專家視點|海洋監測與海洋互聯信息網業務現狀分析

　　引言

　　2010年夏天, 墨西哥灣因石油泄漏導致石油鉆塔爆炸, 嚴重損害周邊海洋環境； IBM和Beacon聯合研究院曾經共同發起一個項目:計劃為哈德遜河創建一個環境監控系統, 把315 m長的河岸線變成一個分布式的水聲網絡, 進而收集生物、物理和化學信息, 然后統一發送到IBM數據管理中心；此外, 多個國家存在不同程度的深海漏油問題。這些案例都反映出海洋監測以及海洋通信網絡的重要性。

　　在海洋開發利用的過程中越來越需要能提供實時海洋采樣、環境監控、水下勘探、災難預警、地震監控、設備監控、輔助海航、分布式戰術監視、海上石油開采等應用的網絡平臺。目前國內外海底觀測網絡發展近況如下。

　　·歐盟支持的ACMEnet (The Acoustic Communication Network for Monitoring of Environment in Coastal Areas) 項目是一個長期的實時觀測沿海環境的水聲通信網絡, 2002年和2003年分別進行了兩次實際的海試。ACMEnet采用MFSK/TDMA主從式網絡協議。

　　·Telesonar Testbed, 由海軍研究院辦公室 (ONR) 資助, 由一組靈活的水聲Modem (調制解調器) 組成, 支持各種調制機制的驗證。同樣由ONR資助的PLUSNet (Persistent Littoral Undersea Surveillance, Networked) 項目, 可提供水下持續的監控。

　　·美國MARS (Monterey Accelerated Research System) 海底觀測網, 位于蒙特利灣, 是美國和加拿大深海海底觀測網絡組網設備的主要試驗場所, 也是國際深海海底觀測網絡組網設備的主要試驗場所。2011年4—10月, MARS為同濟大學深海觀測設備進行了接駁試驗。

　　·歐洲海底觀測網不是一個完整的區域性海底觀測網絡, 而是由不同區域、不同國家/研究機構主持的, 由特定研究主題的區域網組成。

　　·2009年4月, 同濟大學等科研單位在上海附近海域實施了海底觀測組網技術的實驗, 項目采用專用線纜連接各個監測點, 長時間、連續、實時觀測海洋各要素。并建立了中國第一個海底綜合觀測實驗與示范系統。2011年, 同濟大學、浙江大學等高校聯合驗證“海底長期觀測網絡試驗節點關鍵技術”項目, 驗證了一系列海底觀測網絡所必需的關鍵技術, 其中接駁設備成功接入美國MARS系統并進行了長達半年的試驗驗證。

　　·依托于“863”計劃項目“岸基光纖線列陣水聲綜合探測系統”, 2009年成立的中國科學院聲學研究所南海聲學與海洋綜合觀測實驗室成功布放了中國第一條海底光纖探測系統。并于2013年在三亞南海海域建成首個海底觀測示范系統。

　　海洋監測

　　近十幾年來, 我國沿海地區因為海洋自然災害造成的直接和間接經濟損失累積已達到2 000多億元, 其中, 一半以上的年份遭受的損失超過100億元。認識海洋環境變化的規律有著重要的意義, 而對海洋基礎數據的分析也越來越受到重視。海洋水文特征的分析為海洋工程、航海保障、海洋資源開發、海洋軍事保障等提供了科學依據。海洋數據特征也是設計海洋觀測網以及互聯網框架的關鍵。

　　海洋監測手段

　　船載快速監測系統在海上航行過程中采集數據, 部分數據分析工作可在船上開展。數據的傳輸內容有實時監測數據以及陸地支持系統制作的信息產品規范化數據文件。通信要求實時通信, 通過國際移動衛星組織 (Inmar Sat) 提供的Inmar Sat-C系統或岸上傳輸技術與數據處理中心連接, 數據量約為1 KB/站[8]。

　　航空遙感監測系統、無人機遙感監測系統以及衛星遙感監測系統中, 遙感飛機或無人機在空中遙感監測獲取后生成圖像和數據文件, 將數據存放在各自數據處理中心。數據傳輸內容是地面數據處理系統制作的信息產品規范化數據文件。航空遙感監測系統通信要求準實時通信, 通過地面數據處理站進行處理, 與數據處理中心采用以太網連接。數據量約為60 MB/航次。衛星遙感監測系統要求準實時通信, 在衛星遙感數據處理站進行處理, 與數據處理中心采用FTP連接, 數據量約為30 MB/天。

　　生態浮標系統在近岸海域監測數據, 數據傳輸內容是設定好的數據文件。要求實時通信, 通過GSM與數據中心進行數據傳輸, 數據量約為1 KB/天。

　　水下無人自動監測站, 要求實時通信, 布放于沿海海洋觀測站附近, 數據傳輸內容是設定好的數據文件。采用遠程撥號連接方式進行數據傳輸, 數據量約為5 KB/天。

　　海洋環境常規監測業務系統, 通過海洋監測船固定站位進行樣品或數據獲取, 傳輸內容是格式不同的數據文件。要求準實時通信, 通過以太網方式連接, 數據量約為3 KB/天。

　　海洋常規水文氣象觀測業務系統, 沿岸海洋監測站自動監測, 傳輸內容是格式不同的數據文件。要求實時通信, 水文氣象數據由海洋環境監測站進行處理, 通過中國海洋環境監測系統數據專網傳輸, 數據量約為3 MB/天。

　　潛標監測系統由水下部分和水上部分組成, 水下部分一般包括主浮體、浮子、錨系統、釋放器、監測設備等, 可以長期連續地獲取海洋水下不同深度的洋流、溫度、鹽度、深度等水文資料。傳統的潛標監測系統一年回收一次數據, 我國在西太平洋潛標觀測網項目中首次實現了深海觀測數據實時回傳到岸基數據中心, 為國內外使用潛標監測系統提供行之有效的解決方案。

　　海洋監測數據

　　海洋監測數據從應用角度可分為水文、氣象、生物、化學、地質等；從互聯網角度分, 可以從數據的帶寬、實時性、容錯等方面來劃分；如果按照海洋基礎數據的空間特征進行劃分, 又可以分為標量場數據和矢量場數據。其中水文反映的是海峽、海灣、水道和大洋中海水的狀況, 是海洋基礎信息數據的重要組成部分, 是研究海洋物理性質, 分析海洋中風、浪、流活動的變化過程與規律的重要依據。

　　海洋數據的來源多種多樣。其中, 水文數據主要包含以下幾方面要素:鹽度、溫度、密度等基本屬性信息以及海浪、海流、潮汐等海洋現象運動特征和變化過程信息。

　　由于歷史原因, 我國海洋基礎監測數據的資料建設比較緩慢, 近十幾年來雖然發展迅速, 但是技術水平仍然相對落后。目前, 軍方和地方已經積累了大量的海洋監測數據。但各個單位和生產部門建立了封閉獨立、標準不一、互不連通的的海洋基礎或專題數據庫, 各個系統的數據資料在種類和時空范圍上存在差異, 使得海洋數據共享和信息交流難以實現。環境監測系統出現相互不兼容、時空分布不一致、監測頻率不一致、監測設備種類多樣、數據格式不統一等問題, 海洋數據缺乏標準化。現階段尚未形成通用的、面向全球的海洋數據平臺。

　　綜上所述, 海洋監測數據的特點可以概括為多源性、異構性、海量性以及多尺度時變性, 使得海洋數據的獲取和分析面臨巨大的挑戰。

　　海洋監測方案

　　以我國海洋斷面調查及海—氣CO2交換通量監測為例, 簡要分析海洋數據的監測過程。海—氣CO 2交換通量監測采用人工走航式, 屬于船載快速監測方式。北海環境監測中心、寧波海洋環境監測中心等單位常年承擔海—氣CO2交換通量走航監測的任務。

　　首先,確定調查斷面和監測站位的選擇, 包括渤海中部、黃海北部、長江口外站、東海、南海北部等各站點的選擇。

　　其次, 根據監測海域的水深確定具體的監測深度, 例如在淺水域 (不超過50 m) , 可觀察海洋表層、底層以及選定深度；在近海域 (不超過1 000 m深度) , 可觀察海洋表層、底層以及選定深度。

　　接著,確定監測內容, 海洋水文方面主要監測水深、水溫、鹽度、海浪、水色和透明度、海發光；海洋氣象方面主要監測海面水平能見度、云、天氣現象、空氣溫度和濕度、風及氣壓；海洋化學方面主要監測鹽度、溶解氧、p H、堿度、活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽；海—氣CO2交換通量主要監測海水CO2分壓、大氣CO2分壓、氣溶膠厚度、采水口參數 (溫度、鹽度、p H、溶解氧和葉綠素a) 、溶解無機碳和總堿度。

　　最后,總結和深入分析以往年度的斷面走航監測質控樣本中存在的問題并進行相應的整改, 根據監測內容, 確定分析方法和測試設備。分析方法有用非色散紅外線吸收法測試海水CO2分壓和大氣CO2分壓；用多參數水質儀法測試鹽度、濁度以及溶解氧等；測試設備有測深儀、溫度探頭等。

　　從2008年開始, 我國啟動了管轄海域海—氣CO2交換通量監測工作, 以滿足海洋領域應對全球氣候變化的工作需求。通過建設, 我國海—氣CO2交換通量監測體系已布設20余條船基走航監測斷面, 正在建設5個岸/島基站和5個專用浮標站, 初步構成了點、線、面結合, 走航監測與長時間序列定點監測相結合的立體化監測體系。

　　根據中國海洋環境監測網給出的數據, 2015年共開展全年海—氣CO2交換通量監測6次, 2014年全年開展6次, 2013年全年開展9次。

　　海洋互聯信息網業務調研

　　根據以上關于海洋監測數據的分類、特點以及海—氣CO2交換通量監測內容分析, 結合國內目前海洋觀測的現狀, 在長期的海洋監測任務過程中, 發現有以下3個亟待解決的問題。

　　(1) 海洋監測互聯網的業務需求

　　目前, 水下傳感器、測試設備、無人船之間, 水下的測試設備與浮標之間, 水下測試設備與岸基節點之間還不能夠實時傳輸數據, 缺少一個海洋數據監測與實時傳輸的海洋互聯信息網絡。

　　(2) 海洋監測數據共享平臺的迫切需求

　　目前世界各國都加大了對海洋監測的投入力度, 我國也在“海洋強國”戰略的號召下, 海洋監測的數據量呈爆炸式增長；不同體系的環境監測系統相互不兼容、監測頻率不一樣以及設備的多樣化均導致數據格式的不統一, 海洋數據缺乏標準。有必要設計一個通用的、面向全球的海洋數據共享平臺；能基于大數據分析與處理復雜的海洋數據, 實現海洋監測數據可視化[10,11]輸出, 進而更好地滿足海洋觀測任務。

　　(3) 海底觀測網絡的需求

　　海面浮標和衛星遙感能夠監測海洋表面變化, 缺點是很難穿透厚重的海水觀測海底。海底觀測網絡是將各種觀測設備和儀器安裝到海底, 對海水層、海底和海底以下的巖石進行監測。相比傳統監測手段, 海底觀測網絡的優勢包括長期性、動態性、實時性等, 相比衛星遙感和船載監測系統, 海底觀測網絡被形象地稱為地球觀測系統的第3個平臺。海底觀測網絡可用于海底地震監測、海嘯預警及海底天然氣水合物、海底熱液活動等方面的研究。近年來, 我國在東海和南海海域開展過一些試驗性的海底觀測工作, 但尚未形成業務化運行的海底觀測網。

　　結束語

　　在長期的海洋監測任務過程中, 結合國內目前海洋觀測的現狀, 本文提出3個亟待解決的問題: 海洋監測互聯網的業務需求、海洋監測數據共享平臺的迫切需求以及海底觀測網絡的需求。海底觀測網絡可以實現我國海域全面的、實時的、長期的立體觀測, 同時共享獲取到的海洋立體監測數據, 不僅可以推動海洋相關科學研究, 也能夠對各生產應用部門提供可靠的數據支持, 例如海洋環境監測部門、海洋災難預警部門、國防安全部門、海洋個人消費領域等。黨中央提出“逐步把我國建設成為海洋經濟強國”的宏偉目標, 海洋的國家戰略地位空前提高。海洋研究工作者要抓住機遇, 爭取早日實現海上的“中國夢”。