《海洋环境检测》课件-项目五 未来海洋环境监测技术

海洋环境监测

知识点5-1-1什么是无人机05项目五未来海洋环境监测技术1、什么是无人机无人机是近年发展起来的一种海洋环境监测空基平台,可搭载多种海洋环境监测任务载荷,实施海洋动力环境和其他海洋环境要素的探测。具有机动性强、时效性高、成本低等优势,可有效弥补天基、海基和地基探测能力的不足,是海洋环境监测不可或缺的平台。1、什么是无人机随着无人机研发技术的进步和优势的突显,世界各国越来越重视无人机在海洋探测中的应用,以美国为首的许多国家正在积极研制各种新型的海上无人机,俄罗斯、英国、德国等国都加大了对本国发展无人机的支持力度。我国也十分注重无人机的海洋环境监测,在技术上紧跟发达国家先进水平,如中测新图公司自主研制的无人机续航时间达到了30h、拍摄分辨率达到了0.05～0.20dm。未来该方向将在空基和天基所搭载的各类传感器技术以及持续能力更强的平台研发等方面进一步开展。1、什么是无人机随着“海洋强国”战略的实施，蓝色国土成为缓解国民经济的重要保障，海洋经济的快速发展加剧了海域的空间信息的应用，急需新的技术对海洋的现状进行监测。常规的人工测量难以完成复杂的海域地理空间采集的任务，无人机遥感技术的快速发展与应用，其高时效性、低成本、高自动化的专业处理软件，可以获取海洋方面获取地理空间信息的要求，满足海洋动态监测的需求。1、什么是无人机无人机遥感技术是集无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术于一体的一种新兴技术。无人机遥感凭借其影像获取快速、覆盖面积大、应用周期短、影像清晰度高(精度可达cm级)、便于解析、受自然环境约束小、成本低、操作易行、运行和维护成本低等特点充分弥补了传统卫星遥感和普通航空遥感的不足。1、什么是无人机无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶、依靠空气提供升力、可重复使用航空器的简称。无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。按照系统组成和飞行特点，无人机可分为固定翼型无人机和无人驾驶直升机。无人机的构成主要包括飞行器机体、飞控系统、数据传输系统、发射回收装置和电源装置。无人机在环境保护管理、环境监测、环境应急、环境监察、生态保护等方面都有应用。知识点5-1-2无人机遥感的优势05项目五未来海洋环境监测技术2、无人机遥感的优势无人机遥感是利用无人机技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，自动化、智能化、专业化地快速获取地理资源环境等空间遥感信息，完成遥感数据采集、处理和应用分析的技术。无人机遥感系统是在无人机等相关技术发展成熟之后形成的一种新型的航空遥感系统。它利用无人机作为遥感平台，集成小型高性能的遥感传感器和其他辅助设备，形成灵活机动、续航时间长、全天候作业遥感数据获取和处理系统。2、无人机遥感的优势2、无人机遥感的优势无人机测绘技术是通过无人机搭载多种遥感设备，如高分辨CCD数码相机、激光扫描仪、轻型轻型光学相机等获取信息，并通过相应的软件对所获取的图像信息进行处理，按照一定精度要求制作成图像的一种技术手段。该技术对空间的要求较低，操作方使，成本低，不会受到环境的影响，适应能力非常强，适合危险系数高的任务。与卫星遥感技术相比，不会受到恶劣天气的影响，弥补了传统卫星远距离采集的弊端。2、无人机遥感的优势运用无人机遥感技术对海洋环境进行监测，不但可以弥补卫星、航空遥感经常因云层遮挡获取不到影像的缺点，同时解决了传统卫星遥感重访周期过长，应急不及时等问题；而且在拓展了固定观测站、专业调查船监测区域的同时，还有效解决了固定监测站点、专业调查船的工作效率与数据采集周期的瓶颈问题。无人机遥感技术是两项新兴技术的优势组合，不但拓展了无人机的应用领域，更是为海洋环境监测提供了新的手段。2、无人机遥感的优势/hdjl/ywzsk/ggfwl/content/post_2026745.html2、无人机遥感的优势无人机会成为未来海洋气象观测的主力军吗？2021年11月30日知识点5-1-3无人机遥感的特点与发展05项目五未来海洋环境监测技术3、无人机遥感的特点操作简单：飞行操纵自动化，智能化程度高，操作简单，并有故障自动诊断及显示功能，便于掌握和培训；无人机还具有轻小，滑翔保护，伞降保护等功能，可在很大程度上规避重大事故的发生。适应性好：无人机遥感系统能够根据不同应用需求配置不同的遥感载荷和软件处理模块，可满足多种行业，不同类型的遥感监测任务需求。使用成本低：无人机遥感系统的飞行操作相对简单，培训时间较短，设备存放，维护比较简单，可节省调机、停机等费用。系统集成性强：无人机遥感系统与GIS系统快速集成，系统中的各个集成子系统可相互作用，相互关联，共同完成各种遥感应用任务。3、无人机遥感的特点响应快速：无人机系统体积小，重量轻，运输便利，升空准备时间短，操作简单，可快速到达监测区域，机载高精度遥感载荷可以在1~2小时内快速获取遥感监测结果。图像分辨率高：无人机可进行近地表飞行，遥感获取图像的空间分辨率达到分米级，适于1：1万或更大比例尺遥感应用的需求。无人机搭载的高精度数码成像设备，还具有大面积覆盖，垂直或倾斜成像的能力。自主性、灵活性强：无人机可按预定飞行航线自主飞行，拍摄，航线控制精度高。飞行高度可从50m至4000m，高度控制精度一般优于10m，速度在70~160km/h范围均可平稳飞行，适应不同的遥感任务。4、中国无人机发展20世纪50年代中国正式开始研制无人机，60年代生产出了低速遥控靶机，70到80年代发展成功了“长虹”以及“长空1号”无人机。21世纪以后，中国的无人机工业才进入了飞速发展的阶段，北京航空航天大学、南京航空航天大学、西安爱生技术集团、南京模拟技术研究所等科研院所和公司研制了各种类型的无人机，但其主要用途仍以军事侦察为主。20世纪90年代，中国测绘科学研究院开始民用无人机的研制，较早应用于测绘领域。21世纪起，无人机遥感技术在中国起步并快速发展起来。2012年开始，国内消费级无人机市场出现了爆炸性增长，深圳大疆创新科技有限公司将多旋翼的无人机飞机平台推向消费级市场。中国无人机的产业发展起步晚，在技术水平等各个方面跟发达国家相比有明显差距，但发展迅速。知识点5-2-1无人船技术的国内外发展05项目五未来海洋环境监测技术2018年6月12日，习近平总书记视察青岛海洋科学与技术试点国家实验室（以下简称海洋试点国家实验室）时指出，“建设海洋强国，我一直有这样一个信念。发展海洋经济、海洋科研是推动我们强国战略很重要的一个方面，一定要抓好。关键的技术要靠我们自主来研发，海洋经济的发展前途无量。”并勉励全体工作人员，“再接再厉，创造辉煌，为祖国为民族立新功。”建设海洋强国，必须大力发展海洋科技。因此，快速发展我国无人船技术，推动海洋关键技术创新，促进海洋科技创新成果的转化应用，为推动海洋强国建设提供强大的科技支撑。一、无人船技术的国内外发展普东东,欧阳永忠,马晓宇.无人船监测与测量技术进展[J].海洋测绘,2021,41(01):8-12+16.无人船技术的应用最早始于二战时期。由于受到导航控制与信息技术发展的制约，其真正大规模的应用与发展却是在20世纪90年代，代表性成果是美国研制的遥控猎雷作战原型艇，在1997年成功实现了海上猎雷行动演练。最近20年来，随着信息技术和远程控制技术以及人工智能的发展，无人船技术展现了前所未有的生机。美国海军水下作战中心、以色列EIbit公司以及新加坡等相继研究出了用于军事侦察、反潜和精准打击的无人船艇。一、无人船技术的国内外发展普东东,欧阳永忠,马晓宇.无人船监测与测量技术进展[J].海洋测绘,2021,41(01):8-12+16.在民用领域，2000年美国MIT开发出了用于勘测作业的双体无人船“AutoCat”;此后，雅马哈公司、英国普利茅斯大学、意大利热那亚CNＲ－ISSIA研究机构等相继开发出了用于监控环境和航道测量的无人艇，其续航能力也大幅提升。我国的无人船起步较晚，国内主要从事无人船研究的机构有沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学、上海大学、上海海事大学、中国航天科工集团沈阳新光公司、珠海云州智能科技有限公司等。一、无人船技术的国内外发展普东东,欧阳永忠,马晓宇.无人船监测与测量技术进展[J].海洋测绘,2021,41(01):8-12+16.近十几年来，无人船总体发展趋势表现为由军用为主向民用发展，应用领域呈多样化，应用范围由海洋向内陆江河湖泊拓展、由近海向远海、极地拓展，并在空天地一体化测量中发挥重要作用;无人船的体积也由小型向中型、大型全系列发展，同时其自主导航、数据处理以及远程控制等智能化水平逐步提高。在海洋监测与调查测量领域，国内外相关研发机构与企业，针对应用无人船技术开展海洋与江河湖泊水质测量、水文测量、水上气象探测、水下地形测量和地球物理要素测量等诸多测量任务，进行了大量的研发、测试与应用。知识点5-2-2无人船主要性能05项目五

未来海洋环境监测技术3.1智能避障和路径规划3无人船主要性能其过程可以分为环境检测、识别目标、智能避障、重新规划路径等。通常，无人船智能避障是基于感知信息融合的原理，感知信息融合主要是利用信息融合的算法，将包括雷达、惯性、视觉、GNSS与红外等在内的不同传感器信息进行融合。船只在遭遇障碍物前后，都要迅速地重新规划路径。无人船智能避障是指其在航行的过程中能够通过智能传感器感知航路上障碍物的信息，并自动规避水上以及水下的障碍物而保护自身的能力。3.2稳定性与耐力3无人船主要性能在风浪冲击的海洋环境中，无人船稳定性首先表现为抗颠覆的能力。船只可以根据控制算法对航行中实时环境下的速度、航向等作出调整。提高对船身制作材料的要求，可以提高船只抵抗恶劣环境的能力。在远海的测量任务中，无人船通常需要具备相应的耐力。这就需要无人船具备持久航行的动力系统，以保证其完成负担的任务并安全返航。3.3全自动与高精度导航3无人船主要性能无人船无需局限于固定的位置上，不用人工进行测量，并能够根据水环境对自身的航行与测量作出相应的调整。这种全自动的测量方式避免了人员的涉水风险，同时也避免了由人工操作所带来的失误。GNSS和INS为测量无人船提供高精度的导航定位，使得数据的准确性大大提高，保证船只航行的安全性。知识点5-2-3无人船典型应用进展05项目五未来海洋环境监测技术4无人船典型应用进展近年来，无人船应用发展速度日新月异，其应用得到了极大地拓展，从军事领域拓展到资源探测、应急救援、环境保护和海洋测绘等诸多民用领域。无人船技术在建设智慧航道、数字海洋、智慧海洋和透明海洋的进程中发挥着越来越强的作用。4.1水质监测水质监测面临监测成本高、监测点少、不足以反映整体水质状态和缺乏应急监测手段等诸多挑战。此外受地形和天气的限制，监测活动常无法在视野范围内完成。传统的人工监测包括利用断面、自动站、浮标站进行监测，各自都有着显著的缺点。新兴的遥感监测水质技术精度较低。无人船作为一种新型水质监测平台，可自动化地完成指定区域的水质监测。对于应急性水质监测而言，无人船可以迅速入水、快速获取水质数据。在面临水污染突发事件的时候，无人船通过监测绘制全面水质分布图，深入污染区采样取证，探测水下暗管图像等，可以有效完成对突发污染的数据采集，为决策提供技术支持。4.1水质监测用于水质监测的无人船搭载水质在线监测仪、ADCP以及测深仪等。水质在线监测仪参数主要包括PH、溶解氧、温度、浊度、电导率、COD、叶绿素以及总氮、氯离子、总磷、氟化物等。此类无人船通常采用双体船设计结构，船体材料为玻璃钢、碳纤维复合材料，最高航速和航行时间都得到了快速的提高，能够实现自主航行、自动返航、智能避障和实时传输，并且能够自动生成水质监测报告和自动绘制水质分布图。比如使用搭载定点浮标和溢油传感器的无人船，可以实现海域海洋油污是否异常的监测。4.2水文测量以海洋调查无人船为例，采用铝合金材质制作的双体船身，可有效提抵抗风浪的能力，最高可抵抗3级风。该类无人船最高航速可达到12kn，续航里程可达200nmile，智能避障传感器最大传感距离可达50m，可有效完成近海浅滩水域的水文要素观测和保障航行安全。无人船和岸基水文监测中心组成智能水文监测系统，无人船平台集成搭载温度传感器、水压验潮仪、测深仪、气象观测系统、多参数剖面测量系统、ADCP声学多普勒流速剖面仪等测量载荷，将采集的数据如流速、流向、温度、盐度等，通过无线电通讯网络，实时动态地传输到岸基控制系统，极大地提高了数据采集的时效性，显著缩短了作业周期。4.3水下地形测量水下地形的不可见和水体流动所带来的不稳定性，导致测量精度受到水环境的动态影响，与陆地测量相比，数据处理更复杂。在一些特殊水域比如近岸、浅滩、港口等，人工涉水作业船只由于体积大、吃水深的原因，往往无法获取这些区域的数据，从而无法保证数据覆盖的完整性。该类无人船一般采用双体或者三体船身，船身可用纳米碳纤维复合材料制作而成。由于无人船测量要避免浅水搁浅，须满足吃水浅的特点。用于水下地形测量的无人船一般搭载有多波束测深仪、单波束测深仪、ADCP、侧扫声纳以及水质仪等测量载荷。4.4其他应用无人船能够快速准确地到达岸基控制子系统设置的救援位置进行海上救援工作在综合海洋调查应用上，无人船搭载单/多波束测深仪、水质探测仪、侧扫声纳、激光扫描仪以及水文测量仪等如今无人船测量与监测技术联合北斗和5G技术，可以实现更为智能化的作业，如利用其进行海上油污监测等。除了以上典型的应用外，无人船测量技术在其他方面也发挥着十分重要的作用。知识点5-3-1国外载人潜水器发展现状05项目五未来海洋环境监测技术深海是国际海洋科学技术的热点领域，也是人类解决资源短缺、拓展生存发展空间的战略必争之地。无论是探索深海科学奥秘，还是开发海洋战略资源，都离不开海洋高技术的支撑。近几年，在国家海洋局的组织安排下，中国大洋协会、上海海洋大学深渊科技中心等科研机构联合完成了多项深海潜水器的开发与研制。从1964年“阿尔文”号载人潜水器（美国）研制以来，全球发达国家开始致力于载人潜水器的研究，目前已经取得了重大成果。我国对载人潜水器的研究虽然起步较晚，但近年来所取得的突破和成就却举世瞩目。在长期遭遇技术封锁的情况下，我国先后开展“蛟龙”号、“深海勇士”号到如今的“奋斗者”号载人潜水器的研制，使得我国载人深潜技术逐步达到了世界一流水平。参考文献：杨波;刘烨瑶;廖佳伟.载人潜水器——面向深海科考和海洋资源开发利用的“国之重器”[J].中国科学院院刊,2021,36(05):622-631.DOI:10.16418/j.issn.1000-3045.202104080041载人潜水器发展现状深海运载器是可以方便携带各种声呐设备、机械采集装置、潜航员及科学家，并且能够快速、准确地到达各种深海环境进行精确科考和科学研究的装备平台。深海运载器主要分为载人型潜水器（HOV）和无人型潜水器（UUV）2个大类；其中，无人型潜水器又可分为遥控式水下航行器（ROV）、自主式水下航行器（AUV）和最新出现的混合型遥控潜水器（ARV/HROV），以及无动力潜水器等多种类型。作为使用综合性的水下机动平台，深海运载器自身可以搭载设备用于开展各种精细化作业，从而成为深海科考领域的“集大成者”。1.1国外载人潜水器发展现状世界上第一艘载人型深海潜水器——“曲斯特I”号于1960年研制成功，在挑战者深渊下潜最大深度达到10916m，成为世界下潜最深的载人潜水器。从20世纪60年代开始，潜水器的配置也在进行不断改进和完善，并且大都安装有操作机械手、科学仪器设备，并扩大了观察窗口等。1964年以美国“阿尔文”号[6]为代表的现代载人潜水器真正开始了人类在海底科考的活动。此时，“阿尔文”号已经具备了观察窗、高清摄像机和声学扫描等先进探测设备（图1a）。“阿尔文”号在应用型航次中进行了多次重要且有重大影响的作业，从而奠定了美国在世界现代型载人潜水器领域的霸主地位。1.1国外载人潜水器发展现状在“阿尔文”号巨大价值的影响下，许多国家开始陆续研发自己的载人潜水器，日本“深海6500”号载人潜水器于1989年建造完成并进行了一系列载人潜水试验，下潜深度最大到6527m，是日本下潜深度最大、作业能力最强的载人深潜器。1.1国外载人潜水器发展现状俄罗斯比较著名的载人潜水器是1987年建成的6000m级的MIR-1号（图1b）和MIR-2号，其可以搭载3人，带有12套可以检测深海环境参数和海底地形地貌的探测设备；其最突出的特点就是动力能源比较充足，工作能源是美国“海涯”号和法国“鹦鹉螺”号的2倍，可以在水下待17—20h。近年来，MIR系列载人深潜器在深海勘探中总走在世界前列。自1987年投入使用以来，MIR系列载人潜水器在印度洋、太平洋、大西洋和北冰洋一直从事各种各样的科研任务及国际探险活动，特别是成功完成了“共青团”号核弹潜艇的核辐射探测。同时，MIR系列载人潜水器被多次用于探查和记录第二次世界大战中沉没的战船，以及执行“北极-2007”海洋调查等任务，充分体现了其卓越的技术能力。1.1国外载人潜水器发展现状欧洲在载人潜水器的研制方面也具备雄厚的基础和能力，其中主要核心国家为法国、德国和英国。比较典型的是，1985年法国研制的“鹦鹉螺”号6000m级潜水器。其活动范围可以遍及全球海域的97%，目前已累计下潜1700多次。“鹦鹉螺”号可实现深海海底生态等相关调查，以及沉船、有害废料等相关搜索任务，而且在军事领域应用最为频繁。“鹦鹉螺”号具有众多技术优点，如相对于其他潜水器重量轻、升沉速度快、水下移动高、本体配置小型水下机器人系统等，因此可实现多维度的深海科考。知识点5-3-2我国载人潜水器发展现状05项目五未来海洋环境监测技术1.2我国载人潜水器发展现状我国于20世纪80年代就开展了载人潜水器的相关研究工作，并于1986年研制成功了首艘载人潜水器——“7103”救生艇。该救生艇的研制成功，填补了我国深潜技术的空白，是一项重大的科研成果。在前期潜水器研制技术和经验基础上，为推动中国深海运载技术发展，加快建成海洋强国。在国家“863计划”重大专项支持下，中船重工集团公司七〇二所、中国科学院声学研究所和中国科学院沈阳自动化研究所等约100家国内科研机构与企业联合攻关，开始了7000m级载人潜水器[10]的自行设计、自主集成研制工作，攻克了中国在深海技术领域的一系列技术难关。2012年6月，“蛟龙”号在马里亚纳海沟创造了7062m的中国载人深潜纪录（图2a），也打破了现代载人潜水器——日本“深海6500”号保持了长达23年的作业型深海载人潜水器的世界下潜纪录。1.2我国载人潜水器发展现状1.2我国载人潜水器发展现状2013年起，“蛟龙”号正式进入试验性应用阶段，取得了举世瞩目的成果：先后在中国南海、东太平洋多金属结核勘探区、西太平洋海山结壳勘探区、西南印度洋脊多金属硫化物勘探区、西北印度洋脊多金属硫化物调查区、西太平洋雅浦海沟区、西太平洋马里亚纳海沟区七大海区进行科考作业任务；在海试任务过程中，其优异的技术指标和性能得到了良好的验证。截至2018年11月，“蛟龙”号已成功下潜158次：主要在各种复杂海底执行海洋地质、海洋地球物理、海洋地球化学和海洋生物等科学考察，并获得了海量高精度定位调查数据和高质量的珍贵地质与生物样品，极大地推动了我国深海相关领域的科学研究。通过利用前期积累的技术和成功经验，大幅提升了中国载人深潜核心技术及关键部件自主创新能力，降低了运维成本，攻克了以固体浮力材料、深海锂离子电池、作业机械手为代表的深海核心技术及关键部件自主研发，为后续我国载人潜水器的功能化、谱系化建设打下坚实的基础。1.2我国载人潜水器发展现状在前两个载人潜水器的研制基础上，我国向全海深载人潜水器发起了挑战。2016年，在“十三五”国家重点研发计划重点专项支持下，我国启动了全海深载人潜水器及其关键技术的研制工作。以“蛟龙”号和“深海勇士”号载人潜水器的研发力量为主的研发团队，历经5年艰苦攻关，在耐压结构、钛合金材料、浮力材料、声学系统、智能控制技术、锂离子电池、海水泵、作业机械手等方面实现多项重大技术突破。2020年11月10日，“奋斗者”号成功下潜10909m（图2b），创造了我国载人深潜的新纪录，这标志着我国在大深度载人深潜领域达到了世界领先水平。“奋斗者”号配备有高清摄像机及水下电动观测云台、高分辨率测深侧扫声呐、组合导航系统、高速水声通信系统和作业机械手，采用了安全稳定、动力强劲的能源系统，拥有先进的控制系统和定位系统，以及耐压的载人球舱和固体浮力材料。知识点5-3-3载人潜水器工作性能和关键技术05项目五未来海洋环境监测技术2载人潜水器工作性能和关键技术现代载人潜水器都配备了完善且充足的动力和便携的操作系统，推进器可实现潜水器在水下自由航行；驾驶员可根据事先给定的坐标，驾驶潜水器到达预定目标进行科考作业。可携带大量的采样装置进入深海环境进行作业取样，配备机械手的灵活操作可实现在万米海底的实时采样与装置的回收。可搭载多名科学家进入深海环境。通过观察窗，科学家可以近距离观测真实的深海环境，对海底地质结构、生物目标等进行长时间、连续观测。潜航员与科学家相互配合，可实现驾驶操作与观察同步进行，灵活自如的执行海底作业任务。搭载有先进的地形地貌探测设备，可对未知区域的环境进行精细测量。相比其他深海科学考察装备，载人型潜水器有诸多的实际应用优势：2.1我国万米载人潜水器的关键核心技术新型钛合金材料载人球舱。“奋斗者”号的载人舱呈球形，可搭载3名潜航员。中国科学院金属研究所联合国内多家企业和研究所，经过一系列技术论证及相关试验，攻克了载人舱从图纸设计到材料选择及研制、加工成型和焊接工艺等一系列关键技术瓶颈和难题。精准操控的控制系统。中国科学院沈阳自动化研究所针对深渊复杂环境下“奋斗者”号的可靠运行进行了技术攻关，让“奋斗者”号的控制系统实现了智能化控制。此外，还为“奋斗者”号量身打造了一双高度灵活且有力的“手”。在万米海底，“奋斗者”号凭借这双“手”，顺利完成了岩石、生物抓取及沉积物取样器操作等各种精细化作业任务，显著提高了载人潜水器的水下作业能力。2016年，自全海深载人潜水器立项以来，研发团队经过艰苦攻关，在多个核心部件领域实现了多项重大技术突破，核心部件国产化率超过96.5%。2.1我国万米载人潜水器的关键核心技术“耳聪目明”——水声通信系统助力万米海底信息实时传输。由中国科学院声学研究所牵头研制的声学系统，成功实现了“奋斗者”号从遥远的万米海底至海面母船“探索一号”的文字、语音和图像的实时传输。浮力强——固体浮力材料保障潜水器安全返回水面。固体浮力材料是深海中最普遍应用的一种材料，深海固体浮力材料制备技术长期以来被少数发达国家垄断。在前期多年技术积累基础上，中国科学院理化技术研究所牵头采用具有自主知识产权的制备技术，在短时间内就研制出了核心原材料，突破了我国浮力材料研究的关键技术。（5）高效组织管理能力——“大管家”。中国科学院深海科学与工程研究所作为“奋斗者”号的业主单位负责牵头执行海试任务。2.2潜水器关键技术及后续的发展方向将依托深海载人潜水器的技术装备优势和高效的组织管理模式去探索更多海洋的奥秘。主要体现在4个方面。深海生物及其基因资源的研究与应用。依托深海载人潜水器，获取足够的深海生物科研样本对于进一步的科学研究至关重要。挺进深海和极地。党的十八大提出“建设海洋强国”，十九大提出“陆海统筹，加快建设海洋强国”的战略部署。“十三五”期间，随着万米载人潜水器的试验和验收顺利完成，我国已经具备了进入世界海洋最深处进行科考和作业的能力。深海矿产资源的勘探开发。万米载人潜水器的研制成功，极大提高了我国深海资源勘探的能力。由于大深度下海洋环境高压、无光等特征，一般的科考设备无法进入，而全海深载人潜水器解决了深海进入的难题。2.2潜水器关键技术及后续的发展方向形成完备的全球海洋大数据体系。对于约占地表总面积71%的海洋来说，21世纪全球已经进入海洋大数据时代。目前，全球已具备近海岸测绘、海岛的可视化监视、海洋渔业资源检测、海洋浮标监测、海洋科考、油气平台环境监测、卫星遥感监测等多种海洋观测和调查手段，已经建立了非常庞大的海洋观测、监测体系，积累了海量的海洋自然科学数据。利用载人潜水器进入深海，可弥补海洋大数据中深海环境的生物资源、矿产资源数据。知识点5-3-4我国载人潜水器的发展前景05项目五未来海洋环境监测技术3对我国载人潜水器未来发展建议制定中长期的深海科考和海洋资源开发利用目标。充分发挥好已有的3个载人潜水器的优势，制定整体性和系统性的规划，按照不同深度、由近海到远海的分层管理，形成多元化的管理机制。推动潜水器向全海深谱系化、功能化方向发展，可以根据不同的任务和目的，分时间、分阶段选用不同下潜深度的潜水器，为海底丰富的资源、海洋地质和深海生物基因资源调查，以及科学研究、水下工程、打捞救援和深海考古等提供支持。2018年6月12日，习近平总书记在山东考察时说：“建设海洋强国，我一直有这样一个信念。发展海洋经济、海洋科研是推动我们强国战略很重要的一个方面，一定要抓好。关键的技术要靠我们自主来研发，海洋经济的发展前途无量。”载人潜水器在面向深海科考和海洋资源开发利用方面应该如何发展？3对我国载人潜水器未来发展建议加快推动科技成果的进一步转化。“奋斗者”号核心部件的国产化率超过了96.5%，这离不开基础研究的布局。如何让这些基础研究发挥更好和更大的优势？要进一步推动科技成果的转化，促进民用设备的发展。鼓励社会力量积极向海洋进军，形成多元化科技成果产出机制。已有的科研成果上由数字化向智能化方向转变。打造开放、协同的数据共享平台。建立数据共享平台，将获取科研样本及各种资料进行统一管理。以深海资源开发、科考设施有效利用及数据的开放共享为手段，引导跨部门、地域、行业之间的创新协同发展，建立高效的海洋资源开发利用渠道，引导高校、科研机构广泛参与，促进产学研紧密结合，构建多主体协同互动的新发展模式。科考也需要合理开发和保护海洋资源。深海科学考察就是要探索生命起源和地球演化等重大的科学问题，所以我们要更加注重保护海洋生态环境及生态资源，合理开发和有效利用海洋，着力推动海洋科考方式向循环利用型转变。3对我国载人潜水器未来发展建议继续大力投入基础研发与创新。虽然核心部件的国产化率有明显的提高，但是也应注意到我国载人潜水器装备性能与国际顶尖水平相比仍有较大差距。要在现有技术基础上优化提升各个设备的技术指标和性能，在非核心部件上也要加大研发力度，突破国外的技术垄断和制约。科考船舶配套设施需要不断完善。现有的作业母船条件基本具备，但潜水器对母船硬件设备依赖度较高。因此，应结合深海科考的中长期发展目标，分层次考虑和推进科考船舶的可切换性，硬件条件的兼容性，不断完善科考船舶的配套设施。知识点5-4-1水下机器人技术研究进展05项目五未来海洋环境监测技术在广袤浩渺的深海中，一个全新的探索者正以无人驾驶的形态崭露头角——水下机器人。它们通过技术的飞速进步，正在引领着深海探测领域的革命。这些机器人不仅仅是简单的机械设备，它们承载着科学家们的期望和探索的意义。如今，水下机器人的突破性进展正以惊人的速度不断推动着人类对深海奥秘的解锁。无论是探索极地的冰塘与气候变化，还是观测珍稀海洋生物与保护生态系统，这些探索者都以其高效的自主导航、无畏的耐压性能和精确的成像技术，将我们带入了一个前所未有的深海之旅。参考资料/s?id=1773588216715093092&wfr=spider&for=pc水下机器人工作场景1水下机器人工作场景21、水下机器人技术研究进展水下机器人是一种能够在水下环境中执行任务的智能机器人，具备自主导航、采集数据、进行成像和执行任务的能力，是现代科技和工程领域的一项重要成果，对于深海探测、资源开发、环境保护等领域都具有重要的意义。它的发展历程可以追溯到20世纪60年代，最初主要用于海洋科学研究和海底资源开发。由于技术和工程上的限制，早期的水下机器人体积庞大、操作复杂，对人类干预的需求较高。随着科技的进步以及对深海探测需求的增加，水下机器人经历了许多关键的技术创新和突破。1、水下机器人技术研究进展通过不断的研究与发展，水下机器人的体积不断减小，操作性得到了极大改善。现代水下机器人不仅具备高效的能量系统，还搭载了各种传感器、相机和机械臂等设备，导航和自主控制能力得到了大幅提升，能够在无人作业的情况下成功完成任务。过去，水下机器人通常依赖蓄电池供能，导致任务时间有限；现在，高效节能的动力系统得到了广泛应用，如燃料电池和先进电池技术。这些创新使得水下机器人的续航能力大幅提升，能够在深海中持续执行长时间的任务。1、水下机器人技术研究进展深海环境中存在着高压和低温等极端条件，对机器人的材料要求很高。现代水下机器人使用的材料能够在高压环境下保持稳定，同时也减轻了机器人的重量，提高了机动性和操控性。高分辨率的成像和传感器技术的改进也为水下机器人带来了巨大的进步，机器人能够获取更多类型的数据，如水质、地质和生物信息等，提供清晰、细致的图像和视频，帮助科学家深入了解深海环境。光学成像、声纳技术和声学测距仪等先进传感器的应用，使得水下机器人具备了更广泛的数据采集与分析能力。1、水下机器人技术研究进展除了硬件创新，水下机器人的智能化控制系统也得到了重要的发展。自主导航、避障和路径规划等技术使机器人能够在无人操作的情况下进行任务执行和探测工作，大大提高了水下机器人的效率和安全性。由于深海环境的复杂性，传统的无线通信往往受到限制，通过声纳通信和光纤通信等技术的应用，水下机器人能够在水下传输数据和与远程操作中心进行有效的通信，使得水下机器人能够与人类操作员实时交互并接收指令，实现远程控制和数据传输。1、水下机器人技术研究进展在软件方面，人工智能技术的发展为水下机器人的智能决策和任务执行提供了支持。机器学习和深度学习算法的应用，使机器人能够通过分析和学习大量的数据，实现自主决策和优化任务执行，有效提高了水下机器人的适应性和灵活性，更好地适应各种复杂任务和环境。知识点5-4-2水下机器人的应用05项目五未来海洋环境监测技术2、水下机器人在海洋领域的应用海洋监测和保护：水下机器人可以用于海洋环境和生态监测领域。它们可以监测海洋污染、海底生态变化等情况，为环境保护和资源利用提供科学依据。同时，水下机器人还可以为生态修复、海洋渔业等领域提供技术支持和保障。水下作业：水下机器人可以用于水下作业领域，包括海底管道检测、海上风电场维护、水下考古和探险等。它们可以搭载各种工具和设备，完成各种复杂的水下作业任务，提高作业效率和安全性。2、水下机器人在海洋领域的应用海洋勘探：水下机器人可以用于海洋地质勘探、海底资源调查等领域。它们可以搭载各种传感器和设备，对海底地形、地质构造、矿产资源等进行高精度探测和分析，为人类深入了解海洋资源和环境提供重要信息。海洋科考：水下机器人可以用于海洋科学研究领域。它们可以潜入水下，观察和记录海洋生物、海洋现象和过程，为科学家提供大量宝贵的数据和信息。同时，水下机器人还可以为海洋工程、海洋环保等领域的科学研究提供技术支持和保障。3、水下机器人在深海探测中的应用深海是地球上最为神秘和未被完全探索的领域之一。水下机器人可以携带各种传感器和设备对深海环境进行全面的监测和数据采集，通过高分辨率的成像技术捕捉深海生物群落、海底地貌和地热活动等关键信息，使科学家能够更深入地了解深海的生物、地理和地质特征。3、水下机器人在深海探测中的应用深海蕴藏着丰富的矿产资源、石油和天然气等能源资源。然而，深海环境的高压、低温和恶劣条件对人类的探测和开发构成了巨大挑战。水下机器人可以代替人类进行深海矿产勘探、石油钻探和海底管道敷设等任务，不仅提高了工作效率，减少了人身安全风险，还减少了对环境的干扰。随着人类活动的增加，海洋环境面临着日益严重的污染和生态破坏，水下机器人可以用于监测海洋污染物、监测温度、盐度、pH值等关键指标，帮助科学家及时发现和解决环境问题，还可以进行海底垃圾清理、珊瑚礁保护和海洋生态系统的监测与修复工作，为海洋环境的可持续发展做出贡献。3、水下机器人在深海探测中的应用深海蕴藏着无数珍贵的考古遗迹和文化遗产，然而，深海环境的特殊性和保护需求使得人类难以直接进行考古和保护工作。水下机器人可以通过高清晰度成像和精确操作，在深海中搜寻并记录历史悠久的沉船、遗址和文物，不仅有助于历史研究和文化保护工作，还能够激发公众对深海文化遗产的兴趣和保护意识。地震、海啸和飓风等自然灾害常常给海洋沿岸地区带来巨大的破坏和人员伤亡，水下机器人可以在灾害发生后迅速部署，通过搜寻和救援行动，帮助寻找被困的人员、评估灾害损失和监测灾后环境。水下机器人的自主导航和救援能力使得救援行动更加高效和安全，有助于减少人员伤亡和损失。知识点5-5-1国外海底观测网系统建设现状（上）05项目五未来海洋环境监测技术传统的海洋观测主要是以调查船、潜浮标为主的海基观测或以卫星遥感、航空观测为基础的天基观测。由于海洋环境的复杂性和独特性，已有海洋观测数据存在的短暂、不连续等问题一直制约着海洋科学的发展。源自冷战时期美国海军水声监视系统的海底观测网是人类建立的第三种海洋科学观测平台。在现代传感器、水下机器人、海底光纤电缆、物联网、大数据等新型技术的推动下，海底观测网融合物理海洋、海洋化学、海洋地球物理、海洋生态等学科，解决深海、极端环境下高分辨率和实时获取海洋观测数据的技术难题，可以深入到海洋内部观测和认识海洋，实现从海底到海面全天候、长期、连续、综合、实时、原位观测。参考文献[1]李风华,路艳国,王海斌等.海底观测网的研究进展与发展趋势[J].中国科学院院刊,2019,34(03):321-330.DOI:10.16418/j.issn.1000-3045.2019.03.010[2]吕枫,翦知湣.海底观测网技术研究与应用进展[J].前瞻科技,2022,1(02):79-91.1.1美国海底观测网1海底观测网系统建设现状美国国家科学基金会在2016年宣布，历时10年、耗资3.86亿美元的“海洋观测网”（OOI）计划正式启动运行。OOI是一个长期的科学观测系统，由区域网（RSN）、近岸网（CSN）和全球网（GSN）三大部分构成（图1）。850个观测仪器分布式布放在大西洋和太平洋的观测系统中，包括1个由880km海缆连接7个海底主节点（每个节点可提供8kW能量和10Gb带宽双向通讯）的区域观测系统、2个近岸观测阵列以及4个全球观测阵列（由锚系、深海实验平台和移动观测平台构成）。1海底观测网系统建设现状1.1美国海底观测网1海底观测网系统建设现状OOI系统实现海洋的观测范围从陆地延伸到深海，从海底到海面的全方位立体观测；实现从厘米级到百公里级，从秒级到年代级尺度过程的系统测量。OOI观测数据有效推动了海洋科学研究的进步，提升科学家对海洋科学的认识；同时，一系列海洋观测数据可视化与视频推广也提高了公众对海洋的认识。1.2加拿大海底观测网加拿大海底观测网（ONC）是由东北太平洋的NEPTUECanada观测网（2009年建成）和VENUS海底实验站（2006年建成）在2013年合并组建而成（图2）。目前，ONC由维多利亚大学负责运营和管理。ONC的战略目标是：①满足日益增长的用户需求；②提供可靠的海洋观测技术与设备；③通过商业化运作和新技术研发，推动海洋观测技术不断革新。NEPTUNECanada观测网由5个海底主节点（单个节点具有10kW供电能力和2.5Gb带宽数据传输能力）构成的800km环形主干网络，覆盖了离岸300km范围内从20—2660m不同水深的典型海洋环境。1.2加拿大海底观测网1.2加拿大海底观测网ONC主要利用海底光电缆构建的具备观测和数据采集、能源供给和数据传输、交互式远程控制、数据管理和分析等功能的软硬件集成系统，实现对不同深度的海底、地壳板块运动、生态环境变化、海洋生物群落长期、实时、连续观测，并可通过互联网进行实时直播。ONC不仅为加拿大和世界各地的科研人员提供创新型研究平台，同时在诸如海洋和气候变化、地震和海啸、海洋污染、港口安全和海上运输、资源开发、国家主权与安全、海洋技术创新等方面发挥了重要作用。知识点5-5-2国外海底观测网系统建设现状（下）05项目五未来海洋环境监测技术1.3欧洲海底观测网络欧洲海底观测系统全称为欧洲多学科海底及水体观测系统（EuropeanMultidisciplinarySeafloorandWater-ColumnObservatory，EMSO)，是一个分布在欧洲的大范围、分散式科研观测设施（图3）。EMSO由一系列具有特定科学目标的海底及水体观测设施组成，主要用来实时、长期观测海洋岩石圈、生物圈、水圈的环境过程及其相互关系，服务于自然灾害、气候变化和海洋生态系统等研究领域。EMSO由欧洲13个成员国共同承担，网络节点部署覆盖欧洲主要水域——从北冰洋穿过大西洋和地中海，一直到黑海，包含11个深海节点和4个浅海试验节点。1.3欧洲海底观测网络1.3欧洲海底观测网络从技术角度来看，EMSO最引人注目的特色是对海洋多学科、多目标、多时空尺度的观测研究。观测目标从海底、底栖生物、水柱和海洋表面。根据应用需求，海底原位观测设备和仪器通过连接光电复合缆，实现为海底仪器设备、固定观测平台和移动观测平台持续供电。目前，EMSO受限于经费、环境许可等因素的影响，项目尚未全部完成，但部分测试点已在运行过程中，并获得了大量科研数据。1.4日本海底观测网络DONET系统（地震和海啸海底观测密集网络）通过以15—20km为间隔布设的22个密集观测点和以有线方式连接的部分综合大洋钻探计划（IODP）海底钻孔观测点，实现了观测数据的实时上传；DONET2系统由450km光电复合缆、2个登陆站，7个科学节点和29个观测平台组成（图4）。这两个系统覆盖了从近岸到海沟的广大海域，为日本南边海域的地震和海啸提供了海底预警装置，实现对日本东部海域地震情况的高精度、宽频带实时监测，并且和综合大洋钻探计划（IODP）相结合，为研究板块俯冲带的地震机制提供科学设施。1.4日本海底观测网络1.4日本海底观测网络2015年建成的S-net观测网（日本海沟海底地震海啸观测网）沿日本海沟布设，缆线总长5700km，覆盖了从海岸到海沟总计250000km2的广大区域（图5）。该网由6个系统组成，每个系统包括800km缆线和25个观测站，观测站之间南北相距约50km，东西相距约30km，做到每个里氏（M）7.5级的地震源区有1个观测站。1.4日本海底观测网络以日本学者为主体的研究团队基于观测网数据开展了扎实的研究工作，通过对海底信号长期监测结果的研究分析，揭示了日本南部海槽板块构造的次级结构及其运动规律，暗示了孕震机制的新线索，推动了区域精细结构和地震机制的科学研究。通过对监测数据的数值模拟研究揭示出海底水压变化与海啸波高的关联，提高了海啸预警的实效性和精确度，使地震预警有望提前30s，海啸预警提前20min。知识点5-5-3我国海底观测网系统建设现状05项目五未来海洋环境监测技术1.5我国海底观测网技术发展近十几年来，我国在国家“863”等计划和地方科技计划的推动下，开展了海底观测网关键技术和观测网试验系统相关研究，为我国海底长期观测网的建设提供了重要的技术储备和经验积累。“十一五”期间，在科技部“863”计划的资助下，同济大学等高校承担了“海底长期观测网络试验节点关键技术”项目，研制完成的科学观测节点在美国蒙特里加速研究系统（MARS）系统开展了半年的海试。1.5我国海底观测网技术发展“十二五”期间，中国科学院南海海洋研究所、中国科学院声学研究所、中国科学院沈阳自动化研究所联合研制的“南海海底观测实验示范网”在海南三亚海域建设完成。三亚海底观测示范系统由岸基站、海底光电缆（2km）、水下节点（直流10kV）、3套观测设备、含声学网关在内的4个观测节点构成，接驳盒布放水深20m。系统研制过程中在高压直流输配电技术、水下可插拔连接器应用技术、网络传输与信息融合技术、稳健的网络协议、水声通信网与主干网协同机制等方面取得了重要突破。1.5我国海底观测网技术发展“十二五”期间，在科技部“863”计划的支持下，2012年正式启动重大项目“海底观测网试验系统”。南海深海海底观测网试验系统以海南为岸基站，通过150km海底光电复合缆连接的多套海洋化学、地球物理和海底动力观测平台布放在水深1800m处（图6）。该系统自2016年9月建成运行以来，获取了近9TB的海底视频、地球物理、海底动力及深海化学数据。系统运行以来观测到国际上多个地震信息，获取了相关海域温、盐、流的年度变化、地磁、硫酸根离子浓度以及深海生物视频。1.5我国海底观测网技术发展1.5我国海底观测网技术发展南海深海海底观测网试验系统的建成，实现了观测网关键核心技术的自主可控，攻克了海底观测网总体技术、制定了我国首个海底观测网技术规范，突破了水下高电压（10kV级）远程供电与通信（千兆级带宽）、大深度高精度（亚米级）定位布放与回收、深水高电压（10kV级）光电复合缆、深水遥控无人潜水器（ROV）水下湿插拔作业、新型传感器（激光拉曼光谱仪、微颗粒流速仪）等多项关键技术，国产化率达到了90%。东海浅海海底观测网以舟山为岸基站，布设33km海底光电复合缆，实现海洋化学、物理海洋学、地球物理等多参数指标的原位、实时和高分辨率监测，积累了适用于东海宽陆架、高混浊、通航密度大等海区特点环境下的海底观测网布设工程以及海底海面设施安全防护的成熟技术与经验。知识点5-5-4海底观测网的系统结构05项目五未来海洋环境监测技术2、海底观测网的系统结构海底观测网主要包括岸基站、海底供电系统、海底通信系统和仪器设备，具有供电、通信、监控和授时4大基础功能。供电和通信两大系统将陆上岸基站和海底观测设备连接起来，构成海陆之间双向高速的“数据传送带”和持续的“能量传输带”，紧密耦合在海底主基站（主接驳盒）、海底设备适配器（SIIM，次接驳盒）、光电复合通信海缆、海底中继器和分支器等物理载体中。海底观测网的典型结构如图7所示。大规模海底广域观测网通常超过500km，具有多个海底主基站、海底中继器和分支器；150km以内的小规模海底观测网一般采用无中继通信系统。2、海底观测网的系统结构图7海底观测网的典型结构2、海底观测网的系统结构海底观测网岸基站是陆地基础设施与海底基础设施之间的枢纽。岸基站通常有两路独立的电力输入、后备发电机组和不间断电源提供可靠供电，安装有高压馈电设备（PFE）、光通信端站设备（SLTE）、海底线路监视器（SLM）、精确授时设备、数据缓存服务器、电能监控程序（PMACS）和网络管理程序（NMS）等软硬件。海底观测网采用跨洋通信系统中广泛应用的标准海缆，其在25年使用寿命内的安全耐电压典型值为DC10kV，具有多种铠装保护结构。海底观测网通常采用单极直流输电，其岸基站、海底主基站和分支器安装接地/海电极，通过海水形成供电回路，而海底中继器则用于放大光信号。2、海底观测网的系统结构海底主基站是海底观测网中最核心、最复杂的组网装备，负责接入若干海底观测平台，实现高压直流电能降压变换和分配、高速光电信号转换传送、数据汇聚交换和时间同步，监控所有内部和外部负载的运行状态，通过故障诊断和隔离实现自动保护。目前典型海底主基站的最高工作电压为10kV、最大处理功率为10kW，线路侧总通信带宽为10Gb/s，具备8个海底设备适配器接口。海底主基站一般布放在沉积和冲刷缓慢、平坦稳定的地质结构上。知识点5-5-5海底观测网的关键技术与展望（上）05项目五未来海洋环境监测技术3.1海底供电系统3、海底观测网的关键技术海底供电系统是海底观测网设计的关键，主要有直流恒压和直流恒流2种馈电模式。核心电力装置主要是岸基站PFE、海底主基站的高压变换器、海底分支器的电切换模块、海底中继器和分支器的供电模块。与小功率、封闭型的跨洋通信系统等专用海底网不同，海底观测网需接入尽可能多的各类仪器设备，需要采用大空间尺度的电力电子化高压直流供电系统，实现高压直流电能变换和故障直流电流断路。由于海缆对地电容大，因此海底观测网不适合采用交流输电。3.1海底供电系统3、海底观测网的关键技术目前海底供电系统常用的简单拓扑为链式和两端供电式。其中，链式为无备用结线，两端供电式为有备用结线。国际上综合性中大功率的海底观测网及试验网均优选直流恒压馈电，个别小功率的地震海啸观测网和试验网采用直流恒流馈电。在恒压馈电模式中，PFE输出为可调恒定电压，海底供电系统采用单极负高压直流输电，海底主基站、中继器和分支器适应宽电压、大电流输入，海底主基站通过接海阴极与岸滩接海阳极构成海水供电回路。在恒流馈电模式中，PFE输出为恒定电流，海底供电系统一般采用双端供电，海底主基站、中继器和分支器采用串联方式以恒定电流取电。3.2海底通信系统3、海底观测网的关键技术海底观测网高速双向数据传输主要采用陆地传送网、接入网和跨洋通信等成熟技术。对于多节点海底广域观测网，海底通信系统采用有中继波分复用系统（DWDM或CWDM），每个海底主基站与岸基站之间通过不同的光信号波长来传输数据。3.2海底通信系统3、海