海洋監(jiān)測與海洋互聯(lián)信息網(wǎng)業(yè)務(wù)現(xiàn)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(wǎng)業(yè)務(wù)現(xiàn)狀分析

董超，陳焱琨

（國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)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(yán)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(zāi)害對沿海地區(qū)造成了很大的經(jīng)濟(jì)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(zāi)難預(yù)警等應(yīng)用的海洋互聯(lián)信息網(wǎng)絡(luò)。首先詳細(xì)介紹了海洋監(jiān)測方式和監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點，接著以我國海洋斷面調(diào)查及海—氣 CO2交換通量監(jiān)測的業(yè)務(wù)特點為例，發(fā)現(xiàn)在長期的海洋監(jiān)測任務(wù)過程中，有以下3個亟待解決的問題：海洋監(jiān)測互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求、海洋監(jiān)測大數(shù)據(jù)背景下的共享平臺需求以及海底觀測網(wǎng)絡(luò)需求。

海洋監(jiān)測；海洋互聯(lián)網(wǎng)；海洋互聯(lián)信息網(wǎng)業(yè)務(wù)

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(jīng)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(quán)益受到空前挑戰(zhàn)，事關(guān)國家安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。中共十九大報告提出堅決維護(hù)國家海洋權(quán)益，加快建設(shè)海洋強國的戰(zhàn)略目標(biāo)。

2010年夏天，墨西哥灣因石油泄漏導(dǎo)致石油鉆塔爆炸，嚴(yán)重?fù)p害周邊海洋環(huán)境；IBM和Beacon聯(lián)合研究院曾經(jīng)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(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而收集生物、物理和化學(xué)信息，然后統(tǒng)一發(fā)送到IBM數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)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(zāi)難預(yù)警、地震監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控、輔助海航、分布式戰(zhàn)術(shù)監(jiān)視、海上石油開采等應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)平臺[1-2]。

目前國內(nèi)外海底觀測網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)，2002年和2003年分別進(jìn)行了兩次實際的海試。ACMEnet采用MFSK/TDMA主從式網(wǎng)絡(luò)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(diào)制解調(diào)器）組成，支持各種調(diào)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(wǎng)，位于蒙特利灣，是美國和加拿大深海海底觀測網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)備的主要試驗場所，也是國際深海海底觀測網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)備的主要試驗場所。2011年4—10月，MARS為同濟(jì)大學(xué)深海觀測設(shè)備進(jìn)行了接駁試驗[6]。

? 歐洲海底觀測網(wǎng)不是一個完整的區(qū)域性海底觀測網(wǎng)絡(luò)，而是由不同區(qū)域、不同國家/研究機構(gòu)主持的，由特定研究主題的區(qū)域網(wǎng)組成。

? 2009年4月，同濟(jì)大學(xué)等科研單位在上海附近海域?qū)嵤┝撕５子^測組網(wǎng)技術(shù)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(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)等高校聯(lián)合驗證“海底長期觀測網(wǎng)絡(luò)試驗節(jié)點關(guān)鍵技術(shù)”項目，驗證了一系列海底觀測網(wǎng)絡(luò)所必需的關(guān)鍵技術(shù)，其中接駁設(shè)備成功接入美國MARS系統(tǒng)并進(jìn)行了長達(dá)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(xué)院聲學(xué)研究所南海聲學(xué)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(zāi)害造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失累積已達(dá)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(rèn)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(chǔ)數(shù)據(jù)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(xué)依據(jù)。海洋數(shù)據(jù)特征也是設(shè)計海洋觀測網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)框架的關(guān)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(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)分析工作可在船上開展。數(shù)據(jù)的傳輸內(nèi)容有實時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及陸地支持系統(tǒng)制作的信息產(chǎn)品規(guī)范化數(shù)據(jù)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(shù)與數(shù)據(jù)處理中心連接，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)存放在各自數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容是地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)制作的信息產(chǎn)品規(guī)范化數(shù)據(jù)文件。航空遙感監(jiān)測系統(tǒng)通信要求準(zhǔn)實時通信，通過地面數(shù)據(jù)處理站進(jìn)行處理，與數(shù)據(jù)處理中心采用以太網(wǎng)連接。數(shù)據(jù)量約為60 MB/航次。衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)要求準(zhǔn)實時通信，在衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理站進(jìn)行處理，與數(shù)據(jù)處理中心采用FTP連接，數(shù)據(jù)量約為30 MB/天。

生態(tài)浮標(biāo)系統(tǒng)在近岸海域監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容是設(shè)定好的數(shù)據(jù)文件。要求實時通信，通過GSM與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容是設(shè)定好的數(shù)據(jù)文件。采用遠(yuǎn)程撥號連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)量約為5 KB/天。

海洋環(huán)境常規(guī)監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通過海洋監(jiān)測船固定站位進(jìn)行樣品或數(shù)據(jù)獲取，傳輸內(nèi)容是格式不同的數(shù)據(jù)文件。要求準(zhǔn)實時通信，通過以太網(wǎng)方式連接，數(shù)據(jù)量約為3 KB/天。

海洋常規(guī)水文氣象觀測業(yè)務(wù)系統(tǒng)，沿岸海洋監(jiān)測站自動監(jiān)測，傳輸內(nèi)容是格式不同的數(shù)據(jù)文件。要求實時通信，水文氣象數(shù)據(jù)由海洋環(huán)境監(jiān)測站進(jìn)行處理，通過中國海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)專網(wǎng)傳輸，數(shù)據(jù)量約為3 MB/天。

潛標(biāo)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(shè)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(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)一年回收一次數(shù)據(jù)，我國在西太平洋潛標(biāo)觀測網(wǎng)項目中首次實現(xiàn)了深海觀測數(shù)據(jù)實時回傳到岸基數(shù)據(jù)中心，為國內(nèi)外使用潛標(biāo)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(shù)據(jù)

海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)從應(yīng)用角度可分為水文、氣象、生物、化學(xué)、地質(zhì)等；從互聯(lián)網(wǎng)QoS角度分，可以從數(shù)據(jù)的帶寬、實時性、容錯等方面來劃分；如果按照海洋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空間特征進(jìn)行劃分，又可以分為標(biāo)量場數(shù)據(jù)和矢量場數(shù)據(jù)。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(chǔ)信息數(shù)據(jù)的重要組成部分，是研究海洋物理性質(zhì)，分析海洋中風(fēng)、浪、流活動的變化過程與規(guī)律的重要依據(jù)[7]。

海洋數(shù)據(jù)的來源多種多樣。其中，水文數(shù)據(jù)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(xiàn)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(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)的資料建設(shè)比較緩慢，近十幾年來雖然發(fā)展迅速，但是技術(shù)水平仍然相對落后。目前，軍方和地方已經(jīng)積累了大量的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)。但各個單位和生產(chǎn)部門建立了封閉獨立、標(biāo)準(zhǔn)不一、互不連通的的海洋基礎(chǔ)或?qū)ｎ}數(shù)據(jù)庫，各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資料在種類和時空范圍上存在差異，使得海洋數(shù)據(jù)共享和信息交流難以實現(xiàn)。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)相互不兼容、時空分布不一致、監(jiān)測頻率不一致、監(jiān)測設(shè)備種類多樣、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一等問題，海洋數(shù)據(jù)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化[9]。現(xiàn)階段尚未形成通用的、面向全球的海洋數(shù)據(jù)平臺。

綜上所述，海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的特點可以概括為多源性、異構(gòu)性、海量性以及多尺度時變性，使得海洋數(shù)據(jù)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(diào)查及?！獨?CO2交換通量監(jiān)測為例，簡要分析海洋數(shù)據(jù)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(dān)?！獨釩O2交換通量走航監(jiān)測的任務(wù)。

首先，確定調(diào)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(jù)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(nèi)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(xiàn)象、空氣溫度和濕度、風(fēng)及氣壓；海洋化學(xué)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(shù)（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(jié)和深入分析以往年度的斷面走航監(jiān)測質(zhì)控樣本中存在的問題并進(jìn)行相應(yīng)的整改，根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容，確定分析方法和測試設(shè)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(shù)水質(zhì)儀法測試鹽度、濁度以及溶解氧等；測試設(shè)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(lǐng)域應(yīng)對全球氣候變化的工作需求。通過建設(shè)，我國?！獨?CO2交換通量監(jiān)測體系已布設(shè)20余條船基走航監(jiān)測斷面，正在建設(shè)5個岸/島基站和5個專用浮標(biāo)站，初步構(gòu)成了點、線、面結(jié)合，走航監(jiān)測與長時間序列定點監(jiān)測相結(jié)合的立體化監(jiān)測體系。

根據(jù)中國海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)給出的數(shù)據(jù)，2015年共開展全年?！獨釩O2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(wǎng)業(yè)務(wù)調(diào)研

根據(jù)以上關(guān)于海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類、特點以及海—氣CO2交換通量監(jiān)測內(nèi)容分析，結(jié)合國內(nèi)目前海洋觀測的現(xiàn)狀，在長期的海洋監(jiān)測任務(wù)過程中，發(fā)現(xiàn)有以下3個亟待解決的問題。

（1）海洋監(jiān)測互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求

目前，水下傳感器、測試設(shè)備、無人船之間，水下的測試設(shè)備與浮標(biāo)之間，水下測試設(shè)備與岸基節(jié)點之間還不能夠?qū)崟r傳輸數(shù)據(jù)，缺少一個海洋數(shù)據(jù)監(jiān)測與實時傳輸?shù)暮Ｑ蠡ヂ?lián)信息網(wǎng)絡(luò)。

（2）海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)備的多樣化均導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式的不統(tǒng)一，海洋數(shù)據(jù)缺乏標(biāo)準(zhǔn)。有必要設(shè)計一個通用的、面向全球的海洋數(shù)據(jù)共享平臺；能基于大數(shù)據(jù)分析與處理復(fù)雜的海洋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化[10-11]輸出，進(jìn)而更好地滿足海洋觀測任務(wù)。

（3）海底觀測網(wǎng)絡(luò)的需求

海面浮標(biāo)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(wǎng)絡(luò)是將各種觀測設(shè)備和儀器安裝到海底，對海水層、海底和海底以下的巖石進(jìn)行監(jiān)測。相比傳統(tǒng)監(jiān)測手段，海底觀測網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)被形象地稱為地球觀測系統(tǒng)的第3個平臺。海底觀測網(wǎng)絡(luò)可用于海底地震監(jiān)測、海嘯預(yù)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(wù)化運行的海底觀測網(wǎng)[6,12]。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了海洋通信網(wǎng)絡(luò)的背景知識，強調(diào)了海洋監(jiān)測以及海洋通信網(wǎng)絡(luò)的重要性。接著，詳細(xì)介紹了各種海洋監(jiān)測技術(shù)手段和監(jiān)測數(shù)據(jù)的分類以及特點以及我國海—氣CO2交換通量監(jiān)測的工作內(nèi)容。在長期的海洋監(jiān)測任務(wù)過程中，結(jié)合國內(nèi)目前海洋觀測的現(xiàn)狀，本文提出3個亟待解決的問題：海洋監(jiān)測互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求、海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺的迫切需求以及海底觀測網(wǎng)絡(luò)的需求。海底觀測網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)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(shù)據(jù)，不僅可以推動海洋相關(guān)科學(xué)研究，也能夠?qū)Ω魃a(chǎn)應(yīng)用部門提供可靠的數(shù)據(jù)支持，例如海洋環(huán)境監(jiān)測部門、海洋災(zāi)難預(yù)警部門、國防安全部門、海洋個人消費領(lǐng)域等。黨中央提出“逐步把我國建設(shè)成為海洋經(jīng)濟(jì)強國”的宏偉目標(biāo)，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(xiàn)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(diào)查技術(shù)中心副研究員、維權(quán)技術(shù)室主任，中國太平洋學(xué)會專家?guī)鞂＜?特聘研究員，淮海工學(xué)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(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用，在海洋調(diào)查無人艇的研制和應(yīng)用方面成績突出。作為主要發(fā)起人，成立“南海無人艇調(diào)查技術(shù)聯(lián)合實驗室”，開展多種無人艇的研發(fā)、測試和應(yīng)用，在國家海洋局專項研發(fā)計劃中提出10多項無人艇設(shè)計方案。獲得2016年度海洋科學(xué)技術(shù)獎特等獎。

陳焱琨（1982?），女，博士，現(xiàn)就職于國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，主要研究方向為無線通信、水聲通信、水聲網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2018?05?01；

2018?06?01