摘要

傳統(tǒng)河湖沉水植物、底棲生物野外調(diào)查常采用抓斗、拖網(wǎng)、水下采樣器，采樣過(guò)程極易擾動(dòng)底泥、損傷水生植被，破壞原生水生生境；且水上船只作業(yè)點(diǎn)位分散，湖區(qū)野外無(wú)市電供電，給水下原位監(jiān)測(cè)設(shè)備供電帶來(lái)較大難題。本文研發(fā)一套雙探頭河湖原位水下圖像采集系統(tǒng)，包含水生植物高清水下攝像采集儀、底棲生物微距成像采集儀、100米長(zhǎng)水下信號(hào)線纜、手持控制終端、便攜式大容量電池供電單元；設(shè)備最大作業(yè)水深20m，全程非接觸可視化勘查，采樣作業(yè)不對(duì)水下動(dòng)植物造成損傷。文章闡述整套系統(tǒng)硬件架構(gòu)、電池供電方案、長(zhǎng)距離線纜信號(hào)傳輸方案、船載野外作業(yè)工藝流程；通過(guò)河湖實(shí)測(cè)試驗(yàn)，對(duì)比傳統(tǒng)采樣調(diào)查方式，驗(yàn)證該水下成像系統(tǒng)在沉水植物群落勘查、底棲生物多樣性原位調(diào)查中的可行性，可為河湖生態(tài)修復(fù)、水生態(tài)健康評(píng)估提供一種新型無(wú)損傷可視化監(jiān)測(cè)裝備。

關(guān)鍵詞：水生態(tài)監(jiān)測(cè)；原位水下成像；水生植物勘查；底棲生物調(diào)查；船載野外作業(yè)；電池供電；100米水下線纜；非侵入式監(jiān)測(cè)；無(wú)損傷調(diào)查

1 引言

我國(guó)河湖生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作持續(xù)推進(jìn)，沉水植物群落恢復(fù)、底棲生物多樣性評(píng)價(jià)已經(jīng)成為水生態(tài)健康評(píng)估的核心工作內(nèi)容。傳統(tǒng)野外調(diào)查手段主要依靠彼得森抓斗、埃克曼采泥器、水下樣方收割器、潛水員人工采樣等方式開(kāi)展樣本采集工作 。抓斗與拖網(wǎng)作業(yè)會(huì)直接攪動(dòng)湖底底泥，破壞沉水植物根系結(jié)構(gòu)，造成水生植物植株斷裂死亡；底棲生物樣本被帶出原有生境之后，生物個(gè)體容易受到機(jī)械擠壓損傷，無(wú)法觀測(cè)生物在底泥?水界面的真實(shí)棲息狀態(tài)。

在大型湖泊、寬闊河道開(kāi)展野外調(diào)查時(shí)，調(diào)查船只需要往返多個(gè)離散監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，絕大多數(shù)作業(yè)水域遠(yuǎn)離岸邊，現(xiàn)場(chǎng)不存在市電接入條件，傳統(tǒng)有線供電監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法開(kāi)展常態(tài)化野外作業(yè)。潛水員調(diào)查受水深、水體能見(jiàn)度、風(fēng)浪條件限制明顯，20m水深區(qū)域潛水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，作業(yè)成本高，單日出工可完成監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量有限。

國(guó)家水生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)政策明確提出，鼓勵(lì)發(fā)展低擾動(dòng)、非破壞性生態(tài)調(diào)查技術(shù)，盡可能降低調(diào)查活動(dòng)本身對(duì)河湖原生生態(tài)系統(tǒng)的人為干擾。因此，開(kāi)發(fā)一套船載式、電池供電、非侵入式的原位水下成像勘查裝備，實(shí)現(xiàn)沉水植物、底棲生物的原位可視化觀測(cè)，對(duì)善現(xiàn)有水生態(tài)調(diào)查技術(shù)體系具有現(xiàn)實(shí)意義。本文設(shè)計(jì)一套雙探頭河湖原位水下圖像采集系統(tǒng)，集成水生植物攝像探頭、底棲生物微距成像模塊、100m綜合線纜、手持終端與便攜式電池組，開(kāi)展系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)，完成野外實(shí)船測(cè)試，對(duì)比傳統(tǒng)調(diào)查手段的優(yōu)缺點(diǎn)，為河湖生態(tài)野外勘查提供新裝備方案。

2 原位水下成像勘查系統(tǒng)總體架構(gòu)

本套原位水下成像勘查系統(tǒng)整體采用“水下雙成像探頭?100米綜合線纜?水面手持控制終端?便攜式野外電池單元"四層架構(gòu)，全部設(shè)備可在普通調(diào)查船只上完成裝載布設(shè)，不需要大型作業(yè)船舶配套。系統(tǒng)硬件主要分為五大組成部分：水生植物攝像采集儀、底棲生物微距成像采集儀、100米水下綜合線纜、手持控制終端、便攜式大容量電池供電模塊。

水生植物圖像采集儀主要面向沉水植物群落大范圍觀測(cè)，采用大視場(chǎng)高清光學(xué)鏡頭，配套可調(diào)亮度LED水下補(bǔ)光單元，適合對(duì)水下植被覆蓋度、群落空間分布開(kāi)展整體拍攝；底棲生物圖像采集儀搭載微距攝像模塊，鏡頭焦距經(jīng)過(guò)優(yōu)化，適合近距離拍攝底泥表面螺類(lèi)、昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)、貝類(lèi)等小型底棲生物，獲取生物個(gè)體細(xì)節(jié)特征。

100米水下綜合線纜集成供電芯線、高清視頻信號(hào)傳輸芯線、抗拉芳綸纖維增強(qiáng)層、海水耐腐蝕護(hù)套，線纜同時(shí)承擔(dān)電力輸送、圖像信號(hào)回傳、機(jī)械抗拉拖拽三重功能，滿足最大20m水深下放作業(yè)需求。水面手持控制終端集成顯示屏幕、操作按鍵、存儲(chǔ)單元，工作人員在船上即可完成探頭姿態(tài)調(diào)整、補(bǔ)光亮度調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)視頻查看、原位圖像拍照存檔，采集得到的圖片與視頻本地存儲(chǔ)，可后續(xù)導(dǎo)出用于室內(nèi)分析。

便攜式電池供電模塊為整套系統(tǒng)提供能源，無(wú)需外接市電，電池單元具備防水、抗震、低溫適應(yīng)能力，適配湖區(qū)船上顛簸潮濕的野外工況。整套系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，探頭由船上人員緩慢下放至目標(biāo)水層，全程不接觸、不打撈水生生物與底泥，以光學(xué)成像方式完成原位信息獲取，實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷勘查。

3 關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 水下耐壓密封殼體設(shè)計(jì)

兩套水下成像探頭作業(yè)最大水深20m，對(duì)應(yīng)靜水壓力約0.2MPa。殼體選用耐淡水腐蝕的316L不銹鋼材料，光學(xué)窗口采用高透鋼化玻璃鏡片，殼體結(jié)合面采用雙道O型圈密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)IP68防護(hù)等級(jí)，能夠長(zhǎng)期浸泡在水下，抵御泥沙沖刷。殼體內(nèi)部電路板、攝像模組做灌膠防潮處理，減少水汽冷凝帶來(lái)的電路故障風(fēng)險(xiǎn)。水密接插件選用海水適配型防水接頭，線纜與探頭殼體連接處增加抗拉緩沖結(jié)構(gòu)，避免拖拽過(guò)程中接頭位置受力漏水。

3.2 長(zhǎng)距離線纜信號(hào)傳輸抗干擾方案

100m長(zhǎng)度線纜同時(shí)傳輸電力與高清視頻信號(hào)，電力線在電流通斷過(guò)程會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲，容易對(duì)視頻信號(hào)形成干擾，造成圖像出現(xiàn)橫紋、卡頓、丟包現(xiàn)象。線纜內(nèi)部采用分組屏蔽結(jié)構(gòu)，電力芯線與信號(hào)芯線物理隔離，分別設(shè)置獨(dú)立銅箔屏蔽層，屏蔽層單端可靠接地，降低線間電磁耦合干擾。視頻信號(hào)采用差分傳輸方案，提升長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程抗噪聲能力。同時(shí)線纜內(nèi)部增加芳綸抗拉層，將下放拖拽拉力全部由抗拉纖維承擔(dān)，避免內(nèi)部信號(hào)線、電源線承受拉力發(fā)生斷裂。

3.3 野外船載鋰電池供電方案

針對(duì)野外無(wú)市電工況，采用磷酸鐵鋰便攜式電池組作為電源。電池組集成BMS電池管理系統(tǒng)，具備過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、溫度保護(hù)功能?？紤]100m線纜存在電壓壓降，供電輸出端增加電壓補(bǔ)償電路，補(bǔ)償線纜傳輸過(guò)程電壓損耗，保證水下探頭端供電電壓穩(wěn)定在設(shè)備額定工作區(qū)間。電池單元外殼采用防水防塵箱體，船上作業(yè)時(shí)放置于船艙內(nèi)部，避免雨水潑濺、浪花打濕造成短路風(fēng)險(xiǎn)。

4 設(shè)備技術(shù)指標(biāo)與環(huán)境適應(yīng)性

本系統(tǒng)核心技術(shù)指標(biāo)：最大作業(yè)水深20m，線纜總長(zhǎng)100m；水生植物攝像模塊分辨率1080P，大視場(chǎng)角；底棲生物微距模塊支持近距離細(xì)節(jié)拍攝；LED水下補(bǔ)光亮度連續(xù)可調(diào)；供電方式為便攜式鋰電池，無(wú)外接市電；防護(hù)等級(jí)IP68；工作水溫0?35℃，可適應(yīng)我國(guó)大部分河湖淡水環(huán)境。

環(huán)境適應(yīng)性方面，設(shè)備針對(duì)野外復(fù)雜工況做優(yōu)化：低溫環(huán)境下電池管理系統(tǒng)具備低溫放電保護(hù)；水下補(bǔ)光燈做散熱設(shè)計(jì)，長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)亮不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱損壞；殼體材料可耐受淡水長(zhǎng)期浸泡、泥沙摩擦沖刷。但系統(tǒng)成像質(zhì)量會(huì)受到水體濁度影響，高泥沙、高懸浮物水體中，光線散射會(huì)造成圖像清晰度下降，需要配合補(bǔ)光策略優(yōu)化改善成像效果。

5 船載野外標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程

船載野外原位成像勘查標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)分為前期準(zhǔn)備、船只布點(diǎn)、探頭下放、成像觀測(cè)與存檔、設(shè)備回收五個(gè)步驟。

（1）前期準(zhǔn)備：上船前檢查探頭水密接頭、線纜外觀破損情況，確認(rèn)電池電量充足，手持終端存儲(chǔ)空間充足；

（2）船只布點(diǎn)：船只按照監(jiān)測(cè)方案GPS導(dǎo)航行駛至目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，船只拋錨穩(wěn)船，減少風(fēng)浪造成船體漂移；

（3）探頭下放：操作人員緩慢釋放100m線纜，勻速將水下探頭下放至水下目標(biāo)深度，控制下放速度，避免探頭撞擊湖底硬質(zhì)底質(zhì)造成鏡頭磕碰損傷；

（4）原位成像觀測(cè)：操作人員在手持終端實(shí)時(shí)查看水下畫(huà)面，調(diào)節(jié)LED補(bǔ)光亮度，完成視頻錄制與原位拍照，記錄對(duì)應(yīng)點(diǎn)位GPS坐標(biāo)、水深、時(shí)間信息；

（5）設(shè)備回收：完成該點(diǎn)位監(jiān)測(cè)之后勻速回收線纜，將探頭提拉回船上，沖洗探頭外殼泥沙，檢查接頭部位，完成單點(diǎn)位作業(yè)，船只駛向下一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

整套流程不需要投放采樣抓斗，不會(huì)擾動(dòng)底泥，不采集生物實(shí)體樣本，實(shí)現(xiàn)非侵入式調(diào)查。

6 河湖野外實(shí)勘試驗(yàn)與效果分析

選取某中型湖泊開(kāi)展野外實(shí)測(cè)試驗(yàn)，設(shè)置18個(gè)野外監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，水深分布區(qū)間1.5?18.6m，覆蓋沉水植物集中分布區(qū)、裸底底棲生物生境。利用本套雙探頭成像系統(tǒng)完成原位圖像采集，同步采用傳統(tǒng)樣方采樣、抓斗采樣開(kāi)展對(duì)照調(diào)查。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在水體濁度較低點(diǎn)位，水生植物探頭可以清晰識(shí)別苦草、狐尾藻、黑藻等常見(jiàn)沉水植物，能夠直觀展現(xiàn)植物群落生長(zhǎng)狀態(tài)；微距探頭可以識(shí)別湖底螺類(lèi)、蜉蝣幼蟲(chóng)、河蜆等底棲生物，獲取生物在底泥表面原生棲息影像。設(shè)備在最大18.6m水深可以穩(wěn)定工作，線纜信號(hào)傳輸穩(wěn)定，電池組可以支持全天野外連續(xù)作業(yè)。在高濁度點(diǎn)位，畫(huà)面出現(xiàn)霧化、色偏現(xiàn)象，識(shí)別難度上升，需要調(diào)節(jié)補(bǔ)光亮度來(lái)改善成像效果。

7 與傳統(tǒng)抓斗采樣、潛水調(diào)查方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

抓斗采樣優(yōu)點(diǎn)是可以獲取底泥生物實(shí)體樣本，可以帶回實(shí)驗(yàn)室做精確物種鑒定；缺點(diǎn)是作業(yè)擾動(dòng)大，破壞水生植被與底棲生境，無(wú)法觀察生物原生棲息狀態(tài)，采樣過(guò)程存在樣本丟失、個(gè)體損傷問(wèn)題。

潛水員調(diào)查優(yōu)點(diǎn)是觀察直觀；缺點(diǎn)是作業(yè)水深受限，20m水深潛水作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，人力成本高，單日可完成點(diǎn)位數(shù)量少，受風(fēng)浪、水體能見(jiàn)度制約嚴(yán)重。

本原位水下成像系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：全程無(wú)擾動(dòng)，保留水下生境原始狀態(tài)，輸出可視化圖像檔案，船載作業(yè)部署靈活，可快速完成大量點(diǎn)位調(diào)查；缺點(diǎn)是物種鑒定依賴圖像識(shí)別，高濁度水體識(shí)別能力下降，無(wú)法獲取生物實(shí)體標(biāo)本。該技術(shù)適合大面積快速篩查，可與傳統(tǒng)采樣手段互為補(bǔ)充。

8 結(jié)論與展望

本文搭建一套船載式雙探頭河湖原位水下成像勘查系統(tǒng)，硬件包含水生植物攝像探頭、底棲生物微距成像探頭、100m綜合線纜、手持終端與便攜式鋰電池供電單元，最大作業(yè)水深20m，實(shí)現(xiàn)沉水植物、底棲生物非侵入式原位可視化勘查。野外湖泊試驗(yàn)證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠獲取水下原生生境影像。

該系統(tǒng)不能全替代傳統(tǒng)采樣，適合作為河湖生態(tài)快速調(diào)查、生態(tài)修復(fù)成效巡檢的工具。后續(xù)可以從兩個(gè)方向優(yōu)化：一是配套水下圖像智能識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)沉水植物覆蓋度估算、底棲生物自動(dòng)識(shí)別；二是進(jìn)一步優(yōu)化鏡頭與補(bǔ)光方案，提升高濁度河湖水體條件下成像質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)（示例）

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