海洋监测设备

海洋监测设备（精选7篇）

海洋监测设备 篇1

摘要：本项目的海洋环境监测系统体系构架、海洋环境测量仪和海洋环境信息系统软件的设计主要依据国家工信部电信研究院起草的“物联网概述标准草案 (标准编号Y.2060) ”和相关海洋行业标准。依据标准进行硬件和软件设计时, 结合自身相关产品技术和经验积累 (“一种用于物联网系统的通用数据终端装置”专利和“海洋生态环境信息系统软件”著作权) , 也借鉴国内外其它海洋监测厂家的相关海洋监测仪器产品的成功经验和失败教训。

关键词：物联网,海洋环境监测,信息系统软件

1 项目背景

物联网技术在我国海洋环境监测领域的应用还处于起步阶段, 目前还没有一个完整的基于物联网技术的海洋环境信息系统构架、监测设备和系统软件的解决方案。

2 项目技术实现依据

2.1 设计思想

本项目的海洋环境监测系统体系构架、海洋环境测量仪和海洋环境信息系统软件的设计主要依据国家工信部电信研究院起草的“物联网概述标准草案 (标准编号Y.2060) ”和相关海洋行业标准。依据标准进行硬件和软件设计时, 结合自身相关产品技术和经验积累 (“一种用于物联网系统的通用数据终端装置”专利和“海洋生态环境信息系统软件”著作权) , 也借鉴国内外其它海洋监测厂家的相关海洋监测仪器产品的成功经验和失败教训。

2.2 关键技术的实现

2.2.1 海洋环境多参数测量技术的实现

本项目针对海洋环境监测传感器和多种类通信装置特性, 通过通用信号调电路和接口电路, 及更多外设驱动和应用程序, 满足传感器和通信装置的通用适配及信号处理需求。该技术在自动气象站产品上得以实现。

2.2.2 海洋环境信息化系统软件技术的实现

按照软件工程理论, 采用GIS系统原理, 建立一个包括地理信息属性数据库、系统设备信息属性数据库和动态测量信息数据库, 以及数据处理和实时显控应用软件的系统软件构架, 通过应用软件实现通信控制、数据融合信息处理、信息预测预报等功能。该技术在福建海洋预报台的海洋生态环境信息系统软件上得以实现。

2.2.3 结构设计和恶劣环境适应技术

海洋仪器应具备高低温、雨淋、湿热、盐雾和腐蚀的耐受能力。借鉴以往海洋产品的经验, 电路元器件采用工业级器件, 电路模块进行三防处理;机箱结构采取密闭设计, 热传导散热, 表面三防处理。

3 项目主要研究内容

3.1 海洋环境信息化系统体系构架

作为物联网系统构架的海洋环境信息化系统, 信息通信传递的报文格式和协议是项目最重要的研究内容之一, 应进行专门论证和研究, 并优先形成确定的结果报告—《海洋环境信息化系统信息通信传递报文格式和协议》, 以便指导和规范前端智能装置 (海洋生态环境监测仪) 和后端海洋环境信息化软件中的数据交换、传输格式与规则。

3.2 多参数海洋环境监测仪器技术

海洋环境监测仪器的主要研究内容是多种类传感器的通用适配连接、通信和控制装置的通用适配连接, 以及基于嵌入式计算机的信号采集和处理技术。

3.3 海洋环境信息化系统软件技术

海洋环境信息化系统软件决定该系统的功能和服务保障能力, 包括三个层次的三个版本软件:用于海洋监测站的“海洋环境监测终端软件”, 用于分局和地方海洋部门的“海洋环境信息分中心软件”, 用于国家局的“海洋环境信息中心软件”。

3.4 海洋环境监测传感器技术

海洋环境监测传感器是该系统最重要的内容之一, 国内器件和材料等一些基础能力的不足, 多数环境监测传感器不得不依赖进口。因此, 本项目将依据国内实际情况和能力, 针对性的开展传感器的研究和开发工作。

4 项目技术路线

4.1 多参数海洋环境监测仪技术

4.1.1 海洋环境传感器

由于是海洋环境监测仪的关键部件, 其可靠性、稳定性和测量精度决定整个系统的综合监测性能。本项目中, 物理参数传感器采用自制和配套国内优质产品方式解决;项目实施初期, 化学参数和生物参数传感器配套选用进口优质产品;项目实施过程中, 有选择地开展化学参数和生物参数传感器的研仿工作, 逐步提高产品的国产化率。

4.1.2 数据采集处理器

海洋环境监测仪传感器信号数据采集处理器包括:

(1) 传感器的通用化适配接入。数据采集处理器有8个通用模拟传感器信号输入接口, 每个输入接口可任意连接一个4-20m A、0-10m A、1-5V、0-5V四种标准信号输出或任意幅度范围非标准信号输出的传感器。

数据采集处理器有8个通用开关电平信号输入接口, 每个输入接口可任意连接一个最大幅度不超过30V的开关电平信号 (状态传感信号) 。

数据采集处理器还有1个专用的1-Wire Bus数字传感器信号接口和RS232、RS485、RS422、USB、CAN等几个可复用的数字传感器信号通信接口, 每个接口可任意连接一个符合以上通信接口电气标准的传感器。

(2) 通信装置的通用化适配接入。数据采集处理器有RS232 (2个) 、RS485、RS422、CAN、USB (2个) 和LAN等6种总计8个通信接口, 每个接口可任意连接一个符合以上通信接口电气标准的通信装置。

(3) 执行装置的通用化适配接入。数据采集处理器有4路开关量 (TTL) 信号和4路触点 (250VAC10A) 输出接口, 每个接口可任意连接一个符合以上电气标准的执行装置或电气设备。

(4) 网络的通用化适配接入。数据采集处理器通过以太网接口以有线方式接入公网, 也能以GPRS和3G以无线方式接入公网, 还能通过所有几种通信接口混合进行内部组网。在本终端装置接入公网时, 遵循通用的通信协议, 内部组网时视两者之间的接口方式而定。

(5) ARM嵌入式计算机平台。数据采集处理器的信号采集和处理、通信和控制功能均由ARM嵌入式计算机平台来实现。该平台在硬件组成上采用ARM9嵌入式MCU芯片, FLASH和RAM存储器、时钟、LCD触摸屏接口等电路。

4.2 信息系统软件

各软件的构成内容如下:

(1) 显示和控制软件:数据显控界面;地图显控界面;视频显控界面;观测站信息显示。

(2) 信息融合处理软件:信息汇集;数据同化;算法计算。

(3) 预测预报软件:预测算法;预报模式;预测预报产品生成。

(4) 通信管理软件:通信协议管理;通信参数设定;通信设备控制;信息共享。

(5) 数据库软件:地理信息属性数据库;观测站信息属性数据库;观测站观测数据动态数据库;数据库维护。

海洋监测在线监测技术研究 篇2

大海虽然为我们提供了丰富的食物和矿产,但是环境污染以及风暴潮等海洋环境的变化正在影响着海洋生物的栖息和繁衍,甚至危机着人们的生命。我国拥有18000多公里的海岸线以及300万平方公里的管辖海域,采用高新技术对海洋进行全方位检测迫在眉睫。为此,我国政府把“海洋监测技术”列入国家863计划“九五”研究计划中,此技术作为国家863计划的一个主题,对推动我国海洋检测高技术的发展具有重大意义,“九五”期间投入1.2亿元海洋检测高技术研究经费,“十五”期间投入2.4亿元,“十一五”期间为了加强海洋监测高技术研究,更加大了投入。

2 与国外监测技术差距

目前,在海洋仪器中,主要以国外仪表为主,比如应用最广泛的美国的声学海流剖面仪(ADCP)、挪威的安德拉海流计、HYDOLAB公司的Mini Sonde型多参数水质监测仪和美国SEABIRD温盐深测量系统等,他们在国际市场上有很高的占有率,都是集技术、生产、商贸为一体的产品。而国内的海洋仪器基本是研究所的产品,仅有山东省科学院海洋仪器仪表研究所立足于海洋仪器行业。研究所由于生产能力不足、企业技术素质和开发产品的能力不高,因此在现有体制下很难互补,这是海洋仪器行业存在的通病。由于海洋仪器基本属于科学仪器范畴,技术复杂、市场面窄以及批量小,加上国内元器件市场混乱,导致了国内海洋仪器缺乏竞争力。如果不从体制上进行解决,很难扭转我国目前海洋仪器仪表行业日渐衰退和产品没有竞争力的局面。

3 国内外海洋监测技术

3.1 海洋监测参数

随着海洋环境检测技术的不断创新,目前监测的物质和参数主要有:

第一,水文气象参数:风速、流速、气温、波浪、流向、水温等;

第二,物化指标参数:p H值、有机物、溶剂氧、盐度等;

第三,营养物质和毒性参数:各种营养盐、重金属、核辐射等。

海洋环境污染监测技术包括物理、化学以及生物监测技术等。长期以来在监测各种有毒有害物质时主要通过现场取样分析或取样进行实验室化学分析方法,因此缺乏实时性。面对海洋污染现状的复杂性,为了研究他们之间的函数关系以准确掌握海洋污染物的分布情况,探索海水的细微结构和海洋污染程度,要求对海洋水质污染的重要参数进行现场综合的自动、长期和连续的监测。因此,此技术的研究和应用得到了各国的重视。

3.2 海洋监测传感器的技术状况

采用海洋生态环境监测常规指标从目前国际来看,在线监测海流、溶解氧传感器以及盐度等的技术十分成熟,可靠性和精度都已经达到了相当高的水平。但是,在营养盐和重金属等毒性指标方面的化学分析技术和生物传感器技术还不过关。国内外的传感器都向着智能化、模块化以及网络化、小型化、自动化以及多功能化发展。化学和生物传感器是正在发展的载体平台自动取样分析技术的关键。

根据国际海洋环境检测技术的发展动态,结合我国现状,目前我们的总体目标具体表现为:第一,在物理、化学传感器研究方面向模块化、智能化、网络化发展,向小型化和多功能化发展;提高分析和测量的精度;环境生态自动连续监测系统的研究;与国际接轨共同开发新的分析原理和方法。第二,发展现场、连续、自动监测系统;信息采集、传输、存储和处理的模块化和集成技术;自动浮标站的研制等。

3.3 近海环境自动监测技术

近岸海域是污染和生态环境监测的重点,适合发展各种小型轻便的传感器集成平台技术,适宜在海湾、河口及浅海增养殖区的使用,形成了多种便携式水质监测仪器。目前,生物学研究、污染和生态环境检测、卫星遥感定标以及真实性检验研究等应用的传感器或仪器是发展的重点。目前,微电极和阵列电极在实验室已取得一定的研究成果,测量痕量物质的微电极已有样品,p H和溶解氧电化学传感器的性能也得到了显著改善,总体上,生物传感器还处于实验室研究阶段。模拟动物味觉和嗅觉系统由多传感器阵列组成的电子舌和电子鼻的研究也有所进展。

3.4 海洋遥感技术

在海洋和近海环境的观测和检测中,海洋监测结合传统常规的手段取得了过去常规手段无法取代的重大成果。虽然此技术能够利用海洋水色遥感探测与海洋水色环境有关的参数,但是需要借助卫星等通讯设备,不仅造价高,并且建设周期很长。遥感飞机作为监测海洋环境的遥感平台,具有全球、连续、大尺度以及费用低和实施是环境影响小等特点,此技术对于周期短和尺度小的海洋环境变化具有独特的优势,不仅在海洋环境遥感检测方面起到了巨大的作用,更为广大海洋遥感作者和管理决策部门提供了大量的科研数据和决策依据。

3.5 痕量物质测量和分析仪器

随着海洋污染物的种类越来越多,为了分析和测定重金属、有机污染物以及放射性物质等痕量物质,将大量的海水样品带回实验室进行分析测量是常规的办法。取样分析方法和微电极测量方法都在国外得到了发展,美国在便携式分析方面发展了用微电机测量Cd、Pb、Cu、Zn等重金属的方法,采用阵列微电极技术测量多种重金属成分。

3.6 营养盐现场自动分析仪

亚硝酸盐、磷酸盐以及硅酸盐等营养盐虽然是海洋生物生存的基本营养物质,但是富营养会又可能引发赤潮以及生物的病害。因此,生态环境和污染环境的必测项目就是营养盐。目前的方法,微机控制的全自动测量并使其微型化的方法代替了原来的人工操作的实验室分析方法,即在现场建立一个全自动的微型营养盐分析实验室,一般采用实验室的化学分析流程。

3.7 多参数水质监测仪

海洋监测设备多讲究小型化、多功能化和多参数化,小型多参数海洋环境浮标监测核心是水质传感器。该水质传感器选用美国YSI公司的6600V2型多参数水质监测仪,水质传感器的外观如右图所示。

4 结论

海洋监测作为一门技术含量高且作为一个独立的专业,刚步入社会时,总会遇到各种困难,如:技术人才不足、技术集成环境差、市场容量有限以及外国技术市场垄断等,而民族海洋检测技术作为一个海洋大国,必须发展自己独立的海洋经济、海洋管理以及海洋服务和海洋军事。我国的海洋监测与国外相比,还有很多的差距,主要体现在监测能力、监测设备和监测技术方面,想要在海洋监测中立足,必须要有自己的新技术,目前最欠缺的技术就是重金属污染物、有机污染物、石油类污染物和营养特征污染物的在线实时监测技术,如果在这些方面有所突破,必然会给海洋监测带来很大的技术变革。

参考文献

[1]张云海.海洋强国的召唤.水雷兵器技术与发展学术研讨会,2006,9.

[2]赵进平,朱光文.海洋监测仪器设备成果标准化.北京:海洋出版社,2004.

海洋环境监测标准实施水平评价 篇3

关键词：标准实施水平,海洋环境监测,层次分析法

1 概述

海洋环境监测是维护海洋环境质量和海洋生态安全,实现海洋可持续发展的重要手段。随着我国建设海洋强国战略目标的提出,海洋生态环境保护的重要性愈发突出,海洋环境监测工作力度不断加强。但是,我国海洋生态环境总体情况不容乐观,近岸局部海域海水环境污染严重,河流排海污染物总量居高不下,陆源入海排污口达标率仅为52%,监测的河口和海湾生态系统仍处于亚健康和不健康状态[1],海洋环境监测工作任重而道远。海洋环境监测标准为我国海洋环境监测事业的发展提供坚实的技术支持,该类标准在规范监测工作、统一监测方法、确保监测数据科学可靠方面发挥了重要的作用。

对海洋标准的实施情况进行科学的评价是海洋标准化管理工作的重要内容之一,通过评价不仅能够直观地掌握海洋标准的实施情况,还可以发现标准使用和标准化工作方面存在的种种问题,通过解决这些问题,进而推动我国海洋标准化建设水平不断提升,最终促进我国海洋各项事业的发展。因此,对海洋环境监测类标准实施水平进行评价,发现标准使用中存在的问题,设法提升标准使用效能,对我国海洋环境保护工作有着积极意义。

2 评价方法

层次分析法(AHP)由美国著名运筹学家T.L.Satty于20世纪70年代提出,是一种定性与定量分析相结合的多准则决策方法[2]。该方法将影响决策目标的各种因素按照其内在之间的关系进行层次划分,构造出一个多层次、多因素的决策模型,然后使用标度法对各层次中各因素进行重要性排序,将人的主观判断进行量化,以便进行定性或定量的分析,这种分析方法为复杂问题的决策提供了一种简便的手段。由于层次分析法在决策中对影响因素进行了重要性判断,使得在各影响量已知的情况下,可以获取对事物的综合影响结果,因此该方法还被广泛地应用于事物的评价。对标准实施水平的评价主要参考了层次分析法的这一基本原理和思想。

3 评价过程

3.1 确立评价模型

在标准的实施环节,可以为标准实施水平建立简单的评价模型。在分析这一目标时主要关注3个问题:一是标准有多少人使用,使用比例如何;二是标准在平时工作或科研中的使用频率如何;三是使用者是否按照标准的技术内容规定执行标准。即在标准实施环节,标准的实施水平与标准使用率、标准使用频率和标准执行程度有关,将这3个指标作为评价目标的3个评价因素,构造出一个双层次的评价模型(图1)。

3.2 构造判断矩阵

在对标准实施水平进行评价时,首先需要明确各个评价因素的重要性。由于层次分析法引入评价重要性等级的1~9标度法,因而可以使用该法对评价因素两两之间进行重要性比较,得出对应的重要性标度值,从而构造一个判断矩阵。判断矩阵各标度值的含义如表1所示。

采用1~9标度法对评价因素的重要性进行比较是一种将人的主观思维判断数学化的过程,虽然这个过程不可避免地带有评价者的主观色彩,但是却使人的思维能够以量化的方式得以呈现。各标度的赋值可以由决策者确定,或是由熟悉评价问题的专家分析确定,也可以采用德尔菲(Delphi)法确定。本评价问题中判断矩阵的标度由进行标准实施情况调查的团队成员通过综合分析确定。

一项标准发布实施后,如果仅有少数几家单位使用,可能存在两种情况:一方面该标准的覆盖面很窄,造成标准的普遍使用需求不高;另一方面该标准的质量不高,各单位虽有使用需求但却由于各种原因无法使用。不论是哪种情况,一项标准如果使用率不高其综合实施水平必然较低,因此标准的使用率(U1)对标准实施水平产生重要的影响。标准使用的频率(U2)表征标准与实际工作结合的紧密程度,使用频率越高表示标准在实际工作中的应用价值越大,使用频率越低其应用价值也越小。标准的执行程度(U3)又称标准完全执行程度,反映标准使用者在使用标准时的选择倾向,一项标准不能完全执行可能是由标准本身的原因或非标准本身的原因造成的,标准的执行程度越高,标准的实施水平越好。综合以上分析,标准使用率是反映标准实施水平的重要因素,标准使用频率和标准执行程度是反映标准实施水平的次重要因素,因此3个评价因素的重要性指标排序为U1>U2=U3。由此构造出判断矩阵A

3.3 求解权向量W

利用和法[3]求解矩阵A的最大特征根,得到λmax=3(过程略),然后得到矩阵A的权向量W=(W1,W2,W3)=(0.6,0.2,0.2)。在应用权向量进行计算前还需要对矩阵的一致性进行检验,由于λmax=n=3,因此。此时矩阵具有完全的一致性,说明对3个评价因素进行的重要性判断是一致的。

3.4 数据处理

在得到各个评价因素在评价模型中的权重后,还需要获取评价者对各因素的直接评价结果。评价结果可以是定性的也可以是定量的,为便于对最终结果进行评价,需要先将评价结果进行规范化处理,可将评价结果统一到同一评判准则下,或对评价结果进行无量纲化处理。

本评价中,各因素的评价结果由调查统计得到。其中,定量评价因素标准使用率(U1)的评价值可以直接由统计得到,是一个无量纲的数据;而定性评价因素(U2、U3)的统计结果则需要先进行定量化处理,可以采用赋分的方式。这里根据调查问卷内容的设计情况对各评价因素的3种选项进行赋分,赋分规则如表2所示。

赋分后按公式计算出各项定性评价因素的得分值,式中:F′jm为第m项标准第j项评价因素的得分,Rji为第j项评价因素第i个选项的比例,Pi为第i个选项的赋分值。

定性评价结果定量化完成后,应将评价值F′jm进行无量纲化处理,与定量评价因素结果保持一致。利用下面的公式计算得到无量纲化的结果,

式中:Fjm为第m项标准第j项评价因素的无量纲值;Pmax为最大赋分值;Pmin为最小赋分值。

则第m项标准评价结果向量为Bm=(F1 m,F2 m,F3 m)T,由此得到表示所有标准得分情况的评价目标矩阵B。,在本例中n=36。

3.5 数据计算

将矩阵B和权向量W进行合成运算,计算各标准的综合评价结果。

经过矩阵合成运算后,得到36项海洋环境监测标准的综合评价分值(表3)。由表3中数值大小可以直观地了解到各项标准的实施水平高低状况。由表3可知,所有被调查的海洋环境监测类标准中实施水平最高的是《海洋监测规范第4部分海水分析》、分值为0.937,实施水平最低的是《海水、沉积物中致突变性的测定鼠伤寒沙门氏菌/哺乳动物微粒体酶试验》、分值仅为0.161。

3.6 评价分级和结果

考虑到各评价因素的得分值是经过无量纲化处理的介于0~1之间的数值,则经过矩阵运算得到的各标准综合得分值也应是介于0~1之间的数值。因此建立分级评价规则,将标准实施水平按照得分情况均等划分为5个等级,依次为“很高、较高、中、较低、很低”,各等级对应分值区间如表4所示。

将标准实施水平的计算结果,按照表4的规则进行分级评价,其中有8项标准实施水平为“很高”,实施水平为“较高”的有9项标准,而实施水平为“中”“较低”和“很低”的分别为5项、11项和3项(图2)。综合来看,有不足50%的海洋环境监测标准实施水平为较高及以上水平,同时也有接近40%的标准实施水平处于较低及以下水平。标准实施水平差异较为明显。

4 讨论

4.1 标准实施水平分化的主要原因

从标准分级评价的结果看,标准实施水平总体上高低分化明显,处于中等水平的较少。标准实施水平较高及以上的主要集中在《海洋监测规范》《海洋监测技术规程》以及污染物排海监测方面的标准上;而实施水平较低及以下的标准多为对海水中的某些特定生物和化学物质进行检测的标准或是对部分地区特有的海洋生态环境进行监测的标准。这一评价结果客观地反映了我国海洋环境监测工作的实际,即满足日常监测工作普遍需求的标准其实施水平较高,如《海洋监测规范》;反之如果标准不适用于日常监测工作的实际需要,则其实施水平较低。

4.2 提高标准实施水平的对策

基于对海洋环境监测标准实施水平现状的评估结果和原因分析,提出以下对策,以提高标准实施水平。一是针对实施水平较高的标准,海洋标准化管理部门应当不断征询使用问题和使用意见,根据问题反馈情况有计划地对标准进行修订,不断强化标准指导实际工作的效能;二是针对实施水平较低的标准,标准化管理部门应加强标准的宣贯和推广力度,鼓励有能力、有条件、有需求的单位使用该标准;三是严把标准立项技术审查关,对于少部分在实际工作中普遍应用性不强的标准项目,建议暂时不转化为标准,可以考虑制定为单位内部作业文件或系统内部技术规程实施。

参考文献

[1]国家海洋局.2014年中国海洋环境状况公报[R].北京:国家海洋局,2015:1.

[2]杜栋.现代综合评价方法与案例精选[M].北京:清华大学出版社,2008:11.

中国海洋经济监测指标体系研究 篇4

(1) 海洋经济发展缺乏宏观调控和统筹协调。

(2) 海洋产业同构、趋同现象严重。

(3) 产业结构性矛盾日益突出, 仍处于粗放型发展阶段。

(4) 近岸开发过度, 资源环境压力巨大。

(5) 海洋科技创新能力不强, 缺乏核心竞争力[1]。

作为上层建筑的海洋经济管理需要适应这种趋势的变化, 对海洋经济运行状况与运行规律进行全面掌握和系统分析, 以满足海洋经济宏观调控需要。因此, 开展海洋经济监测评估技术研究, 形成系统的理论和支撑体系, 已成为国家海洋行政主管部门与沿海地方政府实施海洋经济宏观调控的重要工作之一。

海洋经济监测指标体系设计是实施海洋经济宏观调控的基础。“指标”反映了被研究对象某一方面典型特征的概念和具体数值的综合;“指标体系”则是系统、全面、科学、客观真实地反映被研究对象内在本质的若干个相互联系的指标所组成的有机体。指标可以将系统解构为诸多相互关联的因素, 通过指标的名称和数值实现对具体因素的“质与量”的定义;同时, 还可以按系统因素的具体内容获得指标的统计数据, 来掌握系统在某一方面发展演化的内在规律。指标的监测功能是指标的动态反映功能, 也就是指标对其所代表的系统的特征能在时空两个维度上做出正确的反映。

海洋经济监测指标体系, 是通过一系列具体指标的设置与测度, 实现海洋经济监测研究中“质”与“量”的统一。目的是能够正确评价当前海洋经济运行的状态;准确预测未来发展的趋势;及时反映海洋经济调控的效果;系统把握海洋经济发展的立足点;实现从经济规模、发展速度为主的增长方式向经济与环境资源协调统一的发展方式的转变。

1 海洋经济周期波动的内在机理

建构海洋经济监测指标体系时, 会处理许多经济时间序列来进行实证分析, 这些时间序列反映着海洋经济某个部门或行业的经济活动。所以, 当我们需要对每个序列的特性以及不同序列之间的相关性进行深入分析时, 应首先考虑数据背后的经济环境及其内在运行机理。

1.1 海洋经济发展周期及现状

我国海洋经济的发展可以从3个阶段进行周期划分[2]:

第一周期为1978—1994年, 在这一阶段政府、民营企业和外商投资的不断投入, 使海洋经济开始作为一个真正的大产业快速发展起来。随后宏观经济信贷投资和消费失控, 通货膨胀加剧, 经济秩序混乱使海洋经济发展受到限制。而后紧缩的财政政策和货币政策, 大幅缩减的固定资产投资规模, 使投资、消费全面下降, 波及海洋经济在复苏前经历了多年收缩期。

第二个周期为1994—2000年, 在这一阶段十四大确立社会主义市场经济, 我国经济再次进入高速增长期, 海洋经济也在良好的宏观环境下再一次成长。然而经济的高速增长使相似的问题再次显露, 信贷投资失控、通货膨胀加剧。而后总量控制、结构调整和改进调控方式等经济政策使海洋经济展现出与总量经济相似的周期波动。

2000年至今正处于第三个周期, 海洋经济作为国民经济一个新的亮点, 进入了从不成熟走向成熟, 从粗放型走向集约型的过渡发展时期。

1.2 海洋经济周期发展特点及形成机理

由海洋经济的发展周期及现状可以看出:

(1) 对海洋产业的投资作为总需求的一个重要组成部分, 拉动海洋经济增长, 是决定海洋经济总供给水平的主要因素, 其波动在相当程度上影响着海洋经济的增长和波动周期。

(2) 造成海洋GDP周期性循环特征的另一因素是从计划经济体系到市场经济体系的变革, 投融资体制的变迁和投资主体的多元化, 强化了投资的收益和风险的导向功能, 使得引致投资的规则性增强, 不规则自发投资开始成为海洋经济周期的重要冲击源。

(3) 海洋经济的发展伴随着国民经济的发展而发展, 陆域海域联动是海洋经济周期的又一特点。其中, 区域性投资对海洋经济具有明显的冲击力。

(4) 高科技带来海洋经济高速发展的同时也会带来高风险, 技术冲击会是海洋经济周期上升趋势的一个内在动力, 也会是导致周期波动性的因素之一。

(5) 海域生态环境、海域海岛的开发秩序和技术装备是海洋经济发展的关键, 在海洋经济的快速发展时期很容易被忽视。

(6) 海洋经济周期呈现良性发展需要以上因素的和谐发展, 如果缺乏保护和道德意识, 将会遏制海洋经济的发展势头。

海洋经济发展除了自身内在的产业链条间的相互影响外, 海洋产业之间在资本、技术、信息及人力等诸多方面也有着直接或间接的联系与交流;同时, 海洋经济各种产业与系统环境、海洋生态环境、社会经济环境也存在着资源、劳动和物质能量等方面的交换, 成为海洋经济发展的内在传导机制, 影响着海洋经济周期波动。例如, 当海洋捕捞业从上游产业——造船业获取生产资料进行生产活动时, 已经产生向下游产业——水产品加工业和海洋药业或消费市场提供商品或服务的功能;海洋自然规律、自然状况和自然资源的制约, 要求海洋经济与环境之间应具有可持续发展的协调关系, 这些都会直接或间接影响着海洋经济发展的周期波动。

2 海洋经济监测基准指标的选择

建立海洋经济监测指标体系的首要环节是确定基准循环, 而确定基准循环的前提是确定基准指标。从理论上讲, 在宏观经济中, 作为基准指标较为理想的是国民生产总值或国民收入或社会总产值, 因为这些指标最综合、最全面地反映了国民经济的整体发展水平和运行状况。

在我国已有的海洋经济统计资料中, 反映海洋经济总体运行的指标主要有全国主要海洋产业总产值、全国主要海洋产业增加值和全国海洋生产总值等。全国海洋生产总值是从《中国海洋统计年鉴2007》开始计算的, 指按市场价格计算的沿海地区常住单位在一定时期内海洋经济活动的最终成果, 是海洋产业增加值和海洋相关产业增加值之和。海洋产业是指人类开发利用和保护海洋资源所进行的生产和服务活动。其中, 主要海洋产业是海洋经济的基础, 是直接开发和利用海洋资源的产业;海洋科研教育管理服务业是开发、利用和保护海洋过程中所进行的科研、教育、管理及服务等活动, 如海洋信息服务业、海洋环境监测预报服务、海洋保险与社会保障业和海洋科学研究等。海洋相关产业是海洋经济的重要组成部分, 是以各种投入产出为联系纽带, 与主要海洋产业构成技术经济联系的上下游产业, 涉及海洋农林业、海洋设备制造业、涉海产品及材料制造业和涉海服务业等。全国主要海洋产业增加值, 全国海洋生产总值具体关系如图1所示, 海洋生产总值与国内生产总值的对应关系如图2所示。

对比反映海洋经济总体运行的3个指标, 主要海洋产业总产值与主要海洋产业增加值仅考虑主要海洋产业, 并未包括海洋科研教育管理服务业、海洋相关产业。2008年全国海洋生产总值为29 662.3亿元, 其中海洋科研教育管理服务业增加值为5 107.1亿元, 占比17.2%;海洋相关产业增加值为12 311.5亿元, 占比达到41.5%, 两者合计占比58.7%[4];2009年全国海洋生产总值为31 964亿元, 其中海洋科研教育管理服务业增加值和相关产业增加值合计占比59.36%[5], 可见其在海洋生产总值中的作用举足轻重, 不容忽略。

因此, 在以上3个指标中, 海洋生产总值包含的海洋产业更为全面, 更能反映海洋经济与陆域经济的关联作用和体现大海洋的发展理念。而从数据方面考虑, 主要海洋产业总产值从《中国海洋统计年鉴2007》开始已经不再统计, 因此, 不适宜作为基准指标。主要海洋产业增加值一直有统计数据, 具有较好的连续性, 比较适宜作为基准指标。

综上所述, 在海洋经济监测指标体系的构建过程中, 借鉴陆域宏观经济监测指标的经验, 文章选择海洋生产总值、主要海洋产业增加值作为基准指标。

3 海洋经济监测指标体系框架

海洋经济监测的对象可以分成两类:一类是对海洋经济系统运行状况的监测;另一类是对海洋经济支撑因素的监测, 包括陆域经济因素和人为因素, 比如陆域经济的运行状况、金融和财政政策以及对人类施予海洋的活动之约束等。在区域经济综合实力的相关研究中, 反映经济实力提升的指标通常通过经济总量及增长、经济结构优化和经济效益提高3个方面来体现, 这种分析结构也可以应用于海洋经济系统的运行状况描述, 体现海洋经济基础、海洋经济能力和发展水平以及海洋经济发展的潜力和动力。

另外, 考虑到当前海洋经济发展的可持续要求, 海洋经济的监测主要从以下4个角度选择指标:海洋经济总量[6]、海洋经济结构[6]、海洋经济效益和海洋经济可持续。

由于指标分类方法所需的数据总是处于动态调整中, 所以参考陆域经济, 根据指标的经济含义和投入产出关系先行确定了指标体系框架。在用数量方法进行指标分类时, 可以根据需要灵活地进行比重分析和动态分析, 比重分析依据的是某项经济指标占总体的比重, 动态分析依据的是不同时间的同类指标的数值对比, 比如计算增长率借以分析指标发展的方向和增减速度。根据修正的指标或可从中把握海洋经济的特点和变化趋势, 增强备选指标相对于基准指标变化的敏感度。

3.1 海洋经济总量指标

海洋经济是陆海一体化的经济, 海洋的大规模开发离不开陆域经济的支持。沿海地区加强海陆经济联动, 可以实现两者资源互补、产业互动和布局互联。因此, 经济总量指标中不仅要有考察海洋经济自身运行情况的指标, 而且要有考察陆域宏观经济的指标, 目的是分析其对海洋经济的影响作用。

另外, 海洋经济涉及行业多、范围广, 加之自身具有的高投入、高技术和高风险的特点, 对外依存度较高的产业不可避免地会受到世界经济的冲击。考虑到国际原油价格对油气业、化工业和交通运输业的影响, 出口订单对船舶工业的影响以及世界经济环境对旅游业的影响, 综合海洋支柱产业和新兴产业, 我们选择海洋油气业, 海洋交通运输业以及海洋旅游业的产值作为经济总量指标的组成部分 (表1) 。

3.2 海洋经济结构指标

海洋经济结构指标涉及海洋经济运行中重要的结构关系, 如产业结构、投资结构、进出口结构和劳动力结构等。海洋开发是一个涉及多行业、多领域的系统工程, 海洋产业结构协调发展和产业布局的合理化, 是海洋经济持续健康发展的节点。能否合理有效地利用人力、物力、财力和自然资源是推动科技进步和劳动生产率, 提高海洋经济增长质量的保障。要在保持传统海洋产业快速增长的同时, 积极推动海洋经济结构的优化和调整 (表2) 。

3.3 海洋经济效益指标

经济效益是资金占用、成本支出与生产成果之间的比较。在分析海洋经济效益时, 文章从海洋经济的产出效率、海洋经济的增长潜力以及海洋经济的增长稳定性3个角度选择指标。产出效率是指单位要素投入所获得的产出多少, 海洋经济中投入要素为劳动和资本, 因此可以选择单要素生产率或者全要素生产率。分析的目的在于观察海洋产业一定时期的收益及获利能力。海洋经济的增长潜力是测度当前的海洋经济发展中新的生产能力、生产能力提高的情况及经济系统能够提供的技术支持等。分析的目的在于反映海洋经济的新增长点。海洋经济的增长稳定性[7]是指当海洋经济的增长围绕着潜在增长能力 (即发挥了各种经济资源效率所能达到的最大限度的增长率) 上下波动在一定的区间内。分析的目的在于衡量海洋经济长期运行趋势的稳定性。如果海洋经济增长率过度偏离潜在增长率, 则意味着海洋经济增长存在着较大波动, 易造成资源的巨大浪费或者开发不足 (表3) 。

3.4 海洋经济可持续性指标

海洋经济可持续性监测主要以海洋经济的可持续发展为目标, 监测在现行经济运行方式下, 经济增长和海洋资源效率、生态环境的相互影响问题。由于海洋产业有别于陆域产业, 由海洋环境与海洋资源的自然特性决定的现代海洋产业演进要有更多的条件和较大的风险。要使海洋产业发挥带动陆域经济的作用并实现可持续发展, 就要考虑不同于陆域经济的供求约束、协调机理和产业发展规律。现代经济中任何经济活动的进行都依赖于资源的消耗。海洋资源的特性决定海洋经济发展存在极大的不确定性, 海洋产业的生产能力表现在资源的储量、开发量以及供给规模和速度。在选择这类指标时, 由于监测的短期分析的要求, 应选择较易显示变动趋势的指标, 以加强对资源可持续利用的监测, 及时对替代资源进行研究和开发。海洋环境污染和海洋灾害的影响也应在监测指标体系中体现, 这些因素会使海洋经济发展中的风险突出, 对风险的控制应立足于对环境污染的及时治理和对海洋灾害的经济损失的评估、补偿 (表4) 。

4 结束语

对于海洋经济监测指标体系, 下一步的工作是实现它的监测功能, 即对指标进行先行、同步与滞后的分类。在现实所要揭示的现象中, 依存关系是否成立, 因素的影响有多大, 单靠理论逻辑不能回答, 需要借助于方法技术检验。所以, 对于海洋经济监测而言, 陆域经济指标和指标的经济含义及其分类结果能够起到很好的借鉴意义。另一方面, 随着对海洋经济运行机制和运行状况的深入分析, 就能够解释技术方法分析结果与经验理论预想之间的异同, 也越容易找到深层次、本质化的问题。

目前宏观经济监测的分析主要集中于对周期波动进行分析, 找出统计规律, 分解出风险因素等。建立海洋经济监测指标体系是一项循序渐进的工作, 随着海洋经济数据的完善, 统计周期的延长, 统计口径的统一, 越来越多的相对成熟的宏观经济监测方法将被运用到海洋经济周期的分析当中。

摘要：文章借鉴陆域经济评价、景气循环监测指标的经验, 针对中国海洋经济监测问题, 对海洋经济周期波动中的扰动因素进行了细致梳理与分析, 研究了海洋经济的发展周期、现状、特点和形成机理, 界定了海洋经济的监测对象及其指标分类体系, 构建了中国海洋经济监测指标体系框架, 为进一步设计分类海洋经济监测的先行指标、同步指标、滞后指标体系的奠定了基础, 对于推进海洋经济监测预警由定性研究向定量化研究转变具有重要的科学意义和实践意义。

关键词：海洋经济,周期形成机理,监测指标体系

参考文献

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[4]国家海洋局.2008年中国海洋经济统计公报[EB/OL]. (2009-02) [2010-07-01].http://www.cme.gov.cn/hyjj/gb/2008/index.htm.l

[5]国家海洋局.2009年中国海洋经济统计公报[EB/OL]. (2010-03) [2010-07-01].http://www.cme.gov.cn/hyjj/gb/2009/index.htm.l

[6]殷克东, 方胜民.海洋强国指标体系[M].北京:经济科学出版社, 2008:73.

海洋监测设备 篇5

核辐射事 故的突发 性和扩散 性严重威 胁到了国 家政治 、经济和社 会安全[1]。 2011年3月11日 , 发生于日 本东北地 区宫城县 北部的9级地震引 发海啸 ,地震和海 啸造成了 福岛核电 站的重大 核泄漏事 故 ,导致大量 放射性物质被释放到了周边环境中, 致使日本损失巨大[2],事故也引 起了我国 政府和人 民的高度 关注 。

随着卫星 通信技术 的发展 , 越来越多 的海洋监 测仪器使 用卫星通 信技术来 传输测量 数据 ,目前正在 运营的卫 星通信系 统有Argos系统 、 北斗卫星 导航系统 和铱星系 统等 。

为研究福 岛核事故 对西太平 洋海洋环 境的影响 , 利用漂流 浮标开展 了海洋环 境 γ 剂量率的 监测和研 究 ,但由于该 搭载平台 原使用北 斗卫星通 信系统 ,监测区域 受到北斗 卫星通信 范围的限 制 ,导致该系 统在西太 平洋海域 不能覆盖 。 另外 ,因为海洋 环境在线 监测浮标 采用电池 供电 ,而北斗卫 星通信模 块发射电 流较大 (约3 A), 所以功耗 较高 。 如改为Argos卫星通信 系统 , 其监测数 据的实时 性又受到 限制 ,需在卫星 过顶后才 能接收监 测数据 ,且需应用 三代以后 的产品 ,才能构成 双向链路[3]。

由分布在6个极地圆 轨道面的 距地球表 面约780 km的66颗低轨卫 星组成的 铱星系统[4], 星际链路 技术是其 最大的特 点 ,它在理论 上确保了 铱星系统 能由一个 关口站完 成卫星通 信接续的 整个过程 。 可全球范 围内进行 通信是其 最大的优 势 ,对于现有 通信方式 达不到的 地方非常 适用[5],而且通信 费用不高 , 单次传输 数据量大 , 功耗较低 ,特别适用 于本浮标 布放的西 太平洋海 域 。

因此 ,本文提出 设计基于 铱星通信 的海洋环 境在线监 测浮标 ,以满足海 洋环境在 线监测对 范围和数 据实时性 的要求 。

1海洋环境在线监测浮标总体结构

海洋环境 在线监测 浮标投放 后 , 即自动展 开进入工 作状态开 始在线监 测 ,测量海洋 辐射总剂 量和其他 海洋环境 参数 ( 温度 、 盐度 、 深度等 ), 并监控浮 标的工作 状态 ,测量数据 通过铱星 通信发送 至用户应 用监控中 心 。

该浮标的 总体构成 如图1所示 。 主要由监 控子系统 、 铱星通信 子系统和 用户应用 监控中心 三部分构 成 , 其中监控 子系统的 测量控制 由传感器 、GPS模块 、 信息采集 、信息处理 、供电电源 和铱星突 发短数据(Short Burst Data , SBD ) 终端模块9602等部分组 成 。 GPS模块安装 在浮标内 部 , 以获得海 洋环境在 线监测浮 标的实时 位置 。 传感器采 用HD—2005型便携式 χ -γ 剂量率仪 和海水温 盐深测量 仪等 ,安装于浮 标内部水 下位置 。 信息采集 单元实时 采集的浮 标位置 、海洋环境 在线监测 数据和浮 标状态等 信息 , 通过UART传输至信 息处理单 元 , 对接收到 的信息进 行分析 、处理和存 储 。

然后通过 铱星SBD终端模块9602以Email的形式发 送至邮箱 , 用户应用 监控中心 收取Email获取在线 监测数据 和GPS定位信息 等 , 监控浮标 工作状态 , 并通过Email反向发送 控制命令 , 设置浮标 系统时间 , 控制浮标 的工作时 间间隔等 。

2监控子系统设计

2.1硬件模块设计

2.1.1供电电源模块

由于海洋 环境在线 监测浮标 属于机动 应急性监 测系统 , 投放前处 于非工作 状态 , 而且在工 作时也处 于间歇工 作方式 。 为了防止 电池在处 于长期不 工作状态 时开机出 现电压滞 后现象 , 影响系统 的正常工 作 , 而且考虑 电池的安 全性 ,系统的供 电电池采 用具有大 电流输出 能力强 、 容量大 、 体积小 、 安全性高 等特点的 锂锰电池 , 通过计算可 以验证 , 电池组能 满足浮标 工作要求 , 确保浮标 工作正常 。

2.1.2主控制器

浮标的主 控制器采 用Silicon Laboratories公司推出 的C8051F020。 芯片采用Silabs公司的CIP-51内核 , 兼容标准 的MCS-51指令系统 , 是能独立 工作的片 上系统 。 片内具有22个中断源 、7个复位源 、1个独立运 行的时钟 发生器 、5个通用的16位定时器 和2个全双工UART串行接口 等丰富资 源 , 能很好地 实现传感 器数据的 获取 、分析及处 理并完成 铱星通信 任务 。 主控制器 与铱星SBD终端模块9602通过UART0连接 。

2.1.3GPS模块

浮标的GPS模块采用 达伽马GPS模块SR-87,该模块使 用高灵敏 度且低功 耗的SIRF III芯片组 , 冷启动时 间短 ,可同时追 踪多达20颗卫星 ,定位精度 要优于利 用铱星SBD终端模块9602测得的结 果 , 且导航更 新速率快 , 非常适用 于浮标的 定位服务 和铱星通 信任务 。 GPS模块与主 控制器通 过串口连 接 。

2.1.4海洋辐射剂量传感器模块

浮标的海 洋辐射剂 量传感器 模块采用HD—2005型便携式 χ-γ 剂量率仪 , 由探测器 和控制系 统两部分 组成 。 探测器包 括闪烁体 、I-F变换器和 光电倍增 管 ;控制系统 由电源模 块 、串口通信 模块和单 片机数据 采集处理 模块等组 成 。 具有探测 器灵敏度 高 ,能量响应 及角响应 好 ,功耗低 ,体积小 , 重量轻 , 锂 、 干电池两 用 , 能直接给 出测量结 果 ,测量精度 高等特点 。 海洋辐射 剂量传感 器模块与 主控制器 通过串口 连接 。

2.1.5铱星通信模块

浮标的铱 星通信模 块采用由 铱星公司 推出的铱 星SBD终端模块9602 , 是一款定 牌生产合 作产品 ( Origin Entrusted Manufacture , OEM ) , 仅能应用 于铱星SBD业务 , 体积小 , 其长度 、 宽度和厚 度分别是41 mm、45 mm和13 mm , 重量轻 ( 仅为3 g ) 。 采用数据 包的形式 进行双向 实时短数 据传输的SBD业务 , 是铱星公 司利用铱 星全球网 络覆盖等 优势提供 的突发短 数据传输 服务 ,通信成本 和费用适 中 ,主要用于 区域自动 化和远程 数据跟踪 的应用开 发[6]。 针对于本 浮标特殊 的投放海 域 , 利用铱星SBD实现数据 传输是较 优的选择 。

铱星SBD终端模块9602的SBD业务通过RS-232C接口实现 ,波特率默 认为19 200 bit/s。 该模块每 次最多接 收270 B数据或发 送340 B数据 ,且无须安 装SIM卡 , 当有数据 接收时会 发出振铃 。 该模块平 均待机电 流为45 m A , 铱星SBD数据发送 和接收时 的平均电 流分别为195 m A和45 m A[7]。 用户应用 监控中心 利用铱星SBD终端模块9602,通过铱星 通信网络 完成数据 发送与接 收 。

2.2软件设计

监控子系 统的工作 时序如图2所示 。

( 1 ) 工作时 , 主控制板 每1小时工作1次 , 每次工作5 min ( 整点前3 min , 整点后2 min ) 。

( 2 ) GPS接收器受 调度控制 , 每次加电 后工作2 min ( 整点前后 各1 min ) 。

( 3 ) 海洋辐射 剂量传感 器受调度 控制 , 每次加电 后工作5 min(整点前3 min,整点后2 min)。

( 4 ) 铱星通信 受调度控 制 , 每次加电 后工作1 min ( 整点后1 min)。

3铱星通信子系统设计

3.1硬件接口设计

由于RS-232C标准的逻 辑电平与TTL数字电路 逻辑电平 不兼容 , 铱星SBD终端模块9602的通信接 口在采用RS-232C标准时 , 硬件电路 连接首先 要进行通 信接口电 平转换[8]。 为实现RS-232C电平转换 ,接口器件 采用Maxim公司的MAX3232E芯片 , 它是一款 低功耗 、 数据传输 速率最高 可达250 kb/s、 拥有2路发送器 和2路接收器 的电平转 换芯片 。 浮标铱星 通信子系 统的硬件 接口电路 如图3所示 。

3.2铱星SBD通信的软件设计

铱星SBD通信的软 件设计核 心是对铱 星SBD终端模块9602驱动程序 的研发 ,如图4所示 ,以铱星SBD数据传输 主程序流 程为例 , 说明铱星SBD通信的软 件实现 。 该浮标中 铱星SBD通信进行 单次数据 传输是按 照图4所示命令 步骤完成 的 。

4用户应用监控中心功能说明

在线监测 数据通过Email的方式 , 在用户应 用监控中 心与地面 铱星SBD关口站数 据服务系 统之间进 行数据传 输 。 铱星SBD关口站数 据服务系 统接收SBD数据以后 , 根据该SBD数据中的 国际移动 设备身份 证号 ( International Mobile Equipment Identity , IMEI ) , 利用铱星 通信网络 ,以Email附件的形 式发送相 关数据至 该IMEI号绑定的 电子邮箱[9]。 用户应用 监控中心 通过该IMEI号绑定的 电子邮箱 , 利用铱星 通信网络 , 以Email附件的形 式发送命 令内容至 铱星公司 用于接收 铱星控制 命令的邮 箱 :data@sbd.iridium.com 。 如果整个 操作过程 无异常 ,会收到来 自sbdservice@sbd.iridium.com的回复Email, 说明Email发送成功 , 铱星SBD关口站数 据服务系 统发送命 令至铱星SBD终端模块9602, 该模块会 发出振铃 , 向主控制 器提示有 命令到达 。 利用铱星SBD终端模块9602进行无线 数据的发 送与接收 , 实现了用 户应用监 控中心与 浮标之间 的数据双 向传输 。

5海上模拟试验结果

基于铱星 通信的海 洋环境在 线监测浮 标搭载调 查船 , 于2014年10月15日12点 ~2014年10月19日12点在南海 进行了海 上模拟试 验 。 试验海况 为东北风5级 ,浪高2.5 m。 用户应收 数据96条 ,实收96条 。 随机选取Email附件中部 分远海走 航实验数 据 ,如表1所示 。

6结论

海洋监测设备 篇6

1 水体富营养化

富营养化是指水体在自然因素和 (或) 人类活动的影响下, 大量营养盐 (如氮、磷等) 随着流水流入到湖泊、水库、河口、海湾等水体, 使水体在比较短的时间内由贫营养状态向的富营养状态变化的一种现象。在不受人类干扰或很少受到人类干扰的自然条件下, 湖泊这种从贫营养状态过渡到富营养状态的自然过程非常缓慢, 一般需要上千年或更长时间;而人为排放的工业废水与生活污水中含有大量的使水体富营养化的营养物质, 因此在短时间内可以使水体富营养化, 且这种状态会持续较长时间。其最主要的表现是:藻类及其它浮游生物的繁殖速度变快, 藻类等大量生物越来越多, 使水体含氧量下降, 水质逐渐恶化, 因为缺少氧气而使得鱼类及其他生物大量死亡[1]。

水体出现富营养化现象时的最主要表现是:浮游藻类大量繁殖, 即所谓的“水华”。由于占优势的浮游藻类因种类不同而拥有不同的颜色, 水面往往呈现不一样的颜色:例如蓝色、红色、棕色、乳白色等。海洋中的“赤潮”就是海水中出现了这样的现象。

评价水体富营养化的方法主要有:营养状态指数法, 营养度指数法和评分法。营养状态指数法中根据水体透明度制定的卡尔森指数是最常用的评价水体富营养化的方法之一。后来, 日本的相崎守弘等人提出了修正的营养状态指数 (TSIM) , 即以叶绿素a浓度为基准的营养状态指数。这也是近海水域海水水质监测使用最多的一个指数。

除了浮游植物对水色的影响, 悬浮物和黄色物质对海洋水色也会产生一定的影响。因此, 在研究近海海洋水色时, 也要考虑到这些因素。

2 我国近海区域赤潮发生情况

赤潮是对近海区域海水水质影响最大的自然灾害之一。它是由于海水富营养化造成海洋浮游生物过度繁殖而致使海水变色的现象。大部分赤潮是有毒的, 一般会造成渔业经济的损失, 甚至会导致海洋生物的死亡, 甚至会造成人畜死亡。因此, 赤潮已经成为全球海洋的公害之一, 如何减少赤潮的发生、如何监测赤潮从而得到它的发生规律等科研课题已经成为国际海洋环境研究的重要内容。

随着我国海洋开发和沿海地区经济的快速发展, 我国赤潮灾害发生越来越频繁。如图1所示, 在上个世纪90年代中期, 我国沿海每年发生赤潮的平均次数不超过1 0次;进入21世纪以来, 每年发生的赤潮次数逐年高速增加, 2003是赤潮发生次数最多的年份, 为119次;随后10年以来, 赤潮发生次数尽管有所减少, 但一直维持在60次以上的高位, 只是在2011年和2013年发生次数稍低于60次。按此规律发展, 我国沿海发生赤潮的次数将维持在40次以上的高位。赤潮灾害是我国海洋环境研究的重要内容之一, 其监测与防治成了当今海洋环保的重大课题。

目前, 我国对于赤潮灾害的监测手段主要有:船舶定点监测、岸站和浮标监测、卫星 (航空) 遥感监测等手段。海洋水色遥感技术是近几十年来发展起来的最新监测手段, 它的优点是:可提供大面积、长期、定点连续的观测。利用多种监测手段对比研究, 是了解赤潮发生时间、覆盖面积、发生的程度和扩散方向、发生规律等的重要手段[2]。

3 海洋水色遥感技术

海洋水色是指海水的颜色, 从深蓝到碧绿, 从微黄到棕红。大洋海水颜色多为蔚蓝, 沿岸海水则多呈淡绿色。海洋水色遥感技术是近年兴起的海洋探测技术。它通过各种遥感平台上的探测器对海洋表面的水色进行探测, 反演出海洋水体中的叶绿素浓度、泥沙含量及黄色物质浓度, 进而得到关于海洋的各种信息。

随着航天技术的不断发展, 水色遥感器也经历了几个阶段的发展。

(1) 1978年, 美国航空航天局成功发射了海岸带水色扫描仪CZCS (Coast zone color scanner) 卫星, 它是第一颗极轨水色卫星[3]。它被用来探测I类水体, 它的水色波段有443nm、520nm、550nm共3个, 可以对卫星下点39°进行扫描;由于当时硬件的限制, 中数量化级别只有8bit, 因此与后来的水色遥感器相比, 它的光谱分辨率与辐射灵敏度都相对较低[4]。不过, CZCS第一次实现了从太空对海洋水色相关数据进行记录, 为以后的水色遥感器的发展指明了方向。

(2) 第二代海洋水色遥感器为海洋宽视场观测仪Sea Wi FS (sea viewing wide field of view sensor) , 它搭载在水色卫星Sea Star上。此时, 遥感器的硬件比上世纪70年代末有了长足的发展, 它补充了CX CS的数据集, 波段从3个增加到8个, 数据量级数也从8bit提高到10bit, 可在星下点53.8度进行扫描。与第一代水色遥感器相比, 它的噪声较低、精度较高, 且波段可以进行优化配置[5]。

(3) 中等分辨率成像光谱仪M O D I S (m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n g spectroradiometer) 搭载在Terra与Aqua卫星上, 它是第三代的海洋水色遥感器。它被认为是Sea Wi FS的接替者, 每天分别于上、下午从北向南穿越赤道。它于星下55度进行进行扫描, 波段大大增加到36个, 数量化级也提升到12bit。同期发展起来的还有中等分辨率遥感器如MERIS (16bit) , 它们在历史上都为监测海洋水色做出了一定的贡献[6]。

(4) 地球静止水色图像仪G O C I (Geostationary ocean color imager) 搭载在韩国于2009年发射的第一颗地球静止气象卫星COMS (communication ocean and meterological satellite) 上的水色遥感器, 它的波段设置与Sea Wi FS、MODIS相似, 但不获取从可见光到近红外共8个波段的遥感物理量, 另外它的连续观测时间比较长, 监测范围固定且较大[7]。它观测到的数据误差小、数据缺失率低, 既可提供短期的观测, 也可提供长期的观测, 对海洋系统循环变化、海上突发事件实时监测及手续消除治理等工作都有很重要的作用, 发展前景良好[8]。

GOCI的水质参数算法包括叶绿素算法、总悬浮物TSS (Total suspended solid) 算法、有色可溶性有机物质CDOM (colored dissolved organic matter) 算法、赤潮指数RI (redtide index) 算法、植被指数算法等。收集到的数据经过大气校正, 可对“赤潮”的发生进行监测、对水色物质、海上溢油、海上倾废处理进行长期大面积监测。

GOCI曾经对我国黄海及东海大面积飘浮绿藻进行了长时间的监测, 掌握了这些绿藻的扩散方向及动态变化, 为监测“赤潮”的发生提供了非常有价值的信息, 也为当地渔业、养殖业部门提供了海上灾害预警, 也为我国海洋监测提供了大量有用且可靠的海洋水色信息。

4 结语

从20世纪90年代以来, 我们近海发生赤潮的次数呈现出不断增加并在高位徘徊的趋势, 由于赤潮会给人类带来巨大的损失, 对于赤潮的监测则显得非常重要。赤潮发生时, 海洋水色会发生一定的变化, 通过搭载在卫星上的海洋水色遥感器对海洋水色进行大范围、长时间的监测, 并结合现场数据可掌握赤潮发生的情况, 从而找到赤潮发生的规律, 可以为将来找到赤潮发生原因并减少赤潮发生次数打下良好的基础。

摘要：我国近海区域海水水质由于水体富营养而呈现变坏的趋势, 发生赤潮的次数越来越多, 而赤潮与水体中叶绿素a、总悬浮物的浓度有关。通过遥感平台上搭载的探测器对海表水色信息进行收集与分析, 可以高效地对大面积海域进行长时间连续地监测, 从而为海洋防灾减灾工作提供科学参考依据。

关键词：海洋水色,遥感技术,水体富营养化,赤潮,叶绿素a,总悬浮物

参考文献

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海洋监测设备 篇7

海洋资源的监测与开发一方面需要大力依赖于传感器节点来感知多维度的海洋资源信息, 如水流温度、水流强度、压力等;另一方面需要依赖于特定的组网技术将大量传感器所采集到的信息汇总并上传至服务器, 以待进一步的存储、分析。传感器网络技术正是能够承担这一双重任务的首选。与传统的陆地无线传感器网络不同, 面向海洋资源的监测更多涉及的是水下传感器节点的协作与传输;而由于水对电磁波的吸收和衰减非常严重, 声波即成为水下无距离信息传输的唯一载体。因此, 水下传感器网络组网必须依赖基于超声波的水声通信技术。在这一现实背景下, 如何开展水下传感器网络组网技术的研究, 对促进海洋经济发展、开发利用海洋资源具有非常重要的意义。

本文将重点探讨面向海洋资源监测的传感器网络在组网方面所存在的一些重点挑战与现实问题, 并提出一个混合式的组网框架来应对海洋资源监测对信息传输的一些客观需求。

关键问题

信道资源匮乏

水声通信依赖于超声波进行信息传输。声波信号频率越高, 水载体对其信号的衰减越严重, 其所能传播的距离也就越短;而低频率的水声信号虽然能够支持较长的传输距离, 却仅能支持非常低的数据传输速率。实测表明:当传输距离达到几十公里时, 水声信道的可用带宽仅有几KHz;当传输距离降至5~10公里时, 可用带宽也仅为5KHz, 对应的调频调制模式下传输速率最高仅能够支持2.4Kbps;当传输距离降至1Km时, 数据率将升至10Kbps。因此, 水下通信环境下要避免长距离的信息传输, 而考虑其它补充手段, 比如通过水面节点的高速无线传输来中继信息。

当前, 研究人员也在尝试借鉴无线电通信中常用的自适应均衡技术、半盲均衡技术、MIMO技术、OFDM技术、信道估计技术等复杂通信信号处理技术来提升水声通信链路的传输速率, 以实现中远距离的高速率通信。

信道环境恶劣

海洋环境非常复杂, 尤其是在不超过200m浅海环境下, 水声信道是一个时间-空间-频率变化的信道, 具有环境噪声高, 传播损失大, 干扰强度大, 多普勒频移严重等缺点。此外, 水下声波传播速率比电磁波的速率低5个数量级 (约1500 m/s) , 因此多径时延扩展很长, 达毫秒级甚至达到秒的量级, 这样的时延造成数十甚至数百个码元间的干扰, 对水声传感器网络在数据链路层、路由层和传输层设计均有重要的影响。此外, 影响水声信道质量的不确定因素过多, 也容易造成水声通信误码率偏高。特别是在恶劣天气条件下, 通信过程中突发错误比较多, 通信中断概率较大。

多址接入效率低

多址接入协议主要分为竞争型及非竞争型两类。非竞争型协议包括频分多址接入 (FDMA) 、时分多址接入 (TDMA) 、码分多址接入 (CDMA) 。由于水下传感器间的距离及信道环境都处于动态变化中, 导致其相互之间的时延也随之动态变化。因此, 基于时分的多址接入协议 (TDMA) 并不适用于传感器节点移动性较高的动态场景;CDMA利用正交的伪随机码实现信道频率、时间、空间的共享, 允许多个网络节点同时共享同一频段的信道, 提高了信道带宽的利用率, 是一种有效的水声网络多址接入方法;水声信道的窄带宽、频率敏感的信号衰落和对于突发流量的低效性使得FDMA也不适用于水声网络。目前, 基于簇拓扑结构的TDMA、CDMA混合调度MAC协议是一种已得到应用的非竞争型多址接入方案。