海洋環(huán)境是指海洋動力、氣象、水文、生態(tài)、化學(xué)、海洋聲光物理特性及海洋地質(zhì)地理等要素。海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是指借助機械、電子、能源、材料、信息等多學(xué)科及其交叉技術(shù)實行海洋環(huán)境的監(jiān)、觀、勘測技術(shù)。本文結(jié)合海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究及儀器裝備研制新成果，對當(dāng)前海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)所涉及的傳感技術(shù)、平臺技術(shù)及數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)3個方面進(jìn)行分析，通過現(xiàn)狀梳理，找出中國與國外相關(guān)研究領(lǐng)域存在的差距，并預(yù)測其發(fā)展趨勢，以供相關(guān)的科研及工程人員參考。
一、海洋環(huán)境監(jiān)測傳感技術(shù)
海洋環(huán)境監(jiān)測傳感技術(shù)是海洋環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)技術(shù)，是將所感知的海洋氣象、水文、生態(tài)等要素特性量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的有用電量的技術(shù)。該技術(shù)涉及感知海洋環(huán)境的傳感器原理、結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)計、制造及檢測等多種技術(shù)。
⒈傳感器技術(shù)
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(shù)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。通過微流控、光纖等技術(shù)綜合研制的海洋生態(tài)化學(xué)傳感器可在原子和分子層次上進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，部分傳統(tǒng)的海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器取得較大進(jìn)步，在業(yè)務(wù)化應(yīng)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(fēng)等傳感器在性能上已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，環(huán)境適應(yīng)性也不低于進(jìn)口產(chǎn)品。但在更加尖端的傳感技術(shù)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(xué)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(shù)成果在指標(biāo)上仍不及國外技術(shù)發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品。而在海洋化學(xué)參數(shù)傳感器方面，我國取得了顯著進(jìn)步，新研制的化學(xué)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(biāo)方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平，特別是在微流控芯片、放射性監(jiān)測等新技術(shù)方面處于國際先進(jìn)水平。在常規(guī)的海洋氣象傳感技術(shù)方面，國產(chǎn)氣壓傳感器尚難以達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品的測量精度和穩(wěn)定性，目前幾乎全部依賴進(jìn)口；國產(chǎn)海洋濕度傳感器、風(fēng)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(dāng)。
經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在海洋環(huán)境監(jiān)測傳感技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)步，與國際先進(jìn)水平的差距正在縮小，有的已達(dá)到甚至代表國際先進(jìn)水平。但在新型傳統(tǒng)傳感、特殊功能傳感技術(shù)研究方面，存在的差距仍然比較大。
⒉海洋雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)
海洋雷達(dá)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是由無線電科學(xué)、信息技術(shù)和物理海洋學(xué)交叉形成的海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)新方向。20世紀(jì)60年代～70年代以來，用于海洋監(jiān)測的雷達(dá)按頻段主要分為高頻和微波兩大類。高頻雷達(dá)包括高頻地波雷達(dá)、高頻天波雷達(dá)和天-地波一體化雷達(dá)，微波雷達(dá)則包括X/C/S等波段的探海微波雷達(dá)。
海洋雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)具有的共性特征是：⑴以非接觸方式獲取海面海洋動力學(xué)參數(shù)分布信息；⑵雷達(dá)電磁波與特定波長的海洋表面波的諧振是回波信息調(diào)制的主要機制；⑶雷達(dá)回波還攜帶有較寬頻譜的波浪方向譜信息；⑷臺站定點或走航觀測相比海洋雷達(dá)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(xué)參數(shù)時空變化信息。
未來海洋雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢為：⑴通過分布式海洋雷達(dá)組網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)提高探測范圍；⑵利用天-地波一體化混合組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對海面和低空的監(jiān)測；⑶通過移動平臺基海洋雷達(dá)技術(shù)實現(xiàn)船載、車載或浮標(biāo)等移動平臺的海洋環(huán)境監(jiān)測；⑷通過研制多頻率、多極化的微波海洋雷達(dá)提高探測精度和探測距離；⑸經(jīng)過海洋數(shù)值模型同化等技術(shù)成果使監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)揮其應(yīng)用效能。
二、海洋環(huán)境監(jiān)測平臺技術(shù)
海洋環(huán)境監(jiān)測平臺技術(shù)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(shù)，海洋環(huán)境監(jiān)測平臺主要包括岸基臺站、浮標(biāo)、潛標(biāo)、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。從20世紀(jì)初的岸基臺站、船基的初步應(yīng)用到錨系浮標(biāo)研制成功，如今潛標(biāo)、海床基、水下移動平臺、天基和空基等技術(shù)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(shù)已較為成熟，在海洋環(huán)境監(jiān)測的業(yè)務(wù)化運行方面發(fā)揮著重要作用。
⒈岸基臺站
岸基海洋站技術(shù)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(shù)，是發(fā)展最早、最為成熟的海洋環(huán)境監(jiān)測平臺技術(shù)。美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)海洋國家的海洋平臺技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，應(yīng)用廣泛，功能仍在不斷完善。海洋發(fā)達(dá)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(shè)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(shè)了高頻地波海洋監(jiān)測雷達(dá)，覆蓋范圍涵蓋美國東西海岸，實現(xiàn)了監(jiān)測范圍內(nèi)的海洋環(huán)境監(jiān)測。
我國岸基臺站技術(shù)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(shù)未來將以多功能化、工作時間長期化、維護(hù)成本低廉化為目標(biāo)，在相關(guān)的保障技術(shù)及可靠性方面進(jìn)行長期的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品研制。
⒉浮標(biāo)和潛標(biāo)
⑴浮標(biāo)
浮標(biāo)包括錨系浮標(biāo)和漂流浮標(biāo)。錨系浮標(biāo)是實現(xiàn)海洋動力環(huán)境、氣象及海洋生態(tài)化學(xué)要素長期連續(xù)觀測的主要平臺技術(shù)，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(biāo)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(biāo)，具有體積小、重量輕、不受人為限制等特點。錨系浮標(biāo)技術(shù)相對成熟，浮標(biāo)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(biāo)，如美國國家資料浮標(biāo)中心(NDBC)研制的錨系浮標(biāo)主要有三種：用于幾百至幾千米水深海域的直徑為10和12m的大型圓盤浮標(biāo)和6m圓盤形、船形中型浮標(biāo)，以及用于近海監(jiān)測的3m圓盤形小型浮標(biāo)。
近年來浮標(biāo)技術(shù)的發(fā)展主要集中在供給電源的改進(jìn)和技術(shù)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(biāo)。漂流浮標(biāo)技術(shù)以拉格朗日漂流(SVP浮標(biāo))技術(shù)為主，研究經(jīng)久耐用、成本低廉、投放方便的漂流浮標(biāo)是該技術(shù)的發(fā)展焦點。同時研究滿足特殊需求的特種漂流浮標(biāo)是發(fā)展主體，如近期為滿足海洋氣象學(xué)研究的需求，研制出了可測氣壓的氣象漂流浮標(biāo)、風(fēng)速風(fēng)向漂流浮標(biāo)以及可同時測量風(fēng)速、風(fēng)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(biāo)等。
浮標(biāo)平臺技術(shù)的發(fā)展由結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化逐步轉(zhuǎn)向功能專業(yè)化以及對浮標(biāo)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、主控、電源等部分進(jìn)行改進(jìn)，呈現(xiàn)出通信手段多元化、組成模塊標(biāo)準(zhǔn)化、供給電源多方式化等特點。
⑵潛標(biāo)
潛標(biāo)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。對潛標(biāo)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，初期的潛標(biāo)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(biāo)技術(shù)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(biāo)按驅(qū)動形式分為水下絞車式、電機驅(qū)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(biāo)技術(shù)可實現(xiàn)在5.5m波浪海況下系統(tǒng)工作正常，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；由俄羅斯和德國研制的基于電機驅(qū)動和基于浮力驅(qū)動的新型潛標(biāo)在技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。我國在該領(lǐng)域發(fā)展較晚，目前尚處在仿制階段，關(guān)鍵的核心技術(shù)尚未取得突破。未來潛標(biāo)技術(shù)將向生存能力更強、測量參數(shù)更多等方向發(fā)展。
⒊海床基
海床基技術(shù)是一種海底平臺技術(shù)，其技術(shù)核心包括平臺的布放、回收、數(shù)據(jù)通信及安全等技術(shù)。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(shù)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(yīng)用于4400m深海底觀測；NOAA的DART系統(tǒng)利用坐底式監(jiān)測設(shè)備和水面氣象浮標(biāo)進(jìn)行海嘯監(jiān)測與預(yù)警；美國NeMO海底觀測系統(tǒng)布放在1600m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(shè)備，是歐洲深海水動力和沉積作用研究中的重要裝備。
海床基技術(shù)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(jié)構(gòu)簡單，尺寸、重量都較小，具有操作較為靈活，易于進(jìn)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(jìn)行通訊，突破了海床基系統(tǒng)空間范圍的局限性。該項技術(shù)我國起步較晚，同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)等高校及研究機構(gòu)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(shù)在該系統(tǒng)中得到驗證和技術(shù)推廣。
⒋海洋水下移動平臺
海洋水下移動平臺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(shù)由于其靈活、機動的特點而得到廣泛關(guān)注。
⑴自治式水下航行器
自治式水下航行器是一種可以設(shè)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(cè)掃聲吶、成像聲吶等復(fù)雜傳感器或儀器，多用于水下指定目標(biāo)區(qū)域的海洋環(huán)境監(jiān)測。在自治式水下航行器技術(shù)方面，世界各國在續(xù)航、速度、結(jié)構(gòu)、隱蔽性等方面進(jìn)行技術(shù)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(shù)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(shè)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(biāo)等，續(xù)航能力達(dá)到了2000km。
中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學(xué)等機構(gòu)研制的自治式水下航行器已經(jīng)在水下6000m處實現(xiàn)了24h或100km的自主航行，可搭載淺地層剖面探測儀等儀器設(shè)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。
⑵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(shù)，研制的產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)已廣泛用于海上溢油追蹤、颶風(fēng)預(yù)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(shù)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(yīng)能力上。因此，波浪能滑翔器技術(shù)主要是外形研究、電源供給技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)。法國、英國、日本等國家早就開展了各類水下滑翔器技術(shù)的研究。
中國科學(xué)院沈陽自動化所研制的Sea-Wing工作水深1000m、續(xù)航時間40d，天津大學(xué)研制的“海燕”工作水深1500m、續(xù)航時間30d，航程均超過了1000km，標(biāo)志著我國已基本掌握水下滑翔器技術(shù)，即將達(dá)到實用化裝備水平。水下滑翔器未來將向具有混合推進(jìn)器、持續(xù)能力更強、運動控制更高效、搭載傳感器負(fù)荷能力更強等方向發(fā)展。
⑶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(fù)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3000m，技術(shù)較為成熟的美國、日本、俄羅斯、法國等少數(shù)國家，具備研制6000m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(yīng)用，最大潛深可達(dá)約11000m，實現(xiàn)了全海深探測和作業(yè)。我國上海交通大學(xué)研制的ROV“海馬”、“海龍”作業(yè)水深均達(dá)到了4500m和11000m，715所研制的定型ROV也可達(dá)5000m。未來無人遙控潛器將向更深更復(fù)雜海洋環(huán)境下能生存并執(zhí)行任務(wù)、更大載重能力等方向發(fā)展。
⑷載人深潛器
載人深潛器可以把人送到深海底附近，在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)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(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋調(diào)查和安全作業(yè)。其中能夠下潛到1000m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4500m，目前屬于WHOI的“深海挑戰(zhàn)者號”在馬里亞納海溝下潛到10908m。日本的“新海6500號”最大潛深6500m，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_(dá)7000m。未來，載人深潛器將向看進(jìn)一步提高潛深、載重、生存能力、執(zhí)行任務(wù)能力等方向發(fā)展。
⑸自持式剖面探測系統(tǒng)
自持式剖面探測系統(tǒng)又稱地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實時觀測陣浮標(biāo)，起源于實施國際地轉(zhuǎn)海洋學(xué)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(shù)已趨于成熟，構(gòu)建成了實時觀測陣浮標(biāo)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(kuò)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(dǎo)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(xué)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(zhuǎn)海洋學(xué)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(wù)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2000m潛深剖面。未來該技術(shù)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。
⒌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(jìn)行實時監(jiān)測的平臺。海洋衛(wèi)星從功能上一般可以分為兩類：海洋光學(xué)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(xué)遙感和微波遙感功能。海洋光學(xué)遙感衛(wèi)星主要用于探測海洋光學(xué)參數(shù)，如葉綠素、懸浮泥沙、有色可溶有機物等水質(zhì)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(fēng)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(zhǔn)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(jìn)水色成像儀的新型海洋光學(xué)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海洋水色衛(wèi)星，主要承擔(dān)海洋水色、水溫環(huán)境監(jiān)測任務(wù)，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(dá)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(fēng)、浪、流等海洋動力環(huán)境信息的能力。未來，該技術(shù)將向著在位工作壽命更強、搭載負(fù)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(wù)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(shù)的進(jìn)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(yīng)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?zé)o人機的海洋環(huán)境監(jiān)測，在技術(shù)上緊跟發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平，如中測新圖公司自主研制的無人機續(xù)航時間達(dá)到了30h、拍攝分辨率達(dá)到了0.05～0.20dm。未來該方向?qū)⒃诳栈吞旎钶d的各類傳感器技術(shù)以及持續(xù)能力更強的平臺研發(fā)等方面進(jìn)一步開展。
⒍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。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(diào)查船、科學(xué)考察船、地質(zhì)勘察船、海洋監(jiān)視船等。近年來，許多海洋發(fā)達(dá)國家都在陸續(xù)建造大型、現(xiàn)代化的海洋科學(xué)綜合調(diào)查船。美國擁有世界上裝備最先進(jìn)、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(diào)查船，搭載了先進(jìn)的多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶等設(shè)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(dá)國家也擁有眾多技術(shù)先進(jìn)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(diào)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(yīng)重視兩個方面的研發(fā)：一是高質(zhì)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(yīng)能力更加強大的測量船以及無人測量船。
三、數(shù)據(jù)綜合及處理技術(shù)
海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合及處理技術(shù)是以海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)為基礎(chǔ)，對各平臺不同技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)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(wù)，該技術(shù)主要包括海洋環(huán)境監(jiān)測組網(wǎng)技術(shù)和海洋數(shù)據(jù)處理技術(shù)。
⒈組網(wǎng)技術(shù)
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?qū)Ｓ肐nternet網(wǎng)實現(xiàn)了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的連接。在海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，以海底光纖或水聲通信方式組網(wǎng)的海底監(jiān)測技術(shù)是核心技術(shù)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(luò)，應(yīng)用于地震學(xué)和地球動力學(xué)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(shè)3000km光纜，進(jìn)行海洋環(huán)境實時觀測。美國和加拿大分別建設(shè)MARS觀測站和VENUS觀測站構(gòu)成了加拿大的海底觀測網(wǎng)(ONC)。歐洲根據(jù)全球環(huán)境監(jiān)測與保護(hù)計劃開展4D觀測網(wǎng)建設(shè)，英、德、法等國建設(shè)的ESONET(歐洲海底觀測網(wǎng))，對地球物理學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、海洋學(xué)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(nèi)建立并基本形成分別覆蓋國家、海區(qū)、省、市、縣5個層次、結(jié)構(gòu)合理、條塊結(jié)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(luò)，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(shù)探索方面，同濟(jì)大學(xué)與中國科學(xué)院2009年在洋山國際深水港東南建成同濟(jì)大學(xué)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(shè)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(biāo)的監(jiān)視；2013年浙江大學(xué)在島北部海域建成浙江大學(xué)摘箬山島海底觀測網(wǎng)，主要定位于海洋地震監(jiān)測。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(wù)等方面。但我國在海底網(wǎng)技術(shù)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(shè)等技術(shù)方面存在較大差距。未來該技術(shù)將在數(shù)據(jù)傳輸、快速組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)布設(shè)等方面進(jìn)行技術(shù)提升。
⒉數(shù)據(jù)分析技術(shù)
⑴數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)
海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)是采用多種平臺技術(shù)手段、多類型傳感技術(shù)，在海洋的不同地理位置、不同時間對海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測所獲取的。因此，必須以有效且共同遵循的體系標(biāo)準(zhǔn)，對海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的名詞術(shù)語、分類、數(shù)據(jù)格式等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)管理，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，應(yīng)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(guān)聯(lián)等方面進(jìn)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(jìn)行了質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)，有了各自的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)量控制技術(shù)方面差距較大。
⑵數(shù)據(jù)存儲管理技術(shù)
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(yīng)用的基礎(chǔ)。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(gòu)；歐洲航天局也建立了基于任務(wù)的分布式存儲的海洋數(shù)據(jù)中心。在存儲管理技術(shù)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(wù)器集群存儲架構(gòu)技術(shù)，我國還在采用地域上的集中式服務(wù)器存儲技術(shù)，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(kuò)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(shè)計統(tǒng)一規(guī)劃的存儲管理技術(shù)研究。
⑶數(shù)據(jù)同化技術(shù)
數(shù)據(jù)同化技術(shù)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(shù)，以短期分析預(yù)報結(jié)果作為模式預(yù)報的初值，并以此將觀測與模式的結(jié)果不斷融合成為一個最優(yōu)值，以減小誤差提高數(shù)值預(yù)報精度。數(shù)據(jù)同化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建海洋預(yù)報系統(tǒng)，還可利用該技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)，如最優(yōu)插值、卡爾曼濾波、擴(kuò)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(shù)，如三維變分、四維變分等。
⑷數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)
數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)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(shù)。目前已有MapReduce、Storm、StreamBase、Pregel等先進(jìn)的并行計算框架，且在已得到廣泛應(yīng)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?zāi)B(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(guān)聯(lián)特性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘算法無法有效地進(jìn)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(xué)全鏈條運轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中亟待突破的核心技術(shù)，也使得該項技術(shù)成為未來海洋數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域的新熱點。
⑸數(shù)據(jù)表達(dá)可視化技術(shù)
利用科學(xué)可視化技術(shù)展示海洋數(shù)據(jù)以及更進(jìn)一步地利用可視化分析技術(shù)挖掘時空數(shù)據(jù)規(guī)律，是建立從感知到認(rèn)知的關(guān)鍵技術(shù)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?fù)浞ǖ?。?biāo)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(dá)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?？v觀國內(nèi)外海洋大數(shù)據(jù)的分析技術(shù)研究，我國在數(shù)據(jù)表達(dá)可視化方面與發(fā)達(dá)國家相比不存在差距。
四、總結(jié)與展望
海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)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(yīng)用需求密切相關(guān)。海洋發(fā)達(dá)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(shù)和儀器裝備近年來取得了較大進(jìn)展，但由于海洋儀器裝備的研發(fā)投入高、試驗周期長、風(fēng)險高、難度大等特點，我國大多數(shù)科研機構(gòu)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(shù)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(wù)化或商業(yè)化應(yīng)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(shù)轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品性能改進(jìn)。在軟件設(shè)施方面，我國海洋儀器和裝備的標(biāo)準(zhǔn)化體系建立不完善，在海洋儀器裝備的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、計量檢定、測試和運行維護(hù)等系列標(biāo)準(zhǔn)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(shù)落后，也遠(yuǎn)不能滿足我國的重大業(yè)務(wù)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(shù)齊頭并進(jìn)協(xié)同發(fā)展，完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，努力接軌國際標(biāo)準(zhǔn)，加大經(jīng)費投入和人才引進(jìn)，推進(jìn)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(dǎo)向，在海洋環(huán)境監(jiān)測平臺技術(shù)中，智能控制、云存儲、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信及人工智能等領(lǐng)域的新技術(shù)將被引入并得以推廣；在傳感技術(shù)方面新材料、新原理、智能傳感及傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)；在數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)中，大數(shù)據(jù)、知識發(fā)現(xiàn)、各學(xué)科交叉融合、泛在計算及交互可視等技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。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(biāo)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(fù)故障、融合監(jiān)測數(shù)據(jù)等功能。新技術(shù)的突破必將導(dǎo)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(luò)化、智能化方向發(fā)展。
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