海洋减灾防灾之海洋调查探测技术与预报上课讲义

1、海洋减灾防灾之海洋调查探测技术与预报 鼻祖：英国“挑战者”号科学考察船，排水量2300t、由军舰改装成，1872年12月至1876年5月间自大西洋，经印度洋入太平洋，绕地球一周，航程12.6万公里，完成近代海洋科学“奠基性调查”。 海洋调查船仍是海洋调查研究主要工具。现代化海洋调查船装备有自动化的导航定位系统、机舱操纵控制系统、调查资料获取与处理系统。 1.海洋调查船的类型(调查任务) 综合调查船： 从事海洋基础科学考察，学术性较强，多属海洋科学研究部门和院校。 具备观测和采集海洋水文、气象、物理、化学、生物和地质的基本资料和样品所需要的仪器设备；具备整理分析资料、鉴定处理标本样品和进行初步综

2、合研究工作所需要的条件和手段；能同时进行多种学科的综合考察研究. 排水量大，性能好，仪器设备先进齐全，续航力大，自持力长。例如美国的“海洋学家”号、英国的“发现”号等都是世界著名的综合调查船。 专业调查船： 承担海洋学某一分支学科的调查任务、重点突出、工作深入等优点，船体也较小。 第一海洋测量船：第一海洋测量船：主要从事海道测量和测绘海图，通常归属各国海军和政府部门。 排水量和续航力中等，吃水不大，有较好的导航、定位和测深设备，有些配备有近岸测量艇及电子计算机系统。 第二开发研究船第二开发研究船：直接服务海洋开发利用。如地球物理勘探船、地质调查船、渔业调查船、气象观测船、水声考察船等等，都是以

3、特定的海洋开发利用为目标而进行专门的调查研究。 特种海洋调查船： 第一，宇宙调查船：第一，宇宙调查船：考察高层大气，接收卫星或宇宙飞船等发来的信号并发出指令，解决与宇宙装置飞行有关的问题。我国的“远望”号航天测量船队，1997年曾首次成功地应用“姿章联控” 技术，使卫星的运行姿态和受卫星形态影响所产生的摇摆得到控制。 第二，极地调查船：第二，极地调查船：考察两极, 船体坚固、续航力长、破冰能力强、防寒性能好。我国极地考察船“雪龙”号能以1.5节航速连续破冰厚度1.1m（含0.2m雪）。 第三，深海采矿钻探船：第三，深海采矿钻探船：为试验开采洋底锰结核矿而建，具有海底采矿、打捞、铺设海底管线和海

4、洋调查多种功能。 2. 调查船特点 低速操纵性：低速操纵性：调查作业多以低速行进，要求船要有灵活的操纵性。 导航设备：导航设备：应用新的无线电导航设备、卫星导航系统，可进行全球、全天候导航定位。 实验室、作业区布局和调查设备实验室、作业区布局和调查设备：宽大的工作甲板和实验室空间； 调查船新型船壳设计：调查船新型船壳设计：吃水浅、稳定性好。 动力定位系统：动力定位系统：定位要求高的已用此系统。 计算机网络化计算机网络化：采用计算机网络设计，提高调查船操纵、动力定位、采样自动化、数据处理等性能。 海洋浮标载有探测用的各类传感器在海洋上进行定点（或飘流）的长期连续观测，费用低，费用低，能收集到恶劣

5、天气及海况恶劣天气及海况的资料。二战德国率先使用；20世纪70年代，技术成熟。 1.1.海洋浮标的分类（海洋浮标的分类（所处的位置） 锚泊浮标：锚泊浮标：用锚把浮标系在预定的地点，可定点、定时、长期、连续、较准确收集水文气象资料。 漂流浮标：漂流浮标：在海上随波逐流地收集大面积有关海洋资料，简便、经济之特点。为厄尔尼诺、海气相互作用等的研究，提供海洋环境资料。 潜标则可潜于海中，潜标则可潜于海中，避开表层恶劣海况 用于深海测流以及深层的水文要素测量。 2.2.海洋浮标技术的组成海洋浮标技术的组成 海上测报六部分海上测报六部分 浮体、传感器系统、数据采集处理系统、通信系统、电源系统、锚泊系统。

6、漂流浮标，它边观测边发报，通过卫星转播所观测的资料并确定漂流浮标的位置。 对于潜标系统，由水下测量系统和布放回收潜标的船上信号发射和接受两部分组成。 岸上接收部分 遥控发射机、遥测接收机、天线、计算机、时序控制器、解调译码器，电传打字机和数字磁带机等 。 海洋遥感技术可以解决大面积海区同时而又系统的调查和观测问题。把传感器装在人造卫星、宇宙飞船、飞机、地面等工作平台上，对海洋进行远距离非接触观测，取得海洋景观和海洋要素的图像或数据资料。包括遥感：工作平台、传感系统、信工作平台、传感系统、信息处理和应用四部分。息处理和应用四部分。 历史：始于二战，发展最早的是河口海岸制图和近海水深测量中利用航空

7、遥感技术。 1.1.遥感工作平台遥感工作平台 地面工作平台 工作平台在地面上，如地面遥感站、车载雷达等。弱点只能进行定点或局部的观测。 航空工作平台 指飞机、气球和探空火箭等。观测范围较宽且观测范围较宽且测量精度较高，测量精度较高，特别适合于海岸带和局部海区的遥海岸带和局部海区的遥感观测和环境监测感观测和环境监测。在航空遥感中使用一些遥测仪器，是航天遥感做不到的。 航天工作平台 指人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等。航天遥航天遥感的突出特点观测范围大感的突出特点观测范围大。缺点是技术复杂、对传感器的要求高、测量精度比不上地面和航空遥感。 地球资源卫星所覆盖面积达34000km2，每每1818天天就

8、可覆盖地球一遍。就可覆盖地球一遍。飞行高度在10km左右的遥感飞遥感飞机机，一张航空像片覆盖的面积1030km2，探测一遍探测一遍全球表面大约需要十几年的时间。全球表面大约需要十几年的时间。 2. 2.遥感传感器遥感传感器 可见光传感器 可见光是电磁波的一部分，所占的波长范围是波长范围是0.380.78m0.380.78m。 常用各种类型的照相机、多光谱照相机、多光谱扫描仪、沿岸带水色扫描仪和电视摄像系统等。 可见光传感器的特点是空间分辨能力高；比较空间分辨能力高；比较直观、分析解译较容易直观、分析解译较容易。 适宜于拍摄云图、观测海冰、海岸形态、沿岸流流向、波浪折射、浅海测深、海岛和浅滩定位

9、以及测定海洋水色透明度及叶绿素含量等。 其缺点是不具有全天时（只能在白天）、全天其缺点是不具有全天时（只能在白天）、全天候（不能透过云雾）的工作能力候（不能透过云雾）的工作能力。 红外传感器 红外线也是电磁波的一部分，波长范围是波长范围是0.78m1mm0.78m1mm。 红外传感器：红外扫描仪、多光谱扫描仪和沿岸带水色扫描仪也包括一二个红外信道。 反射红外反射红外，其特点与可见光差不多；热红外热红外根据物体辐射出来的红外线（强度取决于物体的温度）。例如，机载的红外辐射温度计，测温绝对精度可达0.2；红外扫描仪可区别0.5-1的温差，用于沿岸和河口热污染的监测岸和河口热污染的监测。 特点是：空

10、间分辨率高（空间分辨率高（接近于可见光传感器）；照片较直观、解译不很难照片较直观、解译不很难；热红外传感器具有全天时（即夜间也能工作）的工作能力。 缺点是不能透过云盖、烟雾等。缺点是不能透过云盖、烟雾等。 微波传感器 波长在波长在1mm1mm至至30cm30cm之间的之间的电磁波称为微波。微波传感器：各种微波辐射计、微波散射计、雷达高度计、微波侧视雷达和合成孔径雷达。 微波对云层、冰雪、地表植被有一定的穿透能对云层、冰雪、地表植被有一定的穿透能力；力；可以直接测量大气参数。微波传感器特别适用于海洋，海水是一种导体，可以测量海水盐度海水盐度。海海冰厚度冰厚度、海面风速、风向以及波浪海面风速、风向

11、以及波浪、海面油膜的厚海面油膜的厚度度，这些都是可见光和红外传感器做不到的。 被动微波动传感器，亦称无源传感器无源传感器。它本身没有电磁波发射源，只靠接受目标所辐射和反射的电磁波进行探测。 主动微波传感器主动微波传感器：向目标发射电磁波，通过接受目标回波，完成探测识别。所获取的回波与日照的变化无关，图像稳定清晰，容易判读。 目前海洋卫星使用雷达高度计：获取海洋水准面、重力异常、表面流流速、潮汐高度、波浪高度（波高测量精度可达波高测量精度可达10cm10cm，流速测量精度可达，流速测量精度可达20cm20cm）；使用合成孔径雷达：获取海面波、内波、海流等海洋特征资料；使用微波散射计：获取海面风的

12、资料（风速土1.7m/s，风向测量为土17）。 特点：具有全天时（昼夜都能工作）、全天候（能穿透云雾、降雨等）的工作能力；易于实现主动式遥感。缺点是获取的资料分析解译较复杂，空间分辨力较低（合成孔径雷达除外）。 3.遥感信息处理 遥感信息处理的目的是： 把用户看不懂或很难懂的信息转换成用户很容易看懂的形式，如把照片或计算机用磁带转换成图。 把照片中不明显的信息显示出来。 把照片的灰阶（黑白程度）数字化，以便进行定量测量和计算。 目前，遥感信息处理的方法一般来说有二种：一是电子光学影像增强技术，即利用电子光学技术电子光学技术处理遥感照片，使照片中的信息更加突出明显；另一种是计算机信息处理计算机信

13、息处理技术。 4.遥感技术在海洋中的应用 海洋气象学：观测台风的产生和运动规律，确定台风台风中心位置。 海洋水文学：测量海面温度、盐度、水团、度、盐度、水团、海流、波浪和海冰海流、波浪和海冰。 海洋生物学：利用多光谱遥感技术，可以观测海水的水色和透明度，估计海水中叶绿素的含量色和透明度，估计海水中叶绿素的含量，有助于海洋初级生产力的研究。 海洋渔业：遥感技术可用于侦察鱼群侦察鱼群，帮助渔船增加渔获量。 海洋环境监测：可以发现海洋较大范围内的污染，如石油污染、热污染、污水和固定垃圾污染石油污染、热污染、污水和固定垃圾污染及赤潮及赤潮等。 海洋航运：利用卫星可观测大面积海区的海面风场、波浪场、海冰

14、和冰山，有助于船舶的安全航安全航行行和寻找最佳航线。 海洋工程：可见光遥感可用于观测海岸、海观测海岸、海峡和河口的形态、波浪折射、沿岸泥沙搬运等，峡和河口的形态、波浪折射、沿岸泥沙搬运等，还可以用于浅滩定位和浅海海底制图浅滩定位和浅海海底制图，是港湾建设和保护以及海岸和浅海施工的基础资料。 声波（特别是低频声波）能在海洋中传播很远。水声技术已被广泛应用于水下探测等活动。包括主动声纳、被动声纳、声纳重入系统、水声遥测遥控和水声通讯仪等。 1.主动声纳 主动声纳（有源声纳）：用一组换能器发射声信号，通过自身或另一组换能器从目标反射回来的信息来测目标的参数和性质。一个简单的主动声纳由发射机、接收机、

15、换能器和指示器由发射机、接收机、换能器和指示器等组成。它的工作原理如下图。 声信号在水中以1500m/s左右的速度传播，碰到目标就产生回波，反射回来的声信号通过接收换能器接收后，转换成电信号。 主动声纳工作原理框图 接收机接收机接收到的目标回波一般十分微弱，必须将它放大（如几百万倍），并且经过信号加工放大（如几百万倍），并且经过信号加工处理，完成这种功能的设备即为接收机。 经过处理的回波信号最后在指示器上显示，指示出目标的距离和方位。指示器可分成听觉指示器（如耳机、喇叭）视觉指示器（如记录器和显示器等，荧光屏显示、液晶显示）等。 目前，采用主动声纳工作原理的水声设备多种多样，主要的有回声测深仪

16、、侧扫声纳、鱼探仪、声学多普勒海流计等。 回声测深仪：回声测深仪：从船上发出声脉冲穿过海水而到达海底，由海底反射又传播到达发射的船上。根据声音在水中的时间和水中声速，就可以计算出深度。 侧扫声纳：侧扫声纳： 工作原理类似于空中拍摄的大地测测绘照片绘照片。利用侧扫声纳可以测绘出流蚀、冰山冲刷、沉积物分布、海底斜度等海底动态过程，而且能对水下工程设施、输油管道、海底电缆、锚泊系统以及沉积物进行有效的监视和定位。 鱼探仪：鱼探仪：垂直探鱼仪探测底层的鱼类；水平探鱼仪能探测中桑层鱼类，估计鱼群的大小和范围。 声学多普勒海流计：声学多普勒海流计：从船上向海中发射频率稳定的声脉冲，当声波到达海底，相对运动

17、船上的声源，就会产生多普勒颇移，由船上的接收器接收海中和海底的声散射信号，通过计算可获得各层海水流动的速度。 2.被动声纳 被动声纳只处于被动接收状态工作（无源声纳）。这类声纳根据水中目标所辐射的噪声（如潜艇螺旋桨的噪声、鱼类噪声等）或声源（如载在鱼体上作为生态跟踪的小型声源，声信标、爆炸声等）所发出的声信号，由此判断发声体的位置和特性。由于潜艇的主要特点和优势就在于它的隐蔽性，主动声纳工作要发出声脉冲，容易被敌人发现，因此在潜艇上用途最大的水声设备是被动声纳。海洋中不少动物能够发声，故可利用被动探测系统监视鱼群的回游特性，为海洋捕捞提供有价值的数据；利用深海水听器系统，能准确地测出水下地震、

18、水下，能准确地测出水下地震、水下火山爆发的位置和强度等火山爆发的位置和强度等。 3.动态定位和井口重入技术动态定位和井口重入技术 钻探船在几千米深海中作业，如果船移动过大，长达几千米的钻杆一下就会扭断。需要建立动态定位系统。在海底放一个水声应答器作为基准点，同时在船上布放三个水听器进行应答测距。作业时船上向基准点应答器发出脉冲，应答器收到信号之后发出回答脉冲，回答脉冲被船上的三个测距水听器收到，测出三个水听器与基准应答器的距离。水声应答器测距系统随即测出这三个距离的变化，计算出船位的水平移动量，再开动几个可变螺距的推进器，使船复位（使三个距离和原来的一样）。这样船在不断运动中保持位置不变。 利

19、用声纳还可以实现重入井口。 4. 4.水声通讯技术水声通讯技术 水声通讯技术是一类无缆的水下信息传输。它通过海水介质，以应答或自动方式，实时地将各类传感器（如水下潜标）的输出数据传输至岸站、船或者水面浮标。常用设备：水声通讯机、水下图像传输和水声遥测遥控系统等。 水声通讯机： 通讯双方在水下都设有发射器和接收器。距离较近的潜水员间通讯一般采用载波语言调制声波或直接载波语言调制声波或直接辐射语言声波；辐射语言声波；距离远时，用数字编码通讯数字编码通讯。水声应答器是数字编码通讯的典型设备，它按事先安排好的程序，自动完成各应答器和主机间的通讯。 水下图像传输：在水下环境用电视摄像下来，通过海水信道，

20、传送到水面，这是观察海底地貌、水下活动最直观、有效的方法（见下图）。水下视频图像技术在许多方面均提供了有效、直观的技术服务。 水声遥测系统：把所要测量的水下环境参数变换成水声信息，传到处理船或岸站来，经过水声接收机处理，重新转换成相应的环境参数信息。 水声遥控系统：包括船上声指令发射机、水下声指令接收机和相应的控制机构。如使水下浮筒放掉重物浮出水面，以便船只跟踪回收。各种海洋自动机，如无人深潜器、海底自走车的行动及机械手的动作等，也可采用水声遥控。用水声传递信号的水下电视系统 5. 5.海洋声学层析术海洋声学层析术 利用声学方法在大范围海域测量海洋动力特性的一种遥感技术。它是利用海中声速传播与

21、海水温度、盐度、密度的关系，根据声传播时间的变化，反过来演算出海洋中温度、盐度、密度分布状况。如使声波从不同角度穿过同一海区，利用穿透的结果（主要是传播时间）反演求出被测海区的流场和温度场。 海洋层析测量时，在所测量的水域周围，布放若干个水声发射和接收换能器，一些换能器发射声信号，另一些换能器接收声信号，精确处理声波的传播时间，计算其传播的速度。换能器数量越多，获得的信息就越多。 1.海洋观测仪器的种类 按其操作方式分类 投弃式：投弃式：从船或飞机上将仪器的传感器投入海中，传感器与仪器间的运算、记录部分用导线（或无线电波）联系，将数据传递到船或飞机上。 悬挂式：悬挂式：利用船上的绞车吊杆从船舷

22、旁把仪器送入海中，在船只锚定或飘流的情况下进行观测。 拖曳式：拖曳式：工作时从船尾放入海中，拖曳在船后进行走航观测。 自返式：自返式：将仪器投入海，仪器到达预定深度或触及海底完成测量任务或采样后，释放装置卸掉压载的重物，仪器借助自身的浮力返回海面，或由船将仪器回收，而数据记录在仪器内装的磁带上。 按所测要素分类 海洋物理性质物理性质观测仪器：用于观测声、光、温度、密度、动力等现象； 海洋化学性质化学性质观测仪器：用于测定海水中各种溶解物的含量； 海洋生物生物观测仪器：生物种类不同，仪器不同)； 海洋地质及地球物理地质及地球物理观测仪器：包括底质取样设备、回声测深、地貌仪、地层剖面仪、重力仪以及

23、磁力仪和地热计等。 2.海洋仪器的发展特点 多样化； 系统化：除各种要素的传感器不同外，信号形式，处理器，记录器尽量通用，这样可使仪器结构简化，耗电减少，而使标准性、通用性、互换性提高； 结合高新技术手段：以机械、化学仪器为主发展到电子仪器是一次变革，运用计算技术、遥感技术、水声技术、激光技术等又是一次变革。计算技术广泛应用于测量的程序控制、信息的运算和存储、资料的分析、整理、打印、绘图、交换和传递。 海洋水文气象信息在海洋资源开发、海上作业、海洋减灾防灾中起着非常重要。 举例： 1.安全航行：航运需要水位、海流、海浪、风和海雾等信息，以保证航行安全、提高航行效率；了解沿岸泥沙运动确定航道是否

24、被慢慢淤塞。 2.环境清理：海面油膜及污染物运动预报，并获得污染海域海流和海浪数据； 3.生物资源：需要海流、水温和盐度资料，幼鱼和仔鱼随着海流进出海湾和开阔海域；水温和盐度直接影响着环境和环境中的动植物物种，或造成海水层化现象，导致底层水域的缺氧，或表层水域有毒生物的大量繁殖。 4.减灾防灾：掌握历史最高水位对抗御风暴潮具有重要意义。据统计，海洋灾害损失在沿海地区的国民生产总值中占10%。如1997年一次横扫我国沿海地区的风暴潮，就造成经济损失400亿元左右。 海洋环境预报和气象预报一样，是建立在广泛而实时的情报来源之基础上。 组成 立体探测系统：空间(卫星)、空中(飞机、火箭和气球)、海面(浮标、船舶、地面站)、水下(声纳系统)。大型计算机，高速通讯网。 对海洋预报至关重要的是：遥感技术、海洋浮标站及计算机在海洋领域的应用。 遥感：卫星遥感可以实现全天候、全天时地在全球尺度上进行连续观测。航空遥感由于其机动性好，分辨率高，适用于动态过程的监测，但受天气条件的制约，且观测范围小，和地面遥感一起作为卫星遥感的辅助手段。 浮标站：锚泊浮标，相当于一个海上自动水文气象站，可以定时向岸上测报；另一种是漂流浮标，比较容易通过跟踪它的漂流轨迹，间接推测海