摘要

沉水植物是河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的核心指示物種，傳統(tǒng)水下植物調(diào)查多采用撈草器、水下樣方收割法，取樣過程會破壞沉水植被群落，無法實現(xiàn)原位觀測。本文以水生植物水下圖像采集儀為研究工具，搭載高清水下攝像探頭，100米加長線纜、手持可視化終端，船只定點下放探頭至水下20m深度，原位獲取水下沉水植物生長狀態(tài)影像，全程不接觸、不打撈水生植物，實現(xiàn)無損傷勘查。本文開展野外對比試驗，將水下成像原位調(diào)查結(jié)果與傳統(tǒng)樣方調(diào)查結(jié)果進行比對，分析設(shè)備在沉水植物種類識別、覆蓋度估算、群落空間分布勘查方面精度；探討水體濁度、光照條件對水下成像畫質(zhì)的影響；建立基于水下實拍影像的沉水植物野外調(diào)查作業(yè)規(guī)范，為河湖沉水植被恢復(fù)效果評估提供非侵入式可視化技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：沉水植物；水生植物；原位勘查；水下攝像；無損傷監(jiān)測；水生態(tài)修復(fù)；河湖生態(tài)調(diào)查；水下可視化

1 沉水植物傳統(tǒng)調(diào)查方式及其生態(tài)破壞問題

沉水植物是河湖生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，能夠凈化水體、穩(wěn)定底泥、為水生動物提供棲息生境，沉水植物群落的種類組成、覆蓋度、空間分布是評價河湖生態(tài)修復(fù)成效的重要指標(biāo)。國內(nèi)傳統(tǒng)沉水植物野外調(diào)查主要采用樣方收割法，利用撈草耙、采草器，投放至水下樣方位置，將樣方內(nèi)沉水植物全部打撈出水，帶回實驗室鑒定種類、統(tǒng)計生物量。

傳統(tǒng)樣方收割法存在明顯短板：一是采樣過程直接破壞沉水植物植株，對于正在開展生態(tài)修復(fù)的湖泊，反復(fù)采樣會對修復(fù)示范區(qū)植被造成二次破壞；二是采樣得到的是破碎樣本，無法直接觀測植株在水下真實生長形態(tài)、群落空間結(jié)構(gòu)；三是在水深較大區(qū)域，撈草器容易出現(xiàn)樣方偏移，采樣結(jié)果存在誤差；四是調(diào)查完成之后沒有水下直觀影像檔案，后期復(fù)核只能再次開展現(xiàn)場采樣。

潛水員水下調(diào)查可以原位觀察沉水植物，但潛水作業(yè)受水深、風(fēng)浪、水體能見度限制，20m水深區(qū)域潛水作業(yè)風(fēng)險高，人力成本高昂，不適合大面積湖泊大范圍點位調(diào)查。發(fā)展非侵入式原位觀測技術(shù)，在不破壞沉水植被前提下獲取水下植被影像，對水生態(tài)修復(fù)監(jiān)測工作具備重要實用價值。本文基于水生植物圖像采集儀，開展沉水植物原位成像勘查技術(shù)研究。

2 水生植物圖像采集儀系統(tǒng)組成與成像原理

水生植物圖像采集儀主要由水下高清攝像探頭、可調(diào)LED補光模組、耐壓密封殼體、100米綜合線纜、船載手持控制終端、便攜式鋰電池供電單元組成，最大作業(yè)水深20m。攝像探頭采用大視場光學(xué)鏡頭，適合拍攝水下大面積植被群落；LED補光燈亮度連續(xù)可調(diào)，用于補償水下光照不足；圖像視頻信號通過100m線纜傳輸?shù)酱鲜殖纸K端，工作人員實時查看水下畫面，完成拍照、錄像，存儲點位對應(yīng)的影像資料，同步記錄GPS坐標(biāo)、水深信息。設(shè)備探頭僅完成光學(xué)拍攝，不會觸碰、收割水下植物，實現(xiàn)全非侵入式原位觀測。

3 沉水植物原位成像調(diào)查野外試驗方案

選取修復(fù)型湖泊作為試驗區(qū)域，試驗區(qū)內(nèi)分布苦草、黑藻、狐尾藻、馬來眼子菜等多種常見沉水植物，設(shè)置24組平行監(jiān)測點位，水深區(qū)間2.1?17.3m。每個點位先后開展兩套調(diào)查：①原位水下成像調(diào)查，船只定點下放水生植物采集儀，拍攝水下沉水植物影像；②同步開展傳統(tǒng)0.25㎡樣方撈草采樣，鑒定物種，統(tǒng)計樣方內(nèi)植被覆蓋度。將原位成像判讀結(jié)果與傳統(tǒng)樣方結(jié)果進行比對，評估原位成像方法的識別能力與估算精度。同時記錄各個點位水體濁度、水下光照強度，分析環(huán)境條件對成像識別效果的影響。

4 水下影像?傳統(tǒng)樣方調(diào)查結(jié)果對比與精度分析

試驗結(jié)果顯示：水體濁度較低（濁度＜15NTU）點位，水下成像可以清晰區(qū)分苦草、黑藻、狐尾藻等優(yōu)勢沉水植物種類；基于實拍圖像估算的植被覆蓋度與傳統(tǒng)樣方實測覆蓋度整體相關(guān)性較好，R2達到0.81，能夠滿足大范圍植被快速評估需求。在植被覆蓋度較高區(qū)域，圖像判讀結(jié)果與樣方結(jié)果偏差較??；在植被稀疏、零散分布點位，受拍攝視角影響，覆蓋度估算誤差有所增大。

對比結(jié)果同時表明，原位成像方法優(yōu)勢在于可以完整記錄沉水植物群落原生生長形態(tài)、植株空間分布格局，獲取可視化檔案；但是對于植株細(xì)小、形態(tài)高度相似物種，僅依靠圖像難以實現(xiàn)精確物種鑒定，需要結(jié)合少量傳統(tǒng)采樣輔助鑒定。

5 水體濁度、光照對水下成像識別效果影響試驗

水體濁度是影響水下成像質(zhì)量關(guān)鍵環(huán)境因子。水體中懸浮泥沙、藻類顆粒會吸收、散射光線，造成圖像色偏、對比度下降、細(xì)節(jié)模糊。當(dāng)水體濁度大于35NTU，水下圖像霧化嚴(yán)重，沉水植物物種識別難度明顯上升。水下光照強度與水深、天氣條件密切相關(guān)，陰天、深水區(qū)域自然光不足，需要開啟LED補光燈提升畫面清晰度；但補光燈亮度不宜過高，亮度過高會造成水體懸浮物強烈反光，出現(xiàn)畫面過曝，反而降低識別效果。

試驗得到現(xiàn)場操作經(jīng)驗：低濁度水體，可以適當(dāng)降低補光亮度；高濁度水體，適度提高補光，同時控制探頭與植被之間拍攝距離，不要距離過遠(yuǎn)，提升目標(biāo)主體在畫面中的占比，改善識別效果。

6 沉水植物原位可視化勘查標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程

結(jié)合野外試驗，建立沉水植物原位成像勘查標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程：

1）前期準(zhǔn)備：設(shè)備檢查，電池電量校驗，記錄調(diào)查區(qū)域基礎(chǔ)資料；

2）船只導(dǎo)航到達監(jiān)測點位，船只穩(wěn)船，記錄點位GPS、水深；

3）勻速下放水下攝像探頭，控制探頭距離水下植被層合適拍攝距離；

4）調(diào)節(jié)LED補光亮度，避免畫面過曝或者曝光不足，錄制視頻、拍攝多張原位照片；

5）保存影像文件，文件命名關(guān)聯(lián)點位編號、坐標(biāo)、時間；

6）完成點位，回收探頭，船只駛向下一個監(jiān)測點位。

影像帶回室內(nèi)，通過圖像判讀，完成沉水植物種類識別、覆蓋度估算，形成調(diào)查成果。

7 技術(shù)優(yōu)勢與適用范圍

技術(shù)優(yōu)勢：調(diào)查過程不會損傷沉水植物群落，適合生態(tài)修復(fù)示范區(qū)長期跟蹤監(jiān)測；船載部署靈活，點位切換速度快，適合大面積湖泊多點位快速調(diào)查；全部點位留存可視化影像檔案，便于后期成果復(fù)核追溯。

適用范圍：適合水深≤20m河湖水體；水體濁度不端的條件下效果佳；適合沉水植物群落分布調(diào)查、修復(fù)成效快速評估。技術(shù)局限性：高濁度水體識別能力下降；精細(xì)物種鑒定能力弱，需要配合少量傳統(tǒng)采樣；不能直接獲取生物量定量數(shù)據(jù)。該技術(shù)適合作為快速篩查手段，和傳統(tǒng)樣方采樣技術(shù)相互配合使用。

8 結(jié)論

本文利用水生植物水下圖像采集儀開展沉水植物原位無損傷勘查野外試驗，與傳統(tǒng)樣方采樣結(jié)果對比，原位成像方法在低濁度水體條件下可以有效識別沉水植物群落，實現(xiàn)植被覆蓋度估算，獲取水下原生生長狀態(tài)影像。水體濁度、光照條件對成像識別效果影響顯著，實際作業(yè)中需要合理調(diào)節(jié)補光亮度與拍攝距離。建立標(biāo)準(zhǔn)化野外作業(yè)流程，該技術(shù)可以作為河湖沉水植被調(diào)查的新型非侵入式手段，為水生態(tài)修復(fù)效果評估提供技術(shù)支撐。

參考文獻

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