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海洋生態(tài)在線監(jiān)測是以自動分析儀器或傳感器為核心，結合自動控制技術、計算機應用技術以及專用分析軟件和信息通訊網絡組成的可以實時自動獲取監(jiān)測數據，并自動遠程傳輸至應用終端，通過專用軟件可自動實現生態(tài)預警和信息產品制作，服務于海洋生態(tài)預警和管理的技術手段。

按照集成平臺不同，海洋生態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)分為岸基監(jiān)測系統(tǒng)、船載監(jiān)測系統(tǒng)、浮標監(jiān)測系統(tǒng)、海底監(jiān)測系統(tǒng)和移動監(jiān)測系統(tǒng)等。上述各監(jiān)測系統(tǒng)可單獨工作，也可以與水文、氣象觀測系統(tǒng)進一步集成，形成綜合觀測系統(tǒng)。單就集成系統(tǒng)種類看，我國與發(fā)達海洋國家差距不大。

岸基監(jiān)測系統(tǒng)主要由在線監(jiān)測傳感器/分析儀器、數據采集控制器、水樣采集分配、通信、供電和輔助設備組成，實現對海水的自動采樣分配、監(jiān)測和數據傳輸。岸基監(jiān)測系統(tǒng)相對比較成熟，國外代表產品有美國水質監(jiān)測系統(tǒng)(SWQMS)、德國海洋環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)(MERMAID)、挪威SEAWATCH海洋自動監(jiān)測系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)不僅能測量氣象水文參數，還可同時測量多個水質參數，同時亦可用于船載測量。目前國內已經建成多套岸基在線監(jiān)測系統(tǒng)，其中部分站點已實現數據入網，供應商主要有山東深海海洋科技有限公司、青島卓建海洋裝備科技有限公司、深圳市朗誠科技股份有限公司、中興儀器(深圳)有限公司等。岸基監(jiān)測系統(tǒng)所選儀器設備大部分為進口設備，系統(tǒng)整體國產化率偏低，僅少數站點全部采用國產設備，如國家海洋技術中心建設的天津北塘綜合觀測站、北海局建設的小麥島、三沙岸基監(jiān)測站等。岸基監(jiān)測系統(tǒng)是目前應用較為成熟的在線監(jiān)測手段，其優(yōu)勢是安全性好、運維方便、監(jiān)測要素多。缺點是用地問題、配套設施(水、電)等協(xié)調難度大。

浮標監(jiān)測系統(tǒng)是一種長期、連續(xù)、在線監(jiān)測目標海域狀態(tài)的錨泊監(jiān)測系統(tǒng)，也是國內外應用最為廣泛的集成監(jiān)測平臺。目前有只針對水質參數的水質監(jiān)測浮標，也有監(jiān)測包括水文、氣象和水質參數的綜合浮標。

經過多年的技術進步與應用，國外海洋浮標技術已經相當成熟，浮標種類齊全，測量項目多，海上生存能力強，其功能在商業(yè)化應用中不斷完善，伴隨著海洋監(jiān)測需求的發(fā)展，還研制了許多專用化浮標和小型化浮標。美國、英國、法國、澳大利亞、日本等國家都建立了自己的資料浮標監(jiān)測網，開展海洋氣象、水文、生態(tài)等環(huán)境要素的監(jiān)測。通過對浮標網數據的處理和全球共享，服務海洋環(huán)境變化監(jiān)測、促進海洋經濟開發(fā)、減少海洋災害。

我國已基本形成了由大型浮標、中型浮標、小型浮標組成的系列化在線生態(tài)環(huán)境監(jiān)測浮標產品，在生態(tài)災害預警監(jiān)測、典型生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和生態(tài)修復跟蹤監(jiān)測中廣泛應用，具備了自主浮標結構設計、傳感器集成、安全系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、錨系和岸站設計的能力，浮標可靠性穩(wěn)定性水平達到或接近國際先進技術水平，主要集成了水溫、鹽度、pH、溶解氧、葉綠素、濁度、營養(yǎng)鹽、藍綠藻和有色可溶性有機物(CDOM)等水質參數以及氣溫、空氣濕度、氣壓、雨量等氣象參數和波浪、海流等水文參數，其他生態(tài)參數受技術現狀限制，在浮標上應用較少，搭載的傳感器主要為進口傳感器。浮標國內供應商主要有國家海洋技術中心、山東省科學院海洋儀器儀表研究所、青島卓建海洋裝備科技有限公司、青島華興海洋工程技術有限公司、深圳市朗誠科技股份有限公司等。

浮標監(jiān)測系統(tǒng)其優(yōu)勢是觀測站位設置靈活、適用觀測范圍廣(近、遠海)等，缺點是現場維護難度大(布放、維護需要用船)，費用高，可搭載生態(tài)參數略少。

船載在線監(jiān)測系統(tǒng)與岸基在線監(jiān)測系統(tǒng)工作模式相似，相比具有體積小、集成度高、便攜安裝等特點，可安裝在調查船和商業(yè)船上走航測量，亦可實現便攜式測量、岸基或海上平臺測量。

歐盟的FerryBox系統(tǒng)(德國4H-JENA公司生產)是典型的船載在線監(jiān)測系統(tǒng)，2002年由歐盟發(fā)起，截至2019年11月，已有近40個組織或船舶參與了這一計劃，包括貨船、客船、調查船、巡邏船等多種船舶，航線遍布英國東岸北海、北大西洋、挪威海、波羅的海和地中海等海域，可走航監(jiān)測溫度、鹽度、溶解氧、濁度、pH、葉綠素a、二氧化碳分壓、營養(yǎng)鹽及浮游植物等參數。FerryBox系統(tǒng)獲得的數據在歐洲環(huán)境監(jiān)測和科學問題研究中發(fā)揮了重要作用，為沿線海域尤其是為北海、英吉利海峽等海域水質模型的建立提供了基礎數據，揭示水團性質的變化，并利用模型進行環(huán)境預測等。通過連續(xù)監(jiān)測記錄波羅的海藍綠藻災害的發(fā)生或早期預警，建立了營養(yǎng)鹽濃度與赤潮的關系，評估了波羅的海中藍藻的發(fā)生與營養(yǎng)鹽、鹽度和溫度的關系，理順了跨國界營養(yǎng)化和浮游植物生產力的相互關系。在世界上其他國家如美國、加拿大、日本和澳大利亞，FerryBox系統(tǒng)也已經得到廣泛應用。

目前國內船載系統(tǒng)的研究和應用也有一些報道。在“十一五”863項目的支持下，自然資源部東海局和南海局分別在“向陽紅08號”船和原“海監(jiān)47號”船上建設了船載集成監(jiān)測系統(tǒng)，用于渤海生態(tài)環(huán)境的預警監(jiān)測和東海赤潮災害的預警監(jiān)測，系統(tǒng)搭載了多套傳感器和分析設備，實現了對溫度、鹽度、溶解氧、濁度、pH、葉綠素a、營養(yǎng)鹽、COD、BOD、總磷、總氮等參數的走航監(jiān)測。國家海洋技術中心研制的船載便攜式在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝在小型商業(yè)船上，對天津海洋生態(tài)紅線區(qū)內大神堂海域開展了多次走航式監(jiān)測，實現常態(tài)化實時的海洋大范圍監(jiān)測，結合浮標定點監(jiān)測數據，為紅線區(qū)預警監(jiān)測和監(jiān)管提供了數據支撐，同時提升了該區(qū)域的應急監(jiān)測能力。中國科學院煙臺海岸帶研究所等科研機構應用FerryBox系統(tǒng)開展了渤海海峽表層海水水質及溢油監(jiān)測，分析了該海區(qū)的溢油與水質的時空動態(tài)變化。目前國內科考船如“嘉庚號”、“雪龍?zhí)枴薄ⅰ跋蜿柤t03號”等也都有裝載FerryBox系統(tǒng)。

船載在線監(jiān)測系統(tǒng)的特點是機動性強、監(jiān)測范圍廣、監(jiān)測參數多，尤其適用于災害或突發(fā)事故的應急監(jiān)測，缺點是搭載集成系統(tǒng)的船舶的使用及運行協(xié)調問題難度較大。該系統(tǒng)可作為岸基站監(jiān)測和浮標監(jiān)測手段的補充，提高整體預警監(jiān)測能力。

海底監(jiān)測系統(tǒng)是采用坐底式有纜/無纜設計，集成水文、生態(tài)、視頻等設備，實現對各要素的監(jiān)測、數據傳輸，水下視頻信號的獲取、存儲、傳輸等。

國外海底監(jiān)測系統(tǒng)的應用案例較多，代表有歐洲海底觀測網(ESONET)、澳大利亞綜合海洋觀測系統(tǒng)(IMOS)、加拿大海王星(NEPTUNE)等，均采用海底光纜模式，集成了水文、生態(tài)、視頻等傳感器，主要用于海底地震學、動力學、熱液噴發(fā)、深海生態(tài)學等科學問題的研究。

國內目前已開發(fā)多個坐底式監(jiān)測平臺用于珊瑚礁、海上牧場、近岸海域的在線監(jiān)測。同濟大學于2009年在東海小衢山建立了國內首個海底觀測試驗站，2011年系統(tǒng)進行了升級，增加了濁度計、地震計、水下視頻設備、二氧化碳傳感器等信息收集設備及傳感器;浙江大學2014年建成了摘箬山海底觀測網實驗平臺;2013年5月，三亞海底觀測示范系統(tǒng)開始投入運行;2016年9月，中國科學院聲學所牽頭的“南海深海海底觀測實驗系統(tǒng)”建成;2017年，海底科學觀測網項目獲得國家發(fā)改委支持，我國海底觀測網開啟全面集中建設階段，搭載的傳感器主要為進口設備。國家海洋技術中心研制的坐底式在線監(jiān)測平臺已應用在南海珊瑚礁業(yè)務化監(jiān)測中;技術中心還研發(fā)了基于海底環(huán)狀網絡平臺的長期在線生態(tài)環(huán)境監(jiān)測示范系統(tǒng)，在山東蓬萊海域開展了長期示范應用，集成的傳感器均為國產自主研發(fā)，測量參數包括水溫、鹽度、pH、溶解氧、葉綠素、濁度、硝酸鹽、視頻等。中國海洋大學開發(fā)的有纜坐底式在線監(jiān)測系統(tǒng)成功應用于生態(tài)環(huán)境和水下生物狀況在線監(jiān)測，在山東海洋牧場和南海珊瑚礁監(jiān)測中得到應用。

坐底式監(jiān)測系統(tǒng)站位部署靈活性強、隱蔽性好，對海底生態(tài)系統(tǒng)的研究具有非常重要的意義。缺點是后續(xù)運行維護費用高，對傳感器的水下長期適用性要求高。

移動監(jiān)測系統(tǒng)主要指在水面上或水下的移動觀測系統(tǒng)，主要包括無人遙控潛器(ROV)、自治式水下潛器(AUV)、無人水面艇(USV)、水下滑翔器(Glider)、拖曳式觀測平臺(ROTV)和載人潛水器(HOV)等。

移動式監(jiān)測平臺可以集成視頻設備、水質傳感器等，作為上述幾種平臺的補充測量手段，在岸邊或搭載調查船不定期開展大范圍的監(jiān)視監(jiān)測，也可應用于災害或突發(fā)事故的應急監(jiān)測，但目前處于探索和示范應用階段。英國普利茅斯大學研發(fā)的“SPRINGER”號雙體無人船，可搭載溫度、深度、電導率、溶解氧、pH、氯化物、濁度、葉綠素等要素進行水質監(jiān)測[53]。比利時佛蘭德斯海洋研究所(VLIZ)的“AutoNaut”系列無人水面船可裝載不同的傳感器和模塊，在海洋環(huán)境噪聲測量、海洋生物監(jiān)控監(jiān)測、海洋環(huán)境觀測和通信中繼等不同場景被應用。中國科學院沈陽自動化研究所研制的“鮭魚”系列無人船，具備環(huán)境監(jiān)控、水體自主采樣等功能，已在水災救援和水質采樣等方面進行了應用。珠海云州智能科技有限公司研制了“領航者”號海洋高速無人船、“極行者”號海洋探測無人船、“聽風者”號灘淺海探測無人船等多款產品，已在海洋生態(tài)保護、海洋調查、安防救援等方面進行了應用。國家海洋技術中心研制的復合能源無人艇，具有復合動力、高速航行、長時巡航、目標巡視等功能，可搭載相關傳感器應用于海上目標快速巡視和水質監(jiān)測等。

目前，海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術朝著模塊化、集成化、網絡化發(fā)展，建立多種監(jiān)測手段融合，實時、連續(xù)、長期、全天候、全時段的立體監(jiān)測系統(tǒng)是發(fā)展的必然方向。

穩(wěn)定可靠的在線監(jiān)測傳感器/分析儀器是實現海洋生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測的關鍵。世界先進海洋國家從上世紀70年代開始發(fā)展海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術裝備。目前全球領先的海洋生態(tài)監(jiān)測裝備研發(fā)和生產機構分布于美國、英國、德國、意大利、加拿大、挪威、日本等國家，出現了一批領先的裝備機構(如美國哈希Hach、海鳥Sea-Bird等)和產品類型(如意大利SysteaWIZ營養(yǎng)鹽分析儀，美國SatalanticSUNA硝酸鹽傳感器，美國哈希Hach、加拿大RBR、美國YSI、美國AML等大公司的多參數水質儀)。目前國外綜合性觀監(jiān)測系統(tǒng)采用的在線監(jiān)測裝備主要出自上述機構。

在國家863計劃、海洋公益項目、國家重大研發(fā)計劃等的支持下，我國海洋監(jiān)測技術取得巨大進展，雖然在線監(jiān)測技術及其核心傳感器的發(fā)展與國外仍存在一定差距，但已突破了一批國際前沿關鍵技術，形成了門類相對齊全的監(jiān)測儀器體系，自主研發(fā)的海水pH、溶解氧、葉綠素、濁度、營養(yǎng)鹽、COD等少數生態(tài)化學要素監(jiān)測設備逐步得到推廣應用，但成果的自動化、智能化水平及可靠性、穩(wěn)定性等尚需提高，制作工藝粗糙，競爭力不強，國產儀器尚未得到有效和充分的利用。國內主要研發(fā)和生產機構有:國家海洋技術中心、山東省科學院海洋儀器儀表研究所、河北科技大學、深圳市朗誠科技股份有限公司、杭州騰海科技有限公司、廈門斯坦道科學儀器股份有限公司、上海澤銘環(huán)境科技有限公司、蘇州禹山傳感科技有限公司等。

應用在海洋環(huán)境監(jiān)測中的在線監(jiān)測設備其原理涉及化學、光學和生物學等不同學科，監(jiān)測參數包括常規(guī)水質參數、營養(yǎng)鹽、有機污染物、總磷總氮、油類、重金屬、放射性核素和水中CO2和CH4等參數，基本涵蓋了海洋水質監(jiān)測的相關要素。由于測量方法和需求的不同，這些技術的發(fā)展和應用處于不同的層次和階段。

①常規(guī)水質參數主要包括水溫、鹽度、pH、溶解氧、電導率、濁度、葉綠素等，這些參數是海洋生態(tài)保護的基礎測量參數。其傳感器技術比較成熟，測量數據準確度較高，目前已廣泛應用于浮標、岸基站、及坐底式平臺的業(yè)務化監(jiān)測中。該類傳感器屬于原位傳感器，直接布放于海水中應用，受海水污染、生物附著等影響，需定期進行清洗維護，以保證其長期可靠運行;電極法pH傳感器需定期進行校準以保證其數據的準確性。

②海水中營養(yǎng)鹽物質主要包括海水營養(yǎng)鹽和總磷總氮兩部分，分析儀器主要采用的濕化學法。其中營養(yǎng)鹽監(jiān)測技術較成熟，測量數據準確度高，其在線監(jiān)測儀器集成現場自動采樣分配裝置后已在岸基站或船舶走航監(jiān)測中得到應用，通過定期進行試劑更換、定標等維護可保障儀器長期可靠運行;濕化學法的營養(yǎng)鹽水下原位監(jiān)測設備，其可靠性尚需進一步提高;紫外法硝酸鹽傳感器技術發(fā)展迅速，測量準確度較高，可應用于浮標、海底、岸基站等進行長期原位監(jiān)測。總磷總氮在線監(jiān)測儀器已在部分岸基站得到試點應用，但其長期運行可靠性、測量穩(wěn)定性等仍需進一步提高。

③TOC、BOD、COD是評價海水水質有機污染物的綜合指標，目前，三個指標均有市場化的自動在線監(jiān)測儀器，已在部分岸基站得到試點應用，但可靠性、穩(wěn)定性等尚需進一步優(yōu)化改進提高。光學法測量有機污染物(COD、TOC等)的傳感器，在海洋現場應用較少，尚需進一步試驗研究確定數據的準確性和可靠性。

④原位油類傳感器大部分采用的是熒光法，表征的主要是苯系物的濃度，難以得到準確的油類含量值，僅可定性或半定量監(jiān)測海水中油的含量，提供該區(qū)域油類的變化趨勢，可用于環(huán)境預警和趨勢預測;水中的CO2和CH4傳感器，在走航監(jiān)測或原位監(jiān)測中得到初步應用。

⑤重金屬及生物傳感器技術尚不成熟，市場上可見的在線監(jiān)測設備集中在少量儀器廠家，設備的應用案例也較少。海水微塑料、新型有機污染物等的監(jiān)測也尚處于方法探索階段，未能形成在線監(jiān)測設備。

總體上看，目前國內外已形成了門類相對齊全的海洋生態(tài)在線監(jiān)測儀器體系，部分監(jiān)測設備(水溫、鹽度、pH、溶解氧、濁度、葉綠素、營養(yǎng)鹽等)經過多年的海洋現場驗證，其測量準確度、設備可靠性和環(huán)境適應性可滿足當前生態(tài)預警監(jiān)測的需求;其余監(jiān)測設備其現場長期運行可靠性、穩(wěn)定性、數據準確性等仍需進一步提高完善和現場測試驗證。目前，海洋生態(tài)在線儀器/傳感器均朝著集成化、小型化、低功耗、高防污方向發(fā)展，以光學監(jiān)測技術為基礎的多種參數的測量方法研究成為熱點。

綜上所述，海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術已在全球范圍內多個海洋立體觀測體系中得應用，所支持的技術包括岸基站、浮標、水下剖面、海底觀測網絡和科學考察船等。我國相對起步較晚，各類生態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)為地方海洋環(huán)境保護和管理提供了技術支撐，發(fā)揮了積極的作用，為我國海洋生態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)建設積累了一定的寶貴經驗。但總體來說，我國海洋生態(tài)在線監(jiān)測體系的建設尚處于起步階段，尚未形成綜合海洋環(huán)境立體監(jiān)測能力，存在的主要問題如下:

①在線監(jiān)測代表性站點不足，濱海海洋生態(tài)環(huán)境觀測體系薄弱?；诎墩尽⒏说葮嫿ǖ奈覈Ｑ蟓h(huán)境觀測網絡，主要對水溫、鹽度、風速和風向等水文氣象要素進行觀測，缺乏對其他生態(tài)參數的監(jiān)測，無法滿足日益提高的海洋防災減災和生態(tài)環(huán)境保護要求。

②設備缺少必要的測試評估，生態(tài)在線監(jiān)測設備布放于海洋現場后表現良莠不齊，在線監(jiān)測數據缺少標準支撐，數據應用率低，無法進行業(yè)務化應用。

③我國海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術創(chuàng)新能力不強，主要設備依賴進口，運維管理難度大，技術成果轉化與產業(yè)化率不高，尚不能滿足當前生態(tài)監(jiān)測業(yè)務化工作的需求。

為推進在線監(jiān)測在海洋生態(tài)監(jiān)測體系中的應用，以“需求導向、立足生態(tài)”為原則，綜合考慮任務需求和技術現狀，在技術層面和運行管理方面建議如下:

①建立高密度海洋立體觀測網絡。從總體上看，國際海洋觀測的目標是建立全球聯(lián)網的立體觀測系統(tǒng)，目前已發(fā)展起包括衛(wèi)星遙感、浮標陣列、海洋觀測站、水下剖面、海底有纜網絡和科學考察船的全球化觀測網絡。結合我國海洋生態(tài)監(jiān)測需求，有針對性地在關鍵海區(qū)建立多參數長期、立體、實時監(jiān)測網，有效、連續(xù)地獲取和傳遞海洋長時間序列綜合參數。

②加強新技術研發(fā)，推進國產設備成果轉化。繼續(xù)加大生態(tài)在線監(jiān)測設備的支持和推廣力度，開展海洋在線監(jiān)測設備的原理創(chuàng)新、方法創(chuàng)新，強化傳感器探頭、敏感材料、基礎工藝等海洋監(jiān)測設備關鍵技術研發(fā)，從根本上解決“卡脖子”問題，以提高監(jiān)測設備國產化比例和形成國際研究影響力為重點，推進國產海洋監(jiān)測設備產業(yè)化與應用示范。

③建立和完善海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術標準體系。目前海洋生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測的技術標準體系還很不完善，應統(tǒng)一海洋生態(tài)在線監(jiān)測設備數據格式、通訊方式、硬件接口等相關標準規(guī)范，建立設備選型、運行維護、質量控制、備品備件和日常管理的技術標準，提高在線監(jiān)測設備標準化，增加不同站點設備之間的互換性，逐步完善海洋生態(tài)在線監(jiān)測標準體系。

④開展在線監(jiān)測儀器設備測試檢驗和質量評估。建立現場測試檢驗方法，對國內外海洋生態(tài)監(jiān)測設備進行現場測試評估，考察監(jiān)測設備的標準符合性、接口規(guī)范性、數據準確性，以及裝備在海洋現場的穩(wěn)定性、可靠性、維修性、海洋環(huán)境適應性等指標，補齊海洋生態(tài)在線監(jiān)測設備應用的薄弱環(huán)節(jié)，為在線監(jiān)測設備業(yè)務化運行提供測試評估基礎。

版權來源 | 本文節(jié)選自《應用海洋學學報》2023年2月

作者單位 | 王 寧，李 燕，楊鵬程，司惠民，劉 玉 ( 國家海洋技術中心）