各種類型傳感器的應(yīng)用，世界各大IT巨頭對(duì)大數(shù)據(jù)的深度開(kāi)發(fā)，萬(wàn)物物聯(lián)的時(shí)代即將到來(lái)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的迅速發(fā)展，人、機(jī)、物三元世界的高度融合，引發(fā)了數(shù)量模指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量積累到一定程度其資源性愈加凸顯，開(kāi)發(fā)價(jià)值愈加大，大數(shù)據(jù)已深入到生活的方方面面，世界已進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，大數(shù)據(jù)被稱為將引發(fā)生活、工作和思維變革的一次革命。

隨著對(duì)大數(shù)據(jù)研究的深入，大數(shù)據(jù)不僅僅是數(shù)據(jù)“大量化（Volume）”，而且包含了“快速化（Velocity）”“多樣化（Varirty）”和“價(jià)值化（Value）”等多種屬性。大數(shù)據(jù)每年以50％的速度增長(zhǎng)，遵循大數(shù)據(jù)“摩爾定律”，大數(shù)據(jù)具有多維性質(zhì)，而不同維度之間有著天然的聯(lián)系；大數(shù)據(jù)類型多樣，其中只有10％是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，90％為是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與人類密切相關(guān)；目前數(shù)據(jù)從生產(chǎn)到消耗的時(shí)間窗口非常短，為了獲得更多的決策支持，就要求大數(shù)據(jù)的處理速度足夠快；大數(shù)據(jù)是全面而非抽樣的，全信息記錄，使得大數(shù)據(jù)具有價(jià)值密度低、但商業(yè)價(jià)值高的特點(diǎn)。

大數(shù)據(jù)的到來(lái)催生出新的科學(xué)范式，圖靈獎(jiǎng)獲得者Jimgray博士將人類的科學(xué)研究史總結(jié)為4種范式，即實(shí)驗(yàn)研究階段、理論研究階段、計(jì)算研究階段和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研究階段?？梢钥闯觯髷?shù)據(jù)正在引發(fā)科學(xué)研究思維與方法的變革。雖然大數(shù)據(jù)提出較早，但普遍進(jìn)入大眾視野是最近10年才開(kāi)始的，大數(shù)據(jù)技術(shù)已取得了較大的發(fā)展，但也面臨著以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)。 

“大數(shù)據(jù)技術(shù)”顧名思義不難發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)是其根本，數(shù)據(jù)采集是大數(shù)據(jù)技術(shù)的第一步。目前通常采用的數(shù)據(jù)采集技術(shù)是利用ETL工具將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源中的關(guān)系數(shù)據(jù)、平面數(shù)據(jù)文件等，抽取到臨時(shí)中間層后進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、集成，最后加載到數(shù)據(jù)倉(cāng)中，成為聯(lián)機(jī)分析處理、數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)可作為流計(jì)算的輸入，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析。大數(shù)據(jù)多樣化給數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、集成帶來(lái)了挑戰(zhàn)，如何正確地轉(zhuǎn)換和完整的集成是數(shù)據(jù)采集需要面臨的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)追求高度的數(shù)據(jù)一致性和容錯(cuò)性，擴(kuò)展性不足，在面對(duì)非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)能力一般。利用分布式文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、N0SQL數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)果化、半結(jié)構(gòu)化海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。當(dāng)前，已有的存儲(chǔ)技術(shù)的提升較數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)落后很多，設(shè)計(jì)合理的分層存儲(chǔ)架構(gòu)成為大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)鍵。

目前大數(shù)據(jù)處理和分析所采取的關(guān)鍵技術(shù)是利用分布式并行編程和計(jì)算框架，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理和分析。大數(shù)據(jù)的多樣性、多源異構(gòu)性加大了數(shù)據(jù)集成和處理的難度，開(kāi)展大數(shù)據(jù)不同類型格式向標(biāo)準(zhǔn)化格式轉(zhuǎn)化研究，建立大數(shù)據(jù)多源融合體系。

在從大數(shù)據(jù)挖掘潛在的巨大商業(yè)價(jià)值和科學(xué)研究?jī)r(jià)值的同時(shí)，需要關(guān)注數(shù)據(jù)隱私和數(shù)據(jù)安全的問(wèn)題。如何構(gòu)建隱私數(shù)據(jù)保護(hù)體系和數(shù)據(jù)安全體系，有效保護(hù)個(gè)人隱私和數(shù)據(jù)安全是人們更為關(guān)心的問(wèn)題。此外，還有需要面臨的挑戰(zhàn)，如打破數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共事；廣泛的技術(shù)培訓(xùn)，培養(yǎng)大數(shù)據(jù)人才；宣傳大數(shù)據(jù)思維，用大數(shù)據(jù)思維看待問(wèn)題，正確認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法。

地理信息系統(tǒng)（GIS）是海岸帶資源與環(huán)境綜合管理的方便有效的技術(shù)手段，基于海洋的特點(diǎn)，如海水的流動(dòng)性，海水深度明顯的周期變化有別于陸地，有較強(qiáng)的時(shí)間性，海洋地理信息系統(tǒng)（MGIS）需要處理空間和時(shí)間同步的數(shù)據(jù)。

海洋環(huán)境的復(fù)雜多樣，需要綜合管理社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等多樣性數(shù)據(jù)，要求MGIS具有多功能性和智能化的特點(diǎn)。MGIS綜合性地跨學(xué)科融合了海洋學(xué)、遙感、測(cè)繪學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)、社會(huì)學(xué)、生態(tài)學(xué)以及災(zāi)害學(xué)等目前相關(guān)的研究者大多基于自身所在的學(xué)科背景，將MGIS作為一種輔助分析或決策的具來(lái)使用，而將多學(xué)科、多背景系統(tǒng)融合的研究則鮮有研究。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，MGIS將會(huì)迎來(lái)快速而創(chuàng)新性的發(fā)展，使MGIS更廣泛地適應(yīng)海洋科學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)和構(gòu)建“數(shù)字海洋”的信息系統(tǒng)。 

時(shí)空規(guī)律蘊(yùn)含在數(shù)據(jù)之中，集成的數(shù)據(jù)越多，發(fā)掘出規(guī)律的可能性越高。以往的學(xué)者認(rèn)為海洋數(shù)據(jù)包含海洋水文、海泮生態(tài)環(huán)境、海洋氣象氣候、海洋化學(xué)、海洋經(jīng)濟(jì)、海洋物理等方面經(jīng)典的大數(shù)據(jù)。2010年前后以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)為標(biāo)志，開(kāi)啟第三次信息化浪潮，海洋大數(shù)據(jù)已經(jīng)不再限于海洋自然科學(xué)數(shù)據(jù)，與海洋相關(guān)的社會(huì)數(shù)據(jù)，如網(wǎng)絡(luò)社交新媒體等也應(yīng)納入海詳大數(shù)據(jù)的范疇。MGIS與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，使海洋信息數(shù)據(jù)的建庫(kù)和管理向科學(xué)化、便捷化、實(shí)肘化、智能化和應(yīng)用社會(huì)化的方向發(fā)展。

數(shù)據(jù)是運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)的基礎(chǔ)，構(gòu)建海洋時(shí)空大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)是MGIS在大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展的基石。以大數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)模式為基礎(chǔ)，結(jié)合MGIS數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)分為傳統(tǒng)MGIS時(shí)空數(shù)據(jù)集、多源傳感器與遙感數(shù)據(jù)和多源泛在時(shí)空信息資源3類。將時(shí)空數(shù)據(jù)以場(chǎng)景為基礎(chǔ)，構(gòu)建多尺度圖元鑲嵌的幾何模型，通過(guò)増量和快照相結(jié)合的方式，表達(dá)緩慢變化的自然場(chǎng)景。對(duì)于社會(huì)和自然變化較為劇烈的過(guò)程，如涉海安全事故、風(fēng)暴潮、海嘯等突發(fā)事件， 以離散事件、過(guò)程快照和流媒體等不同類型來(lái)進(jìn)行表達(dá)，使泛在時(shí)空信息聚合。通過(guò)時(shí)間、地點(diǎn)、事件等關(guān)鍵要素，建立與自然表達(dá)場(chǎng)景的映射與關(guān)聯(lián)。海洋時(shí)空大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)構(gòu)建的組織關(guān)系如圖1所示。 

圖1  海洋時(shí)空大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)

傳統(tǒng)的MGIS應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，用于海洋功能區(qū)的管裡和規(guī)劃、海岸帶的管理和規(guī)劃、海洋環(huán)境的管理和保護(hù)、海洋資源的開(kāi)發(fā)管理與保護(hù)、海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)與預(yù)報(bào)， 海洋防務(wù)數(shù)據(jù)的管理、分析和輔助決策等方面。技術(shù)的革新有助于提高人們對(duì)問(wèn)題的認(rèn)知水平， 從不同的角度和層次看待問(wèn)題，獲得更好的解決問(wèn)題的途徑。技術(shù)最終是要服務(wù)于應(yīng)用，大數(shù)據(jù)技術(shù)與海洋地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的落腳點(diǎn)、未來(lái)的發(fā)展方向?qū)⑹菢?gòu)建多環(huán)境要素的多層次的實(shí)時(shí)的決策預(yù)警系統(tǒng)。依據(jù)大數(shù)據(jù)的“相關(guān)而非因果”思維，在多樣而全面的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，應(yīng)用多環(huán)境模態(tài)發(fā)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)模型，快速而準(zhǔn)確地找到規(guī)律，預(yù)測(cè)事物的進(jìn)一步發(fā)展，為決策者提供依據(jù)。為建立該預(yù)警系統(tǒng)，首先，在MGIS平臺(tái)上構(gòu)建海洋環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境等海洋時(shí)空大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，以大數(shù)據(jù)云計(jì)算為支撐，集成多源時(shí)空數(shù)據(jù)資源和集成，實(shí)現(xiàn)尺度適應(yīng)的高性能多模態(tài)數(shù)據(jù)訪問(wèn)機(jī)制；其次，使用耦合時(shí)空多尺度過(guò)程模型與算法，建立時(shí)空模態(tài)發(fā)現(xiàn)的高性能計(jì)算框架，挖掘出多環(huán)境變量多層次時(shí)空響應(yīng)關(guān)系；最后構(gòu)建實(shí)時(shí)高效的多源數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，耦合多主題多因子海洋環(huán)境問(wèn)題時(shí)空預(yù)測(cè)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型庫(kù)，研究建立典型情景與專家交互式情景設(shè)定雙驅(qū)動(dòng)的環(huán)境預(yù)警鏈，實(shí)現(xiàn)面向海洋環(huán)境問(wèn)題的多層次智能決策預(yù)警系統(tǒng)?；诖髷?shù)據(jù)的多環(huán)境多層次智能決策預(yù)警系統(tǒng)的框架見(jiàn)圖2。 

圖2  基于大數(shù)據(jù)的多環(huán)境多層次智能決策預(yù)警系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)時(shí)代，海洋地理信息系統(tǒng)主要面臨以下3個(gè)挑戰(zhàn)。首先是思維的轉(zhuǎn)變，當(dāng)今海洋學(xué)問(wèn)題主流處理方式仍然是模型驅(qū)動(dòng)，而數(shù)據(jù)的極大豐富使人們可以不用模型和假設(shè)，實(shí)現(xiàn)從模型驅(qū)動(dòng)到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的思維轉(zhuǎn)變，以大數(shù)據(jù)思維解決MGIS中遇到的新型問(wèn)題，從復(fù)雜的時(shí)空數(shù)據(jù)中挖掘出隱含的規(guī)律和知識(shí)。其次是數(shù)據(jù)和技術(shù)的共享，海洋數(shù)據(jù)的敏感性和大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)的壟斷性是阻礙大數(shù)據(jù)發(fā)展的最大障礙。最后是多學(xué)科復(fù)合型人才的培養(yǎng)，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的提升，使全要素的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)成為可能，擁有多學(xué)科背景，具備跨學(xué)科綜合能力的人才更為急需。 

結(jié)合大數(shù)據(jù)的概念和特點(diǎn)，探討了海洋地理信息系統(tǒng)未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)，以海洋地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，建立海洋時(shí)空大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和深度學(xué)習(xí)算法為技術(shù)支撐， 將基于大數(shù)據(jù)的多環(huán)境多層次智能決策預(yù)警系統(tǒng)作為應(yīng)用的落腳點(diǎn)。最后認(rèn)為思維轉(zhuǎn)變、技術(shù)壁壘和人才培養(yǎng)等3個(gè)方面是大數(shù)據(jù)和海洋地理信息系統(tǒng)將要面臨的問(wèn)題。