海洋減災防災之海洋調(diào)查探測技術與預報上課講義

1、海洋減災防災之海洋調(diào)查探測技術與預報 鼻祖：英國“挑戰(zhàn)者”號科學考察船，排水量2300t、由軍艦改裝成，1872年12月至1876年5月間自大西洋，經(jīng)印度洋入太平洋，繞地球一周，航程12.6萬公里，完成近代海洋科學“奠基性調(diào)查”。 海洋調(diào)查船仍是海洋調(diào)查研究主要工具?，F(xiàn)代化海洋調(diào)查船裝備有自動化的導航定位系統(tǒng)、機艙操縱控制系統(tǒng)、調(diào)查資料獲取與處理系統(tǒng)。 1.海洋調(diào)查船的類型(調(diào)查任務) 綜合調(diào)查船： 從事海洋基礎科學考察，學術性較強，多屬海洋科學研究部門和院校。 具備觀測和采集海洋水文、氣象、物理、化學、生物和地質(zhì)的基本資料和樣品所需要的儀器設備；具備整理分析資料、鑒定處理標本樣品和進行初步綜

2、合研究工作所需要的條件和手段；能同時進行多種學科的綜合考察研究. 排水量大，性能好，儀器設備先進齊全，續(xù)航力大，自持力長。例如美國的“海洋學家”號、英國的“發(fā)現(xiàn)”號等都是世界著名的綜合調(diào)查船。 專業(yè)調(diào)查船： 承擔海洋學某一分支學科的調(diào)查任務、重點突出、工作深入等優(yōu)點，船體也較小。 第一海洋測量船：第一海洋測量船：主要從事海道測量和測繪海圖，通常歸屬各國海軍和政府部門。 排水量和續(xù)航力中等，吃水不大，有較好的導航、定位和測深設備，有些配備有近岸測量艇及電子計算機系統(tǒng)。 第二開發(fā)研究船第二開發(fā)研究船：直接服務海洋開發(fā)利用。如地球物理勘探船、地質(zhì)調(diào)查船、漁業(yè)調(diào)查船、氣象觀測船、水聲考察船等等，都是以

3、特定的海洋開發(fā)利用為目標而進行專門的調(diào)查研究。 特種海洋調(diào)查船： 第一，宇宙調(diào)查船：第一，宇宙調(diào)查船：考察高層大氣，接收衛(wèi)星或宇宙飛船等發(fā)來的信號并發(fā)出指令，解決與宇宙裝置飛行有關的問題。我國的“遠望”號航天測量船隊，1997年曾首次成功地應用“姿章聯(lián)控” 技術，使衛(wèi)星的運行姿態(tài)和受衛(wèi)星形態(tài)影響所產(chǎn)生的搖擺得到控制。 第二，極地調(diào)查船：第二，極地調(diào)查船：考察兩極, 船體堅固、續(xù)航力長、破冰能力強、防寒性能好。我國極地考察船“雪龍”號能以1.5節(jié)航速連續(xù)破冰厚度1.1m（含0.2m雪）。 第三，深海采礦鉆探船：第三，深海采礦鉆探船：為試驗開采洋底錳結核礦而建，具有海底采礦、打撈、鋪設海底管線和海

4、洋調(diào)查多種功能。 2. 調(diào)查船特點 低速操縱性：低速操縱性：調(diào)查作業(yè)多以低速行進，要求船要有靈活的操縱性。 導航設備：導航設備：應用新的無線電導航設備、衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可進行全球、全天候?qū)Ш蕉ㄎ弧?實驗室、作業(yè)區(qū)布局和調(diào)查設備實驗室、作業(yè)區(qū)布局和調(diào)查設備：寬大的工作甲板和實驗室空間； 調(diào)查船新型船殼設計：調(diào)查船新型船殼設計：吃水淺、穩(wěn)定性好。 動力定位系統(tǒng)：動力定位系統(tǒng)：定位要求高的已用此系統(tǒng)。 計算機網(wǎng)絡化計算機網(wǎng)絡化：采用計算機網(wǎng)絡設計，提高調(diào)查船操縱、動力定位、采樣自動化、數(shù)據(jù)處理等性能。 海洋浮標載有探測用的各類傳感器在海洋上進行定點（或飄流）的長期連續(xù)觀測，費用低，費用低，能收集到惡劣

5、天氣及海況惡劣天氣及海況的資料。二戰(zhàn)德國率先使用；20世紀70年代，技術成熟。 1.1.海洋浮標的分類（海洋浮標的分類（所處的位置） 錨泊浮標：錨泊浮標：用錨把浮標系在預定的地點，可定點、定時、長期、連續(xù)、較準確收集水文氣象資料。 漂流浮標：漂流浮標：在海上隨波逐流地收集大面積有關海洋資料，簡便、經(jīng)濟之特點。為厄爾尼諾、海氣相互作用等的研究，提供海洋環(huán)境資料。 潛標則可潛于海中，潛標則可潛于海中，避開表層惡劣海況 用于深海測流以及深層的水文要素測量。 2.2.海洋浮標技術的組成海洋浮標技術的組成 海上測報六部分海上測報六部分 浮體、傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)。

6、漂流浮標，它邊觀測邊發(fā)報，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)播所觀測的資料并確定漂流浮標的位置。 對于潛標系統(tǒng)，由水下測量系統(tǒng)和布放回收潛標的船上信號發(fā)射和接受兩部分組成。 岸上接收部分 遙控發(fā)射機、遙測接收機、天線、計算機、時序控制器、解調(diào)譯碼器，電傳打字機和數(shù)字磁帶機等 。 海洋遙感技術可以解決大面積海區(qū)同時而又系統(tǒng)的調(diào)查和觀測問題。把傳感器裝在人造衛(wèi)星、宇宙飛船、飛機、地面等工作平臺上，對海洋進行遠距離非接觸觀測，取得海洋景觀和海洋要素的圖像或數(shù)據(jù)資料。包括遙感：工作平臺、傳感系統(tǒng)、信工作平臺、傳感系統(tǒng)、信息處理和應用四部分。息處理和應用四部分。 歷史：始于二戰(zhàn)，發(fā)展最早的是河口海岸制圖和近海水深測量中利用航空

7、遙感技術。 1.1.遙感工作平臺遙感工作平臺 地面工作平臺 工作平臺在地面上，如地面遙感站、車載雷達等。弱點只能進行定點或局部的觀測。 航空工作平臺 指飛機、氣球和探空火箭等。觀測范圍較寬且觀測范圍較寬且測量精度較高，測量精度較高，特別適合于海岸帶和局部海區(qū)的遙海岸帶和局部海區(qū)的遙感觀測和環(huán)境監(jiān)測感觀測和環(huán)境監(jiān)測。在航空遙感中使用一些遙測儀器，是航天遙感做不到的。 航天工作平臺 指人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機等。航天遙航天遙感的突出特點觀測范圍大感的突出特點觀測范圍大。缺點是技術復雜、對傳感器的要求高、測量精度比不上地面和航空遙感。 地球資源衛(wèi)星所覆蓋面積達34000km2，每每1818天天就

8、可覆蓋地球一遍。就可覆蓋地球一遍。飛行高度在10km左右的遙感飛遙感飛機機，一張航空像片覆蓋的面積1030km2，探測一遍探測一遍全球表面大約需要十幾年的時間。全球表面大約需要十幾年的時間。 2. 2.遙感傳感器遙感傳感器 可見光傳感器 可見光是電磁波的一部分，所占的波長范圍是波長范圍是0.380.78m0.380.78m。 常用各種類型的照相機、多光譜照相機、多光譜掃描儀、沿岸帶水色掃描儀和電視攝像系統(tǒng)等。 可見光傳感器的特點是空間分辨能力高；比較空間分辨能力高；比較直觀、分析解譯較容易直觀、分析解譯較容易。 適宜于拍攝云圖、觀測海冰、海岸形態(tài)、沿岸流流向、波浪折射、淺海測深、海島和淺灘定位

9、以及測定海洋水色透明度及葉綠素含量等。 其缺點是不具有全天時（只能在白天）、全天其缺點是不具有全天時（只能在白天）、全天候（不能透過云霧）的工作能力候（不能透過云霧）的工作能力。 紅外傳感器 紅外線也是電磁波的一部分，波長范圍是波長范圍是0.78m1mm0.78m1mm。 紅外傳感器：紅外掃描儀、多光譜掃描儀和沿岸帶水色掃描儀也包括一二個紅外信道。 反射紅外反射紅外，其特點與可見光差不多；熱紅外熱紅外根據(jù)物體輻射出來的紅外線（強度取決于物體的溫度）。例如，機載的紅外輻射溫度計，測溫絕對精度可達0.2；紅外掃描儀可區(qū)別0.5-1的溫差，用于沿岸和河口熱污染的監(jiān)測岸和河口熱污染的監(jiān)測。 特點是：空

10、間分辨率高（空間分辨率高（接近于可見光傳感器）；照片較直觀、解譯不很難照片較直觀、解譯不很難；熱紅外傳感器具有全天時（即夜間也能工作）的工作能力。 缺點是不能透過云蓋、煙霧等。缺點是不能透過云蓋、煙霧等。 微波傳感器 波長在波長在1mm1mm至至30cm30cm之間的之間的電磁波稱為微波。微波傳感器：各種微波輻射計、微波散射計、雷達高度計、微波側視雷達和合成孔徑雷達。 微波對云層、冰雪、地表植被有一定的穿透能對云層、冰雪、地表植被有一定的穿透能力；力；可以直接測量大氣參數(shù)。微波傳感器特別適用于海洋，海水是一種導體，可以測量海水鹽度海水鹽度。海海冰厚度冰厚度、海面風速、風向以及波浪海面風速、風向

11、以及波浪、海面油膜的厚海面油膜的厚度度，這些都是可見光和紅外傳感器做不到的。 被動微波動傳感器，亦稱無源傳感器無源傳感器。它本身沒有電磁波發(fā)射源，只靠接受目標所輻射和反射的電磁波進行探測。 主動微波傳感器主動微波傳感器：向目標發(fā)射電磁波，通過接受目標回波，完成探測識別。所獲取的回波與日照的變化無關，圖像穩(wěn)定清晰，容易判讀。 目前海洋衛(wèi)星使用雷達高度計：獲取海洋水準面、重力異常、表面流流速、潮汐高度、波浪高度（波高測量精度可達波高測量精度可達10cm10cm，流速測量精度可達，流速測量精度可達20cm20cm）；使用合成孔徑雷達：獲取海面波、內(nèi)波、海流等海洋特征資料；使用微波散射計：獲取海面風的

12、資料（風速土1.7m/s，風向測量為土17）。 特點：具有全天時（晝夜都能工作）、全天候（能穿透云霧、降雨等）的工作能力；易于實現(xiàn)主動式遙感。缺點是獲取的資料分析解譯較復雜，空間分辨力較低（合成孔徑雷達除外）。 3.遙感信息處理 遙感信息處理的目的是： 把用戶看不懂或很難懂的信息轉(zhuǎn)換成用戶很容易看懂的形式，如把照片或計算機用磁帶轉(zhuǎn)換成圖。 把照片中不明顯的信息顯示出來。 把照片的灰階（黑白程度）數(shù)字化，以便進行定量測量和計算。 目前，遙感信息處理的方法一般來說有二種：一是電子光學影像增強技術，即利用電子光學技術電子光學技術處理遙感照片，使照片中的信息更加突出明顯；另一種是計算機信息處理計算機信

13、息處理技術。 4.遙感技術在海洋中的應用 海洋氣象學：觀測臺風的產(chǎn)生和運動規(guī)律，確定臺風臺風中心位置。 海洋水文學：測量海面溫度、鹽度、水團、度、鹽度、水團、海流、波浪和海冰海流、波浪和海冰。 海洋生物學：利用多光譜遙感技術，可以觀測海水的水色和透明度，估計海水中葉綠素的含量色和透明度，估計海水中葉綠素的含量，有助于海洋初級生產(chǎn)力的研究。 海洋漁業(yè)：遙感技術可用于偵察魚群偵察魚群，幫助漁船增加漁獲量。 海洋環(huán)境監(jiān)測：可以發(fā)現(xiàn)海洋較大范圍內(nèi)的污染，如石油污染、熱污染、污水和固定垃圾污染石油污染、熱污染、污水和固定垃圾污染及赤潮及赤潮等。 海洋航運：利用衛(wèi)星可觀測大面積海區(qū)的海面風場、波浪場、海冰

14、和冰山，有助于船舶的安全航安全航行行和尋找最佳航線。 海洋工程：可見光遙感可用于觀測海岸、海觀測海岸、海峽和河口的形態(tài)、波浪折射、沿岸泥沙搬運等，峽和河口的形態(tài)、波浪折射、沿岸泥沙搬運等，還可以用于淺灘定位和淺海海底制圖淺灘定位和淺海海底制圖，是港灣建設和保護以及海岸和淺海施工的基礎資料。 聲波（特別是低頻聲波）能在海洋中傳播很遠。水聲技術已被廣泛應用于水下探測等活動。包括主動聲納、被動聲納、聲納重入系統(tǒng)、水聲遙測遙控和水聲通訊儀等。 1.主動聲納 主動聲納（有源聲納）：用一組換能器發(fā)射聲信號，通過自身或另一組換能器從目標反射回來的信息來測目標的參數(shù)和性質(zhì)。一個簡單的主動聲納由發(fā)射機、接收機、

15、換能器和指示器由發(fā)射機、接收機、換能器和指示器等組成。它的工作原理如下圖。 聲信號在水中以1500m/s左右的速度傳播，碰到目標就產(chǎn)生回波，反射回來的聲信號通過接收換能器接收后，轉(zhuǎn)換成電信號。 主動聲納工作原理框圖 接收機接收機接收到的目標回波一般十分微弱，必須將它放大（如幾百萬倍），并且經(jīng)過信號加工放大（如幾百萬倍），并且經(jīng)過信號加工處理，完成這種功能的設備即為接收機。 經(jīng)過處理的回波信號最后在指示器上顯示，指示出目標的距離和方位。指示器可分成聽覺指示器（如耳機、喇叭）視覺指示器（如記錄器和顯示器等，熒光屏顯示、液晶顯示）等。 目前，采用主動聲納工作原理的水聲設備多種多樣，主要的有回聲測深儀

16、、側掃聲納、魚探儀、聲學多普勒海流計等。 回聲測深儀：回聲測深儀：從船上發(fā)出聲脈沖穿過海水而到達海底，由海底反射又傳播到達發(fā)射的船上。根據(jù)聲音在水中的時間和水中聲速，就可以計算出深度。 側掃聲納：側掃聲納： 工作原理類似于空中拍攝的大地測測繪照片繪照片。利用側掃聲納可以測繪出流蝕、冰山?jīng)_刷、沉積物分布、海底斜度等海底動態(tài)過程，而且能對水下工程設施、輸油管道、海底電纜、錨泊系統(tǒng)以及沉積物進行有效的監(jiān)視和定位。 魚探儀：魚探儀：垂直探魚儀探測底層的魚類；水平探魚儀能探測中桑層魚類，估計魚群的大小和范圍。 聲學多普勒海流計：聲學多普勒海流計：從船上向海中發(fā)射頻率穩(wěn)定的聲脈沖，當聲波到達海底，相對運動

17、船上的聲源，就會產(chǎn)生多普勒頗移，由船上的接收器接收海中和海底的聲散射信號，通過計算可獲得各層海水流動的速度。 2.被動聲納 被動聲納只處于被動接收狀態(tài)工作（無源聲納）。這類聲納根據(jù)水中目標所輻射的噪聲（如潛艇螺旋槳的噪聲、魚類噪聲等）或聲源（如載在魚體上作為生態(tài)跟蹤的小型聲源，聲信標、爆炸聲等）所發(fā)出的聲信號，由此判斷發(fā)聲體的位置和特性。由于潛艇的主要特點和優(yōu)勢就在于它的隱蔽性，主動聲納工作要發(fā)出聲脈沖，容易被敵人發(fā)現(xiàn)，因此在潛艇上用途最大的水聲設備是被動聲納。海洋中不少動物能夠發(fā)聲，故可利用被動探測系統(tǒng)監(jiān)視魚群的回游特性，為海洋捕撈提供有價值的數(shù)據(jù)；利用深海水聽器系統(tǒng)，能準確地測出水下地震、

18、水下，能準確地測出水下地震、水下火山爆發(fā)的位置和強度等火山爆發(fā)的位置和強度等。 3.動態(tài)定位和井口重入技術動態(tài)定位和井口重入技術 鉆探船在幾千米深海中作業(yè)，如果船移動過大，長達幾千米的鉆桿一下就會扭斷。需要建立動態(tài)定位系統(tǒng)。在海底放一個水聲應答器作為基準點，同時在船上布放三個水聽器進行應答測距。作業(yè)時船上向基準點應答器發(fā)出脈沖，應答器收到信號之后發(fā)出回答脈沖，回答脈沖被船上的三個測距水聽器收到，測出三個水聽器與基準應答器的距離。水聲應答器測距系統(tǒng)隨即測出這三個距離的變化，計算出船位的水平移動量，再開動幾個可變螺距的推進器，使船復位（使三個距離和原來的一樣）。這樣船在不斷運動中保持位置不變。 利

19、用聲納還可以實現(xiàn)重入井口。 4. 4.水聲通訊技術水聲通訊技術 水聲通訊技術是一類無纜的水下信息傳輸。它通過海水介質(zhì)，以應答或自動方式，實時地將各類傳感器（如水下潛標）的輸出數(shù)據(jù)傳輸至岸站、船或者水面浮標。常用設備：水聲通訊機、水下圖像傳輸和水聲遙測遙控系統(tǒng)等。 水聲通訊機： 通訊雙方在水下都設有發(fā)射器和接收器。距離較近的潛水員間通訊一般采用載波語言調(diào)制聲波或直接載波語言調(diào)制聲波或直接輻射語言聲波；輻射語言聲波；距離遠時，用數(shù)字編碼通訊數(shù)字編碼通訊。水聲應答器是數(shù)字編碼通訊的典型設備，它按事先安排好的程序，自動完成各應答器和主機間的通訊。 水下圖像傳輸：在水下環(huán)境用電視攝像下來，通過海水信道，

20、傳送到水面，這是觀察海底地貌、水下活動最直觀、有效的方法（見下圖）。水下視頻圖像技術在許多方面均提供了有效、直觀的技術服務。 水聲遙測系統(tǒng)：把所要測量的水下環(huán)境參數(shù)變換成水聲信息，傳到處理船或岸站來，經(jīng)過水聲接收機處理，重新轉(zhuǎn)換成相應的環(huán)境參數(shù)信息。 水聲遙控系統(tǒng)：包括船上聲指令發(fā)射機、水下聲指令接收機和相應的控制機構。如使水下浮筒放掉重物浮出水面，以便船只跟蹤回收。各種海洋自動機，如無人深潛器、海底自走車的行動及機械手的動作等，也可采用水聲遙控。用水聲傳遞信號的水下電視系統(tǒng) 5. 5.海洋聲學層析術海洋聲學層析術 利用聲學方法在大范圍海域測量海洋動力特性的一種遙感技術。它是利用海中聲速傳播與

21、海水溫度、鹽度、密度的關系，根據(jù)聲傳播時間的變化，反過來演算出海洋中溫度、鹽度、密度分布狀況。如使聲波從不同角度穿過同一海區(qū)，利用穿透的結果（主要是傳播時間）反演求出被測海區(qū)的流場和溫度場。 海洋層析測量時，在所測量的水域周圍，布放若干個水聲發(fā)射和接收換能器，一些換能器發(fā)射聲信號，另一些換能器接收聲信號，精確處理聲波的傳播時間，計算其傳播的速度。換能器數(shù)量越多，獲得的信息就越多。 1.海洋觀測儀器的種類 按其操作方式分類 投棄式：投棄式：從船或飛機上將儀器的傳感器投入海中，傳感器與儀器間的運算、記錄部分用導線（或無線電波）聯(lián)系，將數(shù)據(jù)傳遞到船或飛機上。 懸掛式：懸掛式：利用船上的絞車吊桿從船舷

22、旁把儀器送入海中，在船只錨定或飄流的情況下進行觀測。 拖曳式：拖曳式：工作時從船尾放入海中，拖曳在船后進行走航觀測。 自返式：自返式：將儀器投入海，儀器到達預定深度或觸及海底完成測量任務或采樣后，釋放裝置卸掉壓載的重物，儀器借助自身的浮力返回海面，或由船將儀器回收，而數(shù)據(jù)記錄在儀器內(nèi)裝的磁帶上。 按所測要素分類 海洋物理性質(zhì)物理性質(zhì)觀測儀器：用于觀測聲、光、溫度、密度、動力等現(xiàn)象； 海洋化學性質(zhì)化學性質(zhì)觀測儀器：用于測定海水中各種溶解物的含量； 海洋生物生物觀測儀器：生物種類不同，儀器不同)； 海洋地質(zhì)及地球物理地質(zhì)及地球物理觀測儀器：包括底質(zhì)取樣設備、回聲測深、地貌儀、地層剖面儀、重力儀以及

23、磁力儀和地熱計等。 2.海洋儀器的發(fā)展特點 多樣化； 系統(tǒng)化：除各種要素的傳感器不同外，信號形式，處理器，記錄器盡量通用，這樣可使儀器結構簡化，耗電減少，而使標準性、通用性、互換性提高； 結合高新技術手段：以機械、化學儀器為主發(fā)展到電子儀器是一次變革，運用計算技術、遙感技術、水聲技術、激光技術等又是一次變革。計算技術廣泛應用于測量的程序控制、信息的運算和存儲、資料的分析、整理、打印、繪圖、交換和傳遞。 海洋水文氣象信息在海洋資源開發(fā)、海上作業(yè)、海洋減災防災中起著非常重要。 舉例： 1.安全航行：航運需要水位、海流、海浪、風和海霧等信息，以保證航行安全、提高航行效率；了解沿岸泥沙運動確定航道是否

24、被慢慢淤塞。 2.環(huán)境清理：海面油膜及污染物運動預報，并獲得污染海域海流和海浪數(shù)據(jù)； 3.生物資源：需要海流、水溫和鹽度資料，幼魚和仔魚隨著海流進出海灣和開闊海域；水溫和鹽度直接影響著環(huán)境和環(huán)境中的動植物物種，或造成海水層化現(xiàn)象，導致底層水域的缺氧，或表層水域有毒生物的大量繁殖。 4.減災防災：掌握歷史最高水位對抗御風暴潮具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計，海洋災害損失在沿海地區(qū)的國民生產(chǎn)總值中占10%。如1997年一次橫掃我國沿海地區(qū)的風暴潮，就造成經(jīng)濟損失400億元左右。 海洋環(huán)境預報和氣象預報一樣，是建立在廣泛而實時的情報來源之基礎上。 組成 立體探測系統(tǒng)：空間(衛(wèi)星)、空中(飛機、火箭和氣球)、海面(浮標、船舶、地面站)、水下(聲納系統(tǒng))。大型計算機，高速通訊網(wǎng)。 對海洋預報至關重要的是：遙感技術、海洋浮標站及計算機在海洋領域的應用。 遙感：衛(wèi)星遙感可以實現(xiàn)全天候、全天時地在全球尺度上進行連續(xù)觀測。航空遙感由于其機動性好，分辨率高，適用于動態(tài)過程的監(jiān)測，但受天氣條件的制約，且觀測范圍小，和地面遙感一起作為衛(wèi)星遙感的輔助手段。 浮標站：錨泊浮標，相當于一個海上自動水文氣象站，可以定時向岸上測報；另一種是漂流浮標，比較容易通過跟蹤它的漂流軌跡，間接推測海