海洋在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò))
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(jié)合自動控制技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)以及專用分析軟件和信息通訊網(wǎng)絡(luò)組成的可以實時自動獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并自動遠程傳輸至應(yīng)用終端，通過專用軟件可自動實現(xiàn)生態(tài)預(yù)警和信息產(chǎn)品制作，服務(wù)于海洋生態(tài)預(yù)警和管理的技術(shù)手段。
本文從綜合性觀監(jiān)測系統(tǒng)、在線監(jiān)測平臺、在線監(jiān)測傳感器/分析儀器不同層次，深入分析了國內(nèi)外生態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)國內(nèi)生態(tài)監(jiān)測存在的問題，并提出了相應(yīng)的工作建議，推進生態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)化工作的開展。
一、國內(nèi)外海洋綜合觀監(jiān)測系統(tǒng)
⒈國外綜合觀監(jiān)測系統(tǒng)
目前世界各國紛紛建立了區(qū)域或全球性的海洋觀測系統(tǒng)，包括海洋站(岸基、平臺、海島)、浮標(biāo)、船舶、海底觀測、衛(wèi)星遙感等。代表性系統(tǒng)有歐洲海底觀測網(wǎng)(ESONET)、歐盟FerryBox計劃、挪威羅佛敦?韋斯特海洋觀測系統(tǒng)、美國綜合海洋觀測系統(tǒng)(IOOS)、美國大洋觀測計劃(OOI)、加拿大海王星(NEPTUNE)、澳大利亞綜合海洋觀測系統(tǒng)(IMOS)、美國夏威夷海纜觀測網(wǎng)(ACO)等，具體信息見表1。其中美國的IOOS系統(tǒng)和澳大利亞的IMOS系統(tǒng)均屬于全球海洋觀測系統(tǒng)(GOOS)的區(qū)域聯(lián)盟，進入業(yè)務(wù)化運行。綜合分析各系統(tǒng)服務(wù)功能、技術(shù)手段、觀測要素、運行維護方式等，總結(jié)如下。
表1 世界主要海洋觀測系統(tǒng)統(tǒng)計表
①國外觀測系統(tǒng)一般為綜合觀監(jiān)測系統(tǒng)，涉及物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)等多個學(xué)科。國外業(yè)務(wù)化或用于科研的觀測系統(tǒng)對生態(tài)問題都比較關(guān)注，生態(tài)傳感器主要通過搭載在各觀測系統(tǒng)中實現(xiàn)長期監(jiān)測，獨立的生態(tài)監(jiān)測站點或系統(tǒng)相對較少。如加拿大的NEPTUNE主要開展3個領(lǐng)域的研究：一是板塊構(gòu)造運動研究，主要用于地震預(yù)測、海嘯預(yù)警及其所產(chǎn)生的影響;二是研究海洋對氣候的影響，揭示氣候變化的反應(yīng)及其對生物變化的影響;三是深海生態(tài)系統(tǒng)研究，主要觀察深海中的生物群落、能量和營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)途徑以及生態(tài)系統(tǒng)在自然環(huán)境發(fā)生變化時的響應(yīng)，通過傳感器監(jiān)測各類生態(tài)和動力參數(shù)的變化，加強對深海生態(tài)學(xué)的研究。美國的OOI是一個先進的綜合科學(xué)平臺和傳感器系統(tǒng)，可測量大西洋和太平洋沿海及開闊海域從海底到海平面的物理、化學(xué)、地質(zhì)和生物的特性與過程。該設(shè)施旨在解決有關(guān)地球?海洋系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，包括氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)變化、海洋酸化、板塊地震活動和海底火山以及碳循環(huán)等。OOI目前包括83個實驗平臺，共加載830多個設(shè)備，觀監(jiān)測設(shè)備涵蓋從基礎(chǔ)的鹽度傳感器到復(fù)雜的水下滑翔機，用來觀測海底至海表的物理、化學(xué)、地質(zhì)和生物過程，其中生態(tài)監(jiān)測參數(shù)包括溶解氧、PH、硝酸鹽、二氧化碳、生物識別、深海溶解氣體、深海熱泉氣體等。
②圍繞不同典型生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)問題，國外開展了不同的專題監(jiān)測，如美國河口生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、澳大利亞海洋科學(xué)研究所大堡礁監(jiān)測、全球海洋酸化監(jiān)測等，普遍采用人工監(jiān)測為主，結(jié)合在線監(jiān)測的方式。美國國家河口研究系統(tǒng)(NERRS)隸屬于國家海洋和大氣管理局(NOAA)，負責(zé)對全國29個河口生態(tài)系統(tǒng)進行長期監(jiān)測，NERRS采用的在線監(jiān)測手段主要為定點水質(zhì)監(jiān)測站和生態(tài)浮標(biāo)，搭載的在線監(jiān)測設(shè)備有YSI公司EXO2和YSI6600V2多參數(shù)儀，監(jiān)測要素包括水溫、電導(dǎo)率、溶解氧、壓力、PH、濁度、葉綠素a等，其他營養(yǎng)鹽等參數(shù)采用人工監(jiān)測。澳大利亞海洋科學(xué)研究所(AIMS)針對大堡礁海域珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)展開了長達30余年的連續(xù)監(jiān)測，以掌握其變化趨勢，在珊瑚礁變化監(jiān)測中，對珊瑚礁及其周邊生物體監(jiān)測采用人工潛水調(diào)查、視頻圖像分析和遙感監(jiān)測方法，對珊瑚礁底質(zhì)和水質(zhì)狀況采用人工監(jiān)測。同時，AIMS采用浮標(biāo)搭載哈希WQM多參數(shù)水質(zhì)儀實現(xiàn)大堡礁附近海域海水溫度、鹽度、PH、溶解氧、濁度、葉綠素等生態(tài)環(huán)境要素的實時監(jiān)測，為大堡礁海域水質(zhì)的長期狀況和趨勢監(jiān)測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
⒉國內(nèi)觀監(jiān)測系統(tǒng)
近年來，我國涉海相關(guān)部門積極開展了海洋環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和業(yè)務(wù)化運行工作。目前業(yè)務(wù)化運行的海洋生態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要采用岸基站和浮標(biāo)兩種手段，主要針對河流入海污染和有明確污染源的入海排污口監(jiān)測，部分服務(wù)于生態(tài)災(zāi)害監(jiān)測或基礎(chǔ)環(huán)境監(jiān)測。岸基生態(tài)監(jiān)測站監(jiān)測要素包括水溫、鹽度、溶解氧、PH、濁度、葉綠素、磷酸鹽、氨氮、總磷、總氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、COD等，部分站點加裝了水文、氣象觀測設(shè)備，主要為流速、流量等水文參數(shù)，個別站點包括風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、氣溫、相對濕度、氣壓等參數(shù)。所有生態(tài)監(jiān)測浮標(biāo)均為綜合浮標(biāo)，集成水文、氣象、生態(tài)參數(shù)，具體參數(shù)因監(jiān)測目標(biāo)不同，指標(biāo)略有不同。主要包括氣溫、氣壓、濕度、水溫、水深、流速、PH、溶解氧、電導(dǎo)率、鹽度、濁度、葉綠素a、化學(xué)需氧量、氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、磷酸鹽、總氮、總磷等。
沿海部分省市也陸續(xù)開展了針對海洋生態(tài)環(huán)境的在線監(jiān)測工作，具有代表性的有廈門、深圳、浙江、廣西等省市自治區(qū)，均先后建設(shè)了近岸海洋生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要采用浮標(biāo)的形式，在地方海洋環(huán)境狀況及海洋環(huán)境災(zāi)害預(yù)警預(yù)報、應(yīng)對海洋突發(fā)事故中均發(fā)揮了作用。另外各海洋機構(gòu)開展了浮標(biāo)、岸基站、船載、坐底式等綜合性觀監(jiān)測系統(tǒng)的試點，主要針對赤潮等災(zāi)害監(jiān)測或珊瑚礁等典型生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測，但僅處于示范應(yīng)用階段。因此嚴(yán)格來講，我國目前尚未形成完善的綜合性觀監(jiān)測系統(tǒng)，在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用尚處于起步階段。
二、在線監(jiān)測平臺
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(biāo)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。
⒈岸基監(jiān)測系統(tǒng)
岸基監(jiān)測系統(tǒng)主要由在線監(jiān)測傳感器/分析儀器、數(shù)據(jù)采集控制器、水樣采集分配、通信、供電和輔助設(shè)備組成，實現(xiàn)對海水的自動采樣分配、監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。
岸基監(jiān)測系統(tǒng)相對比較成熟，國外代表產(chǎn)品有美國水質(zhì)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(shù)，還可同時測量多個水質(zhì)參數(shù)，同時亦可用于船載測量。
目前國內(nèi)已經(jīng)建成多套岸基在線監(jiān)測系統(tǒng)，其中部分站點已實現(xiàn)數(shù)據(jù)入網(wǎng)，供應(yīng)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(shè)備大部分為進口設(shè)備，系統(tǒng)整體國產(chǎn)化率偏低，僅少數(shù)站點全部采用國產(chǎn)設(shè)備，如國家海洋技術(shù)中心建設(shè)的天津北塘綜合觀測站、北海局建設(shè)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(yīng)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(shè)施(水、電)等協(xié)調(diào)難度大。
⒉浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)
浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)是一種長期、連續(xù)、在線監(jiān)測目標(biāo)海域狀態(tài)的錨泊監(jiān)測系統(tǒng)，也是國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的集成監(jiān)測平臺。目前有只針對水質(zhì)參數(shù)的水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)，也有監(jiān)測包括水文、氣象和水質(zhì)參數(shù)的綜合浮標(biāo)。
經(jīng)過多年的技術(shù)進步與應(yīng)用，國外海洋浮標(biāo)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，浮標(biāo)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(yīng)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(biāo)和小型化浮標(biāo)。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(biāo)監(jiān)測網(wǎng)，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(biāo)網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理和全球共享，服務(wù)海洋環(huán)境變化監(jiān)測、促進海洋經(jīng)濟開發(fā)、減少海洋災(zāi)害。
我國已基本形成了由大型浮標(biāo)、中型浮標(biāo)、小型浮標(biāo)組成的系列化在線生態(tài)環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)產(chǎn)品，在生態(tài)災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測、典型生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和生態(tài)修復(fù)跟蹤監(jiān)測中廣泛應(yīng)用，具備了自主浮標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計的能力，浮標(biāo)可靠性穩(wěn)定性水平達到或接近國際先進技術(shù)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(zhì)參數(shù)以及氣溫、空氣濕度、氣壓、雨量等氣象參數(shù)和波浪、海流等水文參數(shù)，其他生態(tài)參數(shù)受技術(shù)現(xiàn)狀限制，在浮標(biāo)上應(yīng)用較少，搭載的傳感器主要為進口傳感器。浮標(biāo)國內(nèi)供應(yīng)商主要有國家海洋技術(shù)中心、山東省科學(xué)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(shù)有限公司、深圳市朗誠科技股份有限公司等。
浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)其優(yōu)勢是觀測站位設(shè)置靈活、適用觀測范圍廣(近、遠海)等，缺點是現(xiàn)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(shù)略少。
⒊船載在線監(jiān)測系統(tǒng)
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(diào)查船和商業(yè)船上走航測量，亦可實現(xiàn)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(chǎn))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(diào)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(shù)。FerryBox系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)在歐洲環(huán)境監(jiān)測和科學(xué)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(zhì)模型的建立提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，揭示水團性質(zhì)的變化，并利用模型進行環(huán)境預(yù)測等。通過連續(xù)監(jiān)測記錄波羅的海藍綠藻災(zāi)害的發(fā)生或早期預(yù)警，建立了營養(yǎng)鹽濃度與赤潮的關(guān)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(guān)系，理順了跨國界營養(yǎng)化和浮游植物生產(chǎn)力的相互關(guān)系。在世界上其他國家如美國、加拿大、日本和澳大利亞，F(xiàn)erryBox系統(tǒng)也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。
目前國內(nèi)船載系統(tǒng)的研究和應(yīng)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(shè)了船載集成監(jiān)測系統(tǒng)，用于渤海生態(tài)環(huán)境的預(yù)警監(jiān)測和東海赤潮災(zāi)害的預(yù)警監(jiān)測，系統(tǒng)搭載了多套傳感器和分析設(shè)備，實現(xiàn)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(shù)的走航監(jiān)測。
國家海洋技術(shù)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(nèi)大神堂海域開展了多次走航式監(jiān)測，實現(xiàn)常態(tài)化實時的海洋大范圍監(jiān)測，結(jié)合浮標(biāo)定點監(jiān)測數(shù)據(jù)，為紅線區(qū)預(yù)警監(jiān)測和監(jiān)管提供了數(shù)據(jù)支撐，同時提升了該區(qū)域的應(yīng)急監(jiān)測能力。中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所等科研機構(gòu)應(yīng)用FerryBox系統(tǒng)開展了渤海海峽表層海水水質(zhì)及溢油監(jiān)測，分析了該海區(qū)的溢油與水質(zhì)的時空動態(tài)變化。目前國內(nèi)科考船如“嘉庚號”、“雪龍?zhí)?rdquo;、“向陽紅03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(shù)多，尤其適用于災(zāi)害或突發(fā)事故的應(yīng)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(diào)問題難度較大。該系統(tǒng)可作為岸基站監(jiān)測和浮標(biāo)監(jiān)測手段的補充，提高整體預(yù)警監(jiān)測能力。
⒋海底監(jiān)測系統(tǒng)
海底監(jiān)測系統(tǒng)是采用坐底式有纜/無纜設(shè)計，集成水文、生態(tài)、視頻等設(shè)備，實現(xiàn)對各要素的監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸，水下視頻信號的獲取、存儲、傳輸?shù)?。國外海底監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用案例較多，代表有歐洲海底觀測網(wǎng)(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(xué)、動力學(xué)、熱液噴發(fā)、深海生態(tài)學(xué)等科學(xué)問題的研究。
國內(nèi)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(xué)于2009年在東海小衢山建立了國內(nèi)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(shè)備、二氧化碳傳感器等信息收集設(shè)備及傳感器;浙江大學(xué)2014年建成了摘箬山海底觀測網(wǎng)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(xué)院聲學(xué)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(xué)觀測網(wǎng)項目獲得國家發(fā)改委支持，我國海底觀測網(wǎng)開啟全面集中建設(shè)階段，搭載的傳感器主要為進口設(shè)備。
國家海洋技術(shù)中心研制的坐底式在線監(jiān)測平臺已應(yīng)用在南海珊瑚礁業(yè)務(wù)化監(jiān)測中;技術(shù)中心還研發(fā)了基于海底環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用，集成的傳感器均為國產(chǎn)自主研發(fā)，測量參數(shù)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(xué)開發(fā)的有纜坐底式在線監(jiān)測系統(tǒng)成功應(yīng)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(yīng)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。
⒌移動監(jiān)測系統(tǒng)
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(ROT V)和載人潛水器(HOV)等。
移動式監(jiān)測平臺可以集成視頻設(shè)備、水質(zhì)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(diào)查船不定期開展大范圍的監(jiān)視監(jiān)測，也可應(yīng)用于災(zāi)害或突發(fā)事故的應(yīng)急監(jiān)測，但目前處于探索和示范應(yīng)用階段。英國普利茅斯大學(xué)研發(fā)的“SPRINGER”號雙體無人船，可搭載溫度、深度、電導(dǎo)率、溶解氧、PH、氯化物、濁度、葉綠素等要素進行水質(zhì)監(jiān)測。比利時佛蘭德斯海洋研究所(VLZ)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(yīng)用。
中國科學(xué)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(zāi)救援和水質(zhì)采樣等方面進行了應(yīng)用。珠海云州智能科技有限公司研制了“領(lǐng)航者”號海洋高速無人船、“極行者”號海洋探測無人船、“聽風(fēng)者”號灘淺海探測無人船等多款產(chǎn)品，已在海洋生態(tài)保護、海洋調(diào)查、安防救援等方面進行了應(yīng)用。國家海洋技術(shù)中心研制的復(fù)合能源無人艇，具有復(fù)合動力、高速航行、長時巡航、目標(biāo)巡視等功能，可搭載相關(guān)傳感器應(yīng)用于海上目標(biāo)快速巡視和水質(zhì)監(jiān)測等。
目前，海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)朝著模塊化、集成化、網(wǎng)絡(luò)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。
三、在線監(jiān)測傳感器/分析儀器
穩(wěn)定可靠的在線監(jiān)測傳感器/分析儀器是實現(xiàn)海洋生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測的關(guān)鍵。世界先進海洋國家從上世紀(jì)70年代開始發(fā)展海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)裝備。目前全球領(lǐng)先的海洋生態(tài)監(jiān)測裝備研發(fā)和生產(chǎn)機構(gòu)分布于美國、英國、德國、意大利、加拿大、挪威、日本等國家，出現(xiàn)了一批領(lǐng)先的裝備機構(gòu)(如美國哈希Hach、海鳥Seabird等)和產(chǎn)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(shù)水質(zhì)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(gòu)。
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(shù)取得巨大進展，雖然在線監(jiān)測技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)，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(shù)生態(tài)化學(xué)要素監(jiān)測設(shè)備逐步得到推廣應(yīng)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(chǎn)儀器尚未得到有效和充分的利用。
國內(nèi)主要研發(fā)和生產(chǎn)機構(gòu)有：國家海洋技術(shù)中心、山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所、河北科技大學(xué)、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(xué)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(yīng)用在海洋環(huán)境監(jiān)測中的在線監(jiān)測設(shè)備其原理涉及化學(xué)、光學(xué)和生物學(xué)等不同學(xué)科，監(jiān)測參數(shù)包括常規(guī)水質(zhì)參數(shù)、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(shù)，基本涵蓋了海洋水質(zhì)監(jiān)測的相關(guān)要素。由于測量方法和需求的不同，這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用處于不同的層次和階段。
①常規(guī)水質(zhì)參數(shù)主要包括水溫、鹽度、PH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、葉綠素等，這些參數(shù)是海洋生態(tài)保護的基礎(chǔ)測量參數(shù)。其傳感器技術(shù)比較成熟，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高，目前已廣泛應(yīng)用于浮標(biāo)、岸基站、及坐底式平臺的業(yè)務(wù)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(yīng)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(zhǔn)以保證其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
②海水中營養(yǎng)鹽物質(zhì)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(xué)法。其中營養(yǎng)鹽監(jiān)測技術(shù)較成熟，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，其在線監(jiān)測儀器集成現(xiàn)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(yīng)用，通過定期進行試劑更換、定標(biāo)等維護可保障儀器長期可靠運行;濕化學(xué)法的營養(yǎng)鹽水下原位監(jiān)測設(shè)備，其可靠性尚需進一步提高;紫外法硝酸鹽傳感器技術(shù)發(fā)展迅速，測量準(zhǔn)確度較高，可應(yīng)用于浮標(biāo)、海底、岸基站等進行長期原位監(jiān)測?？偭卓偟诰€監(jiān)測儀器已在部分岸基站得到試點應(yīng)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(zhì)有機污染物的綜合指標(biāo)，目前，三個指標(biāo)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(yīng)用，但可靠性、穩(wěn)定性等尚需進一步優(yōu)化改進提高。光學(xué)法測量有機污染物(COD、TOC等)的傳感器，在海洋現(xiàn)場應(yīng)用較少，尚需進一步試驗研究確定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(zhǔn)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(yù)警和趨勢預(yù)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(yīng)用。
⑤重金屬及生物傳感器技術(shù)尚不成熟，市場上可見的在線監(jiān)測設(shè)備集中在少量儀器廠家，設(shè)備的應(yīng)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(shè)備。
總體上看，目前國內(nèi)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(shè)備(水溫、鹽度、PH、溶解氧、濁度、葉綠素、營養(yǎng)鹽等)經(jīng)過多年的海洋現(xiàn)場驗證，其測量準(zhǔn)確度、設(shè)備可靠性和環(huán)境適應(yīng)性可滿足當(dāng)前生態(tài)預(yù)警監(jiān)測的需求;其余監(jiān)測設(shè)備其現(xiàn)場長期運行可靠性、穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等仍需進一步提高完善和現(xiàn)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(xué)監(jiān)測技術(shù)為基礎(chǔ)的多種參數(shù)的測量方法研究成為熱點。
四、存在問題和發(fā)展建議
綜上所述，海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)已在全球范圍內(nèi)多個海洋立體觀測體系中得應(yīng)用，所支持的技術(shù)包括岸基站、浮標(biāo)、水下剖面、海底觀測網(wǎng)絡(luò)和科學(xué)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(shù)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(shè)積累了一定的寶貴經(jīng)驗。但總體來說，我國海洋生態(tài)在線監(jiān)測體系的建設(shè)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?、浮標(biāo)等構(gòu)建的我國海洋環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)，主要對水溫、鹽度、風(fēng)速和風(fēng)向等水文氣象要素進行觀測，缺乏對其他生態(tài)參數(shù)的監(jiān)測，無法滿足日益提高的海洋防災(zāi)減災(zāi)和生態(tài)環(huán)境保護要求。
②設(shè)備缺少必要的測試評估，生態(tài)在線監(jiān)測設(shè)備布放于海洋現(xiàn)場后表現(xiàn)良莠不齊，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)缺少標(biāo)準(zhǔn)支撐，數(shù)據(jù)應(yīng)用率低，無法進行業(yè)務(wù)化應(yīng)用。
③我國海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)創(chuàng)新能力不強，主要設(shè)備依賴進口，運維管理難度大，技術(shù)成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化率不高，尚不能滿足當(dāng)前生態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)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(yīng)用，以“需求導(dǎo)向、立足生態(tài)”為原則，綜合考慮任務(wù)需求和技術(shù)現(xiàn)狀，在技術(shù)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(wǎng)絡(luò)。從總體上看，國際海洋觀測的目標(biāo)是建立全球聯(lián)網(wǎng)的立體觀測系統(tǒng)，目前已發(fā)展起包括衛(wèi)星遙感、浮標(biāo)陣列、海洋觀測站、水下剖面、海底有纜網(wǎng)絡(luò)和科學(xué)考察船的全球化觀測網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合我國海洋生態(tài)監(jiān)測需求，有針對性地在關(guān)鍵海區(qū)建立多參數(shù)長期、立體、實時監(jiān)測網(wǎng)，有效、連續(xù)地獲取和傳遞海洋長時間序列綜合參數(shù)。
②加強新技術(shù)研發(fā)，推進國產(chǎn)設(shè)備成果轉(zhuǎn)化。繼續(xù)加大生態(tài)在線監(jiān)測設(shè)備的支持和推廣力度，開展海洋在線監(jiān)測設(shè)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(chǔ)工藝等海洋監(jiān)測設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，從根本上解決“卡脖子”問題，以提高監(jiān)測設(shè)備國產(chǎn)化比例和形成國際研究影響力為重點，推進國產(chǎn)海洋監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)業(yè)化與應(yīng)用示范。
③建立和完善海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。目前海洋生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系還很不完善，應(yīng)統(tǒng)一海洋生態(tài)在線監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)格式、通訊方式、硬件接口等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立設(shè)備選型、運行維護、質(zhì)量控制、備品備件和日常管理的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高在線監(jiān)測設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，增加不同站點設(shè)備之間的互換性，逐步完善海洋生態(tài)在線監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)體系。
④開展在線監(jiān)測儀器設(shè)備測試檢驗和質(zhì)量評估。建立現(xiàn)場測試檢驗方法，對國內(nèi)外海洋生態(tài)監(jiān)測設(shè)備進行現(xiàn)場測試評估，考察監(jiān)測設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)符合性、接口規(guī)范性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，以及裝備在海洋現(xiàn)場的穩(wěn)定性、可靠性、維修性、海洋環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)，補齊海洋生態(tài)在線監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用的薄弱環(huán)節(jié)，為在線監(jiān)測設(shè)備業(yè)務(wù)化運行提供測試評估基礎(chǔ)。
