海洋監(jiān)測與海洋互聯(lián)信息網業(yè)務現狀分析

董超，陳焱琨

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海洋監(jiān)測與海洋互聯(lián)信息網業(yè)務現狀分析

董超，陳焱琨

（國家海洋局南海調查技術中心，廣東 廣州 510300）

伴隨著人類對陸地資源的過度開發(fā)和利用，人類面臨著嚴重的資源短缺問題，我國擁有豐富的海洋資源，為緩解資源短缺問題提供了新的思路。同時，海洋自然災害對沿海地區(qū)造成了很大的經濟損失。因此，在海洋開發(fā)利用的過程中，越來越需要能提供實時海洋采樣、環(huán)境監(jiān)控、水下勘探、災難預警等應用的海洋互聯(lián)信息網絡。首先詳細介紹了海洋監(jiān)測方式和監(jiān)測數據的特點，接著以我國海洋斷面調查及?！獨?CO2交換通量監(jiān)測的業(yè)務特點為例，發(fā)現在長期的海洋監(jiān)測任務過程中，有以下3個亟待解決的問題：海洋監(jiān)測互聯(lián)網的業(yè)務需求、海洋監(jiān)測大數據背景下的共享平臺需求以及海底觀測網絡需求。

海洋監(jiān)測；海洋互聯(lián)網；海洋互聯(lián)信息網業(yè)務

1 引言

地球是一個美麗的水球，地表2/3都是水，豐富的海洋資源以及神秘的海洋越來越吸引著人類去探索和征服。伴隨著人類對陸地資源的過度開發(fā)和使用，人類面臨著越來越明顯的資源短缺問題，海洋蘊含豐富的資源，為緩解資源緊缺問題提供了新的思路。世界上很多國家都已經意識到了海洋的重要性，某些國家正覬覦著別國的海洋資源，我國的海洋權益受到空前挑戰(zhàn)，事關國家安全與經濟發(fā)展。中共十九大報告提出堅決維護國家海洋權益，加快建設海洋強國的戰(zhàn)略目標。

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(huán)境；IBM和Beacon聯(lián)合研究院曾經共同發(fā)起一個項目：計劃為哈德遜河創(chuàng)建一個環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，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(tǒng)一發(fā)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(jiān)測以及海洋通信網絡的重要性。

因此，在海洋開發(fā)利用的過程中越來越需要能提供實時海洋采樣、環(huán)境監(jiān)控、水下勘探、災難預警、地震監(jiān)控、設備監(jiān)控、輔助海航、分布式戰(zhàn)術監(jiān)視、海上石油開采等應用的網絡平臺[1-2]。

目前國內外海底觀測網絡發(fā)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(huán)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(xié)議[3]。

? Telesonar Testbed[4]，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(xù)的監(jiān)控[5]。

? 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[6]。

? 歐洲海底觀測網不是一個完整的區(qū)域性海底觀測網絡，而是由不同區(qū)域、不同國家/研究機構主持的，由特定研究主題的區(qū)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(jiān)測點，長時間、連續(xù)、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(tǒng)。2011年，同濟大學、浙江大學等高校聯(lián)合驗證“海底長期觀測網絡試驗節(jié)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(tǒng)并進行了長達半年的試驗驗證[6]。

? 依托于“863”計劃項目“岸基光纖線列陣水聲綜合探測系統(tǒng)”，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(tǒng)。并于2013年在三亞南海海域建成首個海底觀測示范系統(tǒng)[6]。

2 海洋監(jiān)測

近十幾年來，我國沿海地區(qū)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[7]。認識海洋環(huán)境變化的規(guī)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(fā)、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(lián)網框架的關鍵。

2.1 海洋監(jiān)測手段

船載快速監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測數據以及陸地支持系統(tǒng)制作的信息產品規(guī)范化數據文件。通信要求實時通信，通過國際移動衛(wèi)星組織（InmarSat）提供的InmarSat-C系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)、無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)以及衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)中，遙感飛機或無人機在空中遙感監(jiān)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(tǒng)制作的信息產品規(guī)范化數據文件。航空遙感監(jiān)測系統(tǒng)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(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)要求準實時通信，在衛(wèi)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(tài)浮標系統(tǒng)在近岸海域監(jiān)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(jiān)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(huán)境常規(guī)監(jiān)測業(yè)務系統(tǒng)，通過海洋監(jiān)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(guī)水文氣象觀測業(yè)務系統(tǒng)，沿岸海洋監(jiān)測站自動監(jiān)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(huán)境監(jiān)測站進行處理，通過中國海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數據專網傳輸，數據量約為3 MB/天。

潛標監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)、釋放器、監(jiān)測設備等，可以長期連續(xù)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(tǒng)的潛標監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)提供行之有效的解決方案。

2.2 海洋監(jiān)測數據

海洋監(jiān)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(lián)網QoS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(guī)律的重要依據[7]。

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[7]。

由于歷史原因，我國海洋基礎監(jiān)測數據的資料建設比較緩慢，近十幾年來雖然發(fā)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(jiān)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(tǒng)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)出現相互不兼容、時空分布不一致、監(jiān)測頻率不一致、監(jiān)測設備種類多樣、數據格式不統(tǒng)一等問題，海洋數據缺乏標準化[9]?，F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(jiān)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(zhàn)。

2.3 海洋監(jiān)測方案

以我國海洋斷面調查及?！獨?CO2交換通量監(jiān)測為例，簡要分析海洋數據的監(jiān)測過程。?！獨?CO2交換通量監(jiān)測采用人工走航式，屬于船載快速監(jiān)測方式。北海環(huán)境監(jiān)測中心、寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心等單位常年承擔?！獨釩O2交換通量走航監(jiān)測的任務。

首先，確定調查斷面和監(jiān)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(jiān)測海域的水深確定具體的監(jiān)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(jiān)測內容，海洋水文方面主要監(jiān)測水深、水溫、鹽度、海浪、水色和透明度、海發(fā)光；海洋氣象方面主要監(jiān)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(jiān)測鹽度、溶解氧、pH、堿度、活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽；?！獨釩O2交換通量主要監(jiān)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、pH、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(jiān)測質控樣本中存在的問題并進行相應的整改，根據監(jiān)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?！獨?CO2交換通量監(jiān)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(jiān)測體系已布設20余條船基走航監(jiān)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(jiān)測與長時間序列定點監(jiān)測相結合的立體化監(jiān)測體系。

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

3 海洋互聯(lián)信息網業(yè)務調研

根據以上關于海洋監(jiān)測數據的分類、特點以及?！獨釩O2交換通量監(jiān)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(jiān)測任務過程中，發(fā)現有以下3個亟待解決的問題。

（1）海洋監(jiān)測互聯(lián)網的業(yè)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(jié)點之間還不能夠實時傳輸數據，缺少一個海洋數據監(jiān)測與實時傳輸的海洋互聯(lián)信息網絡。

（2）海洋監(jiān)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(jiān)測的投入力度，我國也在“海洋強國”戰(zhàn)略的號召下，海洋監(jiān)測的數據量呈爆炸式增長；不同體系的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)相互不兼容、監(jiān)測頻率不一樣以及設備的多樣化均導致數據格式的不統(tǒng)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(jiān)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(wèi)星遙感能夠監(jiān)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(jiān)測。相比傳統(tǒng)監(jiān)測手段，海底觀測網絡的優(yōu)勢包括長期性、動態(tài)性、實時性等，相比衛(wèi)星遙感和船載監(jiān)測系統(tǒng)，海底觀測網絡被形象地稱為地球觀測系統(tǒng)的第3個平臺。海底觀測網絡可用于海底地震監(jiān)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(yè)務化運行的海底觀測網[6,12]。

4 結束語

本文首先介紹了海洋通信網絡的背景知識，強調了海洋監(jiān)測以及海洋通信網絡的重要性。接著，詳細介紹了各種海洋監(jiān)測技術手段和監(jiān)測數據的分類以及特點以及我國?！獨釩O2交換通量監(jiān)測的工作內容。在長期的海洋監(jiān)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(jiān)測互聯(lián)網的業(yè)務需求、海洋監(jiān)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(jiān)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(huán)境監(jiān)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(zhàn)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”。

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Analysis on marine monitoring and data service of marine internet

DONG Chao, CHEN Yankun

South China Sea Marine Survey and Technology Center, Guangzhou 510300, China

China has abundant marine resources and provides new ideas for alleviating the shortage of resources. At the same time, natural disasters in the sea caused great economic losses in the coastal areas. Therefore, in the process of marine development and utilization, there is an increasing need for an ocean interconnected information network that can provide real-time marine sampling, environmental monitoring, underwater exploration, and disaster warning applications. Firstly, the characteristics of marine monitoring methods and monitoring data were introduced in detail. Then, taking the oceanography survey of China and the business characteristics of sea-gas CO2exchange flux monitoring as examples, it was found that in the long-term marine monitoring task, there were three issues that needed to be solved urgently, including the needs of the marine monitoring internet business, the needs of shared platforms in the context of marine monitoring big data, and the needs of submarine observation networks.

marine monitoring, marine internet, marine information network service

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018191

董超（1982?），男，博士，國家海洋局南海調查技術中心副研究員、維權技術室主任，中國太平洋學會專家?guī)鞂＜?特聘研究員，淮海工學院海洋智能裝備研究院特聘研究員。近些年，大力推動無人艇在海洋調查領域的應用，在海洋調查無人艇的研制和應用方面成績突出。作為主要發(fā)起人，成立“南海無人艇調查技術聯(lián)合實驗室”，開展多種無人艇的研發(fā)、測試和應用，在國家海洋局專項研發(fā)計劃中提出10多項無人艇設計方案。獲得2016年度海洋科學技術獎特等獎。

陳焱琨（1982?），女，博士，現就職于國家海洋局南海調查技術中心，主要研究方向為無線通信、水聲通信、水聲網絡技術。

2018?05?01；

2018?06?01