摘要

底棲大型無脊椎動物是河湖水質(zhì)、水生態(tài)健康評價(jià)的重要指示生物，抓斗、彼得森采泥器等傳統(tǒng)底棲采樣方式采集底泥樣本，底棲生物離開原生棲息環(huán)境，易造成個(gè)體損傷，且無法觀測生物在底泥表面原生棲息狀態(tài)。本文采用搭載水下微距攝像模塊的底棲生物圖像采集儀，依托100米線纜、船載手持終端、便攜式電池供電方案，探頭下放至湖底，近距離原位拍攝底棲生物、底泥界面高清微距圖像，無擾動獲取底棲生物原生棲息影像，實(shí)現(xiàn)底棲生物非采樣式原位調(diào)查。通過野外河湖現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證微距成像設(shè)備識別螺類、水生昆蟲幼蟲、貝類等常見底棲生物的能力；探討原位成像調(diào)查在底棲生物多樣性快速篩查、生境觀測方面應(yīng)用潛力，為底棲生態(tài)調(diào)查開辟無擾動可視化新路徑。

關(guān)鍵詞：底棲生物；微距水下成像；原位觀測；生物多樣性；河湖生態(tài)；無擾動采樣；水下圖像識別；水生態(tài)監(jiān)測

1 傳統(tǒng)底棲生物采樣調(diào)查存在的短板

底棲大型無脊椎動物廣泛生活在河湖底泥?水界面，對水體污染敏感，是水生態(tài)健康評價(jià)重要指示生物。國內(nèi)常規(guī)底棲生物調(diào)查主要依靠彼得森抓斗、?？寺赡嗥鞑杉啄鄻颖荆瑢⒌啄鄮Щ卮?，通過篩洗得到底棲生物個(gè)體，帶回實(shí)驗(yàn)室開展物種鑒定、計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì) 。

傳統(tǒng)采樣方法存在若干短板：第一，抓斗下落抓取底泥過程會劇烈擾動底泥表層，破壞底棲生物原生棲息生境；第二，生物被采集之后脫離原生環(huán)境，篩洗過程容易造成個(gè)體破損，丟失生物行為、棲息位置信息；第三，無法直接觀察到底棲生物在底泥表面真實(shí)棲息狀態(tài)，無法觀察生物與底質(zhì)之間的相互關(guān)系；第四，抓斗采樣會對生態(tài)修復(fù)區(qū)域底棲生境造成人為擾動，不適合修復(fù)區(qū)高頻次重復(fù)監(jiān)測。

潛水員水下目視觀測可以實(shí)現(xiàn)原位觀察，但潛水作業(yè)成本高，水深、風(fēng)浪條件限制大，難以大面積推廣。水下微距成像技術(shù)，依靠光學(xué)近距離拍攝，不需要采集底泥樣本，能夠原位獲取底泥?水界面生物圖像，有望彌補(bǔ)傳統(tǒng)調(diào)查手段的不足。本文基于底棲生物微距圖像采集儀，開展河湖底棲生物原位調(diào)查試驗(yàn)研究。

2 底棲生物微距圖像采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成

底棲生物圖像采集儀硬件主要包含水下微距攝像模塊、可調(diào)LED環(huán)形補(bǔ)光單元、耐壓耐腐蝕密封殼體、水密接插件；配套100米綜合線纜、船載手持控制終端、便攜式鋰電池供電單元，最大作業(yè)水深20m。

微距攝像模塊專門針對底泥表面小型生物優(yōu)化，鏡頭支持近距離對焦，適合拍攝螺類、河蜆、水生昆蟲幼蟲等毫米?厘米級底棲生物；環(huán)形LED補(bǔ)光均勻照射拍攝區(qū)域，減少拍攝陰影，提升微小生物細(xì)節(jié)清晰度；殼體采用耐腐蝕材料，O型圈雙重密封，IP68防護(hù)；100米線纜實(shí)現(xiàn)信號與電力傳輸，船上手持終端實(shí)時(shí)顯示微距畫面，完成拍照錄像，保存底棲生物原位影像。設(shè)備作業(yè)時(shí)探頭接近湖底，但不觸碰底泥，全程無擾動。

3 底棲生物原位成像野外調(diào)查試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇典型平原湖泊開展野外試驗(yàn)，設(shè)置22個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位，底質(zhì)包含淤泥底、泥沙混合底、砂質(zhì)底等常見河湖底質(zhì)類型，水深范圍2.3?18.1m。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位同時(shí)開展兩種調(diào)查：①水下微距成像原位調(diào)查，探頭下放至湖底上方合適距離，拍攝底泥?水界面微距圖像與視頻；②同步開展彼得森抓斗采樣，實(shí)驗(yàn)室完成底棲生物鑒定計(jì)數(shù)。對比兩種調(diào)查手段得到的生物檢出情況，評估微距成像系統(tǒng)對常見底棲生物識別能力；同時(shí)記錄水體濁度、底質(zhì)類型，分析環(huán)境條件對微距成像識別效果的影響。

4 水下微距影像底棲生物識別效果分析

野外試驗(yàn)結(jié)果表明，在水體濁度較低點(diǎn)位，微距成像系統(tǒng)可以清晰識別田螺、環(huán)棱螺、河蜆、蜉蝣幼蟲、搖蚊幼蟲等河湖常見大型底棲生物，能夠觀察生物在底泥表面棲息姿態(tài)、活動行為，觀察底泥表面孔洞、生物擾動痕跡。砂質(zhì)底、泥沙混合底點(diǎn)位成像識別效果整體優(yōu)于厚淤泥底點(diǎn)位；厚淤泥底遇到水流擾動容易泛起懸浮物，造成畫面渾濁，識別難度上升。

部分個(gè)體微小、埋藏在底泥內(nèi)部的底棲生物，微距成像無法識別；只有棲息在底泥表面、表層的生物可以被鏡頭捕捉。原位成像可以記錄生物原生棲息場景，這是傳統(tǒng)抓斗采樣無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢。

5 原位成像調(diào)查與抓斗采樣結(jié)果對比

抓斗采樣優(yōu)勢：可以采集埋藏在底泥內(nèi)部的生物樣本，帶回實(shí)驗(yàn)室完成精確物種鑒定、個(gè)體計(jì)數(shù)，獲取生物豐度、生物量定量數(shù)據(jù)，是目前底棲生物調(diào)查的基準(zhǔn)方法。抓斗采樣劣勢：擾動底泥，丟失原生棲息行為信息，重復(fù)采樣會破壞底棲生境。

水下微距原位成像優(yōu)勢：無擾動，保留底泥?水界面完整原生狀態(tài)，直觀獲取生物棲息行為影像，作業(yè)效率高，適合高頻次、大面積快速篩查；劣勢：只能識別底泥表層生物，無法獲取埋藏于底泥內(nèi)部個(gè)體；僅依靠圖像，部分近緣物種難以精確區(qū)分；難以直接得到生物量、豐度精確定量數(shù)據(jù)。

兩種技術(shù)屬于互補(bǔ)關(guān)系，原位成像不能全替代抓斗采樣?？梢圆捎?/span>“微距成像大面積快速篩查，重點(diǎn)點(diǎn)位輔以抓斗采樣鑒定"的組合調(diào)查模式。

6 底泥?水界面原位觀測價(jià)值分析

底泥?水界面是底棲生物生存、物質(zhì)交換的關(guān)鍵界面。傳統(tǒng)抓斗采樣把底泥整體取出，破壞界面結(jié)構(gòu)，無法觀察底泥表面生物洞穴、生物擾動痕跡、生物棲息分布格局。水下微距成像可以直接獲取底泥界面真實(shí)狀態(tài)，觀察底棲生物活動痕跡，對于研究底棲生境完整性、評估底棲生態(tài)修復(fù)效果具備獨(dú)價(jià)值。對于生態(tài)修復(fù)示范區(qū)，不擾動的原位觀測手段，可以避免反復(fù)采樣對修復(fù)底棲生境造成二次破壞。

7 原位成像調(diào)查技術(shù)局限性與改進(jìn)方向

技術(shù)局限性：水體高濁度條件下成像質(zhì)量下降；埋藏型底棲生物無法識別；單純依靠圖像物種識別存在局限；難以直接輸出豐度、生物量定量結(jié)果。

后續(xù)改進(jìn)方向：優(yōu)化微距鏡頭與補(bǔ)光方案，提升高濁度水體適應(yīng)性；構(gòu)建河湖底棲生物圖像數(shù)據(jù)集，引入人工智能圖像識別算法，輔助完成生物識別統(tǒng)計(jì)；探索圖像結(jié)合AI估算底棲生物相對豐度的技術(shù)路徑。

8 結(jié)論

本文采用搭載微距攝像模塊的底棲生物圖像采集儀，開展河湖底棲生物原位成像野外調(diào)查試驗(yàn)。設(shè)備可以無擾動獲取底泥?水界面微距影像，有效識別螺類、貝類、水生昆蟲幼蟲等表層棲息底棲生物，觀察生物原生棲息狀態(tài)。原位微距成像調(diào)查與傳統(tǒng)抓斗采樣各有優(yōu)劣，二者互為補(bǔ)充。該技術(shù)適合河湖底棲生物多樣性快速篩查、底棲生境完整性評估，為河湖底棲生態(tài)調(diào)查提供新的可視化技術(shù)路徑。

參考文獻(xiàn)

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