國外海洋環境觀測系統和技術發展趨勢

于 宇，黃孝鵬，崔威威，鮑鵬飛

(1.中國船舶重工集團公司，北京 100097；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，江蘇南京 211153)

國外海洋環境觀測系統和技術發展趨勢

于 宇1，黃孝鵬2，崔威威2，鮑鵬飛2

(1.中國船舶重工集團公司，北京 100097；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，江蘇南京 211153)

闡述海洋環境觀測系統的內涵和重要作用，總結梳理了國際合作層面以及美國、英國、俄羅斯和日本等國海洋環境觀測系統與技術現狀，研究提出了國外海洋環境觀測系統與技術在體系架構、觀測手段和信息處理技術等層面的體系化、網絡化、標準化等發展趨勢，并給出了我國海洋環境觀測的深度軍民融合、利用成熟高新技術、擴展輔助決策應用等發展建議。

海洋環境；海洋環境觀測系統；海洋環境觀測技術；軍民融合

0 引言

21世紀以來，隨著社會經濟快速發展，世界各國普遍面臨著人口膨脹、陸地資源消耗不斷增長和生態環境日益惡化等各種嚴峻挑戰，各沿海國以資源為核心，推進海洋經濟發展，海洋權益斗爭日益激烈。在以奪取海洋資源、控制海洋空間、搶占海洋科技發展的戰略“制高點”等為主要特征的現代海洋權益斗爭中[1,2]，獲取常態化、立體化、精細化、大范圍的海洋環境觀測信息，對于沿海國家均具有十分重要的軍用、民用意義。

海洋環境是海上空中環境、海氣邊界層環境、水下環境和目標環境等環境狀況的總稱。海洋環境信息具有來源廣、層次多、形式復雜、時效性強、數據海量、時空尺度不均等特點，并具有隨機動態性、狀態多維性，以及獲取、處理手段多樣性和高技術特性等特征。

新型海洋環境觀測系統以“網絡中心、信息主導、體系支撐”為主要特征，通過岸、海、空、天等多基傳感器獲取空間地理、氣象水文、電磁、目標等信息，采用多模通信、網絡技術、云計算、大數據、輔助決策應用、平行系統、可視化等關鍵技術實現信息分發、處理和應用等功能，提供海洋環境信息的實測、預報、評估、統計分析等服務，以滿足軍、民領域不同層面的輔助決策需求。海洋環境觀測系統是一個基于多傳感器網絡化系統集成和信息融合、多基地信息共享的龐大系統，是一個能夠提供全方位、多種類立體海洋環境信息，可為海洋作業生產、海洋維權執法以及防災減災等活動提供支撐的網絡信息體系。

1 國外海洋環境觀測系統現狀

20世紀80年代開始，海洋環境觀測技術得到極大發展，探測范圍擴展到包括上空、水面、水下、海底和沿岸，數據傳輸包括衛星通信、公共電話交換網、國家數據通信網、甚小口徑衛星終端、以太網絡與光纜數據通訊等手段，構建多平臺、立體化、區域性、常態化、自動化的觀測網絡體系，提供實時基礎信息和層次化信息產品，許多正進入業務化運行階段。

1.1 國際合作層面

1）全球海洋觀測系統（GOOS）

全球海洋觀測系統（Global Ocean Observing System，GOOS）[3]作為當前全球最大、綜合性最強的海洋觀測系統，在20世紀末由聯合國政府間海洋學委員會（IOC）、世界氣象組織、聯合國環境規劃署等聯合發起建立，致力于海洋與氣候、海洋生物資源、海洋健康狀況、海岸帶觀測、海洋氣象與業務化海洋學等方面的技術與科學研究[1]。該系統集成觀測衛星、浮標等多種傳感器并實現全球業務化運營，提供可靠有效的海洋環境資料，為海洋數值模式研究、海洋災害預警、海洋資源開發、海洋環境保護、海洋政策制定等提供數據與技術支撐。

基于GOOS，各海洋國家積極發展和建設海洋觀測系統，并對海洋數據集成與應用服務開展了大量研究工作。如歐洲已成立了歐洲海洋觀測系統（EUROGOOS），美國和加拿大聯合建立了美加GOOS；在研究方面，Torill等基于多元異構數據融合開發的海洋信息原型系統，美國蒙特瑞灣生物研究協會（MBARI）基于A rc Info的開發蒙特瑞灣海洋地理信息系統等。GOOS相關研討會也在有序開展與推進，逐步成為GOOS的延伸部分，加強海洋觀測領域技術交流。

此外在一些地區還召開了G O O S研討會，GOOS已成為IOC今后一個時期乃至下一個世紀的重點計劃[4]。

2）全球海洋實時觀測網計劃（ARGO計劃）

全球海洋實時觀測網計劃（ARGO）是一個通過剖面浮標陣構成的全球海洋觀測試驗項目，可快速、準確、大范圍地收集上層海洋（0～2 000 m）的溫度、鹽度剖面和浮標漂移軌跡資料。全球海洋實時觀測網是目前唯一能立體觀測全球上層海洋的實時觀測系統，可大大提高海洋實時觀測與高精度海洋預報能力、從而有效面對海洋災害[5]。

到目前為止，全球海洋范圍內的活動浮標數已經達到18 000多個，其中美國的數量最多，日本第二。中國于2001年加入國際ARGO組織，并于2002年3月在印度洋海域投放第1個浮標。

3）海王星海底觀測網絡計劃（NEPTUNE）

美國和加拿大聯合在東北太平洋實施海王星海底觀測網絡計劃（NEPTUNE）[6–8]，用約 3 000 km 的光纖電纜，通過30個節點將上千個海底觀測設備進行聯網，每個節點維系一批海底和鉆孔中的儀器，用來長期觀測水層、海底和地殼的各種物理、化學、生物、地質過程，建立區域性的、長期的、實時的交互式海洋觀測平臺，在幾秒到幾十年的不同時間尺度上進行多學科的測量和研究。

其他的典型系統有歐洲海洋觀測網（ESONET）、歐洲 ROSES（Real-Time Ocean Services for Environment and Security）的綜合海洋環境資源信息平臺和海洋觀測站網計劃（OOI）等，通過國際間合作，大大提升系統覆蓋范圍，可提供豐富的數據產品與服務，提升海洋綜合感知能力。

1.2 美國

世界各國均把海洋資料的獲取作為海洋發展的戰略重點，尤其是美國的觀測技術全球領先。系統建設最為迅速、覆蓋范圍最廣、各種觀測系統不僅覆蓋了沿海，遍及世界各大洋的主要海域和重要航道。經過多年建設與投入，已經建立起建立覆蓋全球的高效率、立體化、網絡化大氣海洋觀測系統。

美國非常重視海洋環境信息技術，美國國家海洋局（NOAA）積極推進海洋環境信息數據的共享和管理等信息化工作。近年來，隨著新技術的不斷發展和軍事變革的不斷深化，美國副總統戈爾提出了“數字地球”構想（1998年），與此同時在海洋技術領域方面形成了“數字海洋”的概念[9–10]。數字海洋采用“3S”技術（RS，GPS和GIS技術），以海洋地理、海洋物理場、海洋水文、氣象等自然環境數字化信息為主導，以數字海洋網絡為中心，以數字海洋體系架構為支撐，使海量海洋環境數據轉化成數字化、網絡化、智能化和可視化的信息服務。目前，美國海洋信息化技術及規模全球領先，海洋環境數據庫功能齊全、應用服務廣泛、相關政策機制也日臻完善。

1）區域性海洋環境觀測系統

美國有代表性的區域性海洋環境觀測系統主要有：美國緬因灣海洋觀測系統（GOMOOS）、切撒皮克觀測系統（CBOS）、墨西哥灣沿岸海洋觀測系統（GCOOS）等，這些區域性觀測系統后期被整合到綜合海洋觀測系統（IOOS）。

2）綜合海洋觀測系統

美國國家海洋和大氣局共同制定的綜合海洋觀測系統（IOOS）[11～13]，在原區域觀測網絡基礎上進行整合形成大范圍的國家級觀測系統。該系統包括觀測子系統、數據通訊子系統和應用服務子系統，可敏捷訪問多學科海洋數據，為航運、打撈、海岸侵蝕、漁業等提供所需數據、信息和相關服務，并建立聯邦部門、州部門和私營部門之間橫向交叉的伙伴關系和信息共享機制，提高了海洋數據采集、傳輸和業務使用的能力[9–11]，其體系架構如圖1所示。

在2011年，美國綜合海洋感知系統辦公室發表《美國綜合海洋觀測系統：全面能力藍圖》，明確了天氣與氣候、海上行動、自然災害、國家安全、公共衛生、生態健康、資源持續等7項基本目標優先考慮的風向風速、流量、海平面、表面波、表層流、冰分布、鹽度、溫度、水深等26個變量。2012年，IOOS對全球海洋感知系統的全球貢獻率為62%。目前，IOOS觀測體系共有18個聯邦機構參與，由11個子系統組成，包括535個岸基臺站、132個高頻地波雷達站、258個浮標或海上平臺。此外，還有滑翔器和動物遙測系統，以及在全球范圍的240艘左右的志愿觀測船。

3）沿海海洋自動觀測網

美國的沿海海洋自動觀測網（C-MAN）從20世紀80年代初開始建立，利用衛星、網絡等通信手段，綜合集成58個自動站、71個浮標和30個地面觀測站，可迅速匯集各海域觀測數據。C-GOOS系統是90年代發展的高度集成的、面向海洋生態環境觀測的近岸海洋觀測系統。該系統通過遙感、海洋儀器等手段獲取海洋環境數據，提供多源數據的統一管理、預報模型優選、信息產品生成等眾多功能。

4）在無人艇自主感知技術層面

自20世紀90年代以來，美國在研發無人艇方面各自具有一定的技術優勢，任務領域逐漸拓展，注重將已有成熟的無人機雷達技術用于無人艇的探測。據近期發展動向，新一代無人艇將是一種高度集成化平臺，攜載有各種傳感器設備，功能多樣化。如目前美軍DARPA開展的UNV型號515X研究，其雷達用來探測和跟蹤潛望鏡和通氣管，以及進行日常海面和空中監視，考慮在AN/APY-10和AN/APS-147中選型。AN/APY-10的感知距離為370 km（3級海況下，RCS=10 000 m2），全方位覆蓋，處理目標數 256 個（潛望鏡探測、SAR及海面搜索模式）。

5）北極觀測預測項目

美國國家科學基金委資助的北極觀測預測項目，擬在開發一個大尺度、長期的陸基、海洋和天基傳感器觀測網基礎上，及時獲取北極環境變化的觀測和預測信息，并對北極環境變化的未來影響預測和評估。目前正在開發觀測儀器，對北極冰覆蓋下的海冰進行全年不間斷地觀測。

6）美軍航母編隊與海洋環境氣象保障

為滿足美軍航母編隊作戰的海域海洋環境特征參數獲取、以及海洋環境變化對航母編隊作戰行動的影響分析、預測和評估等需求，美軍以“岸基保障機構為主，艦基保障機構為輔”為原則，通過衛星/雷達遙感、遙測浮標系統和航母編隊自身的水文氣象保障裝備等手段完成環海洋境觀測與保障，其保障體系包括戰略、戰役和戰術等3個層次，具備保障理論成熟、保障組織完善、網絡傳輸技術先進、傳感器體系完備等特征，其能力能夠精確覆蓋航母作戰海區、武器系統和作戰樣式[14]。

美國海洋環境觀測系統的發展特征是“理念超前、技術先進”，其海洋環境信息技術在國際上處于領先地位，經查閱大量文獻與總結分析，其特點如下：

1）海洋環境保障體制完善高效；

2）將海洋環境研究納入“海上力量體系”；

3）海洋環境保障體系產品強化戰術性；

4）出臺2020聯合作戰氣象海洋保障構想作為指引，將氣象和海洋保障融合網絡中心戰模式。

1.3 俄羅斯

俄羅斯認為作為基礎支撐的海洋環境信息技術發展應注重軍事效益，走軍民融合發展的思路。海洋環境保障在部隊訓練和戰斗力生成中發揮著重要作用，保障效益得到重點關注，保障信息產品的質量以及指揮員對保障信息產品的正確理解和應用決策能力是影響保障效益的重要因素。俄羅斯始終堅持“國防優先”的原則開展海洋環境信息技術研究，要求所有涉及海洋環境信息管理的部門，都要無條件地將所獲取的信息和預報產品輸入到國防數據庫中，為戰場環境建設和遂行軍事海洋環境保障提供服務。

20世紀70年代末，蘇聯國防部為海軍研制了海洋大氣電磁波折射效應環境評估系統。目前，俄羅斯海軍擁有近50艘綜合海洋調查船。為適應國家海洋戰略發展，俄羅斯海軍于1998年組建了海洋環境信息交換、處理與分發中心，即海軍“373中心”，旨在為未來海戰場實現數字化與海軍大洋活動提供支持和有效保障。在俄羅斯海軍的戰斗使用條令中也要求艦艇指揮員掌握各類武器使用的環境臨界條件和海洋環境變化動態，以把握有利戰機。

俄羅斯海洋環境觀測系統的發展特征是“注重實效、堅持國防優先”，其特點如下：

1）軍民一體建設戰場海洋環境；

2）艦艇作戰海洋環境信息要求高，重視作戰指揮應用。

1.4 日本

日本是一個海島國家，深受海洋災害的困擾，十分重視海洋環境觀測。日本在海洋領域的研究走在世界前列，早在20世紀30年代就積極開展海洋環境觀測研究；70年代后，大力發展大洋浮標觀測網（如TAO/TRITON）和近海觀測網[15]，形成覆蓋面較廣的海洋觀測系統，極大促進海洋經濟發展[16]。

日本海洋環境保障體系具備強大的戰時民用轉軍用體制。日本陸海空自衛隊的綜合氣象保障系統始終與日本氣象廳數據庫聯網，接收氣象廳發布全國各地的數據信息和海上船舶觀測數據信息，并與美軍交換信息，信息來源廣，精度高。目前，日本獲得世界氣象組織（IWO）授權，發布西太平洋水文氣象預報產品，海洋氣象工作在亞洲處于領先地位。

日本東京大學2003年啟動了深海地震觀測網（ARENA）項目，用于觀測地震、生物等信息。2006年日本又啟動了DONET取ARENA，在海底以15～20 km的間距部署22套現代化海底測量儀器陣列，長約300 km。DONET2與2010年開始建設，建設規模更大，包含450 km的主干纜線系統，其中2個地面觀測站、7個觀測臺站和29個觀測點。2015年開始運行。

為了打破戰時氣象封鎖，日本高度重視海洋環境觀測體系的建設。葵花-1號氣象衛星發射后，每隔4–5年就發射一顆葵花系列衛星。同時日本已建成了由岸海空天多維觀測組成的海洋環境立體觀測體系，能夠實時觀測關注海域的海洋環境狀況。另外，日本氣象部門大量利用商船和漁船開展海洋環境觀測，對西北太平洋海洋環境變化的了解掌握比較透徹，特別是在黑潮區觀測方面處于國際領先水平，能夠制作試驗性的黑潮預報產品。

日本海洋環境觀測系統的發展特征是“寓軍與民、國家利益至上”，其特點如下：

1）海洋環境預報技術世界領先；

2）擁有先進的海洋環境觀測體系；

3）服務于軍事目的的海洋調查測量從未間斷。

1.5 其他地區與國家

此外，為爭奪海洋資源和擴大勢力范圍，其他國家和地區紛紛規劃和建設了軍民兼用的海洋觀測體系，進行海洋環境和目標的長期實時觀測，用于海洋科學研究、環境調查、資源勘探、氣象預報、災害預警及對水下目標實時觀測。如挪威Seawatch Europe海洋綜合觀測系統可提供海洋觀測數據并和相關預報產品，系統服務趨向綜合化。其系統也推廣到在歐洲北海和東南亞眾多國家，取得較好效果。

2 國外海洋環境觀測系統與技術發展趨勢

美、俄、日等主要海洋強國都高度重視海洋環境觀測系統與技術發展[18]，特點是軍事需求牽引海洋環境信息技術發展。其主要發展趨勢如下：

1）從國家戰略的高度，軍民結合、寓軍于民，長遠規劃，持續滾動發展；

2）積極發展天基、空基、陸基、海基、潛基等常態化海洋感知體系，增加衛星、無人平臺、數字化高頻地波雷達等新型探測手段，擴建海洋觀測站點，建設兩極，觀測裝備體系集成能力增強，并向分布式網絡化協同感知方向發展，信息感知“透明化”；

3）利用已有成熟技術，并重視海洋環境信息新技術，快速發展以云計算、大數據、數字化、智能化等高新技術為基礎的海洋信息綜合處理與應用能力，環境觀測系統將具有全覆蓋、精細化、立體化、自動化等特點；

4）重視綜合自然環境、海洋生態環境等海洋環境特性建模，以及大氣海洋空間環境精細化探測等基礎技術和前沿技術研究；

5）推廣標準化技術，便于海洋觀測體系的產業化發展。

3 啟示與建議

結合國外海洋環境觀測系統與技術的發展現狀和趨勢研究，針對我國海洋環境觀測系統發展現狀與應用需求，提出我國海洋環境觀測系統與技術的發展建議[17–19]：

1）綜合集成、統籌規劃和協同創新，推動海洋環境觀測軍民融合深度發展，以網絡信息體系理論為指導，構建“智慧海洋”工程體系，深入研究面向實際需求的軍民融合海洋環境觀測體系架構、技術體制、標準規范、集成驗證、運維管控和安全防護等體系性技術，為“宏觀有序、整體最優”的海洋環境立體觀測體系構建提供先進的頂層技術支撐；

2）重點發展岸、海、空、天多基多傳感器協同管控、信息快速處理、高速信息傳輸、數據倉庫、虛擬現實、安全防護、業務靈活解聚重組等系統性技術，夯實多傳感器信息融合、海洋環境理論研究和數值模擬與預報、精細化探測、認知探測與目標綜合識別等基礎性技術，同時研制先進技術體制傳感器，大幅提升海洋環境立體觀測能力；

3）充分利用云計算、大數據、互聯網+、人工智能、可信計算、虛擬現實、復雜網絡、擬態安全等多學科交叉的成熟高新信息技術成果，為海洋環境立體觀測體系構建提供技術支撐，并面向用戶提供敏捷、高效服務；

4）加快和擴展海洋環境信息的軍民融合決策支持應用研究，如海戰場環境保障效能評估與輔助決策、海洋災害應急聯動響應系統、海上搜救、海洋漁業、極地環境觀測、執法監察等，全面提升海洋環境立體觀測信息的釋用性。

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[3]GOOSHomepage,http://www.ioc-goos.org.

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[9]DESCHomepage,http://www.digitalearth.gov/.

[10]http://www.digitalearth.net.cn.

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[12]U.S.IOOSSummit Report,A New Decade for the Intergrated Ocean Observing System,November 13–16,2012.

[13]U.S.Intergrated Ocean Observing System:A Blueprint for Full Capability Version 1.0,U.S.Office,November2010.

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[18]“中國工程科技2035發展戰略研究”海洋領域課題組.中國海洋工程科技2035發展戰略研究[J].中國工程科學,2017,19(1):108–117.Task Force for the Research on China’s Engineering Science and Technology Development Strategy 2035Marine Research Group.Development strategy for China’s marine Engineering Science and Technology to 2035[J].Strategic Study of CAE,2017,19(1):108–117.

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Development trends of foreign marine environment observing system s and technologies

YU Yu1,HUANG Xiao-peng2,CUIWei-wei2,BAO Peng-fei2
(1.China Shipbuilding Industry Corporation,Beijing 100097,China;2.The724Research Instituteof CSIC,Nanjing 211153,China)

This paper describes the connotation and an important role of the marine environment observing system and summarizes the current status of the marine environment observing systems and technologiesat the international cooperation level and in the United States,Britain,Russia and Japan.The development trends of systematization,network and standardization in the aspects of system architecture,monitoring means and information processing technologies of the foreign marine environment observing systems and technologies are proposed.Moreover,suggestions of developing the military-civilian integration technologies,using sophisticated high technologies and extending the application of auxiliary decision-making are also put forward in this research.

marine environment；marine environment observing system；marine environment observing technology；military-civilian integration

X708

A

1672–7649(2017)12–0179–05

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.038

2017–10–16

于宇(1984–)，男，碩士，工程師，研究方向為智能信息處理與制造業信息化。