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搜索功能。
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