地球最后未被開發的區域——海底，直接測量的海底精細地形占比不足1%……
2月19日，一項名為“智能敏捷海洋立體觀測儀”的項目啟動，擬解決的重要科學和技術問題，正是針對上述3個難題。該項目的實施是我國海洋觀測走向“無人時代”的又一標志性事件。
那么，“智能敏捷海洋立體觀測儀（ISOOD）”是一種什么樣的設備？目標如何實現？近日，項目負責人、中國科學院院士陳大可對這項為期5年的科學行動進行科普和解讀。
什么是“智能敏捷海洋立體觀測儀”
2021年7月20日，古老的黃埔文沖船廠，開始建造一艘新船——全球首艘智能型無人系統母船。
陳大可稱其為海洋科考“新物種”，為其命名“珠海云”。
這艘智慧母船作為多種無人裝備的運載工具和控制中心，可根據任務需求攜帶大批無人機、無人艇、自主水下潛器等裝備快速到達目標區域，并通過專用的布放回收裝置實現無人裝備的批量化高效部署。
母船部署到位后，可形成從空中4000米到水下1500米、水平跨度160千米的立體協同觀測網，同時可投放剖面浮標、表面漂流浮標、漂流小浮子、探空儀等拋棄式裝備作為補充。
“智能敏捷海洋立體觀測儀”，正是以智慧母船為載體，通過空、海、潛的各型無人平臺跨域協同組網，提供一種全新的海洋觀測模式。
“縱觀海洋科學史，所有重大突破無一不是觀測技術和儀器設備創新的結果。”陳大可介紹，海洋科學作為一門以觀測為主要研究手段的科學，其發展在很大程度上依賴于海洋觀測儀器設備的技術水平。
近幾十年來，隨著海洋衛星、自沉式剖面浮標、錨定浮標/潛標網、自主水下潛器等技術手段的發展，全球海洋觀測取得長足進步。然而目前的觀測能力仍遠遠無法滿足海洋科學發展和工程應用的迫切需求。
當前，海洋資源開發、海洋經濟發展、海洋科技創新、海洋生態文明建設等方面的活動日益增加，亟須提升快速、機動、高效地獲取高時空分辨率海洋信息的能力，而發展和鞏固這一能力的關鍵在于自主研發先進的海洋觀測儀器設備，并實現基于不同儀器設備的智能化組網觀測。
現有的各種海洋觀測平臺各有優勢，但均存在一定的局限性。
例如，大型科考船的綜合調查能力強，但其運營成本非常高，且無法開展大范圍同步觀測；衛星遙感平臺能實現準同步大范圍覆蓋，但難以獲取水下數據，尤其對深海的觀測能力不足；Argo（全球海洋觀測計劃）浮標觀測網能提供海洋狀態的大尺度信息，但時空分辨率不夠，且缺乏機動能力。
以無人機、無人艇和自主水下潛器為代表的無人智能觀測平臺具備智能、靈活、快速、機動的特點，無疑代表了海洋觀測技術的前沿發展方向。但目前這些平臺搭載傳感器的類型和數量有限，單一平臺無法滿足海洋任務多樣性的需求。雖然已有不少針對同類無人自主平臺的組網觀測研究，但在跨平臺、跨域組網并形成敏捷、機動集成系統方面的應用實踐仍處于起步階段。在這方面搶得先機，對于促進我國海洋科技發展和海洋強國建設具有重大意義。
目標一：刻畫海洋三維圖像
“傳統海洋觀測手段的局限使得很多重要科技問題至今懸而未決。”陳大可說，“盡管 ISOOD的應用范圍極廣，本項目將聚焦于海洋次中尺度渦旋、海洋與臺風相互作用、海底精細地形測繪這三個重要問題。”
刻畫海洋次中尺度渦旋的立體圖像，揭示其在海洋能量傳遞、物質平衡和海氣耦合系統中的作用，是 ISOOD的目標之一。
海洋次中尺度過程是指海洋中特征空間尺度為10千米、特征時間尺度為1天量級的運動。次中尺度過程廣泛存在于海洋上層，作為連接大尺度環流和小尺度湍流的物理過程，次中尺度過程在海洋能量級串中扮演著十分重要的角色。此外，由于通常伴隨強烈的垂向運動，次中尺度過程對海洋垂向物質交換起著關鍵性作用，使得海洋中的熱量、鹽度和營養鹽等物質得以重新分配，進而潛在影響地球氣候系統以及海洋生物化學平衡。次中尺度過程是目前海洋學研究的熱點話題，理解其特征和動力機制對于準確預測海洋水文環境和未來氣候變化有重要意義。
2009年，美國國家研究委員會召開了一場別開生面的研討會，請與會專家提出2025年之前應該并可能解決的最重要的海洋學問題，次中尺度過程赫然名列榜首。雖然這方面的研究在此后十余年里取得了不小的進展，但遺憾的是至今從未能有人在海上直接觀測到次中尺度渦旋完整的三維結構，只能分析次中尺度渦的表象。
傳統海洋觀測手段的局限性是難以在海上完整捕獲次中尺度渦旋的主要原因。為突破這個局限，新的觀測手段必須滿足幾個條件。首先，由于海洋次中尺度渦旋空間尺度較小、持續時間較短，必須通過快速、立體、同步、組網的觀測方式來窺探其全貌。其次，由于伴隨次中尺度渦旋的垂向過程非常重要，必須獲取高精度的三維水文數據來準確診斷其垂向速度。再次，為了追蹤和有效覆蓋多變的次中尺度渦旋，組網觀測必須具備靈活的調度、控制和自適應能力。
擬研制的 ISOOD則可以滿足以上條件。利用 ISOOD，海洋科學研究人員可以首先利用衛星遙感確定其所在的目標海域，然后使用智慧母船快速抵達，布放多艘拖曳無人艇，一字排開往復觀測，從而實現對次中尺度渦旋的同步覆蓋和精細化測量。科學家們將有可能捕捉到次中尺度渦旋完整的三維結構，從而清晰刻畫海洋次中尺度過程的物理圖像，揭示其在海洋能量傳遞、物質平衡和海氣耦合系統中的作用。這是令人興奮、期待的一刻。
目標二：提高臺風預報能力
闡明上層海洋對臺風的響應過程和反饋機理，提高對臺風強度和臺風過程中海洋環境的預報能力，是 ISOOD的另一個主要目標。
我國是世界上飽受臺風影響的國家之一。提高臺風預報水平一直是國家防災減災的重大需求，也是海洋與大氣研究的前沿課題。
過去幾十年間，臺風路徑預報水平一直穩步提升，但其強度預報卻沒有明顯改善。大量研究證實，在預報模式中同化臺風到來前的海洋現場觀測數據，能夠有效改善初始條件從而提高臺風預報水平。
可是，在海上直接觀測臺風以及海洋與臺風的相互作用過程既危險又昂貴。以往臺風期間的海上觀測主要依靠衛星遙感、少量的錨定浮標和漂流浮標，現場資料極其稀缺。最近，水下滑翔機和波浪滑翔器也開始得到應用，但還未形成多平臺智能化組網觀測的優勢。
傳統的“守株待兔”式的海上臺風觀測方法有顯而易見的局限性，不僅運維成本高昂，而且空間分辨率低，缺乏機動能力。為了突破這些局限，需要發展一個適應于極端海況、可以根據臺風路徑變化隨時調整、且兼顧水面和水下的跨域組網立體觀測儀器。
ISOOD的研制，正是為了更好地滿足上述要求。利用 ISOOD，科學家可以在臺風到來前，將智慧母船開到目標區域實施組網立體觀測，同時可潛無人艇下潛懸停，等待臺風到來。臺風過程中，可潛無人艇上浮發射探空火箭，并跟隨臺風中心運動，獲取氣象水文信息。臺風過去后，再次實施立體觀測。從而實現對臺風前、中、后期的上層海洋與海氣邊界層變化的精細觀測，以此闡明上層海洋對臺風的響應過程和反饋機理，提高對臺風強度和臺風過程中海洋環境的預報能力。
目標三：繪制海底地形地貌
提升高精度海底地形地貌制圖效率，為海洋科學研究、環境保障、防災減災等提供關鍵基礎數據，是 ISOOD要解決的第三個問題。
海底地形對于地球和海洋科學的重要性怎么強調都不過分。例如，美國科學家瑪麗·薩普和布魯斯·希森于1977年繪制的第一張世界海底全景圖，首次為板塊漂移學說提供了可靠證據，并為海底擴張和俯沖理論奠定了基礎。
海洋科學家要依靠測深圖集來制定海洋科考計劃；遠洋船隊需要精準的測深地圖來確保安全高效的航行路線；業務部門要靠測深地圖來預報海嘯、風暴潮并規劃應對方案……
對于研究海洋環流、潮汐波浪、漁業資源、沉積物輸送、環境變化、水下地質災害、電纜和管道路線、海洋資源勘探和開發、海洋基礎設施建設等，海底地形都是必不可少的基本數據，同時也是當今海洋信息中缺失極其嚴重的一項數據。
根據海床2030計劃規定的分辨率標準，全球已直接測量的海床面積僅占總面積的6%左右，而水平分辨率高于200米的海底精細地形占比更是小于1%。因此，海床被稱為地球上最后的未開發地帶。
高分辨率海底地形數據奇缺的原因是缺乏高效的測量手段。由于電磁傳感在海洋中的局限性，世界海洋的水深測量大多要利用現代聲學測繪技術，從水面或水下艦船平臺獲得。然而，使用單一平臺（單艘科考船、水面無人艇、自主水下潛器）開展走航聲學測量的效率極低，嚴重滯后于人類認知海洋、開發海洋的需求。為了彌補現場觀測資料的匱乏，衛星測高數據也被用來結合現場資料制作海底地形圖，但這類產品與多波束聲吶獲得的現場測量資料相比仍有相當大的不確定性。
國際上首次大規模多平臺現場協同探測的嘗試發生于2018年對 MH370疑似失事海域的搜索。使用8臺自主水下潛器搭載水深設備近底探測，并通過8艘無人艇對自主水下潛器提供一對一的水面通信和高精度定位支持，歷時138天完成了12.5萬平方千米海域的搜索，是傳統單船走航作業方式效率的6倍。但目前該類技術仍大多停留在一條大型母船支撐一臺自主水下潛器或遙控無人潛水器的階段，且在水面、水下無人節點的自適應組網方面研究甚少。
針對海底地形地貌制圖強調測量精度和效率的特點，科學家們可以利用ISOOD快速、機動的水面水下組網觀測能力，高效獲取所關注海底區域高精度和高分辨率的形貌信息。在深水區域，發揮水下平臺近底探測的高分辨率優勢和水面平臺的高定位精度優勢，自適應組網，加速全球未知海床的精細化探測；在淺水區域，利用水面艇吃水淺、快速、機動的優勢，實現海陸過渡帶和島礁附近海域精細化海底地形地貌數據的有效采集，從而為海洋科學研究、環境保障、防災減災等提供關鍵基礎數據。
從技術角度考慮，ISOOD還面臨一系列不同于傳統觀測平臺的挑戰。擬研制的 ISOOD包括如下關鍵核心技術：廣域異構無人節點集群組網協同控制；復雜海洋環境下的高可靠跨域異構組網通信；廣域跨介質環境下的時間同步與定位導航；數據可視化與科考作業管理；適用于復雜任務場景的多功能無人節點。在解決這些關鍵核心技術的基礎上，本項目擬分別研制無人節點集群組網協同控制部件、跨域異構組網通信部件、時間同步與定位導航一體化部件、數據可視化與科考作業管理部件等四大核心部件，以及多功能海洋立體觀測專用無人控制節點。
如果把 ISOOD比作一款大型機器人，那么“協同控制”和“組網通信”部件是它的大腦，“時間同步與定位導航”是它的五官，“拖曳無人艇”“雙模無人潛器”“可潛無人艇”等多功能無人節點是它的臂膀，“數據可視化與科考作業管理”則是它的心臟。最關鍵和創新性最強的部件就是大腦和臂膀。值得一提的是，ISOOD項目啟動前，智慧母船“珠海云”、批量化布放回收裝置和常規水面無人艇已于2022年底建成并投入使用。
可以預見，ISOOD將成為經略海洋必不可少的“大國重器”。（信息來源：中國自然資源報）
