5 一、 与课题有关的国内外技术现状、 发展趋势以及该领域的国内外专利申请和授权情况 一、 与课题有关的国内外技术现状、 发展趋势以及该领域的国内外专利申请和授权情况 1.1 国内海洋监测现状和技术水平 我国的海洋监测技术由于缺乏高技术支撑和经费不足等原因而落后先 进国家 15-20 年。以南海为例，南海分局目前有海洋站 9 个，中心站 4 个， 其中验潮站 8 个，波浪站 5 个，开展潮汐、海浪、温、盐、气象等项目的 监测。1986 年开始布放海上浮标，曾建立过 2 个短波接收岸站。由于岸站 设备陈旧，自动化程度低，不能满足连续性、准确性和实时性的要求。加 以通讯网不符合海洋灾害预警通讯网的要求，无法进入 GTS，也达不到进 入 GOOS 的质量。 监测系统落后的设备和技术与本地区迅速发展的经济极不相称。 珠江是我国华南地区第一大河流， 全长 2214km， 流域面积 453690km2， 径流由八个口门出海。自虎门止香港、澳门之间呈喇叭型向海开放的河口 区，周边地区包括香港、广州、深圳、澳门、珠海 5 大城市和特别行政区， 是华南人口最集中、经济最活跃的地区。珠江河口及其毗邻区域的环境状 况对周边地区的居民健康和经济发展至关重要。水利部珠江水利委员会是 水利部的派出机构，其职能之一是对珠江流域（包括珠江口）的水资源保 护和水污染防治进行监督管理，并且组织开展规划、监测、实验以及科学 研究工作。自 1985 年以来，珠委对珠江河口 8 个入海口门的水质每年进行 6 次巡回监测，是对珠江八大口门进行长期系统监测和污染物入海通量计 算的唯一单位。但目前的监测周期长，偶然性大，难以满足水质监测的要 求。 珠委的有关业务部门于 80 年代中后期进行过自动水质监测系统研制工 作。因技术不过关而中断。本课题主要计划成果“系统集成技术和水质自 动监测系统” 将可以对珠江河口及邻近水域的水质进行连续、可靠的自动 采样、测验、发布和数据处理。 伶仃洋是华南最重要的国际航道，由交通部广州航道局管理维护。目 前的自动水位监测系统也亟需现代化。交通部广州航道局投资部已正式行 文表示支持 PEIOS 系统的研制。 6 1.2 国际海洋监测发展趋势、技术水平和运行机制 1978 年美国发射第一颗海洋卫星 SeaSat-1，标志著海洋观测进入了立 体监测时代。但卫星遥感有其明显的局限性（二维性、精度、分辨率和采 样频率低） 。对于近岸监测，地波雷达的应用在很大程度改善了对流、浪的 监测精度、分辨率和采样频率。但二维局限仍存在。当代海洋监测的总趋 势是从空中、水面、水下、沿岸对海洋的物理、气象、化学和生物指标进 行立体监测。各种手段优势互补，构成完整的立体监测系统。 GOOS 是立体监测构想的典型。全球海洋观测系统的提出并列入了 21 世纪议程 ，标志著海洋监测已成为全球性的行为及人类社会发展的 共同纲领。参加国已作出承诺，支持系统的建设。我国也将 GOOS 计划列 入 中国 21 世纪议程 。 目前参加的国家有 128 个。 已运行的系统有 IGOSS, GLOSS, XBT, TAO 和 DBCP。我国已参加筹建东北亚区域 GOOS (NEAR-GOOS)。要进入 GOOS 并从中受益，就必须在 GOOS 框架下发 展我国的海洋环境监测系统。 自 80 年代中起，一些发达国家已致力于将计算机软硬件技术、通讯与 信号处理、 全球定位技术和各类高性能传感器研制技术应用于开发多功能、 集成化、 智能化和网络化的海洋立体监测系统。 CBOS,C-MAN,SEAWATCH 和 MERMAID 是这一时期欧美具有近海环境监测系统的代表。 1.2.1 近岸海洋监测发展趋势 (Coastal GOOS) 美国将海洋监测重点放在发展近岸海洋环境监测系统的开发研制。 1994 年美国 11 位联邦机构、州政府代表、工业界和非政府组织成员经过 11 个月的努力工作后，提出了发展 US Coastal GOOS。其总体目标是促进 和鼓励建立一体化、基于遥感和快速现场采样方法的海岸水域监测运行系 统，以对海岸地区和资源进行可靠的估价、预测和管理。系统建立所围绕 的目标是：持续健康的海岸，减低自然灾害和安全航运。 CBOS (Chesapeake Bay Observing System)切萨皮克湾监测系统 CBOS 是专门为美国切萨皮克湾所研制的综合性河口自动立体监测系 统。 发展沿革 CBOS 开始于 1989 年，当时的目的是对海湾水体的物理7 运动进行长期的实时监测，通过 Internet 发布。时至今日， CBOS 已有 很大的发展，现以水质和生物指标的自动监测为重要项目。 监测系统 监测系统包括 3 个固定浮标系统和一个流动浮标。7 个 在线（on-line）实时水位计，两个自动气象站和一个位于湾口的卫星地面 站。水质和生物指标的自动监测也正在研制和测试中。历史数据和实时数 据可以通过国标互联网收取。 机构和运行机制 参与 CBOS 的研制和运行的单位很多，包括国 家和州政府的业务部门（如 NOAA, NOS）和大学（如马里蓝大学、宾州 大学等） 。 C-MAN (Coastal-Marine Automated Network) 系统 系统描述 C-MAN 是 NDBC (National Data Buoy Center) 在 80 年 代初开始建立的。目前，C-MAN 有 62 个观测站，建立在海岸和外滨平台。 还有 20 个监测台风的 WESTPAC 测站，建立在 Micronesia 远离陆地的海 岛。监测项目包括气象要素，但至今绝大部分测站不测量海流，这部分资 料由锚系浮标监测系统负责提供。C-MAN 发报连续实时资料。通过国标 互联网可随时获得所有站点的实时和历史资料。 运行机制 C-MAN 是由隶属 NOAA 的 NDBC 管理运行的。是联 邦政府的业务部门。资料有统一的规格，实时和历史数据均向公众开放。 MERMAID (Marine Environmental Remote-controlled Measuring and Integrated Detection) 系统描述 MERAID 是德国等国家发展的河口和近海地区的一体化 遥控监测系统。是 80 年代末尤里卡（EUREKA）计划 ERROMAR 项目的 产品。现有三个测站建立在易北河河口 （Elbe Estuary） 。目前处在研制和 示范阶段。 开发阶段 MERMAID 经过三个阶段的开发： 8 MERMAID Phase 1 （1989-1991）- 发展在海岸地区自动污染监测的 海洋固定站操作模型。 MERMAID Phase 2a （1991-1994）- 开发一个小的，但有未来系统 原型功能 （prototype function）的监测网络。 MERMAID Phase 2b （1994-1996）- 进行原型网络运行试验，所有 模块、组件和中心系统和周边监测设备系统的对话的质量检查。 运行机制 参与 MERMAID 的单位包括德国、法国、挪威和加拿 大等国家的许多公司和科研单位。 SEAWATCH EUROPE SEAWATCH EUROPE 是荷兰等主持的尤里卡计划（EUREKA）项目 EU453.OCN。为北海地区应用高技术研制和运行海洋环境实时监测和警视 系统。 以上几个系统可以说是现代近岸海洋环境监测系统的典型代表， 在系 统开发、系统目标、系统集成和运行机制上各有不同的特点。可以供我们 借鉴。 9 二、课题研究目标和主要研究内容(包括阶段目标和最终目标) 二、课题研究目标和主要研究内容(包括阶段目标和最终目标) 本课题的总体目标是参照国际先进的近岸海洋环境立体监测系统的 技术框架，研制一个以海水质量监测为核心，以珠江口为研究区域，应用 先进监测技术和信息传输技术的高度自动化、系统化的环境监测示范区。 课题的核心内容包括: (1) 珠江口地区监测网络总体设计及信息系统集成的研究； (2) 岸基海洋环境监测平台的研制与应用（水质自动采样分析、发报 系统，高频地波雷达的引进及其在海洋表面流场研究方面的应用 技） ； (3) 船载水质自动监测平台研制； (4) 应用卫星遥感技术建立空基海洋环境监测平台； (5) 100m/s 风速仪的自动化气象监测系统的研制。 该系统的建立很大程度上将以香港科技大学、 中山大学现有先进设备、 自动气象预报系统和信息处理技术为基础、以香港科大、中大、广东地方 政府在经费上和人力物力上的大力支持为支柱、以海洋 863 资助为支持， 研制、引进、开发各种海洋环境自动监测平台、数据处理、信息集成、传 输关键技术。申请者力求在较短的时间内，研制出珠江口地区的 PEIOS (Pearl River Estuary Integrated Observing System) 示范系统。该系统除在技 术和数据质量上可以进入 GTS 和 GOOS 之外，其信息产品应能通过电子 媒介系统 (Internet 或 Homepage) 提供给国家和地方政府， 为珠江口地区的 海洋环境监测、保护和经济建设服务。 2.1 项目的总体目标 参照国际先进的近岸海洋环境立体监测系统，研制一个以海水质量监 测为核心，以珠江口和比邻海域为区域，应用先进监测技术和信息传输技 术的高度系统化、自动化的海洋环境监测示范区。该示范系统从信息源的 采集、传输、信息源的加工处理到信息产品的发布将是一个完整的网络结 构（见图 4-1） 。 10 项目子课题的设置 珠江海洋环境立体监测系统包括以水质监测为核心的系统总体设计与 系统集成的研制，海洋环境参数和信息的采集、海洋环境信息处理与生产、 海洋环境信息网络的建立。因此，申请者拟设立如下子课题及相应的分子 课题： (1) 总体设计和系统集成研制； (2) 海洋环境监测平台的研制； a) 空基海洋环境监测平台（卫星遥感） ； b) 岸基海洋环境监测平台（高频地波雷达、自动气象站、自动水质分 析系） ； c) 船载巡航和断面监测系统； (3) 综合数值模型研究； (4) 服务器和网络通讯技术研究。 2.2 子课题的主要内容、阶段考核目标、国际先进水平、承担单位的技术起 点 本课题重点研究应用有高速处理能力的 Unix Workstation， 对搜集的海 洋环境数据和信息，通过平台内的专家系统进行资源校验、订正、同化、 统计分析等处理，在综合数值模型的支援下形成海洋信息产品。处理后的 数据、 信息等海洋环境信息产品以标准化的形式送入智能数据库进行管理。 承担单位香港科技大学海岸与大气研究中心拥有世界一流的计算机硬软件 和系统工程设计研究的经验。目前，具有世界先进技术水平的香港赤 v 角 国际机场风切变预警系统就是该中心研究成果，其系统总体设计和集成与 本课题很接近，承担单位完全有能力和经验完成本课题任务。 2.2.1 系统总体设计和系统集成研制 2.2.1.1 系统研制 本课题的总体目标是参照 MERMAID、CBOS、US COASTAL GOOS、C-MAN 等国际先进监测系统总体设计的技术框架，研制尖端的系11 统集成技术， 在珠江河口建立一个达到 90 年代国际先进水平的立体环境监 测和信息服务示范系统 PEIOS。 这是一套开放的海洋环境信息采样、 加工、 通讯、服务系统。监测和信息产品包括风，浪、流、水位、温、盐、水质 等环境参数。系统在技术和数据质量上可以进入 GTS 和 GOOS，为国家 和地方的海洋立体监测系统提供系统技术支持，为系统覆盖范围内海域的 环境保护和经济建设提供海洋监测信息服务和信息产品。 其总体设计将严格按照上述标准，通过应用高新技术采集、传输、处 理、显示和发报手段，采集、分析、处理珠江口及其邻近水域实时及非实 时的环境参数，加工出可靠的信息产品，为政府和业务部门提供决策依据。 系统结构包括输入过程、算