当前国际海洋观测技术的主要发展方向

张文祥

（华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

当前国际海洋观测技术的主要发展方向

张文祥

（华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

目前，人类面临许多海洋及与海洋相关的环境问题，如海洋酸化、极地冰川溶化及全球气候变化等，要深入研究和更好地解决这些问题，都需要海洋观测技术的发展与支撑。目前世界最大的海洋技术装备展及论坛，OI (Oceanology International) 2014 London正好提供了这一技术平台。三天展会与技术讨论会，吸引来自36个国家500多家海洋仪器生产商参展，100多位海洋技术专家分别在12个海洋技术论坛进行了分组报告。OI 2014不仅展示了最新的海洋技术设备，同时更为重要的是，来自世界各地的海洋专家和技术人员，探讨了不同国家和地区的利用这些先进的海洋设备和最新技术，进行海洋环境要素系统观测、海洋资源的开发、利用和保护等；针对目前海洋环境出现的问题，提出相应的技术解决方案。主要技术研究包括：新材料、新能源、先进的传感器技术、强大的数据计算能力、多种类型的水下机器人(ROV)、水下自主航行器(AUV)、水面自主航行器(USV)等；新增加的海底取样、水产业及船舶压舱水的技术研究，也是值得关注的热点问题。

OI 2014 London；海洋观测；技术进步；发展方向

随着全球经济的发展、人口的不断增加，人类对海洋资源的依赖也在不断增强。对海洋环境及其要素进行系统现场观测，就是为了更好地了解海洋，以便更加充分合理地开发和利用海洋资源。海洋技术为海洋环境及其要素的观测提供了强有力的技术支撑。因此，海洋观测技术的发展越来越受到人们的广泛关注。OI (Oceanology International) 2014 London是目前世界最大的海洋装备展及海洋技术论坛[1]。三天的论坛中，有12组关于海洋技术及应用等不同主题的研讨会，分组主题报告100余个，探讨世界各地不同国家和地区的海洋观测技术、设备应用、环境保护等的最新技术进展及相关问题的解决方案。主要包括：海洋观测系统(ocean observation system)，水下定位、通讯(underwater positioning and communication)，水下自主测量(unmanned underwater vehicles)，近岸水文和地球物理调查(hydrography and geophyiscs－offshore site investigations)，石油与天然气(oil and gas)，海上安全和可再生(maritime security and renewables)等。本次论坛新增加讨论内容：海底取样(subsea mining)、水产业(aquaculture)和船舶压舱水(ballast water)。正如OI 2014 London会议主席Ralph Rayner所言：“我们需要传达海洋关键技术领域的发展，以及了解海洋领域的技术应用和技术需求”。本次论坛会促进海洋技术应用与发展、提高海洋测量、勘探水平，同时，利用这些新的技术，会更合理地开发与保护海洋资源。本文主要基于这一海洋技术论坛的主要内容，阐述当今国际海洋观测技术的发展方向，希望能对我国海洋技术应用与发展有一定借鉴。

1 海洋观测技术动向

1.1 海洋观测系统

目前世界上不同地区的海洋观测系统主要有：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。全球性的观测系统，如IOOS是一个建立在现场观测基础之上的多层次业务系统，而OOI是科学网，目的在于获取新知识、创造新技术[7]。OOI关注的是研发，深入了解海洋所需的科学与技术，支持开发新的传感器和观测技术，包括长距离、极端环境下观测能力[8]。IOOS绝不限于现场观测装备，也包括观测数据的规范化、同化、实时输送和管理，以及在现场观测数据基础上的数据模拟和研究分析、实际应用等的多层次系统[7]。

针对海洋观测系统，本次论坛主要讨论：多参数观测平台建设、观测计划评估、深海海底着陆器、数据实时观测、传输能力、海洋能量、海岸综合环境观测系统、海洋观测网、智能海洋，水下噪声、波浪谱观测，微结构紊流自主测量平台的挑战与机遇，长时间的无人值守的水面观

测，传感器技术的发展，多传感器剖面—一种新的监测海洋、地质、气象、海洋生物和海洋领域、海水酸度、pH和CO2等的观测技术。另外，欧洲的NEXOS观测计划还专门组织两场讨论会，涉及数据、传感器及该观测系统相关的技术问题，如高质量数据获取、数据的有效与及时分析、数据的标准化、大数据时代的数据管理，并对不同传感仪器整合、标定、校准，以及数据软件分析系统与专家分析等进行了讨论。

1.2 水下定位、通讯及自主测量

水下定位、通讯及自主测量包括：三维导航与定位(three dimensional survey and positioning)在海底、海底基线(baseline navigation subsea)测量及应用，惯性导航技术(inertial navigation technology)的发展及应用，水下半自动导航系统定位与测量，利用自动导航和定位、开启传感器，水下无线通讯(wireless communication)、光通讯(optical communications)、微波技术(microwave technology)的发展与应用，水下声波通讯和传感器网络、水下无线协同通讯(interoperability of wireless underwater communications)的应用，水下无线仪器和通信系统，利用水下无线通讯解决实际问题；以及ROV(removed operated vehicles)、AUV(auto nomous underwater vehicles)、USV (unmanned surface vehicle)技术及应用，遥控水下ROV，全海洋深度的低能耗ROV系统，AUV操作与AUV管线测量，网络与ROV，未来自主UUV(unmanned underwater vehicle)网络，水下3D光学(laster scanning)和声学3D(acoustic scanning)扫描技术及三维影像技术应用等。

2 资源与环境调查技术

2.1 近岸水文及地球物理调查

近岸地球物理调查、探测技术实践，如近岸可再生能源的地球物理和地质调查的应用。GIS技术支持下的地球物理观测，GIS与可视化的编辑与处理，先进的地质调查模型(Geo-4D)发展，以及如何提高地球物理勘测和地质调查综合技术，包括海底多样性地形及分类的分析技术，不同地层特征分析，特殊地质现象(salt bodies)及体积分析(volumetric analysis)技术、不同地层的声阻抗(acoustic impedance cross section)研究，及UXO(unexploded ordnance)风险管理与评估等。

2.2 石油及天然气

主要讨论在极地恶劣环境下的技术问题。格陵兰岛海域海冰观测、通过空间雷达技术和模型监测冰山运动，从南极测船考察到北极海域的石油平台安全，极地强浪、强风观测及对浮船影响，在强浪和强流场环境下，粗糙度对管线设计标准的影响，冰川管理战略及格陵兰的开发，深水和浅水之间水流交换剖面特征，远洋考察安全和有效花费案例等。

2.3 海上安全及可再生能源

随着世界海洋经济的发展，海上安全也日益受到重视，这也促进了对海上安全设备的需要与发展，如先进的自动海洋安全网络，广阔水域的水下监测与安全，AUV在海洋安全中的应用，测量海洋环境噪声技术等。

快速发展的海洋可再生新能源，为海洋安全、野外观测、仪器设备和维修提供了技术保障。鼓励近岸可再生能源开发与技术创新，海洋标准与现代可再生能源，英国近岸可再能源发展趋势及风能利用，风能设备运转及安全，近岸能源工程评估及风险管理等。

2.4 海底取样、水产业及船泊压舱水

这一部分是本次论坛新增加的内容。海底资源的勘探与开发，取决于海底取样技术的发展。海底，特别是深海取样，对装备和技术要求很高。在海底特殊环境条件下，仪器和设备的设计与生产，以及选择合适的取样设备和方法越来越受到海洋学家的关注。技术的进步，如先进的深海施放设备系统、水下无线通信系统及观测网络的实施等，促进了这一领域的发展。OI 2014展会后，深海取样又召开了一个专门的研讨会[9]。

新技术的研发与应用促进了海产品的生产。浮箱水产业的技术要求和工程标准，天然条件下的水产养殖，水产业的装备制造，光学传感器监测海洋水体技术等。多用途近岸海洋观测系统可以为水产业的发展提供另一个平台（共享基础和公共设施）。进一步整合水产业，水产安全和风险管理，共享海洋环境，海洋水产业的挑战与机遇等。

上世纪80年代后期以来，许多国家出现外来物种入侵的问题。其中外来船泊压舱水随意排放，可能引起的物种入侵，引起国际社会，如MEPC(Marine Environment Protection Committee)的重视。这一环境问题，要从技术和管理两方面进行解决，如空间测量浮游生物技术，压舱水处理系统检测、功能/效率测试，压舱水排放及环境接受能力，船体压舱水的管理、规章与挑战等。

3 结语

三天的研讨会，虽然不能包含海洋观测技术发展与应用的全部，但至少代表了当前主要的发展方向。最突出是新材料、新能源、以及先进的传感器技术、新的计算能力，从而促进海洋装备和技术的发展。多种类型的水下机器人(ROV)、水下自主航行器(AUV)、 水面自主航行器(USV)。新增加的海底取样、水产业及压舱水是目前关注的热点技术问题。

本次的展会除了海洋仪器设备公司外，还有不少专业的软件公司、技术服务公司和相关基金支持的推动技术合作的组织或机构。欧洲的NEXOS观测计划，专门组织讨论会，听取不同国家科技人员的意见，以进一步完善观测计

划，值得关注与借鉴。同时，也看到我国在海洋观测技术领域的硬件、软件的设计、研发及应用方面，与发达国家相比还有一定差距。今后，在海洋技术装备上，不仅要引进与利用，更重要的是要消化吸收，为我国海洋观测装备研发与创新打好基础，以适应未来建立以自主观测技术为主的国家级海上试验平台建设，为海洋资源的合理开发和利用服务。

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] 同济大学海洋科技中心海底观测组. 美国的两大海洋观测系统:OOI与IOOS[J]. 地球科学进展,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] 王春谊,李芝凤,吴迪,等. 美国海洋观测系统分析[J]. 海洋技术,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

张文祥(1966-),男,博士,高级工程师,主要从事沉积动力学及海洋观测技术研究.

电子邮箱: wxzhang@sklec.ecnu.edu.cn

联系电话: 021-62233682

国家留学基金(201206145012);河口海岸学国家重点实验室技术开发基金(SKLEC2013JSKF02)

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.02.023