當(dāng)前國際海洋觀測技術(shù)的主要發(fā)展方向

張文祥

（華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062）

當(dāng)前國際海洋觀測技術(shù)的主要發(fā)展方向

張文祥

（華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062）

目前，人類面臨許多海洋及與海洋相關(guān)的環(huán)境問題，如海洋酸化、極地冰川溶化及全球氣候變化等，要深入研究和更好地解決這些問題，都需要海洋觀測技術(shù)的發(fā)展與支撐。目前世界最大的海洋技術(shù)裝備展及論壇，OI (Oceanology International) 2014 London正好提供了這一技術(shù)平臺。三天展會與技術(shù)討論會，吸引來自36個國家500多家海洋儀器生產(chǎn)商參展，100多位海洋技術(shù)專家分別在12個海洋技術(shù)論壇進行了分組報告。OI 2014不僅展示了最新的海洋技術(shù)設(shè)備，同時更為重要的是，來自世界各地的海洋專家和技術(shù)人員，探討了不同國家和地區(qū)的利用這些先進的海洋設(shè)備和最新技術(shù)，進行海洋環(huán)境要素系統(tǒng)觀測、海洋資源的開發(fā)、利用和保護等；針對目前海洋環(huán)境出現(xiàn)的問題，提出相應(yīng)的技術(shù)解決方案。主要技術(shù)研究包括：新材料、新能源、先進的傳感器技術(shù)、強大的數(shù)據(jù)計算能力、多種類型的水下機器人(ROV)、水下自主航行器(AUV)、水面自主航行器(USV)等；新增加的海底取樣、水產(chǎn)業(yè)及船舶壓艙水的技術(shù)研究，也是值得關(guān)注的熱點問題。

OI 2014 London；海洋觀測；技術(shù)進步；發(fā)展方向

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展、人口的不斷增加，人類對海洋資源的依賴也在不斷增強。對海洋環(huán)境及其要素進行系統(tǒng)現(xiàn)場觀測，就是為了更好地了解海洋，以便更加充分合理地開發(fā)和利用海洋資源。海洋技術(shù)為海洋環(huán)境及其要素的觀測提供了強有力的技術(shù)支撐。因此，海洋觀測技術(shù)的發(fā)展越來越受到人們的廣泛關(guān)注。OI (Oceanology International) 2014 London是目前世界最大的海洋裝備展及海洋技術(shù)論壇[1]。三天的論壇中，有12組關(guān)于海洋技術(shù)及應(yīng)用等不同主題的研討會，分組主題報告100余個，探討世界各地不同國家和地區(qū)的海洋觀測技術(shù)、設(shè)備應(yīng)用、環(huán)境保護等的最新技術(shù)進展及相關(guān)問題的解決方案。主要包括：海洋觀測系統(tǒng)(ocean observation system)，水下定位、通訊(underwater positioning and communication)，水下自主測量(unmanned underwater vehicles)，近岸水文和地球物理調(diào)查(hydrography and geophyiscs－offshore site investigations)，石油與天然氣(oil and gas)，海上安全和可再生(maritime security and renewables)等。本次論壇新增加討論內(nèi)容：海底取樣(subsea mining)、水產(chǎn)業(yè)(aquaculture)和船舶壓艙水(ballast water)。正如OI 2014 London會議主席Ralph Rayner所言：“我們需要傳達海洋關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，以及了解海洋領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用和技術(shù)需求”。本次論壇會促進海洋技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展、提高海洋測量、勘探水平，同時，利用這些新的技術(shù)，會更合理地開發(fā)與保護海洋資源。本文主要基于這一海洋技術(shù)論壇的主要內(nèi)容，闡述當(dāng)今國際海洋觀測技術(shù)的發(fā)展方向，希望能對我國海洋技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展有一定借鑒。

1 海洋觀測技術(shù)動向

1.1 海洋觀測系統(tǒng)

目前世界上不同地區(qū)的海洋觀測系統(tǒng)主要有：IOOS[2,3](integrated ocean observing system)，OOI[4](ocean observation initiative)，EMSO[5](european multidisciplinary seafloor observatory)，NEXOS[6](multifunctional web enable ocean sensor system for the monitoring of a changing ocean)等。全球性的觀測系統(tǒng)，如IOOS是一個建立在現(xiàn)場觀測基礎(chǔ)之上的多層次業(yè)務(wù)系統(tǒng)，而OOI是科學(xué)網(wǎng)，目的在于獲取新知識、創(chuàng)造新技術(shù)[7]。OOI關(guān)注的是研發(fā)，深入了解海洋所需的科學(xué)與技術(shù)，支持開發(fā)新的傳感器和觀測技術(shù)，包括長距離、極端環(huán)境下觀測能力[8]。IOOS絕不限于現(xiàn)場觀測裝備，也包括觀測數(shù)據(jù)的規(guī)范化、同化、實時輸送和管理，以及在現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)模擬和研究分析、實際應(yīng)用等的多層次系統(tǒng)[7]。

針對海洋觀測系統(tǒng)，本次論壇主要討論：多參數(shù)觀測平臺建設(shè)、觀測計劃評估、深海海底著陸器、數(shù)據(jù)實時觀測、傳輸能力、海洋能量、海岸綜合環(huán)境觀測系統(tǒng)、海洋觀測網(wǎng)、智能海洋，水下噪聲、波浪譜觀測，微結(jié)構(gòu)紊流自主測量平臺的挑戰(zhàn)與機遇，長時間的無人值守的水面觀

測，傳感器技術(shù)的發(fā)展，多傳感器剖面—一種新的監(jiān)測海洋、地質(zhì)、氣象、海洋生物和海洋領(lǐng)域、海水酸度、pH和CO2等的觀測技術(shù)。另外，歐洲的NEXOS觀測計劃還專門組織兩場討論會，涉及數(shù)據(jù)、傳感器及該觀測系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)問題，如高質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)的有效與及時分析、數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)管理，并對不同傳感儀器整合、標(biāo)定、校準(zhǔn)，以及數(shù)據(jù)軟件分析系統(tǒng)與專家分析等進行了討論。

1.2 水下定位、通訊及自主測量

水下定位、通訊及自主測量包括：三維導(dǎo)航與定位(three dimensional survey and positioning)在海底、海底基線(baseline navigation subsea)測量及應(yīng)用，慣性導(dǎo)航技術(shù)(inertial navigation technology)的發(fā)展及應(yīng)用，水下半自動導(dǎo)航系統(tǒng)定位與測量，利用自動導(dǎo)航和定位、開啟傳感器，水下無線通訊(wireless communication)、光通訊(optical communications)、微波技術(shù)(microwave technology)的發(fā)展與應(yīng)用，水下聲波通訊和傳感器網(wǎng)絡(luò)、水下無線協(xié)同通訊(interoperability of wireless underwater communications)的應(yīng)用，水下無線儀器和通信系統(tǒng)，利用水下無線通訊解決實際問題；以及ROV(removed operated vehicles)、AUV(auto nomous underwater vehicles)、USV (unmanned surface vehicle)技術(shù)及應(yīng)用，遙控水下ROV，全海洋深度的低能耗ROV系統(tǒng)，AUV操作與AUV管線測量，網(wǎng)絡(luò)與ROV，未來自主UUV(unmanned underwater vehicle)網(wǎng)絡(luò)，水下3D光學(xué)(laster scanning)和聲學(xué)3D(acoustic scanning)掃描技術(shù)及三維影像技術(shù)應(yīng)用等。

2 資源與環(huán)境調(diào)查技術(shù)

2.1 近岸水文及地球物理調(diào)查

近岸地球物理調(diào)查、探測技術(shù)實踐，如近岸可再生能源的地球物理和地質(zhì)調(diào)查的應(yīng)用。GIS技術(shù)支持下的地球物理觀測，GIS與可視化的編輯與處理，先進的地質(zhì)調(diào)查模型(Geo-4D)發(fā)展，以及如何提高地球物理勘測和地質(zhì)調(diào)查綜合技術(shù)，包括海底多樣性地形及分類的分析技術(shù)，不同地層特征分析，特殊地質(zhì)現(xiàn)象(salt bodies)及體積分析(volumetric analysis)技術(shù)、不同地層的聲阻抗(acoustic impedance cross section)研究，及UXO(unexploded ordnance)風(fēng)險管理與評估等。

2.2 石油及天然氣

主要討論在極地惡劣環(huán)境下的技術(shù)問題。格陵蘭島海域海冰觀測、通過空間雷達技術(shù)和模型監(jiān)測冰山運動，從南極測船考察到北極海域的石油平臺安全，極地強浪、強風(fēng)觀測及對浮船影響，在強浪和強流場環(huán)境下，粗糙度對管線設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的影響，冰川管理戰(zhàn)略及格陵蘭的開發(fā)，深水和淺水之間水流交換剖面特征，遠洋考察安全和有效花費案例等。

2.3 海上安全及可再生能源

隨著世界海洋經(jīng)濟的發(fā)展，海上安全也日益受到重視，這也促進了對海上安全設(shè)備的需要與發(fā)展，如先進的自動海洋安全網(wǎng)絡(luò)，廣闊水域的水下監(jiān)測與安全，AUV在海洋安全中的應(yīng)用，測量海洋環(huán)境噪聲技術(shù)等。

快速發(fā)展的海洋可再生新能源，為海洋安全、野外觀測、儀器設(shè)備和維修提供了技術(shù)保障。鼓勵近岸可再生能源開發(fā)與技術(shù)創(chuàng)新，海洋標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)代可再生能源，英國近岸可再能源發(fā)展趨勢及風(fēng)能利用，風(fēng)能設(shè)備運轉(zhuǎn)及安全，近岸能源工程評估及風(fēng)險管理等。

2.4 海底取樣、水產(chǎn)業(yè)及船泊壓艙水

這一部分是本次論壇新增加的內(nèi)容。海底資源的勘探與開發(fā)，取決于海底取樣技術(shù)的發(fā)展。海底，特別是深海取樣，對裝備和技術(shù)要求很高。在海底特殊環(huán)境條件下，儀器和設(shè)備的設(shè)計與生產(chǎn)，以及選擇合適的取樣設(shè)備和方法越來越受到海洋學(xué)家的關(guān)注。技術(shù)的進步，如先進的深海施放設(shè)備系統(tǒng)、水下無線通信系統(tǒng)及觀測網(wǎng)絡(luò)的實施等，促進了這一領(lǐng)域的發(fā)展。OI 2014展會后，深海取樣又召開了一個專門的研討會[9]。

新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用促進了海產(chǎn)品的生產(chǎn)。浮箱水產(chǎn)業(yè)的技術(shù)要求和工程標(biāo)準(zhǔn)，天然條件下的水產(chǎn)養(yǎng)殖，水產(chǎn)業(yè)的裝備制造，光學(xué)傳感器監(jiān)測海洋水體技術(shù)等。多用途近岸海洋觀測系統(tǒng)可以為水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供另一個平臺（共享基礎(chǔ)和公共設(shè)施）。進一步整合水產(chǎn)業(yè)，水產(chǎn)安全和風(fēng)險管理，共享海洋環(huán)境，海洋水產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)與機遇等。

上世紀(jì)80年代后期以來，許多國家出現(xiàn)外來物種入侵的問題。其中外來船泊壓艙水隨意排放，可能引起的物種入侵，引起國際社會，如MEPC(Marine Environment Protection Committee)的重視。這一環(huán)境問題，要從技術(shù)和管理兩方面進行解決，如空間測量浮游生物技術(shù)，壓艙水處理系統(tǒng)檢測、功能/效率測試，壓艙水排放及環(huán)境接受能力，船體壓艙水的管理、規(guī)章與挑戰(zhàn)等。

3 結(jié)語

三天的研討會，雖然不能包含海洋觀測技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的全部，但至少代表了當(dāng)前主要的發(fā)展方向。最突出是新材料、新能源、以及先進的傳感器技術(shù)、新的計算能力，從而促進海洋裝備和技術(shù)的發(fā)展。多種類型的水下機器人(ROV)、水下自主航行器(AUV)、 水面自主航行器(USV)。新增加的海底取樣、水產(chǎn)業(yè)及壓艙水是目前關(guān)注的熱點技術(shù)問題。

本次的展會除了海洋儀器設(shè)備公司外，還有不少專業(yè)的軟件公司、技術(shù)服務(wù)公司和相關(guān)基金支持的推動技術(shù)合作的組織或機構(gòu)。歐洲的NEXOS觀測計劃，專門組織討論會，聽取不同國家科技人員的意見，以進一步完善觀測計

劃，值得關(guān)注與借鑒。同時，也看到我國在海洋觀測技術(shù)領(lǐng)域的硬件、軟件的設(shè)計、研發(fā)及應(yīng)用方面，與發(fā)達國家相比還有一定差距。今后，在海洋技術(shù)裝備上，不僅要引進與利用，更重要的是要消化吸收，為我國海洋觀測裝備研發(fā)與創(chuàng)新打好基礎(chǔ)，以適應(yīng)未來建立以自主觀測技術(shù)為主的國家級海上試驗平臺建設(shè)，為海洋資源的合理開發(fā)和利用服務(wù)。

References)

[1] http://www.oceanologyinternational.com/en/[EB/OL].

[2] http://www.ioos.noaa.gov/[EB/OL].

[3] Zdenka Willis. US Integrated Ocean Observing System (IOOS) delivering benefits and the Global HF Radar and Glider Initiative, 2013. 10.1109/OCEANS-Bergen.2013.6607947.

[4] http://oceanobservatories.org/[EB/OL].

[5] http://www.emso-eu.org/management/[EB/OL].

[6] http://www.nexosproject.eu[EB/OL].

[7] 同濟大學(xué)海洋科技中心海底觀測組. 美國的兩大海洋觀測系統(tǒng):OOI與IOOS[J]. 地球科學(xué)進展,2011,26(6):650-655. Sea-Floor Observation Group of Marine Science & Technology Center at Tongji University. Two marine observation systems in USA: OOI and IOOS[J]. Advances in Earth Science, 2011, 26(6):650-655.

[8] 王春誼,李芝鳳,吳迪,等. 美國海洋觀測系統(tǒng)分析[J]. 海洋技術(shù),2012,31(3):90-92. Wang C Y, Li Z F, Wu D, et al. Analysis of US ocean observing system[J]. Ocean Technology, 2012,31(3):90-92.

[9] http://deepsea-mining-summit.com/programme[EB/OL].

New developments in ocean observation technology

ZHANG Wen-Xiang
(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

Marine research requires ongoing technological development; i.e., the construction of new and more accurate instruments that can provide novel insights into ocean processes. The Oceanology International 2014 event provided the opportunity to evaluate recent developments in different technology areas and consider how they might be used to study the oceans. The event comprised more than 500 exhibiting companies from 36 countries, and more than 100 international speakers took part in 12 conferences. The main panel discussions covered ocean observation systems, underwater positioning and communication, unmanned underwater vehicles, offshore hydrographic and geophysical site investigations, oil and gas, maritime security, and offshore renewables. The conference highlights included: (1) unmanned underwater vehicles constructed from new materials, novel power sources, and advances in computing and sensors; and (2) three new panel discussions, on subsea mining, aquaculture, and the management of ballast water.

OI 2014 London; ocean observation; technological advance; development direction

P715

A

2095-1329(2015)02-0098-03

2014-11-24

2015-03-18

張文祥(1966-),男,博士,高級工程師,主要從事沉積動力學(xué)及海洋觀測技術(shù)研究.

電子郵箱: wxzhang@sklec.ecnu.edu.cn

聯(lián)系電話: 021-62233682

國家留學(xué)基金(201206145012);河口海岸學(xué)國家重點實驗室技術(shù)開發(fā)基金(SKLEC2013JSKF02)

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.02.023