海洋環(huán)境監(jiān)測技術及儀器裝備的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

漆隨平，厲運周,2

(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院),山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，國家海洋監(jiān)測設備工程技術研究中心，山東 青島 266061;2.國防科技大學氣象海洋學院，江蘇 南京 211101)

海洋環(huán)境是指海洋動力、氣象、水文、生態(tài)、化學、海洋聲光物理特性及海洋地質地理等要素。海洋環(huán)境監(jiān)測技術是指借助機械、電子、能源、材料、信息等多學科及其交叉技術實行海洋環(huán)境的監(jiān)、觀、勘測技術[1]。由于海洋占地球表面積的71%，是全球水汽循環(huán)和碳循環(huán)的重大載體，影響著局部氣象及全球氣候變化；海洋不僅儲備了巨大的動力能源，在海底蘊藏了豐富的寶藏，還可以通過養(yǎng)殖繁多的海洋生物用以滿足人類的生存所需，因此，認識海洋、開發(fā)利用海洋、合理管控海洋對涉海國家發(fā)展具有重要作用。人類從海洋獲取“魚鹽之利”“舟楫之便”的廣泛需求催生了各類海洋監(jiān)測技術和儀器，以致早在20世紀初期海洋強國就出現(xiàn)了海洋的環(huán)境監(jiān)測及數(shù)據(jù)收集，我國同期也有了對海洋監(jiān)測的記錄，1930年學者蔣丙然[2]即首次對我國海洋觀測技術及儀器進行了總結。1979年齊孟鄂等[3]從自動遙測浮標、空間遙感技術、水聲技術及水下技術等方面對全球海洋觀測技術進行了綜述。1982年逯玉佩[4]在技術進展、觀測方法、運載工具和導航定位、海洋觀測儀器、海洋觀測特點等方面對海洋技術進行了總結。1991年朱光文[5]對我國海洋觀測技術的海洋遙感技術等6個方面的現(xiàn)狀、差距及其發(fā)展進行了綜述，并于1995年對我國海洋觀測技術30年的發(fā)展進行了回顧和展望[6]。1998年惠紹棠等[7]對我國海洋儀器的研究從儀器會戰(zhàn)到網(wǎng)絡建設方面進行了回顧總結。1999年朱光文[8]對我國海洋探測技術50年發(fā)展進行了回顧與展望。2006年王軍成等[9]對我國當時的海洋監(jiān)測技術研究及儀器研制的進展進行了綜述，并對未來需求及應對措施提出了建議。2007年蔡樹群等[10]從主要進展和局限性兩個方面對海洋環(huán)境觀測技術進行了總結，提出了技術的新需求預判。文獻[11-14]從現(xiàn)狀與趨勢、基礎與存在問題等方面進行探討，對存在問題提出了發(fā)展建議。2017年于宇等[15]對國外海洋環(huán)境觀測系統(tǒng)和技術發(fā)展趨勢進行了綜述和展望。2018年張云海[16]對海洋環(huán)境監(jiān)測裝備技術發(fā)展進行了綜述。正是由于這些學者的研究和總結，及時梳理每個階段的現(xiàn)狀和存在的問題，為特定階段的海洋環(huán)境監(jiān)測技術及儀器裝備發(fā)展起到了促進作用。由于近年來材料、電子、信息、人工智能等相關技術的發(fā)展日新月異，使得海洋環(huán)境監(jiān)測技術也取得了長足的進步和快速發(fā)展，但是由于海洋環(huán)境監(jiān)測技術所牽涉到的相關技術領域跨度大、海洋環(huán)境監(jiān)測儀器裝備的使用環(huán)境苛刻，我國在該領域出現(xiàn)了新成果轉化能力不足、新研制儀器裝備環(huán)境適應性及其性能指標需持續(xù)投入改進等新問題。

本文結合海洋環(huán)境監(jiān)測技術研究及儀器裝備研制新成果，對當前海洋環(huán)境監(jiān)測技術所涉及的傳感技術、平臺技術及數(shù)據(jù)綜合處理技術3個方面進行分析，通過現(xiàn)狀梳理，找出中國與國外相關研究領域存在的差距，并預測其發(fā)展趨勢，以供相關的科研及工程人員參考。

1 海洋環(huán)境監(jiān)測傳感技術

海洋環(huán)境監(jiān)測傳感技術是海洋環(huán)境監(jiān)測的基礎技術，是將所感知的海洋氣象、水文、生態(tài)等要素特性量轉換為與之有確定對應關系的有用電量的技術[16]。該技術涉及感知海洋環(huán)境的傳感器原理、結構、材料、設計、制造及檢測等多種技術。

1.1 傳感器技術

隨著新材料、新方法、新工藝的發(fā)展，國外海洋環(huán)境監(jiān)測傳感技術出現(xiàn)了革命性突破，使得傳統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器在性能、功能、測量種類等方面取得了巨大發(fā)展，并開發(fā)出了各類海洋環(huán)境監(jiān)測新型傳感器及儀器[17-22]。例如新研制的溫鹽深(CTD)傳感器的測量精度：溫度達到±0.001 ℃、電導率達到±0.000 3 mS、壓力達到±0.015%。特別是隨著微機電系統(tǒng)技術的發(fā)展，新研制的海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器在體積上大為縮小，在環(huán)境適應性上可適用于水下各類運動平臺和固定平臺。通過微流控、光纖等技術綜合研制的海洋生態(tài)化學傳感器可在原子和分子層次上進行操作，其敏感元件尺寸降到微米或毫米量級，重量從千克級下降到克、微克量級，功能上實現(xiàn)了原位監(jiān)測。

我國經(jīng)過多年的“863”計劃、海洋公益性科研專項等項目經(jīng)費支持和關鍵技術攻關，部分傳統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器取得較大進步，在業(yè)務化應用中開始發(fā)揮作用。在海洋動力參數(shù)傳感器方面，溫、鹽、深、浪、流、潮、風等傳感器在性能上已經(jīng)達到了國際先進水平，環(huán)境適應性也不低于進口產(chǎn)品。但在更加尖端的傳感技術方面，差距依然巨大，而且有持續(xù)拉大的趨勢，比如高精度海水溫鹽深(CTD)剖面儀、相控陣海流剖面儀、聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)、投棄式溫鹽度深(XCTD)和投棄式溫度深(XBT)等傳感器技術成果在指標上仍不及國外技術發(fā)達國家的產(chǎn)品。而在海洋化學參數(shù)傳感器方面，我國取得了顯著進步，新研制的化學需氧量測量儀(COD)、營養(yǎng)鹽、重金屬監(jiān)測等傳感器在主要指標方面達到國際領先水平，特別是在微流控芯片、放射性監(jiān)測等新技術方面處于國際先進水平。在常規(guī)的海洋氣象傳感技術方面，國產(chǎn)氣壓傳感器尚難以達到進口產(chǎn)品的測量精度和穩(wěn)定性，目前幾乎全部依賴進口；國產(chǎn)海洋濕度傳感器、風傳感器測量精度略低于外國產(chǎn)品，但在觀測可靠性和穩(wěn)定性上同國外產(chǎn)品相當。

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在海洋環(huán)境監(jiān)測傳感技術方面取得了長足的進步，與國際先進水平的差距正在縮小，有的已達到甚至代表國際先進水平。但在新型傳統(tǒng)傳感、特殊功能傳感技術研究方面，存在的差距仍然比較大。

1.2 海洋雷達監(jiān)測技術

海洋雷達環(huán)境監(jiān)測技術[22]是由無線電科學、信息技術和物理海洋學交叉形成的海洋環(huán)境監(jiān)測技術新方向。20世紀60年代—70年代以來，用于海洋監(jiān)測的雷達按頻段主要分為高頻和微波兩大類。高頻雷達包括高頻地波雷達、高頻天波雷達和天-地波一體化雷達，微波雷達則包括 X/C/S 等波段的探海微波雷達。海洋雷達監(jiān)測技術具有的共性特征是：(1)以非接觸方式獲取海面海洋動力學參數(shù)分布信息；(2)雷達電磁波與特定波長的海洋表面波的諧振是回波信息調制的主要機制；(3)雷達回波還攜帶有較寬頻譜的波浪方向譜信息；(4)臺站定點或走航觀測相比海洋雷達覆蓋面積廣、信息量大，相對于衛(wèi)星觀測則有時間和空間分辨率高，可連續(xù)獲得所觀測海域較完整的動力學參數(shù)時空變化信息。

早在2004年開始，美國和歐洲的多個海洋環(huán)境監(jiān)測計劃中均將高頻地波超視距雷達組網(wǎng)作為關鍵建設任務。目前全世界有近500部高頻地波雷達在沿海地區(qū)運行，亞洲地區(qū)有超過 100多部地波雷達投入應用，有大體相同數(shù)量的微波海洋雷達也在位運行。我國在海洋雷達監(jiān)測技術研究方面，在個別技術上已走在國際前列，與國際先進水平的差距正在迅速縮小，但在雷達數(shù)據(jù)應用方面與美、日等國還存在較大差距。未來海洋雷達監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢為： (1)通過分布式海洋雷達組網(wǎng)監(jiān)測技術提高探測范圍；(2)利用天-地波一體化混合組網(wǎng)技術實現(xiàn)對海面和低空的監(jiān)測；(3)通過移動平臺基海洋雷達技術實現(xiàn)船載、車載或浮標等移動平臺的海洋環(huán)境監(jiān)測；(4)通過研制多頻率、多極化的微波海洋雷達提高探測精度和探測距離；(5)經(jīng)過海洋數(shù)值模型同化等技術成果使監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)揮其應用效能。

2 海洋環(huán)境監(jiān)測平臺技術

海洋環(huán)境監(jiān)測平臺技術主要是指以海洋環(huán)境監(jiān)測為目的，為滿足海洋環(huán)境監(jiān)測所需的傳感器以及儀器裝備工作條件和使用環(huán)境而提供的不同平臺技術，海洋環(huán)境監(jiān)測平臺主要包括岸基臺站、浮標、潛標、海床基、水下移動平臺、天基和空基、船基等，是實現(xiàn)海洋監(jiān)測重要保障載體[10]。從20世紀初的岸基臺站、船基的初步應用到錨系浮標研制成功，如今潛標、海床基、水下移動平臺、天基和空基等技術的發(fā)展，目前海洋環(huán)境監(jiān)測平臺已成為海洋環(huán)境監(jiān)測的重要保障，大部分平臺技術已較為成熟，在海洋環(huán)境監(jiān)測的業(yè)務化運行方面發(fā)揮著重要作用。

2.1 岸基臺站

岸基海洋站技術[10-13]是在沿海海濱或近海島礁實現(xiàn)海洋環(huán)境監(jiān)測的技術，是發(fā)展最早、最為成熟的海洋環(huán)境監(jiān)測平臺技術。美國、歐洲和日本等發(fā)達海洋國家的海洋平臺技術處于世界領先水平，應用廣泛，功能仍在不斷完善。

海洋發(fā)達國家岸基臺站主要用于開展潮汐、海洋氣象、波浪、水溫和海流觀測。如美國研制的岸基臺站上可以實現(xiàn)潮汐、氣象、水文等要素的監(jiān)測，所建設的岸基臺站分布于沿岸、島礁、燈塔和碼頭，組成國家潮汐、氣象、波浪、水溫和海流監(jiān)測的監(jiān)測網(wǎng)。這些岸基臺站基本實現(xiàn)了自動化無人觀測，在部分岸基臺站上布設了高頻地波海洋監(jiān)測雷達，覆蓋范圍涵蓋美國東西海岸，實現(xiàn)了監(jiān)測范圍內的海洋環(huán)境監(jiān)測。我國岸基臺站技術相對也很成熟，布放在沿海島礁、港口碼頭，分布在我國沿海岸線，實現(xiàn)水文、氣象、波浪、海流等要素的監(jiān)測。

岸基臺站技術未來將以多功能化、工作時間長期化、維護成本低廉化為目標，在相關的保障技術及可靠性方面進行長期的技術攻關和產(chǎn)品研制。

2.2 浮標和潛標

2.2.1 浮標

浮標包括錨系浮標和漂流浮標[23]。錨系浮標是實現(xiàn)海洋動力環(huán)境、氣象及海洋生態(tài)化學要素長期連續(xù)觀測的主要平臺技術，具有采集數(shù)據(jù)持續(xù)、能夠長期穩(wěn)定監(jiān)測數(shù)據(jù)等特點；漂流浮標是隨海流漂流、自動連續(xù)采集海洋水文、氣象、海流等要素數(shù)據(jù)的小型浮標，具有體積小、重量輕、不受人為限制等特點。

錨系浮標技術相對成熟，浮標產(chǎn)品種類齊全、測量項目多、海上生存能力強。隨著海洋監(jiān)測需求的發(fā)展，有針對性地研制了各種專用化、小型化浮標，如美國國家資料浮標中心(NDBC)研制的錨系浮標主要有三種：用于幾百至幾千米水深海域的直徑為10和12 m的大型圓盤浮標和6 m圓盤形、船形中型浮標，以及用于近海監(jiān)測的3 m圓盤形小型浮標。近年來浮標技術的發(fā)展主要集中在供給電源的改進和技術研究方面，如美國、意大利、以色列、韓國等國研發(fā)了波浪能發(fā)電、太陽能及溫差能等混合供電的新型能源浮標。

漂流浮標技術以拉格朗日漂流(SVP浮標)技術為主，研究經(jīng)久耐用、成本低廉、投放方便的漂流浮標是該技術的發(fā)展焦點。同時研究滿足特殊需求的特種漂流浮標是發(fā)展主體，如近期為滿足海洋氣象學研究的需求，研制出了可測氣壓的氣象漂流浮標、風速風向漂流浮標以及可同時測量風速、風向、氣溫、氣壓和表層水溫及加速度，且加裝了Argos發(fā)射機和GPS的多功能漂流浮標等。

浮標平臺技術的發(fā)展由結構形式的優(yōu)化逐步轉向功能專業(yè)化以及對浮標內部的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、主控、電源等部分進行改進，呈現(xiàn)出通信手段多元化、組成模塊標準化、供給電源多方式化等特點。

2.2.2 潛標

潛標主要位于水面以下，用以對海洋環(huán)境實現(xiàn)長期、定點、連續(xù)、多層次、同步的觀測，具有隱蔽性好、不易被破壞的優(yōu)點[24]。對潛標技術的研究始于20世紀60年代，初期的潛標是在單點繃緊型系留系統(tǒng)上分層懸掛各類自容式傳感器。近年來，潛標技術向在水下可上下運動、實現(xiàn)自動剖面測量等方向發(fā)展。已開發(fā)出的潛標按驅動形式分為水下絞車式、電機驅動沿錨系纜爬行式和凈浮力式等3種，可實現(xiàn)海洋剖面的實時觀測。如由加拿大、美國等國合作研制的SeaCycler等水下絞車式潛標技術可實現(xiàn)在5.5 m波浪海況下系統(tǒng)工作正常，并進行數(shù)據(jù)傳輸；由俄羅斯和德國研制的基于電機驅動和基于浮力驅動的新型潛標在技術方面處于領先地位。

我國在該領域發(fā)展較晚，目前尚處在仿制階段，關鍵的核心技術尚未取得突破。未來潛標技術將向生存能力更強、測量參數(shù)更多等方向發(fā)展。

2.3 海床基

海床基技術是一種海底平臺技術，其技術核心包括平臺的布放、回收、數(shù)據(jù)通信及安全等技術[11,25]。海床基在對海底原位觀測中，具有工作持續(xù)、生存穩(wěn)定的特點。海床基技術的研究較早，美國伍茲霍爾研究所研發(fā)了ROLAI2D系統(tǒng)，在百慕大海域應用于4400 m深海底觀測；NOAA的DART系統(tǒng)利用坐底式監(jiān)測設備和水面氣象浮標進行海嘯監(jiān)測與預警；美國NeMO海底觀測系統(tǒng)布放在1600 m水深的火山熱液口附近，通過多種儀器監(jiān)測海底火山活動現(xiàn)象；法國的海洋研究所研制的MAP坐底式平臺裝有沉積物捕捉器、濁度計、海流計等設備，是歐洲深海水動力和沉積作用研究中的重要裝備[26]。

海床基技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展已基本成熟，很多國家推出了多種商業(yè)化的海床基平臺產(chǎn)品，這些平臺結構簡單，尺寸、重量都較小，具有操作較為靈活,易于進行海上布放、回收作業(yè)的特點，可搭載ADCP等多種傳感(儀)器。近年來,深海海床基產(chǎn)品向模塊化發(fā)展，模塊之間可通過水聲進行通訊，突破了海床基系統(tǒng)空間范圍的局限性。

該項技術我國起步較晚，同濟大學、浙江大學等高校及研究機構對海床基研發(fā)形成的示范系統(tǒng)尚在測試中，開發(fā)出的新技術在該系統(tǒng)中得到驗證和技術推廣。

2.4 海洋水下移動平臺

海洋水下移動平臺[27-29]包括自治式水下航行器(AUV)、水下滑翔器(AUG)、無人遙控潛器(ROV)、載人深潛器(HOV)、自持式剖面探測系統(tǒng)(Argo)等。海洋水下移動平臺技術由于其靈活、機動的特點而得到廣泛關注。

2.4.1 自治式水下航行器

自治式水下航行器是一種可以設定航線自主航行的水下移動式平臺，具備高機動性性能，可搭載側掃聲納、成像聲納等復雜傳感器或儀器，多用于水下指定目標區(qū)域的海洋環(huán)境監(jiān)測。在自治式水下航行器技術方面，世界各國在續(xù)航、速度、結構、隱蔽性等方面進行技術升級，也在向多功能、新功能方向發(fā)展，如美國研制的魚形和水母型仿生型自治式水下航行器，具有運動靈活自由、續(xù)航能力強等特點。目前，國外的自治式水下航行技術已經(jīng)趨于成熟，產(chǎn)品性能較為穩(wěn)定，美國、挪威、英國、冰島等國研制的產(chǎn)品已有的100多種類型，占據(jù)國際主要市場。美國研制的大型自治式水下航行器，用于部署、回收設備和有效載荷，收集和傳輸各種類型信息，追蹤水下或海面目標等，續(xù)航能力達到了2000 km。中國科學院沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學等機構研制的自治式水下航行器已經(jīng)在水下6000 m處實現(xiàn)了24 h或100 km的自主航行，可搭載淺地層剖面探測儀等儀器設備。但目前我國仿生自治或大運載、長時間續(xù)航能力的水下航行器仍處于研發(fā)階段，未來將向仿生魚航行器、多功能新型自治式水下航行器、大型潛水員輸送自治式水下航行器等方向發(fā)展。

2.4.2 水下滑翔器

水下滑翔器是一種以浮力為動力、在水下以鋸齒形航線航行的自治式觀測平臺，可搭載溫、鹽、深等多種傳感器，可用于大范圍海洋水下環(huán)境參數(shù)連續(xù)觀測。美國最早開始水下滑翔器的研發(fā)，目前擁有最為成熟的技術，研制的產(chǎn)品在世界范圍內已廣泛用于海上溢油追蹤、颶風預警和軍事活動等。美國還研發(fā)出了由波浪起伏帶動的水面浮艇上下運動和由改變自身凈浮力產(chǎn)生的升沉運動作為升力來源的波浪能滑翔器。波浪能滑翔器核心技術是電源供給和姿態(tài)平衡控制，體現(xiàn)在航速、續(xù)航能力和海況適應能力上。因此，波浪能滑翔器技術主要是外形研究、電源供給技術和導航技術。法國、英國、日本等國家早就開展了各類水下滑翔器技術的研究。中國科學院沈陽自動化所研制的Sea-Wing工作水深1000 m、續(xù)航時間40 d，天津大學研制的“海燕”工作水深1500 m、續(xù)航時間30 d，航程均超過了1000 km，標志著我國已基本掌握水下滑翔器技術，即將達到實用化裝備水平。水下滑翔器未來將向具有混合推進器、持續(xù)能力更強、運動控制更高效、搭載傳感器負荷能力更強等方向發(fā)展。

2.4.3 無人遙控潛器

無人遙控潛器是一種通過臍帶纜與母船連接獲取能源和控制信號在水下作業(yè)或觀測的平臺。無人遙控潛器在人工控制下，可在海洋大深度和其他危險區(qū)域執(zhí)行復雜操作，具有獨特的優(yōu)勢。目前，國際上商業(yè)化無人遙控潛器產(chǎn)品的工作水深大多可到3000 m，技術較為成熟的美國、日本、俄羅斯、法國等少數(shù)國家，具備研制6000 m及以深潛器的能力，但更大潛深的水下潛器處于試驗測試階段，尚未得到推廣應用，最大潛深可達約11 000 m，實現(xiàn)了全海深探測和作業(yè)。我國上海交通大學研制的ROV“海馬”、“海龍”作業(yè)水深均達到了4500 m和11 000 m，715所研制的定型ROV也可達5000 m。未來無人遙控潛器將向更深更復雜海洋環(huán)境下能生存并執(zhí)行任務、更大載重能力等方向發(fā)展。

2.4.4 載人深潛器

載人深潛器可以把人送到深海底附近，在目標區(qū)域進行海洋環(huán)境監(jiān)測，在某些特殊情況下具有無人平臺無法代替的優(yōu)勢。目前，全球共有數(shù)百臺載人深潛器廣泛應用于海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋調查和安全作業(yè)。其中能夠下潛到 1000 m或更深的地方工作的載人深潛器分別產(chǎn)于美國、中國、日本、俄羅斯、法國等國。美國的阿爾文號額定最大潛深 4500 m，目前屬于WHOI的“深海挑戰(zhàn)者號”在馬里亞納海溝下潛到10 908 m。日本的“新海6500號”最大潛深6500 m，可載3人，曾保持世界最深載人科考下潛25年的記錄。此外，著名的深海HOV還有法國海洋研究院的鸚鵡螺號和俄羅斯希爾紹夫海洋研究所的和平號。我國自行研制的蛟龍?zhí)栂聺撋钜堰_7000 m。未來，載人深潛器將向看進一步提高潛深、載重、生存能力、執(zhí)行任務能力等方向發(fā)展。

2.4.5 自持式剖面探測系統(tǒng)

自持式剖面探測系統(tǒng)又稱地轉海洋學實時觀測陣浮標，起源于實施國際地轉海洋學實時觀測陣計劃。該系統(tǒng)可在海洋中自由漂移，不僅可以自動探測海水溫、鹽和深度剖面，還可跟蹤其漂移軌跡，獲取海流速度和方向。國際上自持式剖面探測技術已趨于成熟，構建成了實時觀測陣浮標全球海洋觀測網(wǎng)，資料傳輸?shù)姆绞揭灿稍瓉韱蜗蛲ㄐ艛U展到可選的Iridium或Argos-3雙向通信。自持式剖面探測系統(tǒng)攜帶的傳感器也由早先的溫度、電導率(鹽度)和壓力等物理海洋環(huán)境基本三要素拓展到生物、化學等類型傳感器，例如溶解氧、葉綠素、硝酸鹽、輻射計和透射計以及水聽器等傳感器及儀器。目前，全球范圍的地轉海洋學實時觀測陣系統(tǒng)維持在4000個左右，支撐了全球海洋觀測網(wǎng)的業(yè)務化運行。我國對Argo的研制起步較晚，但已經(jīng)研發(fā)出了多種型號自持式剖面探測系統(tǒng)。比如，所研制的海馬2000型可實現(xiàn)110個2000 m潛深剖面。未來該技術將向著提高可搭載傳感器能力、工作可靠性、生存能力等方向發(fā)展。

2.5 天基和空基

天基和空基主要指利用海洋衛(wèi)星和海上航空器、無人機對海洋環(huán)境進行實時監(jiān)測的平臺[28]。海洋衛(wèi)星從功能上一般可以分為兩類：海洋光學遙感衛(wèi)星和海洋微波遙感衛(wèi)星，還有一些衛(wèi)星屬于綜合觀測型海洋衛(wèi)星，即可以同時具備海洋光學遙感和微波遙感功能。海洋光學遙感衛(wèi)星主要用于探測海洋光學參數(shù)，如葉綠素、懸浮泥沙、有色可溶有機物等水質與生態(tài)環(huán)境信息，此外也可獲得淺海水下海冰、海水污染等海洋環(huán)境信息。海洋微波遙感衛(wèi)星主要用于獲得海面風場、海面高度場、浪場、海洋重力場、大洋環(huán)流和海表溫度場等海洋環(huán)境參數(shù)，是最主要的大范圍、長時間序列、準實時遙感觀測平臺。近年來，美國、歐洲、俄羅斯、加拿大等國已相繼發(fā)射多顆海洋衛(wèi)星，包括搭載有更先進水色成像儀的新型海洋光學遙感衛(wèi)星、海洋微波遙感衛(wèi)星和海洋綜合探測衛(wèi)星等，探測范圍已涵蓋全球海洋。我國共發(fā)射了HY-1A和HY-1B2顆海洋水色衛(wèi)星，主要承擔海洋水色、水溫環(huán)境監(jiān)測任務，但目前HY-1A已失效。發(fā)射的HY-1B2海洋動力環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星通過搭載的雷達高度計、微波散射計和輻射矯正計等儀器，實現(xiàn)了全天候、全天時連續(xù)探測海洋風、浪、流等海洋動力環(huán)境信息的能力。未來，該技術將向著在位工作壽命更強、搭載負荷能力更大、搭載儀器裝備更加多元化的方向發(fā)展。

海上航空器、無人機是近年發(fā)展起來的一種海洋環(huán)境監(jiān)測空基平臺，可搭載多種海洋環(huán)境監(jiān)測任務載荷，實施海洋動力環(huán)境和其他海洋環(huán)境要素的探測。具有機動性強、時效性高、成本低等優(yōu)勢，可有效彌補天基、?；偷鼗綔y能力的不足，是海洋環(huán)境監(jiān)測不可或缺的平臺。隨著無人機研發(fā)技術的進步和優(yōu)勢的突顯，世界各國越來越重視無人機在海洋探測中的應用，以美國為首的許多國家正在積極研制各種新型的海上無人機，俄羅斯、英國、德國等國都加大了對本國發(fā)展無人機的支持力度。我國也十分注重無人機的海洋環(huán)境監(jiān)測，在技術上緊跟發(fā)達國家先進水平，如中測新圖公司自主研制的無人機續(xù)航時間達到了30 h、拍攝分辨率達到了0.05～0.20 dm。未來該方向將在空基和天基所搭載的各類傳感器技術以及持續(xù)能力更強的平臺研發(fā)等方面進一步開展。

2.6 船基

船基海洋監(jiān)測是指以船舶為平臺，利用船載各類傳感器實現(xiàn)海洋環(huán)境監(jiān)測[29-30]。船舶具備長時間續(xù)航能力、大容量承載力及靈活機動性等特點，作為海洋環(huán)境監(jiān)測平臺的船主要有海洋調查船、科學考察船、地質勘察船、海洋監(jiān)視船等。近年來，許多海洋發(fā)達國家都在陸續(xù)建造大型、現(xiàn)代化的海洋科學綜合調查船。美國擁有世界上裝備最先進、船只數(shù)量最多的海洋科考船隊，僅伍茲霍爾研究所(WHOI)和SCRIPPS海洋研究所就擁有8艘科考船，其中4艘為大洋綜合調查船，搭載了先進的多波束測深系統(tǒng)、側掃聲納等設備，并配置了船載實驗室，此外美國還有240余艘海上志愿船，航線遍布全球各主要航線。俄羅斯也有近百艘科考船。歐洲主要發(fā)達國家也擁有眾多技術先進的科考船，僅法國海洋研究與開發(fā)中心就擁有7艘海洋科考船。我國以48艘海洋調查船為主，船上主要有海流剖面儀、投棄式測量儀器和船載拖曳系統(tǒng)等形成船基海洋環(huán)境監(jiān)測能力，在搭載儀器裝備方面存在較大差距。未來應重視兩個方面的研發(fā)：一是高質量、高可靠性的船載海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器及裝備的研制；二是綜合功能全、測量效能高、環(huán)境適應能力更加強大的測量船以及無人測量船。

3 數(shù)據(jù)綜合及處理技術

海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合及處理技術是以海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)為基礎，對各平臺不同技術獲取的數(shù)據(jù)進行采集和綜合，通過專業(yè)化數(shù)據(jù)處理形成數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務，該技術主要包括海洋環(huán)境監(jiān)測組網(wǎng)技術和海洋數(shù)據(jù)處理技術[31]。

3.1 組網(wǎng)技術

海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以GPRS、CDMA、衛(wèi)星、海底光纖網(wǎng)為主體通信方式組成海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)，通過公用或專用Internet網(wǎng)實現(xiàn)了監(jiān)測網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡的連接[32-36]。

在海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡中，以海底光纖或水聲通信方式組網(wǎng)的海底監(jiān)測技術是核心技術之一。世界各個海洋大國投入巨大予以發(fā)展海底監(jiān)測網(wǎng)，比如日本提出ARENA 計劃，建造了由光纜連接跨越板塊邊界的海洋環(huán)境觀測網(wǎng)絡，應用于地震學和地球動力學研究、海洋環(huán)流研究、可燃冰監(jiān)測、水熱通量研究、生物與漁業(yè)研究、海洋哺乳動物研究、深海微生物研究等。美國啟動NEPTUNE (“海王星”)計劃環(huán)繞“胡安.德富卡”板塊，鋪設 3000 km 光 纜，進行海洋環(huán)境實時觀測。美國和加拿大分別建設MARS觀測站和VENUS 觀測站構成了加拿大的海底觀測網(wǎng)(ocean netuorks canada,ONC)。歐洲根據(jù)全球環(huán)境監(jiān)測與保護計劃開展4D觀測網(wǎng)建設，英、德、法等國建設的ESONET(歐洲海底觀測網(wǎng))，對地球物理學、化學、生物化學、海洋學和漁業(yè)等提供長期戰(zhàn)略性環(huán)境監(jiān)測。

我國于1999年開始在國家海洋局屬系統(tǒng)內建立并基本形成分別覆蓋國家、海區(qū)、省、市、縣5個層次、結構合理、條塊結合、分級管理的覆蓋我國全海域的海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，目前已經(jīng)實現(xiàn)了海洋監(jiān)測網(wǎng)和海洋氣象監(jiān)測網(wǎng)。在組網(wǎng)技術探索方面，同濟大學與中國科學院2009 年在洋山國際深水港東南建成同濟大學東海海底觀測網(wǎng)，實現(xiàn)了海洋環(huán)境信息的實時連續(xù)監(jiān)測；2012 年依托陵水基地建設了我國首個南海海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了對南海海底的監(jiān)控和水中目標的監(jiān)視；2013 年浙江大學在島北部海域建成浙江大學摘箬山島海底觀測網(wǎng)，主要定位于海洋地震監(jiān)測[37]。目前，國家海洋局海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)主要用于海洋環(huán)境監(jiān)測、海上安全防務等方面。但我國在海底網(wǎng)技術方面存在較大差距，特別是在海底接駁盒、海底裝置電能供給及海底工程布設等技術方面存在較大差距。未來該技術將在數(shù)據(jù)傳輸、快速組網(wǎng)和網(wǎng)絡布設等方面進行技術提升。

3.2 數(shù)據(jù)分析技術

3.2.1 數(shù)據(jù)質量控制技術

海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是采用多種平臺技術手段、多類型傳感技術，在海洋的不同地理位置、不同時間對海洋環(huán)境進行監(jiān)測所獲取的[38-39]。因此，必須以有效且共同遵循的體系標準，對海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的名詞術語、分類、數(shù)據(jù)格式等進行標準管理，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的質量控制。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合應用，應在數(shù)據(jù)的可用性、溯源性以及數(shù)據(jù)的時空耦合和地理關聯(lián)等方面進行統(tǒng)一規(guī)范，以保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性。目前，美國、加拿大、英國等國家在國際組織框架下對海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了質量控制。而我國雖然有了國家海洋局、中國氣象局等部門牽頭的行業(yè)標準，有了各自的數(shù)據(jù)質量控制標準，但由于歷史原因，部門之間存在條塊分割及行業(yè)壁壘，目前各行業(yè)數(shù)據(jù)彼此封閉，在海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)質量控制技術方面差距較大。

3.2.2 數(shù)據(jù)存儲管理技術

海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)具有時效性和歷史性，對數(shù)據(jù)的存儲管理是數(shù)據(jù)應用的基礎。世界各國都非常注重海洋數(shù)據(jù)的存儲管理，如美國國家航空航天局的地球觀測中心建立了地球觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)，存儲和管理全部數(shù)據(jù)，采用的是分布式開放的系統(tǒng)架構；歐洲航天局也建立了基于任務的分布式存儲的海洋數(shù)據(jù)中心。在存儲管理技術方面，國外的海洋大數(shù)據(jù)存儲采用了邏輯上集中，物理上分散的分布式服務器集群存儲架構技術，我國還在采用地域上的集中式服務器存儲技術，隨著數(shù)據(jù)量的增長，難以實現(xiàn)在線存儲資源的動態(tài)擴展和靈活配置，離線數(shù)據(jù)獲取耗時，無法在線直接訪問任意數(shù)據(jù)，這就急需我們開展頂層設計統(tǒng)一規(guī)劃的存儲管理技術研究[39-40]。

3.2.3 數(shù)據(jù)同化技術

數(shù)據(jù)同化技術[41]是對各種不同類別和時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷地融于數(shù)值模式的技術，以短期分析預報結果作為模式預報的初值，并以此將觀測與模式的結果不斷融合成為一個最優(yōu)值，以減小誤差提高數(shù)值預報精度。數(shù)據(jù)同化技術已被廣泛應用于構建海洋預報系統(tǒng)，還可利用該技術有效地將各種類型的海洋觀測資料融入海洋模式中，生成時空分布更加完善的分析數(shù)據(jù)，廣泛用來制作海洋再分析數(shù)據(jù)，以便充分利用通過現(xiàn)有觀測技術所能得到的全部信息，揭示海洋的各種真實狀態(tài)。目前，海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)同化技術根據(jù)所采用的理論原理，可分為兩類：基于統(tǒng)計估計理論的同化技術，如最優(yōu)插值、卡爾曼濾波、擴展卡爾曼濾波、集合卡爾曼濾波等；基于優(yōu)控制方法(即變分法)的同化技術，如三維變分、四維變分等。

3.2.4 數(shù)據(jù)挖掘分析技術

數(shù)據(jù)挖掘分析技術[42]是隨著海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)急劇增大成為海量數(shù)據(jù)而引入的在大量的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)信息、挖掘規(guī)律的新技術。目前已有 MapReduce、 Storm、StreamBase、Pregel 等先進的并行計算框架，且在已得到廣泛應用。海洋大數(shù)據(jù)在信息挖掘過程中也從傳統(tǒng)的經(jīng)驗模態(tài)正交法發(fā)展到了具有時空解耦特性的四維諧波提取法。但是由于海洋大數(shù)據(jù)的時空耦合及地理關聯(lián)特性，導致傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘算法無法有效地進行時空解耦與地理分解，使得挖掘算法成為海洋大數(shù)據(jù)科學全鏈條運轉環(huán)節(jié)中亟待突破的核心技術，也使得該項技術成為未來海洋數(shù)據(jù)處理領域的新熱點。

3.2.5 數(shù)據(jù)表達可視化技術

利用科學可視化技術[43]展示海洋數(shù)據(jù)以及更進一步地利用可視化分析技術挖掘時空數(shù)據(jù)規(guī)律，是建立從感知到認知的關鍵技術橋梁。海洋矢量場可視化算法主要有圖表法、幾何法、紋理法、拓撲法等。標量場可視化算法在大規(guī)模體繪制、實時光照、多變量提特征提取、二維時空可視化等方面都取得了重要成果。但是隨著海洋數(shù)據(jù)體量的繼續(xù)增大，對可視化表達方式、處理效能等方面都提出了非常高的要求，需要一方面盡可能真實地反映數(shù)據(jù)的特性，另一方面充分提供系統(tǒng)的承載能力和處理能力，提高數(shù)據(jù)的更新和繪制能力。縱觀國內外海洋大數(shù)據(jù)的分析技術研究，我國在數(shù)據(jù)表達可視化方面與發(fā)達國家相比不存在差距。

4 總結與展望

海洋環(huán)境監(jiān)測技術及儀器裝備的發(fā)展體現(xiàn)出智能化與信息化的趨勢，這與“智慧海洋”的應用需求密切相關[15-16,40]。海洋發(fā)達國家的海洋環(huán)境監(jiān)測新研制的儀器裝備已經(jīng)實現(xiàn)模塊化。我國海洋技術和儀器裝備近年來取得了較大進展，但由于海洋儀器裝備的研發(fā)投入高、試驗周期長、風險高、難度大等特點，我國大多數(shù)科研機構在海洋儀器裝備研制時多以跟蹤仿制國外已有產(chǎn)品為主，原始創(chuàng)新能力不足，制約了海洋儀器與技術的整體發(fā)展。在硬件條件投入方面，我國目前仍沒有能夠業(yè)務化或商業(yè)化應用的海洋儀器裝備海上綜合試驗場，造成海洋儀器裝備在真實環(huán)境下性能測試和檢測不足，制約了技術轉化和產(chǎn)品性能改進。在軟件設施方面，我國海洋儀器和裝備的標準化體系建立不完善，在海洋儀器裝備的生產(chǎn)標準、入網(wǎng)標準、計量檢定、測試和運行維護等系列標準方面未得到足夠重視，致使我國海洋環(huán)境監(jiān)測核心技術落后，也遠不能滿足我國的重大業(yè)務需求。因此，我國只有針對性地對監(jiān)測平臺、傳感及數(shù)據(jù)處理等三類技術齊頭并進協(xié)同發(fā)展，完善技術標準體系，努力接軌國際標準，加大經(jīng)費投入和人才引進，推進海洋環(huán)境監(jiān)測儀器裝備的通用化、系列化和組合化，以盡快趕上目前存在的巨大差距。

展望未來，以滿足探索海洋、利用海洋全方位發(fā)展的迫切需求為導向，在海洋環(huán)境監(jiān)測平臺技術中，智能控制、云存儲、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信及人工智能等領域的新技術將被引入并得以推廣；在傳感技術方面新材料、新原理、智能傳感及傳感網(wǎng)絡技術的發(fā)展將會推動產(chǎn)生微型化、智能化、高可靠性的新型傳感技術；在數(shù)據(jù)綜合處理技術中，大數(shù)據(jù)、知識發(fā)現(xiàn)、各學科交叉融合、泛在計算及交互可視等技術將得到廣泛應用[44-46]。而在海洋環(huán)境監(jiān)測儀器裝備研制方面，將在不斷提高儀器裝備可靠性等性能指標的前提下，由連續(xù)現(xiàn)場監(jiān)測逐漸實現(xiàn)長期原位監(jiān)測。隨著智能控制和人工智能的發(fā)展，海洋環(huán)境監(jiān)測儀器裝備也必將向智能化方向發(fā)展，實現(xiàn)自主的數(shù)據(jù)采集、跟蹤和控制、修復故障、融合監(jiān)測數(shù)據(jù)等功能。新技術的突破必將導致海洋環(huán)境監(jiān)測從海、陸、空、天、時五維度上實現(xiàn)多尺度、全天候、連續(xù)監(jiān)測及數(shù)據(jù)高效利用, 其儀器裝備將向網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展。