法

利用海洋浮標(biāo)的長(zhǎng)期、連續(xù)、全天候和定時(shí)測(cè)量的特點(diǎn)，融合浮標(biāo)數(shù)據(jù)和海洋衛(wèi)星遙感圖像，實(shí)現(xiàn)了遙感圖像的實(shí)時(shí)反演。具體而言，采用長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM），建立時(shí)空數(shù)據(jù)反演模型，同時(shí)在反演模型中引入注意力機(jī)制，從大量信息中迅速地選擇有價(jià)值的信息并重點(diǎn)關(guān)注這些重要信息，提升反演模型效率。

2.5.4 監(jiān)控視頻和遙感數(shù)據(jù)的融合反演算法

首先建立監(jiān)控畫面坐標(biāo)和遙感圖像經(jīng)緯度坐標(biāo)的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控圖像和遙感圖像的對(duì)齊；并通過深度生成網(wǎng)絡(luò)，生成遙感視野中的目標(biāo)圖像，從而實(shí)現(xiàn)基于視頻監(jiān)控的遙感圖像的模擬生成。

3 完善中國(guó)海洋監(jiān)測(cè)體系的建議

針對(duì)中國(guó)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)體系存在的問題，提出了以下3點(diǎn)建議。

3.1 加強(qiáng)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)能力建設(shè)

一方面，吸收海洋生物、水文、地質(zhì)等方面的人才，加強(qiáng)建設(shè)專業(yè)性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)隊(duì)伍；另一方面，重視監(jiān)測(cè)方法的研究，不斷地推出新成果，經(jīng)常開展監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)的交流與培訓(xùn)。

3.2 優(yōu)化海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)內(nèi)容

著重發(fā)展衛(wèi)星遙感技術(shù)、無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)、海岸視頻監(jiān)控技術(shù)、浮標(biāo)監(jiān)測(cè)技術(shù)等立體監(jiān)測(cè)手段，形成海域?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)，結(jié)合本文提出的空天地海一體化立體監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)海洋大數(shù)據(jù)的深度融合、智能分析與應(yīng)用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)海岸、島礁、重點(diǎn)海域和海洋開發(fā)利用功能區(qū)等的監(jiān)測(cè)。

3.3 構(gòu)建統(tǒng)一的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)管理協(xié)調(diào)機(jī)制

由國(guó)家海洋委員會(huì)制定海洋監(jiān)測(cè)規(guī)劃，相關(guān)部門根據(jù)規(guī)劃，制定各自的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作方案；各部門各司其職，在實(shí)際工作中互相溝通、加強(qiáng)協(xié)作，實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)信息統(tǒng)一發(fā)布、監(jiān)測(cè)工作統(tǒng)一管理，形成層次明晰、分工合理、協(xié)調(diào)一致的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作體系。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)中國(guó)現(xiàn)有的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)體系存在的內(nèi)容不完善、管理協(xié)調(diào)機(jī)制不完善、監(jiān)測(cè)能力薄弱等主要問題，本文提出了空天地海一體化立體監(jiān)測(cè)體系?，F(xiàn)今大多數(shù)國(guó)家的單模態(tài)或雙模態(tài)海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)已步入穩(wěn)步發(fā)展的階段，而空天地海多模態(tài)一體化海洋監(jiān)測(cè)體系還有很大的發(fā)展空間，以這一發(fā)展方向作為突破口，可以很大程度地提升中國(guó)海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)水平。

進(jìn)入新時(shí)期，空天地海一體化立體監(jiān)測(cè)體系有望得到大力發(fā)展。在傳統(tǒng)的出海采集數(shù)據(jù)，并通過實(shí)驗(yàn)室分析的基礎(chǔ)上，中國(guó)正向著自動(dòng)監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)拓展，逐步實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)能力的現(xiàn)代化?？梢灶A(yù)見，隨著中國(guó)對(duì)海洋科技的愈發(fā)重視，海洋科技的發(fā)展將對(duì)推動(dòng)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。