空天地海一體化海洋監測體系研究＊

李曉威，范儒彬，馬榮華，葉成瑤，陳小云，陳升敬，謝宏堅，呂建明

（1.廣州市地質調查院，廣東 廣州 510440；2.廣州賦安數字科技有限公司，廣東 廣州 510610；3.華南理工大學，廣東 廣州 510006）

對海洋立體監測數據的收集、分析和利用，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、海洋災難預警預報部門、國防安全部門、海洋個人消費領域等。目前世界各國都加大了對海洋監測的投入力度，中國也在“海洋強國”戰略的號召下，逐年增加針對海洋要素立體監測及海洋大數據分析應用等領域的投入和政策扶持。

當前，中國已初步建立覆蓋管轄海域的海洋生態環境監測網絡。但在監測網絡規劃布局、數據質量控制、標準規范建設、信息集成應用、監測能力建設等方面還存在一定不足。針對現有監測網絡所存在的問題，本文提出空天地海一體化監測體系，以實現海洋監測數據服務效用最大化。具體而言，該體系具有如下特色：①綜合運用衛星遙感、無人機、海岸視頻監控、監測浮標、岸基監測站等空、天、地、海立體監測手段，實現多源異構海洋數據的多層次、異步、流式融合；②基于數字地球技術實現海洋監測數據的空天地?？梢暬Ⅲw呈現；③運用人工智能分析算法實現多模態海洋時空數值分析模型和多尺度異?？梢暿录z測模型，通過多模態自監督優化算法實現模型的自適應持續優化；④針對水文要素監測、地理要素監測、海洋赤潮監測等實際應用場景，實現數據資源的融合應用。

1 國內外海洋監測體系的研究現狀

1.1 國內研究現狀

近幾年，中國海洋環境監測得到迅速的發展，衛星遙感、海上浮標、自動驗潮儀、水質自動監測站、高清視頻監控等技術設備被廣泛應用于海洋環境監測中，大幅提高政府管理部門對海洋環境信息的獲取能力[1-3]。以天基、空基、?；?、岸基4 個維度構建的觀測網絡，保證了海洋環境數據獲取的全面性和準確性[4]。

目前中國已形成了國家、海區、省、市、縣5 級海洋生態環境監測網絡體系，截至2016 年，中國已建有海洋環境監測機構235 個，其中國家機構94 個（國家監測中心1 個、海區監測中心3 個、中心站17 個、海洋站73 個），地方機構141 個（省級16 個、地級市44 個、縣級81 個）[5]。

中國海洋環境監測分為起步、發展和提升3 個階段。

1.1.1 起步階段

從1978 年第一次海洋污染監測到1984 年“全國海洋污染監測網”的建立是中國海洋環境監測的起步階段。通過對近海海域海洋監測的調查，為中國沿海城市了解海洋污染情況，以及相關部門對海洋生態環境的管理和決策提供了依據。

1.1.2 發展階段

1983 年《中華人民共和國海洋環境保護法》正式生效，中國海洋環境保護工作進入了一個新的階段。1984 年“全國海洋污染監測網”成立大會在天津召開，“全國海洋污染監測網”將全國有關海洋污染監測的工作進行了統一，形成統一的工作方案和技術要求，使海洋污染監測的分析測試方法保持一致，為全面了解和整體評價中國海洋的污染狀況提供了條件。

通過長年對海洋環境管理工作的全面開展，提高了海洋環境管理工作的效率，使中國海洋環境管理工作邁入了新的臺階，同時為之后中國海洋環境監測工作的發展奠定了良好的基礎。

1.1.3 提升階段

中國利用遙感衛星、無人機、監測浮標、岸基監測站等技術手段，構建了海洋環境立體監測系統，組建了“全國海洋環境立體監測網”。此監測網的建立改變了長期以人工操作為主的操作手段，實現了海洋監測的自動化，同時將開展海洋自然環境監測工作和掌握海洋環境狀況工作有機結合起來，對中國海洋環境監測技術的提高起到了積極的促進作用，為實現中國空天地海一體化海洋監測體系的建設奠定了基礎。

1.2 國外研究現狀

從20 世紀60 年代末開始，國外相繼開發海洋環境監測技術。70 年代末，污染傳感器和污染監測技術有了較大的發展，為了提高水文氣象浮標的利用率，研究污染與水文氣象環境的關系，美國、挪威和俄羅斯在水文氣象浮標上增加了水質監測傳感器，成為了水文氣象水質污染監測浮標，如美國EB52 型浮標、挪威TOBIS 浮標、俄羅斯ACK-3000 浮標都進行了海洋環境污染方面的改進[6]。

在20 世紀80 年代初，美國就發展了海岸海洋自動觀測網（CMAN）。80 年代末，挪威和德國在歐共體尤里卡海洋計劃（EUROMAR）的支持下，分別開發了SEAWATCH 系統和MERMAID 系統，其中SEAWATCH 系統由超小型的海上TOBIS 浮標和陸上數據處理中心組成，這是一個適用于地區性海洋環境預報服務的實用系統；MERMAID 系統是一個模塊結構的全自動海洋監測系統，因該系統是模塊式結構，所以可以通過拼裝，集成為適用于岸站、平臺、浮標、船舶等不同觀測平臺和不同觀測目的的觀測系統[7]。

20 世紀末，美國、日本、法國等國家推出全球性海洋觀測計劃，旨在全球大洋中放置3 000 個剖面浮標，組成一個全球海洋觀測網，同時借助衛星定位和通訊系統，快速大范圍獲取海洋資料數據[8]。

1.3 中國現有監測體系存在的問題

1.3.1 海洋環境監測系統和監測內容不完善

中國海洋環境監測體系的作用是對中國人為活動影響區域的海洋環境質量、海洋生態健康狀況和赤潮、海岸帶地質災害等進行監測與評價[9]。中國海洋環境監測系統覆蓋的區域小，主要是近岸及近海海域，尚未完全覆蓋所有管轄海域，遠海監測能力不足、立體化程度不高。在海上關鍵島嶼、重要戰略支點等重要區域還未形成監測體系，無法及時獲取重要區域的海洋生態健康狀況。

1.3.2 海洋環境監測管理協調機制不完善

首先，自然資源部、生態環境部、農業農村部等多部委的近岸監測區域存在交叉重復；其次，由于部門之間的相對獨立，使得海洋環境監測工作監測機構、監測項目重復建設；另外，各部委之間監測方法和監測標準不統一，監測設備、人員、分析方法不同導致監測數據所反映的信息也存在差異，數據很難在各機構之間互通有無、共享利用，影響了監測數據服務效能的最大發揮[10]。現有法律法規并沒有明確對海洋環境監測機構間的協調機制做出明確的規定，從而在海洋環境監測實踐中容易造成各部門單一考慮自身需求的問題，進而造成各監測管理職能和職責分散、交叉與重疊。

1.3.3 海洋環境監測能力薄弱

海洋環境監測能力薄弱主要表現在以下2 方面：①監測人員專業技能不高。海上工作環境艱苦惡劣，監測人員普遍缺乏海洋環境監測經驗，而且資金待遇不高，從而限制了監測人才隊伍的建設?，F今沿海城市的監測部門發展迅速，但是大多數員工未經過專業培訓，也沒有接觸過相關的監測手段，對許多監測手段不了解，無法提供有效的改進手段；而且在偏遠艱苦地區，監測人員十分缺乏，且大多數監測人員存在知識陳舊、專業技能較低等不足[5]。②監測設備不足。海洋環境監測工作主要是對海水、大氣和水文地質進行勘察，而監測環境往往比較惡劣，故障率高、設備成本及運行成本較高。經費不足長久以來制約了中國監測設備升級，影響了監測工作的進步。中國雖然逐步增加了在海洋監測方面的投資，但與滿足海洋環境監測行業發展的實際需求還有很大的一段距離。同時，由于自動化監測設備技術的發展尚不成熟，監測設備普遍存在準確度低、故障率高和使用壽命短等問題。

2 空天地海一體化海洋監測體系設計

2.1 總體目標

對于上述存在的主要問題，面向海洋智能信息化和全方位監測，提出了空天地海一體化海洋監測體系，立足大數據、人工智能、空間地理信息技術，深度挖掘多模態海洋監測大數據多尺度、多層面的內在關聯。具體而言，該體系包含以下4 個設計目標：①綜合運用衛星遙感（天）、無人機航拍（空）、海岸視頻監控（地）、監測浮標（海）等多模態數據，實現高效、可擴展的多源異構海洋環境大數據的采集、存儲、清洗、對齊、特征抽取和分析。②充分發揮多模態海洋數據的聯合效用，實現基于多尺度時空分析技術的多源海洋監測數據深度關聯和跨層推理，并基于數字地球技術實現海洋監測數據的空天地海可視化立體呈現。③基于多模態自監督優化算法，實現模型的自適應持續優化，提高對不同環境的適應能力。④實現空天地海一體化示范應用。針對海洋環境監測、海岸線監測等實際應用場景，充分融合衛星遙感、無人機航拍、海岸視頻監控、岸基監測、浮標監測等多模態數據，實現數據資源的實際融合應用。

2.2 應用場景分析

空天地海一體化海洋監測體系主要研究海洋環境監測、海岸線監測等實際應用場景，該體系充分融合衛星遙感、無人機航拍、海岸視頻監控、浮標監測等多模態數據，開展數據資源的實際融合應用，并重點研究跨模態數據之間的協同工作。其中，應用場景包括水文要素監測、地理要素監測和海洋赤潮監測。

水文要素監測：海洋水文要素對海上活動影響很大。主要研究內容包括利用海洋環境監測系統監測流場、海霧、海表溫度、海面風場、海洋水色、有效波高、洋面風場、洋面風場矢量、海面大氣水汽含量、海上氣溶膠、海冰、葉綠素質量濃度等20 多種要素因子以及長時間序列變化預測和異常分析，并在此基礎上建立全海洋區域重點海域高時間分辨率、高空間分辨率的海洋水文要素監測。

地理要素監測：根據中國海域海岸線及海島礁區域測區形狀不規則、水域覆蓋面積占比多、地形地貌復雜等特征，實現對海岸線、海島、潮間帶、港口碼頭、違規建筑的監測，以及海洋功能區規劃等功能，檢測重點地區海岸、島礁和重點海域，并結合人工復核的結果，對監控監測結果進行校驗。

海洋赤潮監測：針對引發赤潮的主要因子進行監測，并利用衛星遙感、無人機遙感、監控視頻、浮標探測等技術手段，對發展態勢進行預判，為海洋赤潮災害應急提供數據和決策支持。

2.3 體系結構設計

空天地海一體化海洋監測體系結構如圖1 所示，具體包含以下5 個層面。

2.3.1 數據源層

在廣域性數據獲取方面，利用高分衛星和多源衛星進行大面積、常態化、持續性監測。在微觀層面上，通過海上浮標監測海水狀況動態變化；針對局部區域，通過海岸視頻監控進行探測和自動識別；針對特定重點目標或重點事件，采用無人機進行實時性、機動性、三維化監測。

2.3.2 數據接入層

實現數據源的訪問接入，其中包括視頻、網頁、應用系統等類型的外部應用接入。

2.3.3 數據處理層

采用分布式系統架構支持對海量數據的高效處理和分析，實現數據處理、數據計算、數據分析服務及數據應用等功能，并提供多維分析引擎、分布式查詢引擎，支持靈活的多維分析。對于接入系統的空、天、地、海4 個方面的不同來源、不同格式的海洋大數據進行清洗、轉換、加載處理，為后續的特征處理、數據融合、算法研究、模型訓練等研究工作和具體業務應用提供數據支撐。

2.3.4 支撐層

主要構建系統的業務應用功能和AI 應用功能。業務應用功能包括提供數據上傳、時空數據查詢、后臺服務管理、服務發布、數據預覽、智能服務檢索、元數據管理、系統管理、運維統計、系統配置等功能，AI 應用功能包括圖像識別、水色識別、視角對齊、圖像生成、數據推演和多模態預測等功能。

2.3.5 應用層

主要研究根據海洋環境監測、海岸線監測等實際應用場景，充分融合衛星遙感、無人機航拍、海岸視頻監控、監測浮標等多模態數據，開展數據資源的實際融合應用，并重點研究跨模態數據之間的協同工作。

2.4 功能設計

空天地海一體化海洋監測體系的主要功能包括3大方面，分別為水文要素監測、地理要素監測和海洋赤潮監測。其功能設計如圖2 所示，效果圖如圖3 所示。

圖2 空天地海一體化海洋監測體系功能設計

圖3 空天地海一體化海洋監測體系效果圖

空天地海一體化海洋監測體系的主要功能如下：①顯示模塊。該模塊主要包括顯示監控視頻、無人機視頻、無人機日志、綜合預警事件、預測數據的異常變化情況和真實與預測情況對比。②點位信息展示。通過點擊任意一個站點，顯示該站點的詳細信息，包括浮標站點信息、浮標異常點信息、監控點信息和監控異常點信息。③數據展示。主要對監控視頻、浮標和無人機視頻進行實時分析操作，并將分析結果進行展示。④浮標反演數據渲染。利用有限的浮標站點的數據信息，可反演出海洋覆蓋范圍內任意位置的預測浮標數據信息，并通過熱力圖展示，同時利用渲染播放功能清晰且直觀地查看到浮標數據的走勢變化。⑤統計模塊。統計各站點的預警事件，預警事件統計包括某監控點的預警事件統計和一段時間的預警事件統計。其中，某監控點的預警事件統計可通過列表選點和地圖選點的功能，實現對任意所選監控點位的預警事件的統計，并以折線圖的形式展示；以柱狀圖的形式顯示所有監控點一段時間內的預警事件統計，默認統計最近一個月內的預警事件。⑥視頻反演渲染。利用監控的實時性，模擬生成遙感影像圖，實現實時的遙感動態。⑦地圖、監控、無人機視角對接。將地圖與監控、地圖與無人機進行聯動，點擊任意一個異常點，即可調用相應的視頻。

2.5 核心算法

多源多模態數據的智能分析與關聯方法是本文所提出的立體監測體系的核心關鍵。涉及的算法包括目標檢測算法、多模態數據對齊算法、浮標數據和遙感數據的融合反演算法以及監控視頻和遙感數據的融合反演算法。下面對這些算法進行簡要的描述。

2.5.1 目標檢測算法

針對重點監控區域進行非法行為的違法目標識別，包括船只、施工人員、挖掘機、推土機、活動板房等，實現對監控區域內的違法目標的識別和判斷。

2.5.2 多模態數據對齊算法

經語義分割后得到圖像塊信息，抽取每個圖像塊的全局特征，然后結合每個圖像塊的類別標簽和位置的相對性，并利用匈牙利匹配方法，建立監控畫面和遙感圖像中圖像塊之間的對應關系，并進一步實現監控畫面和遙感圖像精確的映射關系，實現在復雜成像條件下圖像的快速、精確配準。

2.5.3 浮標數據和遙感數據的融合反演算法

利用海洋浮標的長期、連續、全天候和定時測量的特點，融合浮標數據和海洋衛星遙感圖像，實現了遙感圖像的實時反演。具體而言，采用長短期記憶神經網絡（LSTM），建立時空數據反演模型，同時在反演模型中引入注意力機制，從大量信息中迅速地選擇有價值的信息并重點關注這些重要信息，提升反演模型效率。

2.5.4 監控視頻和遙感數據的融合反演算法

首先建立監控畫面坐標和遙感圖像經緯度坐標的映射關系，實現監控圖像和遙感圖像的對齊；并通過深度生成網絡，生成遙感視野中的目標圖像，從而實現基于視頻監控的遙感圖像的模擬生成。

3 完善中國海洋監測體系的建議

針對中國現有監測體系存在的問題，提出了以下3點建議。

3.1 加強海洋環境監測能力建設

一方面，吸收海洋生物、水文、地質等方面的人才，加強建設專業性強、綜合性強的海洋環境監測隊伍；另一方面，重視監測方法的研究，不斷地推出新成果，經常開展監測方法與技術的交流與培訓。

3.2 優化海洋環境監測內容

著重發展衛星遙感技術、無人機航拍技術、海岸視頻監控技術、浮標監測技術等立體監測手段，形成海域實時在線監測網絡；同時，結合本文提出的空天地海一體化立體監測體系，實現多源異構海洋大數據的深度融合、智能分析與應用，進一步實現對海岸、島礁、重點海域和海洋開發利用功能區等的監測。

3.3 構建統一的海洋環境監測管理協調機制

由國家海洋委員會制定海洋監測規劃，相關部門根據規劃，制定各自的海洋環境監測工作方案；各部門各司其職，在實際工作中互相溝通、加強協作，實現海洋環境監測信息統一發布、監測工作統一管理，形成層次明晰、分工合理、協調一致的海洋環境監測工作體系。

4 結束語

針對中國現有的海洋環境監測體系存在的內容不完善、管理協調機制不完善、監測能力薄弱等主要問題，本文提出了空天地海一體化立體監測體系?，F今大多數國家的單模態或雙模態海洋監測技術已步入穩步發展的階段，而空天地海多模態一體化海洋監測體系還有很大的發展空間，以這一發展方向作為突破口，可以很大程度地提升中國海洋監測技術水平。

進入新時期，空天地海一體化立體監測體系有望得到大力發展。在傳統的出海采集數據，并通過實驗室分析的基礎上，中國正向著自動監測和在線監測拓展，逐步實現海洋環境監測能力的現代化。可以預見，隨著中國對海洋科技的愈發重視，海洋科技的發展將對推動海洋環境監測工作產生深遠影響。