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，采樣過程極易擾動底泥、損傷水生植被，破壞原生水生生境；且水上船只作業(yè)點位分散，湖區(qū)野外無市電供電，給水下原位監(jiān)測設(shè)備供電帶來較大難題。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米長水下信號線纜、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)不對水下動植物造成損傷。文章闡述整套系統(tǒng)硬件架構(gòu)、電池供電方案、長距離線纜信號傳輸方案、船載野外作業(yè)工藝流程；通過河湖實測試驗，對比傳統(tǒng)采樣調(diào)查方式，驗證該水下成像系統(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)健康評估提供一種新型無損傷可視化監(jiān)測裝備。

關(guān)鍵詞：水生態(tài)監(jiān)測；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；無損傷調(diào)查

1 引言

我國河湖生態(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)、底棲生物多樣性評價已經(jīng)成為水生態(tài)健康評估的核心工作內(nèi)容。傳統(tǒng)野外調(diào)查手段主要依靠彼得森抓斗、?？寺赡嗥?、水下樣方收割器、潛水員人工采樣等方式開展樣本采集工作 。抓斗與拖網(wǎng)作業(yè)會直接攪動湖底底泥，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，生物個體容易受到機(jī)械擠壓損傷，無法觀測生物在底泥?水界面的真實棲息狀態(tài)。

在大型湖泊、寬闊河道開展野外調(diào)查時，調(diào)查船只需要往返多個離散監(jiān)測點位，絕大多數(shù)作業(yè)水域遠(yuǎn)離岸邊，現(xiàn)場不存在市電接入條件，傳統(tǒng)有線供電監(jiān)測設(shè)備無法開展常態(tài)化野外作業(yè)。潛水員調(diào)查受水深、水體能見度、風(fēng)浪條件限制明顯，20m水深區(qū)域潛水作業(yè)風(fēng)險高，作業(yè)成本高，單日出工可完成監(jiān)測點位數(shù)量有限。

國家水生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)政策明確提出，鼓勵發(fā)展低擾動、非破壞性生態(tài)調(diào)查技術(shù)，盡可能降低調(diào)查活動本身對河湖原生生態(tài)系統(tǒng)的人為干擾。因此，開發(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，實現(xiàn)沉水植物、底棲生物的原位可視化觀測，對善現(xiàn)有水生態(tài)調(diào)查技術(shù)體系具有現(xiàn)實意義。本文設(shè)計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，開展系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計，完成野外實船測試，對比傳統(tǒng)調(diào)查手段的優(yōu)缺點，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，采用大視場高清光學(xué)鏡頭，配套可調(diào)亮度LED水下補(bǔ)光單元，適合對水下植被覆蓋度、群落空間分布開展整體拍攝；底棲生物圖像采集儀搭載微距攝像模塊，鏡頭焦距經(jīng)過優(yōu)化，適合近距離拍攝底泥表面螺類、昆蟲幼蟲、貝類等小型底棲生物，獲取生物個體細(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，線纜同時承擔(dān)電力輸送、圖像信號回傳、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)、實時視頻查看、原位圖像拍照存檔，采集得到的圖片與視頻本地存儲，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，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，實現(xiàn)無損傷勘查。

3 關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計

3.1 水下耐壓密封殼體設(shè)計

兩套水下成像探頭作業(yè)最大水深20m，對應(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)，實現(xiàn)IP68防護(hù)等級，能夠長期浸泡在水下，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，減少水汽冷凝帶來的電路故障風(fēng)險。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)，避免拖拽過程中接頭位置受力漏水。

3.2 長距離線纜信號傳輸抗干擾方案

100m長度線纜同時傳輸電力與高清視頻信號，電力線在電流通斷過程會產(chǎn)生電磁噪聲，容易對視頻信號形成干擾，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)，電力芯線與信號芯線物理隔離，分別設(shè)置獨立銅箔屏蔽層，屏蔽層單端可靠接地，降低線間電磁耦合干擾。視頻信號采用差分傳輸方案，提升長距離傳輸過程抗噪聲能力。同時線纜內(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

針對野外無市電工況，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)，具備過充、過放、過流、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。

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100m；水生植物攝像模塊分辨率1080P，大視場角；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，無外接市電；防護(hù)等級IP68；工作水溫0?35℃，可適應(yīng)我國大部分河湖淡水環(huán)境。

環(huán)境適應(yīng)性方面，設(shè)備針對野外復(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，長時間點亮不會出現(xiàn)過熱損壞；殼體材料可耐受淡水長期浸泡、泥沙摩擦沖刷。但系統(tǒng)成像質(zhì)量會受到水體濁度影響，高泥沙、高懸浮物水體中，光線散射會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、探頭下放、成像觀測與存檔、設(shè)備回收五個步驟。

（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，手持終端存儲空間充足；

（2）船只布點：船只按照監(jiān)測方案GPS導(dǎo)航行駛至目標(biāo)監(jiān)測點位，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：操作人員在手持終端實時查看水下畫面，調(diào)節(jié)LED補(bǔ)光亮度，完成視頻錄制與原位拍照，記錄對應(yīng)點位GPS坐標(biāo)、水深、時間信息；

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

整套流程不需要投放采樣抓斗，不會擾動底泥，不采集生物實體樣本，實現(xiàn)非侵入式調(diào)查。

6 河湖野外實勘試驗與效果分析

選取某中型湖泊開展野外實測試驗，設(shè)置18個野外監(jiān)測點位，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、抓斗采樣開展對照調(diào)查。

試驗結(jié)果表明：在水體濁度較低點位，水生植物探頭可以清晰識別苦草、狐尾藻、黑藻等常見沉水植物，能夠直觀展現(xiàn)植物群落生長狀態(tài)；微距探頭可以識別湖底螺類、蜉蝣幼蟲、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)。在高濁度點位，畫面出現(xiàn)霧化、色偏現(xiàn)象，識別難度上升，需要調(diào)節(jié)補(bǔ)光亮度來改善成像效果。

7 與傳統(tǒng)抓斗采樣、潛水調(diào)查方案優(yōu)缺點對比

抓斗采樣優(yōu)點是可以獲取底泥生物實體樣本，可以帶回實驗室做精確物種鑒定；缺點是作業(yè)擾動大，破壞水生植被與底棲生境，無法觀察生物原生棲息狀態(tài)，采樣過程存在樣本丟失、個體損傷問題。

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

本原位水下成像系統(tǒng)優(yōu)點：全程無擾動，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，可快速完成大量點位調(diào)查；缺點是物種鑒定依賴圖像識別，高濁度水體識別能力下降，無法獲取生物實體標(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。野外湖泊試驗證明系統(tǒng)運行穩(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)可以從兩個方向優(yōu)化：一是配套水下圖像智能識別算法，實現(xiàn)沉水植物覆蓋度估算、底棲生物自動識別；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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