摘要

當(dāng)前河湖生態(tài)環(huán)境調(diào)查任務(wù)量大、野外點(diǎn)位多，傳統(tǒng)采樣調(diào)查耗時(shí)久，并且容易對水生態(tài)造成擾動(dòng)破壞。本文提出一套“船只走航布點(diǎn)+原位水下成像快速勘查"的河湖生態(tài)調(diào)查新模式；采用水生植物、底棲生物雙圖像采集儀，船載電池供電、100米線纜下放水下探頭，在每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位快速獲取水下植被、底棲生境微距影像，形成可視化調(diào)查檔案，無需打撈采樣、無水下生態(tài)破壞。文章對比傳統(tǒng)生態(tài)調(diào)查與水下成像快速勘查模式的人力耗時(shí)、成本、生態(tài)影響；給出走航式水下成像調(diào)查點(diǎn)位布設(shè)方案、野外作業(yè)流程；案例證明該技術(shù)適合大面積河湖生態(tài)狀況快速篩查，可作為水生態(tài)常態(tài)化巡檢、生態(tài)修復(fù)成效快速評估的高效技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：河湖生態(tài)健康調(diào)查；原位水下成像；快速勘查；走航監(jiān)測；非侵入式；水生態(tài)巡檢；生態(tài)修復(fù)評估

1 傳統(tǒng)河湖生態(tài)調(diào)查模式短板

隨著我國河湖生態(tài)保護(hù)不斷推進(jìn)，流域?qū)用婧雍】翟u估、生態(tài)修復(fù)成效監(jiān)測、水生態(tài)常態(tài)化巡檢任務(wù)持續(xù)增加，需要開展大量野外調(diào)查工作。傳統(tǒng)水生態(tài)調(diào)查模式主要依靠抓斗、采草器采樣，采集實(shí)體樣本帶回實(shí)驗(yàn)室分析。傳統(tǒng)模式存在幾方面短板：第一，每個(gè)點(diǎn)位采樣、篩洗、樣本保存耗費(fèi)大量時(shí)間，大面積湖泊眾多點(diǎn)位調(diào)查周期長，人力投入大；第二，采樣過程會(huì)擾動(dòng)底泥、損傷水生植物，在生態(tài)修復(fù)示范區(qū)，高頻次重復(fù)采樣會(huì)對修復(fù)后的水生生境造成人為二次破壞；第三，傳統(tǒng)采樣得到的是實(shí)體樣本，缺少水下現(xiàn)場直觀影像檔案，后期成果復(fù)核只能再次開展野外采樣；第四，潛水調(diào)查成本高，作業(yè)條件受限，難以大規(guī)模開展。

面對大面積河湖多點(diǎn)位快速調(diào)查需求，傳統(tǒng)調(diào)查模式效率難以滿足常態(tài)化巡檢工作需要。發(fā)展非侵入式快速調(diào)查技術(shù)，兼顧調(diào)查效率與生態(tài)低擾動(dòng)，具備現(xiàn)實(shí)工程價(jià)值。本文提出船只走航+原位水下成像快速勘查新模式，研究該模式的點(diǎn)位布設(shè)、作業(yè)流程，與傳統(tǒng)采樣模式開展多維度對比。

2 船載原位水下成像快速勘查系統(tǒng)與工作模式

整套快速勘查系統(tǒng)硬件包含水生植物圖像采集儀、底棲生物微距圖像采集儀、100米綜合線纜、船載手持控制終端、便攜式鋰電池供電單元，全部設(shè)備裝載于普通調(diào)查船只，不需要大型科考船舶。工作模式為走航式快速調(diào)查：調(diào)查船只按照預(yù)設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位路線航行，到達(dá)點(diǎn)位之后船只穩(wěn)船，下放水下探頭，分別調(diào)用水生植物攝像探頭、底棲生物微距探頭，采集該點(diǎn)位沉水植物群落、底泥?水界面原位圖像視頻，記錄GPS坐標(biāo)、水深，完成該點(diǎn)位影像采集之后，回收探頭，船只駛向下一個(gè)點(diǎn)位，依次完成全部點(diǎn)位，全部過程不采集生物實(shí)體樣本，不擾動(dòng)水下生境。野外獲取全部影像資料帶回室內(nèi)，開展圖像判讀，完成沉水植物、底棲生境分析，形成調(diào)查成果，同時(shí)留存全套可視化影像檔案。

該模式定位為快速篩查手段，不需要全替代傳統(tǒng)采樣；重點(diǎn)區(qū)域可以搭配少量傳統(tǒng)采樣，完成精確物種鑒定。

3 野外走航點(diǎn)位布設(shè)原則

走航原位成像調(diào)查點(diǎn)位布設(shè)需要結(jié)合河湖調(diào)查目標(biāo)，遵循以下原則：

1）覆蓋主要生境類型：點(diǎn)位需要覆蓋不同水深梯度、不同底質(zhì)類型、不同水生植被分布區(qū)域；

2）生態(tài)修復(fù)區(qū)域加密布設(shè)：在生態(tài)修復(fù)示范區(qū)、修復(fù)試點(diǎn)區(qū)域加密點(diǎn)位，便于跟蹤修復(fù)成效；

3）避開危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域：避開礁石、水下障礙物，防止探頭下放發(fā)生碰撞損壞；設(shè)備最大作業(yè)水深20m，點(diǎn)位水深不超過設(shè)備最大水深；

4）點(diǎn)位兼顧空間均勻性，同時(shí)兼顧重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域；每個(gè)點(diǎn)位需要記錄GPS坐標(biāo)，方便后期重復(fù)回訪監(jiān)測。

4 快速勘查標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程

走航式原位水下成像快速勘查完整作業(yè)流程：

1）前期準(zhǔn)備：收集調(diào)查湖泊基礎(chǔ)資料，完成點(diǎn)位規(guī)劃，設(shè)備檢查調(diào)試，電池充足電；

2）船只出航，按照GPS導(dǎo)航依次航行至各個(gè)預(yù)設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位；

3）船只到達(dá)點(diǎn)位，拋錨穩(wěn)船，記錄點(diǎn)位編號(hào)、GPS坐標(biāo)、水深；

4）依次下放水生植物攝像探頭獲取沉水植物影像，切換底棲微距探頭獲取底泥界面微距影像；調(diào)節(jié)補(bǔ)光亮度，完成拍照錄像；

5）影像文件命名關(guān)聯(lián)點(diǎn)位信息，原始文件保存；

6）回收水下探頭，船只航行至下一個(gè)點(diǎn)位；

7）全部野外點(diǎn)位完成，返回碼頭；室內(nèi)開展圖像判讀分析，輸出調(diào)查報(bào)告，完整歸檔全部影像資料。

5 傳統(tǒng)采樣?水下成像勘查模式綜合對比（耗時(shí)、成本、生態(tài)影響）

從人力耗時(shí)、經(jīng)濟(jì)成本、生態(tài)擾動(dòng)、數(shù)據(jù)檔案四個(gè)維度對比兩種模式。

耗時(shí)對比：傳統(tǒng)采樣模式，單點(diǎn)位采樣、篩洗樣本耗時(shí)較長，一天船只作業(yè)能夠完成點(diǎn)位數(shù)量有限；原位成像快速勘查模式，單點(diǎn)位影像采集時(shí)間短，同等船只人力條件下，單日可以完成點(diǎn)位數(shù)量顯著提升，大面積湖泊調(diào)查周期可以明顯縮短。

成本對比：傳統(tǒng)采樣需要樣本處理、實(shí)驗(yàn)室鑒定，人力成本高；原位成像模式野外環(huán)節(jié)效率高，不需要樣本處理篩洗，野外作業(yè)成本更低；但圖像判讀需要具備水生態(tài)專業(yè)人員，精細(xì)物種鑒定仍然需要輔以傳統(tǒng)采樣。

生態(tài)擾動(dòng)對比：傳統(tǒng)抓斗、樣方收割采樣，會(huì)擾動(dòng)底泥，損傷水生植物，對修復(fù)區(qū)生境造成破壞；原位成像全程光學(xué)觀測，不觸碰底泥與生物，無生態(tài)擾動(dòng)，適合修復(fù)區(qū)高頻次重復(fù)巡檢。

數(shù)據(jù)檔案對比：傳統(tǒng)采樣主要保存生物樣本，缺少水下現(xiàn)場原生場景影像；原位成像模式每個(gè)點(diǎn)位留存完整圖像視頻檔案，可長期保存，便于后期復(fù)核對比、多年度變化分析。

局限性：原位成像模式高濁度水體識(shí)別能力下降；無法獲取生物實(shí)體標(biāo)本，精細(xì)物種鑒定能力有限。

6 工程應(yīng)用案例分析

某中型湖泊開展生態(tài)修復(fù)成效快速評估，湖泊面積約32km2，規(guī)劃布設(shè)72個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位。采用走航原位水下成像快速勘查模式，野外船只2個(gè)工作日完成全部72個(gè)點(diǎn)位影像采集；室內(nèi)開展圖像判讀，得到沉水植物分布、底棲生境狀況，識(shí)別出修復(fù)示范區(qū)植被恢復(fù)較好區(qū)域以及植被退化區(qū)域。挑選12個(gè)代表性點(diǎn)位，再開展傳統(tǒng)抓斗采樣，完成精準(zhǔn)物種鑒定作為校核。整套組合模式，相比全部點(diǎn)位傳統(tǒng)采樣，野外作業(yè)時(shí)間大幅縮短，同時(shí)避免修復(fù)示范區(qū)大量點(diǎn)位采樣帶來的生態(tài)擾動(dòng)，取得較好應(yīng)用效果。

7 技術(shù)推廣應(yīng)用建議

推廣應(yīng)用建議：

1）定位為快速篩查、常態(tài)化巡檢技術(shù)，不單獨(dú)全替代傳統(tǒng)采樣，采用“成像快速普查+重點(diǎn)點(diǎn)位傳統(tǒng)采樣校核"組合調(diào)查模式；

2）生態(tài)修復(fù)示范區(qū)優(yōu)先推廣，降低高頻監(jiān)測對修復(fù)生境的人為破壞；

3）建立影像歸檔管理制度，原始圖像完整保存，支撐多年度對比評估；

4）配套開展調(diào)查人員培訓(xùn)，掌握設(shè)備操作、圖像判讀能力；后續(xù)推進(jìn)AI圖像識(shí)別技術(shù)，進(jìn)一步提升圖像判讀工作效率。

8 結(jié)論

本文提出船只走航布點(diǎn)+原位水下成像快速勘查的河湖生態(tài)健康調(diào)查新模式，整套系統(tǒng)船載電池供電，無擾動(dòng)獲取水下沉水植物、底棲生境原位影像。與傳統(tǒng)采樣模式對比，該模式野外調(diào)查效率高，生態(tài)擾動(dòng)為零，能夠形成完整可視化影像檔案，適合大面積河湖生態(tài)快速篩查、常態(tài)化巡檢、生態(tài)修復(fù)成效評估。該技術(shù)應(yīng)當(dāng)與傳統(tǒng)采樣手段相互配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，為河湖水生態(tài)調(diào)查提供新的技術(shù)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉錄三,等.我國河湖健康評估技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與建議[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2023,43(05):441?450.

[2] 李黎,等.非侵入式監(jiān)測技術(shù)在水生態(tài)調(diào)查中的應(yīng)用綜述[J].水生態(tài)學(xué)雜志,2022,43(04):1?9.