化娜丽，陈小刚，陈 萍，宋文恩，何 琬

(1.深圳市源清环境技术服务有限公司，广东 深圳 518071；2.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司，广东 深圳 518071)

0 引 言

自有历史记载以来，海洋就在人类社会演变的进程中发挥着至关重要的作用，海洋强国的理念一直主导着世界的发展。进入21世纪，随着以物联网、云计算、大数据等为代表的新一代信息技术的快速发展，对于海洋强国的认识在原有基础上加入利用信息技术“认知海洋、管理海洋、开发海洋”这一全新维度，成为各国海洋管理的软实力[1]。在此大环境背景下，近年来我国对海洋事业的投入不断加大，海洋强国、智慧海洋等相关政策理念相继提出，对我国海洋监测领域的建设也有了更高的要求。

1 海洋环境监测存在问题

近几年，我国海洋环境监测得到迅速的发展，卫星遥感、海上浮标、自动验潮仪、水质自动监测站、高清视频监控等技术设备被广泛应用于海洋环境监测中，大幅提高管理部门对海洋环境信息的获取能力[2-4]。但在实现海洋环境信息智能化监测与利用的过程中，仍存在下列问题：空间信息获取手段智能化程度有待提升，数据获取效率不高；水下信息智能化获取手段缺失；常规作业船只无法靠近区域，其监测信息难以获取；海上应急监测数据获取不及时；海洋灾害预报信息准度、精度有待提高等。针对上述问题，开展海洋环境监测立体感知体系架构设计及关键技术研究。

2 立体感知体系架构设计

海洋环境监测立体感知体系建设是指集合海洋空间、环境、生态、资源等各类数据，整合多种海洋观测技术和统计调查手段来构建高密度、多要素、全天候、自动化的海洋智能感知系统，为海洋生态保护、海洋防灾减灾、海洋科学研究和海洋经济发展等方面提供基础数据保障。

为保证海洋环境数据获取的全面性、准确性，部署构建天基、空基、海基、岸基等4个维度的观测网络，统筹调配观测资源，形成覆盖全海域的“天空地海”立体观测体系，体系架构如图1所示。

图1 立体感知体系架构

2.1 天基海洋观测系统

天基海洋观测系统运用卫星及其他航天器作为海洋监视、监测传感器载体，以多源遥感数据作为数据源，利用“3S”技术(遥感、地理信息系统和全球定位系统)实现沿海及管辖海域全覆盖、立体化、高精度的动态监视、监测，并对海域使用状况进行动态综合评价。

天基遥感监测数据主要用于岸线解译与分类、海岸带土地利用及滩涂资源的统计、用海建设项目范围审批核查等，实现对海域使用情况的动态监视、监测。

2.2 空基海洋观测系统

空基海洋观测系统主要运用无人机遥感技术，以无人机为载体，搭载光学测量传感器、激光测量传感器等，获取海洋重点关注区域、环境敏感区域的监测信息。在海洋环境监测方面，空基海洋观测系统具有机动灵活、快速反应、高分辨率、低成本等特点，能迅速获取资源环境变化数据，实现对海洋全天候高精度的监测。

空基海洋观测系统主要对海域进行常规化的监视、监测，包括海洋动态监测与执法、海冰监测、赤潮分析、海洋动力遥感观测、风暴潮及赤潮灾害监测、海洋参数反演等[5-6]。

2.3 海基海洋观测系统

海基海洋观测系统是在海面、海底布设相应的海洋监测仪器(包括海洋环境浮标、波浪浮标、无人船监测、海床基剖面观测站等)，实现从海底向海面的全天候、实时和高分辨率的多界面立体综合观测，完成对海洋水文要素(潮位、海流、波浪)、海洋生物要素(叶绿素)、海洋理化要素(温度、盐度、溶解氧、pH、营养盐)等参数的在线监测及一体化地形测量、水下构筑物测量等，服务于海洋环境监测、灾害预警、国防安全等多方面的综合需求。

海基海洋观测数据与海洋物理、生态和生物化学模式紧密结合起来，可实现对海洋环境的可预报性，为深入认识海洋环境提供长时效的多参数海洋环境实时监控和原位科学试验平台。

2.4 岸基海洋观测系统

岸基海洋观测系统是在近岸、岛礁或海上构筑物上布设相应的海洋观测传感器，实现对海洋要素实时、全天候的原位观测。常见的岸基海洋观测系统主要包括潮位观测站、岸基地波雷达站、岸基地表径流监测站和岸基动态视频监控站等。

岸基海洋观测系统通过采集水文要素、海洋气象要素、海洋环境要素和现场影像资料等，为台风、风暴潮、海啸等灾害预报提供基础数据源，同时也为海上导航、跟踪、救援，以及海洋工程的设计、施工和维护提供决策支持。

3 关键技术与设备

3.1 卫星遥感监测技术

为了从空间尺度上掌握海岸带土地利用、海域使用类型并开展海洋滩涂资源统计等工作，在海洋环境监测领域引入遥感卫星监测技术，通过在卫星上搭载的遥感器向海面发射电磁波，再由接收到的回波提取海洋信息或成像。

卫星遥感作为一种长时间和大范围的监测手段，可及时获取对立体空间覆盖范围更广、分辨率更高的遥感影像数据，结合地球物理模型、地面跟踪算法、误差修正算法、精密定轨算法等[7]对遥感影像数据进行解译，从而获取海洋动力环境参数、海洋光学参数等数据，为海洋管理、海域使用和开发利用提供科学的技术依据。卫星遥感监测数据应用流程如图2所示。

图2 卫星遥感监测数据应用流程

3.2 无人机遥感监测平台

卫星遥感监测主要对海域信息在空间大尺度上的整体范围内进行监测，监测频率一般为一年一次或几次，无法满足对海域信息高频、快速获取的需求，为此设计引入无人机遥感监测平台，利用先进的无人驾驶飞行技术、GPS差分定位技术及遥测遥控技术等[8]，开展无人机倾斜摄像(见图3)、无人机高光谱遥测(见图4)、无人机激光雷达扫描(见图5)等工作，实现对海域空间遥感信息的精细化、快速获取。无人机遥感精细化调查可与卫星遥感大范围观测优势互补，形成立体观测，以提高海洋空间数据获取能力。

图3 无人机倾斜摄影

图4 无人机高光谱遥测

图5 无人机激光雷达扫描

3.3 超视距雷达监测技术

为实现对海面运动目标、低空飞行目标、海洋动力学参数的超视距探测，在立体感知体系中引入超视距雷达监测技术(见图6)，利用短波(3～30 MHz)在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点，采用垂直极化高频电磁波，探测海平面视线以下出现的舰船、飞机、冰山、导弹等运动目标的距离、方位、速度等参数信息[9]，同时利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机制，从雷达回波中提取风场、浪场、流场等海况信息[10-11]，实现对海洋环境大范围、高精度和全天候的实时监测。

图6 高频地波超视距雷达监测

3.4 海床基综合观测平台

目前，海洋浮标的监测只局限于对表层水体的观测，无法实现对海洋水下环境数据的连续自动获取，为弥补水下观测手段缺失的问题，引入海床基观测平台，以实现对海底环境的长期、连续、动态观测。国内外关于海床基观测平台的研究已经历几十年的不断发展，其结构设计的好坏是决定海床基平台应用的关键，目前很多海洋仪器公司和科研机构都推出海床基平台产品，如适用于浅海的Sea Spider[12]、CAGE en PEHD、AL-200/500 TRBM[13]、Barny Sentinel等，适用于深海的GEOSTAR[14]、Sea Floor Docking Station等，这些海床基平台产品在使用时需综合考虑适用海域的环境特点、实现功能、成本和安装等诸多因素[15]。

为有效保证水下观测数据的长期性、连续性，解决坐底式海洋原位观测装置存在回收打捞困难、有效搭载空间过小等问题，对海床基综合观测平台整体采用顶底双层结构模块化设计(见图7)，上部配有浮力材料为搭载观测设备和释放器的顶支架，下部为配重底支架[16-17]。结构中所有的钢管都打有透水孔，以防止水下压力过大产生形变，底部设计透水孔和导流板，保证下落过程中姿态的稳定。

图7 海床基结构示例

(1) 脱离释放方案。将2只浅水声学释放器与机械脱离装置相结合，采用二级脱离装置，即每只声学释放器均可独立脱离上层平台，脱离上层平台后，不仅能自行上浮，而且都能够启动顶支架上的机械脱钩装置，使上层平台与底支架脱离，实现上层支架整体上浮。如发生支架下部被海底沉积物掩埋或卡住的情况，还可利用释放器上的缆绳拖曳支架使其离开泥面，随即自行上浮到达水面。

(2) 回收方案。作业船只可利用声学释放器与顶支架之间的连接缆绳完成打捞回收。海床基工作状态如图8所示。

3.5 水岸一体化无人船综合勘测

针对目前常规作业船只无法靠近的近海潮间带区域、复杂危险海域等不宜通航区域的测量，采用无人船搭载侧扫声呐、合成孔径声呐、条带测深系统、浅地层剖面仪、多参数剖面测量系统、气象观测系统、声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)等设备构建水岸一体化无人船勘测平台(见图9)，以遥控或自主运行的方式完成近岸海域水上、水下一体化地形测量，水下构筑物测量、岛礁测量、水质参数测量等工作[18-19]，同时可以在发生污染事件的时候测量污染水团附近水流情况，为判断污染扩散和去向情况提供数据支持。

图8 海床基工作状态

图9 无人船勘测

4 结 论

在总结大数据智能化时代背景下海洋环境监测存在问题的基础上，提出构建“天空地海”一体化的立体感知网络体系，通过卫星遥感监测与无人机遥感监测的有机结合，提高海洋环境空间信息的获取能力；利用海床基观测平台实现对水下观测数据的长期、连续自动监测，弥补水下信息智能化获取手段缺失问题；利用超视距雷达监测技术提高海洋灾害预报信息的准度和精度；通过无人船搭载相应测量设备的方式对常规作业船只无法靠近的近海潮间带区域、复杂危险海域等地实施海洋信息监测并开展海上应急监测，为实现近海海域的全域监测提供技术基础。