海洋地球物理测量 -海洋地球物理理论与方法张健

花草溪泉山林中 · 发表于海洋技术发展 2023-11-16 13:47:11

本文内容来源于《测绘通报》2021年第5期，审图号：GS（2021）2567号

海洋立体观测网建设与发展综述

李林阳1,2, 柴洪洲1, 李姗姗1, 乔书波1, 邝英才1, 吕志平1

1. 信息工程大学地理空间信息学院, 河南郑州 450001;2. 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室, 湖北武汉 430077

基金项目：国家重点研发计划(2016YFB0501701);大地测量与地球动力学国家重点实验室开放基金(SKLGED2020-3-3-E)

摘要：高精度全球海洋立体观测网是空天地海一体化观测网的重要组成部分, 是陆基观测网和空基观测网向海洋的重要延伸。本文系统介绍了海洋立体观测网的组成, 即海洋时空基准网和海洋环境监测与感知网; 详细梳理了核心装备, 包括水下导航与定位装备、海洋地球物理环境探测装备、极区导航定位装备与大数据中心。面向我国经略海洋和海洋强国战略, 应紧跟海底立体观测网的发展趋势, 并加快其建设。

关键词：海洋时空基准站网海洋环境监测与感知网导航定位地球物理环境探测极区

引文格式：李林阳, 柴洪洲, 李姗姗, 等. 海洋立体观测网建设与发展综述[J]. 测绘通报，2021(5)：30-37, 95. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2021.0137. 阅读全文：http://tb.sinomaps.com/article/2021/0494-0911/20210507.htm全文概述海洋占地球表面积的71%，但目前海底仍有95%的区域是未知的。海洋已被各国视为经济发展、资源开发和国防安全的关键战场，甚至提高到国家战略的高度，一场以开发海洋为标志的“蓝色革命”正在全球兴起。早在2002年，美国率先建立了综合海洋观测系统(Integrated Ocean Observing System，IOOS)。为保证海洋政策能够得到完全、连贯和有效的执行，2015年俄罗斯颁发了《俄罗斯联邦海洋学说》；此外，还有欧洲海洋观测与预报服务系统(MyOcean)、国际合作的全球地球观测系统(Global Earth Observation System of Systems，GEOSS)和全球海洋实时观测计划(global ocean observing system，GOOS)。如图 1所示，高精度全球海洋立体观测网是空天地海一体化观测网的重要组成部分，是陆基观测网和空基观测网向海洋的重要延伸，已被纳入《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》的“海洋重大工程”。海洋立体观测网集合海洋空间、环境、生态、资源等多类型数据，采用先进的海洋观测技术手段，实现高密度、多要素、全天候、全自动的全球海洋立体观测。“中国工程科技2035发展战略研究”海洋领域课题组对海洋环境立体观测技术与装备提出的发展目标为：初步建成全球海洋观测体系并实现有效运行，实现全球海面及水下重点海区多要素立体观测能力[1]。

图 1 高精度空天地海一体化观测网图选项

1 组成海洋观测网主要由海洋时空基准网、海洋环境监测与感知网组成。目前，海洋时空基准网多建立在海底的板块交界带，以监测板块运动和研究海洋地质学现象，如洋中脊、海沟、俯冲带等。为进一步满足海洋环境监测与感知的需求，建立了海洋环境监测与感知网，对海水层、海底和海底以下的岩石进行长期、动态、实时的观测，其中包含众多类型的海态传感器。1.1 海洋时空基准网如图 1所示，海洋时空基准网是地基时空基准网和空间时空基准网在海洋上的自然延伸[2-3]。目前，联合空中GNSS、水中声学、海面及海底压力计等技术，可以将全球统一的时空基准传递到海洋内部，已建立了若干局域的海洋时空基准站网。这些时空基准网一般采用无缆方式，海底观测方舱内仅包含声学应答器等装置，对这些基准点定期进行复测。由于卫星导航信号在水中衰减严重，全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)无法直接确定海底控制点的位置，还需要与水下声学定位技术相结合，才能将高精度时空基准传递至海底。利用水下声学定位技术，建立海面或水下移动测量载体的水声换能器与海底基准点的应答器之间的联系。其中，水声换能器兼有发射和接收两种功能，通常采用低频、高效及能适用于深海定位的换能器；应答器反射声学信号，一般要具备稳定性、可测性、抗压和防腐性等特点。另外，要优化海底时空基准网的布网方法、观测方案，解决多期、多类型观测数据联合解算难题[4-6]。自1985年联合GNSS/声学定位技术确定海底基准点位置的方法[7]被提出以来，美国、日本等国逐渐开发了实用系统，并开展了海洋时空基准工程建设。美国的第1个海底基准点建立于20世纪90年代，连续3年观测得到的坐标重复性精度可达厘米级[8]。此后，如图 2(a)所示，在胡安·德富卡板块建立了若干海底基准点，采用1994—1996年连续3年的实测数据，基准点阵列中心水平分量的重复性可达4 cm[9]；2004年在秘鲁—智利海沟的海底基准点，连续观测时间超过100 h，结果显示基准点中心水平分量的精度优于10 mm[10]。

图 2 国外高精度海底时空基准网分布图选项

如图 2(b)所示，日本密集布设了海底控制点，且水深一般都超过了3 km。2000年日本在其南海海槽熊野海盆的2 km深处，建立了海底的第1个控制点，水平分量的精度为4 cm左右[11]。文献[12—14]均得出了与其一致的坐标精度，水平分量可以满足监测板块厘米级运动的要求，但高程方向十几厘米或数十厘米的精度难以达到监测海底板块运动和地壳形变的目的。在浅海充分验证海底方舱性能的基础上，2019年我国在南海3000 m水深的海域建立了5个长期稳定的海底基准点，初步定位结果内符合精度优于5 cm[15]，实现了高精度永久性海底基准点从无到有的突破。未来我国构建的海洋时空基准网的空间基准可统一于我国现行的2000国家大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000)，时间基准可统一于高精度北斗时(BeiDou time，BDT)。在观测网建立和维持的过程中，声波较低的传播速度导致传输时延大、多普勒频移严重，再加上海浪、洋流、温度、盐度及海底地貌等因素的综合作用，水下声波探测和通信的距离、精度、可靠性受到极大影响，成为提升水下空间透明性的重大障碍[17]。因此，三维高精度声速场的构建是亟须解决的瓶颈问题，对时空基准的传递起着至关重要的作用。未来可通过搜集卫星、雷达、温盐探仪、浮标等采集的海表温度、水下温度、盐度、风速、浪高、地转流速等数据在内的多源信息，建立涵盖海面、水下和海底的高时空分辨率的立体海洋声速场模型，目前具有代表性的声速场构建系统有美国海军开发的模块化海洋数据同化系统(Modular Ocean Data Assimilation System，MODAS)[18]、战场空间预备2007开发的数据同化嵌套建模系统[19]等。1.2 海洋环境监测与感知网如图 3所示，海洋环境监测与感知网的组网方式通常有2种：①在离岸较近的海域铺设光电复合缆，将海底海态传感器与陆地基站连接起来，这种方式可以长期供电，数据传输快捷便利，运行时间长，但建设成本高；②在离岸较远的海域布设无缆锚系——浮标系统，不用布设电缆，采用电池供电、浮标通过卫星实现数据传输，这种方式的电力供应和数据传输受到限制，工作时间短，但相对经济。

图 3 海洋环境监测与感知网图选项

图 4为全球分布的有缆海底观测网。相对于海洋时空基准网，海洋环境监测网的布设范围和布设区域显著扩大[20]，主要包括：①旨在监测、预测海洋变化的印度洋观测系统(Indian Ocean Observing System，IndOOS)，如图 5所示；②常年游弋在海洋上、正向全球化发展的地转海洋学实时观测阵(array for real-time geostrophic oceanography，Argo)，如图 6所示；③欧洲国家也正在10个海区建立有缆观测网，主要包括多学科海底观测网(European multidisciplinary seafloor and water column observatory，EMSO)和欧洲海洋观测网(European seas observatory network，ESONET)，EMSO监测网的分布如图 7所示；④美国为海洋环境监测与感知网数最多的国家，图 8为美国大洋观测网(ocean observatories initiative，OOI)的分布，其监测网的多样性和科学性处于世界领先水平；⑤加拿大也筹建了众多类型的海底观测网，如图 9所示，主要包括美国和加拿大共同建立的海王星观测网(north east pacific time series under sea network experiments，NEPTUNE)、金星海洋观测网(Victoria experimental network under the sea，VENUS)；⑥日本1979年建成的Tokai海区观测网是世界上第1个有缆海洋环境观测网，如图 10(b)所示，日本地震海啸海底观测网(seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan trench，S-net)是目前建成的全球规模最大的海洋环境监测网；⑥我国建成的监测网，如国家海洋局海洋立体监测系统、台湾妈祖海底观测网，以及正在建设的国家海底科学观测网等。但我国建设的监测与感知网规模较小且分布零散，离覆盖我国300多万km2的海域面积相差较大[3]。

图 4 全球有缆海底观测网分布图选项

图 5 印度洋观测系统(http://www.clivar.org/clivar-panels/indian/indoos)图选项

图 6 全球海洋上活跃浮标数量(4000个)及其分布(截至2020年2月15日)[21]图选项

图 7 EMSO网分布(http://emso.eu/)图选项

图 8 美国OOI有缆阵列(https://oceanobservatories.org/)图选项

图 9 加拿大有缆海底观测网(https://www.oceannetworks.ca/)图选项

图 10 日本有缆海底观测网图选项

2 核心装备海洋立体观测网中的测量平台呈现多样化，测量设备呈现国产化，信息获取呈现综合化的趋势[22]。核心装备包括水下导航与定位装备、海洋地球物理环境探测装备、极区冰下环境勘察装备及海洋观测网大数据中心等，海洋观测网及其核心装备的相互关系如图 11所示。采用布设、组网观测、信息融合、网平差/网校正的流程布设海洋时空基准网和海洋环境监测与感知网，海洋时空基准网为水下导航与定位、海洋地球物理环境探测与极区冰下环境勘察提供高精度时空基准，并形成海洋观测网大数据中心；另外，水下导航与定位可以实现对高精度海洋时空基准的动态维持，海洋物理环境探测实现对海洋环境的动态监测与智能感知，极区冰下环境勘察实现海洋时空基准网和海洋环境监测与感知网向极区的拓展。

图 11 海洋观测网及其核心装备相互逻辑关系图选项

2.1 水下导航与定位装备发达国家已研制了多种水下声学导航与定位系统，这些系统根据工作方式可以分为主动式应答器和被动式信标；根据声基线距离长短可以分为长基线(long baseline，LBL)、短基线(short baseline，SBL)、超短基线(ultra short baseline，USBL)和组合水下声学系统，以及近几年兴起的网状长基线定位系统[23]。在弱联通状态下，声学/惯性融合导航定位是另一种切实有效的方式。以美国为例，1958年美国华盛顿大学的应用物理实验室在达波湾试验靶场建成了由4个水听器组成的跟踪水下武器靶场，该系统为LBL定位系统的雏形。2006年，伍兹霍尔海洋研究所(Wood Hole Oceanographic Institution，WHOI)采用SBL系统JASON对深海自主水下潜器(autonomous underwater vehicle，AUV)进行定位，精度达9 cm。WHOI研制的AUV REMUS100(remote environment measuring units 100)，包括多普勒剖面仪、惯性导航系统、双频侧扫声呐、GPS等设备，除被广泛应用于商业、科研与海洋调查外，也已经应用于美国、澳大利亚等多国海军，并在伊拉克战争中用于侦查、扫雷等作战任务[24]。2015年，美国国防高级计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)发起的深海定位导航系统(positioning system for deep ocean navigation，POSYDON)综合运用水下声波信号、水面浮标、水下信标或节点和GNSS信号，能够快速地确定AUV的位置，并将数据传输回水面舰船或水下潜艇。美国海军认为水下是任何人都无法完全掌控的领域，其在2016年发布的新版《水下战科学和技术战略》中，再次明确水下精确导航定位将作为水下技术发展的重点领域之一。国外多家公司推出了成熟的水声定位货架产品，占据了全球绝大部分的市场。我国水下导航与定位起步较晚，但也发展较为迅速，研制了LBL、SBL、USBL定位系统和差分水下GNSS定位系统[25-30]，定位精度由米级至分米级不等，在整体性能和工程化方面，存在较大的提升空间[31]，在装备的集成化、系列化、小型化和智能化等方面有待进一步提升。“十三五”期间，我国立项开展了“全海深潜水器声学技术研究与装备研制”“海洋大地测量基准与海洋导航新技术”相关的研究，解决全海深潜水器定位及声学通信技术，并构建水下“深海北斗”。2.2 海洋地球物理环境探测装备认知和感知海洋、水下作战等对海洋环境信息的需求越来越广泛，其中海底地形、海洋声场、磁场、重力场和海底地质等是构成海洋地球物理环境的主要因素。发展智能化的水下地球物理环境探测装备，主要包括海空重力仪、海空重力梯度仪、海空磁力仪和多波束测量仪等，实现海洋地球物理环境数据采集的高度自主化，创新信息融合和数据处理技术，形成星—空—海、海面—水中—水下、高机动、立体化海洋环境信息探测、处理和应用体系，确保信息的准确性和时效性，为认知和感知海洋、水下导航等提供更加真实可靠的背景数据，提升海洋空间环境的透明性、水下平台的生存能力和分布式精确打击的能力。2.2.1 海空重力仪在海洋地球物理环境探测中，海洋重磁场测量技术是认识和开发海洋、探测海洋地球物理环境的重要渠道[32]。基于地球物理信息探测手段构建的水下地球物理要素(重磁、地形等)地图，能提供水下AUV路径规划，保证航行安全及隐蔽选址航道，也能为地球物理信息辅助惯性导航、基础地理信息保障等提供先验的背景场模型，满足AUV长期、隐蔽、自主和航行的要求。由于海浪颠簸、水下内波和涌浪、发动机引起的震动等造成的航行器和潜器在垂直方向上的加速度可能较大，这种扰动加速度的幅度可能远大于所要测量的重力加速度，因此，海空重力仪的传感器必须具有良好的抗干扰能力，并设计对应的重力提取算法。国外对海空重力仪的研制起步较早，目前成熟的产品包括：俄罗斯GT系列重力仪、美国L&RⅡ型和Ⅲ型重力仪及BGM-3型重力仪、德国KSS系列重力仪。国内具有自主知识产权的捷联式海空重力仪、三轴平台式海空重力仪的研制进展较快，如北京航天控制仪器研究所研制的SAG系列捷联重力仪、中船重工707研究所研制的GDP-1Z重力仪等，产品的性能已经与国外仪器相当[33]。2.2.2 海空重力梯度仪除应用于精确导航定位外，水下重力梯度仪成功应用于能源和矿产资源勘查，在国防领域还可应用于探测水下隐伏目标。目前，国际上研制的重力梯度仪包括：旋转加速度计重力梯度仪、超导重力梯度仪和冷原子重力梯度仪。如基于旋转加速度计的重力梯度仪包括美国研制的FTG全张量重力梯度仪、FTGeX全张量重力梯度仪及原子干涉便携重力梯度仪，日本研制的SEGAWA重力梯度仪等[34]；国内如华中科技大学研制了超导重力梯度仪、浙江大学和中国科学院武汉物理与数学研究所研制了原子干涉重力梯度仪等，但相比于国外成熟的装备，有待进一步确认国产仪器的稳定性和可靠性[35]。2.2.3 海空磁力仪当前海洋磁力测量主要以质子磁力仪和光泵磁力仪为主，如光泵技术灵敏度高、响应频率高、可在快速变化中进行测量；海洋磁探仪主要有G-882、G-882TVG和G-880等型号，种类多且可靠性好，全球市场占有份额多[36]。美国已经建立了完备的地磁场服务系统，我国自主研制了光泵式海洋磁力仪，但在海洋磁力测量的测量规模、仪器设备和数据处理方法等方面与发达国家差距较大[35]。2.2.4 多波束测量仪20世纪70年代，美国成功研制了由换能器阵列组成的多波束测深技术。多波束测量系统深刻改变了海洋学科领域的调查研究方式及成果质量；多波束合成孔径声呐系统在对海底地形地貌全覆盖测量的同时，还可对目标进行三维成像，精确测量目标深度信息[37]。多波束测量系统覆盖全、效率高，成为水下地形测量的主要方式。现阶段，国内研制的浅水多波束测量系统已基本跟上国外先进设备的步伐，性能和稳定度逐步提升，并在逐步提高市场占有率；另外，中深水多波束测量系统也将实现国产化。2.3 极区冰下环境勘察装备北极地区蕴藏着丰富资源，潜藏着巨大的经济和地缘战略价值。历经人类数百年的开采，陆地油气和煤炭等矿产资源在进入21世纪后日趋枯竭，而北极地区则以其丰富的油气矿藏成为人类获取能源与资源的“新大陆”。北极各国纷纷兴起以开采开发北极资源为目的的各类海洋调查、勘测、工程及其后期保障等一系列项目，南极科学委员会和北极科学委员会分别发起了相应的观测系统，如南大洋观测系统(Southern Ocean Observing System，SOOS)和北极观测网(Sustaining Arctic Observing Net，SAON)。但极区被大范围的冰层覆盖，后勤保障的高要求制约了极地观测系统的发展，也无疑对极区的冰下勘察装备提出了新的要求[38]。欧洲发达国家的极区导航与定位装备基本以水声定位为基础，生产厂商已经具备系列化、产业化、成熟化的水声导航与定位货架产品，如俄罗斯致力于构建的“水下GLONASS”的关键组成部分就是北极地区的导航定位，圣彼得堡海洋设备公司研制的水下导航和通信系统，能在北极冰盖下数千米处工作，为AUV提供米级以下精度的导航定位，并通过超短波和水声通信的方式，与空中、水上和陆上的控制站保持实时联络。2.4 海洋观测网大数据中心随着海洋信息化的发展、各类传感器设备性能的提升，全方位、多手段的海洋立体观测网获取的多源、异构、超高维和多类数据量呈现出爆炸性增长。如截至2012年底，美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)管理的年数据量已达30 PB，卫星、船只、飞行器、浮标、各类传感器每天获取的数据就超过了35亿份[39]。海洋大数据是位置大数据(location big data，LBD)[40]、时空大数据[41]、地理大数据[42]和时空位置大数据[43]的重要组成部分。当前我国海洋资料尚未完全实现集中统一管理，海洋数据整合处理程度不高，海洋数据共享交换使用还有待强化[44]，亟须破除壁垒，完善法规体系、标准体系建设[45]，加快推进建立海洋观测网大数据中心，采用大数据、云计算、深度学习和人工智能等高新技术，实现全球实时化获取、智能化处理、自动化加工、可视化显示分析、多样化服务和大众化应用，进一步挖掘其蕴含的巨大价值，推动海洋应用行业的发展，为人类更深入地感知和认识海洋提供支撑[46]。3 发展趋势海洋立体观测网随海洋观测、调查和感知方法与技术的发展而改变，其发展趋势主要体现在以下几个方面：(1) 海洋时空基准点的精度从分米级逐步提升至厘米级。(2) 在有缆观测网布网方式和效率上，从船载定点布设锚系转变到使用遥控水下机器人，提高了作业效率，如从OOI到VENUS和NEPTUNE。(3) 观测网有效覆盖范围从海岸带、浅海峡谷地带扩大到大洋的深远海区域，如从近海尺度的VENUS到深海区域尺度的NEPTUNE和OOI-RSN(remote seafloor network)。(4) 观测网的规模逐步扩大，从包含20个海底监测站的DONET(dense oceanfloor network system for earthquake and tsunamis)到包含150个海底监测站的S-net。(5) 观测网所搭载的装备由单一传感器升级为多传感器。(6) 在光缆的布设长度上，主干光电缆从几千米增加至数百甚至上千千米。(7) 观测网供电系统从低压(如375 V)到高压(如10 kV)。(8) 在空间层次上，采用太空中的海洋卫星和空中的飞行器等平台从立体上对海洋进行多维度感知和研究。综上所述，星—空—海和水面—水中—海底的观测网络系统构建日趋完善。未来海洋环境监测与感知网的发展趋势将按照以线缆为基础的实时数据传输观测网和以浮标平台为关键节点的准实时数据传输网络的互补模式进行发展[47]。4 结语海洋观测正朝更高(灵敏度)、更精(分辨率)、更快(实时性和时效性)、更广(观测范围)、更宽(多任务、多层次、多功能协同)、更准(精度)、更智能(智能化和集成化)、更深(深远海)、更轻型便携、更节约(能源利用)等方向演化，世界各国越来越重视对海洋进行多维度立体观测，并不断提高海洋观测技术水平，建立高精度立体的海洋观测网，自主研发核心装备、形成以“信息化、服务化、智能化”为主要特征的智慧海洋。作者简介作者简介：李林阳(1991-), 男, 博士, 讲师, 主要研究方向为测量数据处理理论与方法。E-mail: lilinyang810810@163.com通信作者：吕志平。E-mail: ssscenter@126.com初审：杨瑞芳

复审：宋启凡

终审：金君

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