各種類型傳感器的應用，世界各大IT巨頭對大數(shù)據(jù)的深度開發(fā)，萬物物聯(lián)的時代即將到來。隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術的迅速發(fā)展，人、機、物三元世界的高度融合，引發(fā)了數(shù)量模指數(shù)級的增長，數(shù)據(jù)量積累到一定程度其資源性愈加凸顯，開發(fā)價值愈加大，大數(shù)據(jù)已深入到生活的方方面面，世界已進入大數(shù)據(jù)時代，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“價值化（Value）”等多種屬性。大數(shù)據(jù)每年以50％的速度增長，遵循大數(shù)據(jù)“摩爾定律”，大數(shù)據(jù)具有多維性質，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％是結構化數(shù)據(jù)，90％為是非結構化數(shù)據(jù)，非結構化數(shù)據(jù)與人類密切相關；目前數(shù)據(jù)從生產(chǎn)到消耗的時間窗口非常短，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)具有價值密度低、但商業(yè)價值高的特點。

大數(shù)據(jù)的到來催生出新的科學范式，圖靈獎獲得者Jimgray博士將人類的科學研究史總結為4種范式，即實驗研究階段、理論研究階段、計算研究階段和數(shù)據(jù)驅動研究階段。可以看出，大數(shù)據(jù)正在引發(fā)科學研究思維與方法的變革。雖然大數(shù)據(jù)提出較早，但普遍進入大眾視野是最近10年才開始的，大數(shù)據(jù)技術已取得了較大的發(fā)展，但也面臨著以下幾個方面的挑戰(zhàn)。 

“大數(shù)據(jù)技術”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)技術的第一步。目前通常采用的數(shù)據(jù)采集技術是利用ETL工具將多源異構數(shù)據(jù)源中的關系數(shù)據(jù)、平面數(shù)據(jù)文件等，抽取到臨時中間層后進行清洗、轉換、集成，最后加載到數(shù)據(jù)倉中，成為聯(lián)機分析處理、數(shù)據(jù)挖掘的基礎，實時采集的數(shù)據(jù)可作為流計算的輸入，進行實時處理分析。大數(shù)據(jù)多樣化給數(shù)據(jù)的轉換、集成帶來了挑戰(zhàn)，如何正確地轉換和完整的集成是數(shù)據(jù)采集需要面臨的問題。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫追求高度的數(shù)據(jù)一致性和容錯性，擴展性不足，在面對非結構化和半結構化的數(shù)據(jù)時，存儲能力一般。利用分布式文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉庫、關系數(shù)據(jù)庫、N0SQL數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫等，實現(xiàn)對結果化、半結構化海量數(shù)據(jù)的存儲和管理。當前，已有的存儲技術的提升較數(shù)據(jù)量的增長落后很多，設計合理的分層存儲架構成為大數(shù)據(jù)存儲的關鍵。

目前大數(shù)據(jù)處理和分析所采取的關鍵技術是利用分布式并行編程和計算框架，結合機器學習和數(shù)據(jù)挖掘算法，實現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的處理和分析。大數(shù)據(jù)的多樣性、多源異構性加大了數(shù)據(jù)集成和處理的難度，開展大數(shù)據(jù)不同類型格式向標準化格式轉化研究，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)價值和科學研究價值的同時，需要關注數(shù)據(jù)隱私和數(shù)據(jù)安全的問題。如何構建隱私數(shù)據(jù)保護體系和數(shù)據(jù)安全體系，有效保護個人隱私和數(shù)據(jù)安全是人們更為關心的問題。此外，還有需要面臨的挑戰(zhàn)，如打破數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共事；廣泛的技術培訓，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)思維看待問題，正確認識數(shù)據(jù)驅動的方法。

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手段，基于海洋的特點，如海水的流動性，海水深度明顯的周期變化有別于陸地，有較強的時間性，海洋地理信息系統(tǒng)（MGIS）需要處理空間和時間同步的數(shù)據(jù)。

海洋環(huán)境的復雜多樣，需要綜合管理社會、經(jīng)濟、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。MGIS綜合性地跨學科融合了海洋學、遙感、測繪學、計算機科學、信息科學、社會學、生態(tài)學以及災害學等目前相關的研究者大多基于自身所在的學科背景，將MGIS作為一種輔助分析或決策的具來使用，而將多學科、多背景系統(tǒng)融合的研究則鮮有研究。在大數(shù)據(jù)時代，MGIS將會迎來快速而創(chuàng)新性的發(fā)展，使MGIS更廣泛地適應海洋科學發(fā)展的特點和構建“數(shù)字海洋”的信息系統(tǒng)。 

時空規(guī)律蘊含在數(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。以往的學者認為海洋數(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、海洋經(jīng)濟、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)、云計算和大數(shù)據(jù)為標志，開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數(shù)據(jù)，與海洋相關的社會數(shù)據(jù)，如網(wǎng)絡社交新媒體等也應納入海詳大數(shù)據(jù)的范疇。MGIS與大數(shù)據(jù)技術相結合，使海洋信息數(shù)據(jù)的建庫和管理向科學化、便捷化、實肘化、智能化和應用社會化的方向發(fā)展。

數(shù)據(jù)是運用大數(shù)據(jù)技術的基礎，構建海洋時空大數(shù)據(jù)倉庫是MGIS在大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的基石。以大數(shù)據(jù)的采集和存儲模式為基礎，結合MGIS數(shù)據(jù)的特點，將數(shù)據(jù)分為傳統(tǒng)MGIS時空數(shù)據(jù)集、多源傳感器與遙感數(shù)據(jù)和多源泛在時空信息資源3類。將時空數(shù)據(jù)以場景為基礎，構建多尺度圖元鑲嵌的幾何模型，通過増量和快照相結合的方式，表達緩慢變化的自然場景。對于社會和自然變化較為劇烈的過程，如涉海安全事故、風暴潮、海嘯等突發(fā)事件， 以離散事件、過程快照和流媒體等不同類型來進行表達，使泛在時空信息聚合。通過時間、地點、事件等關鍵要素，建立與自然表達場景的映射與關聯(lián)。海洋時空大數(shù)據(jù)倉庫構建的組織關系如圖1所示。 

圖1  海洋時空大數(shù)據(jù)倉庫

傳統(tǒng)的MGIS應用已經(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、海洋資源的開發(fā)管理與保護、海洋環(huán)境的監(jiān)測、評價與預報， 海洋防務數(shù)據(jù)的管理、分析和輔助決策等方面。技術的革新有助于提高人們對問題的認知水平， 從不同的角度和層次看待問題，獲得更好的解決問題的途徑。技術最終是要服務于應用，大數(shù)據(jù)技術與海洋地理信息系統(tǒng)相結合的落腳點、未來的發(fā)展方向將是構建多環(huán)境要素的多層次的實時的決策預警系統(tǒng)。依據(jù)大數(shù)據(jù)的“相關而非因果”思維，在多樣而全面的數(shù)據(jù)倉庫中，應用多環(huán)境模態(tài)發(fā)現(xiàn)深度學習模型，快速而準確地找到規(guī)律，預測事物的進一步發(fā)展，為決策者提供依據(jù)。為建立該預警系統(tǒng)，首先，在MGIS平臺上構建海洋環(huán)境、大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟環(huán)境、社會環(huán)境等海洋時空大數(shù)據(jù)倉庫，以大數(shù)據(jù)云計算為支撐，集成多源時空數(shù)據(jù)資源和集成，實現(xiàn)尺度適應的高性能多模態(tài)數(shù)據(jù)訪問機制；其次，使用耦合時空多尺度過程模型與算法，建立時空模態(tài)發(fā)現(xiàn)的高性能計算框架，挖掘出多環(huán)境變量多層次時空響應關系；最后構建實時高效的多源數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，耦合多主題多因子海洋環(huán)境問題時空預測的深度神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型庫，研究建立典型情景與專家交互式情景設定雙驅動的環(huán)境預警鏈，實現(xiàn)面向海洋環(huán)境問題的多層次智能決策預警系統(tǒng)?；诖髷?shù)據(jù)的多環(huán)境多層次智能決策預警系統(tǒng)的框架見圖2。 

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

大數(shù)據(jù)時代，海洋地理信息系統(tǒng)主要面臨以下3個挑戰(zhàn)。首先是思維的轉變，當今海洋學問題主流處理方式仍然是模型驅動，而數(shù)據(jù)的極大豐富使人們可以不用模型和假設，實現(xiàn)從模型驅動到數(shù)據(jù)驅動的思維轉變，以大數(shù)據(jù)思維解決MGIS中遇到的新型問題，從復雜的時空數(shù)據(jù)中挖掘出隱含的規(guī)律和知識。其次是數(shù)據(jù)和技術的共享，海洋數(shù)據(jù)的敏感性和大數(shù)據(jù)關鍵技術的壟斷性是阻礙大數(shù)據(jù)發(fā)展的最大障礙。最后是多學科復合型人才的培養(yǎng)，大數(shù)據(jù)和云計算技術的提升，使全要素的數(shù)據(jù)驅動成為可能，擁有多學科背景，具備跨學科綜合能力的人才更為急需。 

結合大數(shù)據(jù)的概念和特點，探討了海洋地理信息系統(tǒng)未來可能的發(fā)展趨勢，以海洋地理信息系統(tǒng)為平臺，建立海洋時空大數(shù)據(jù)倉庫，以大數(shù)據(jù)、云計算和深度學習算法為技術支撐， 將基于大數(shù)據(jù)的多環(huán)境多層次智能決策預警系統(tǒng)作為應用的落腳點。最后認為思維轉變、技術壁壘和人才培養(yǎng)等3個方面是大數(shù)據(jù)和海洋地理信息系統(tǒng)將要面臨的問題。