海洋技术 ▏一种通用的海洋环境监测系统设计方法.docVIP

知识的力量Tel 所有页眉页脚均可轻松去除 海洋技术 ▏一种通用的海洋环境监测系统设计方法 随着传感器技术、网络技术以及海洋科学技术的发展，越来越多的监测仪器部署于规划海域，对海域的海洋环境状态进行监测，构成了海洋环境监测网络的硬件环境。监测仪器利用携带的传感器采样不同的海洋环境参数并转换成数字形式的数据，然后对监测数据进行集成、处理及分析，可以为气候变化、海洋运输等领域的应用提供数据支持以及决策依据。 近年来，不同的海洋组织针对海洋环境监测系统开发开展了一系列研究，并形成了针对不同应用的开发工具及资源。然而，这些工具大都是专用且高度集成的，不具有通用性，无法在其他的海洋监测系统中进行复用，原因在于：在数据采集过程中，由于需要利用仪器专有的命令集与其进行交互，数据采集程序通常与仪器通信协议紧密耦合；在使用不同类型仪器时，需要不断进行修改以适应新协议；在数据存储时，数据库结构缺乏良好的可扩展性，例如，在航测基础数据库中，通常按照CTD等仪器类型分别建立航次表、站位表、海面数据表、水体实测层以及水体标准层数据表，并添加相应的海洋环境参数作为表的字段；在采用新的监测仪器或平台时，需要增加相应的表，且在监测参数发生变化时需要更改相应表的结构；另外，尽管现在已有Suffer、Hydro、Desktop、ODV等多种可视化显示与分析工具，但无法抽取其中的功能满足特定的系统需求，导致开发效率较低。 针对上述问题，本文提出一种通用的海洋环境监测系统设计方法，分别介绍了采集层、数据层以及应用层采用的关键技术，复用已有的工具及资源，解决了多源异构数据的获取以及客户端软件的快速生成问题。该方法已在基于IEEE P2402 标准展开应用，并通过多个海洋监测应用案例中对该方法的有效性及可行性进行了验证。 1、海洋环境监测系统层次架构 图1显示了海洋环境监测系统层次架构，自下而上分为采集层、数据层与应用层，囊括了从监测数据采集到可视化分析展示整个过程，下面简要描述各层的作用及层间关系。 在采集层中，监测数据来自不同的源，这些监测源采用不同的监测方式，产生的数据结构也不尽相同。监测数据可以来自具体的物理监测设备，依靠其携带的传感器对海洋环境参数进行测量，并通过具体的协议命令与设备进行交互获取数据值；监测数据可以来自分析过程，通过将水样取回，在实验室中进行分析得到结果；监测数据可以来自数值模型，利用具体算法对已有的监测数据进行二次计算得到；这些数据通常以文件的形式存储结果，不同的系统其文件格式及内部数据结构都不一致，需要根据提交的文件编写数据解析程序。 数据层需要对来自多个监测源的不同结构的数据进行集成存储，对数据进行质量控制，添加数据使用时所必需的元数据；另外，数据层还应存储：通过对某一专题范围内的监测数据进行分析整理形成产品数据；支撑区域系统运行与管理的各种业务化数据；支持基于地理信息的监测数据处理的地图/图像数据。由于海洋监测具有持续时间长、范围大、监测参数多等特点，数据库结构应具有良好的可扩展性，能够以较少的更改适应监测系统需求的变化，能够向应用层提供快速查询响应、数据导入导出等服务。 利用数据层提供的服务，应用层能够方便地获取监测数据，利用各种工具对数据进行分析与处理，以支持海洋预报、防灾减灾、环境保护领域的各种应用。应用层的工具在功能上具有相似性，通常都具有监测数据的可视化功能、基于地理信息系统的显示功能、基于多种查询条件的数据有哪些信誉好的足球投注网站功能。 2、基于配置的数据获取 由于采集的数据来自多监测源，且监测数据具有不同结构，本节首先对监测过程进行抽象，并提取出关键对象。 图2显示了对象之间的关系，责任对象即不同的海洋观测部门，负责监测项目的规划和方法对象的部署；方法对象指监测仪器及传感器，通过方法对象能够了解对监测对象的采样方式；监测对象指不同的海域，通常用站位进行表示，指明了监测发生的地点；感知对象指明了监测海域的不同海洋参数，并产生结果对象；结果对象负责记录针对不同参数产生的测量值。 在监测过程中，由于责任对象及方法对象较为固定，从监测数据中主要提取监测对象、感知对象以及结果对象信息，设计标准数据序列结构(时间，站位标识符，参数标识符，采样值，质量标识符)。数据采集程序通过对数据流及数据文件中的信息进行提取，并转换成标准数据序列，实现对多源异构数据的统一管理。 为了向上层屏蔽多源数据异构性，将数据采集程序分离并开发成相对独立的模块，能够有效地减少由于监测环境的改变对整个监测系统的影响，其结构如图3所示。一方面，采集程序直接从仪器收集采样数据值，对数据进行处理，并向上层提供标准的数据序列。采集程序周期性地与仪器通信进行数据收集，建立连接，发送命令及取回数据，这些操作都封装在采集函数中。针对已有的仪器，开发人员可复用已有采集函数；针对新类型的仪器，需要根据