一種便攜式珊瑚礁分布調(diào)查系統(tǒng)研究與應(yīng)用

呂意華 ，姜慶巖 ，陳志強(qiáng) ，鄧 偉 ，陳凱彪 ，石榮貴 ，陳 棟 ，李培良 *

（國家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 廣州 510300；2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021）

珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)是地球上凈生產(chǎn)力最高、生物多樣性最豐富的生態(tài)系統(tǒng)之一，被譽(yù)為“海洋中的熱帶雨林”、“藍(lán)色沙漠中的綠洲”，全球有5 億人直接依賴珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)生活，它為人類提供了食物、旅游、休閑、美學(xué)和海岸帶防護(hù)等諸多方面生態(tài)價值[1-3]。

目前，受限于技術(shù)和資金等因素，我國尚未全面系統(tǒng)的開展珊瑚礁分布狀況調(diào)查工作，我國的珊瑚礁分布面積存在較大爭議，有關(guān)珊瑚礁分布狀況調(diào)查主要依托個別專項開展了局部熱點(diǎn)區(qū)域的調(diào)查。這些調(diào)查工作因區(qū)域零散、范圍小，無法實(shí)現(xiàn)全覆蓋；數(shù)據(jù)資料呈現(xiàn)碎片化，難以形成“一張圖”和工作開展比較分散，時間缺乏同步性等問題，導(dǎo)致不能全景性呈現(xiàn)我國珊瑚礁分布現(xiàn)狀，珊瑚礁保護(hù)管理工作難以有效開展[4-8]。

國內(nèi)外珊瑚礁的分布狀況調(diào)查主要采取遙感調(diào)查和現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方式。遙感調(diào)查主要通過衛(wèi)星和航空遙感反演珊瑚礁分布范圍、地形地貌和水體環(huán)境等信息，但受限于水體透明度和水深等因素，遙感調(diào)查主要適應(yīng)于水體透明度高的近岸或偏遠(yuǎn)島礁海域，難以適應(yīng)近岸水體透明度低和較深水域珊瑚礁分布調(diào)查[9-11]?，F(xiàn)場調(diào)查依托專業(yè)潛水員或水下機(jī)器人，開展現(xiàn)場觀察、拍攝影像資料，獲取珊瑚礁分布信息，該方法對天氣、海況和人員的依賴程度高，對作業(yè)和分析人員專業(yè)要求高，作業(yè)人員需連續(xù)潛水作業(yè)，風(fēng)險高且效率低。另外一種是采用水下機(jī)器人（ROV）代替潛水員進(jìn)行珊瑚礁分布調(diào)查，這種方法雖較之前有很大改觀，但仍存在不足之處，如ROV 的使用需要技術(shù)人員經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)方可上手操作，且耗電量大，易用性較差。此外，ROV 水下定向航行和自平衡能力差，缺乏GPS 定位能力，難以實(shí)時獲取影像的位置信息，其移動過程中連接線纜也極易被珊瑚礁鉤掛[12-13]。這些問題的存在從技術(shù)上限制了大規(guī)模開展珊瑚礁分布調(diào)查的能力。因此，亟須開發(fā)一種安全、便捷和高效，可實(shí)時定位的珊瑚礁分布狀況的調(diào)查設(shè)備，為我國珊瑚礁分布狀況的全覆蓋調(diào)查提供技術(shù)支撐。

1 便攜式珊瑚礁分布調(diào)查系統(tǒng)研究

針對現(xiàn)有珊瑚礁調(diào)查方式存在的缺陷與不足，本文研究開發(fā)了一種便攜式珊瑚礁分布調(diào)查系統(tǒng)，該系統(tǒng)模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單；重量18 kg，輕巧便攜，使用方便；可避免大量的人員反復(fù)潛水作業(yè)，大大提高珊瑚礁分布狀況現(xiàn)場調(diào)查的效率和作業(yè)安全。目前此珊瑚礁調(diào)查系統(tǒng)已獲得國家實(shí)用新型發(fā)明專利。

1.1 總體設(shè)計

便攜式珊瑚礁分布調(diào)查系統(tǒng)（圖1），包括甲板單元、專用連接線纜和水下單元。甲板單元包括供電管理模塊、G-Mouse 衛(wèi)星定位模塊、數(shù)據(jù)展示模塊；所述專用連接線纜包括抗拉繩、電力信號傳輸線纜；水下單元包括搭載框架、水下高清攝像機(jī)、輔助照明裝置；專用連接線纜連接甲板單元與水下單元。甲板單元通過專用連接線纜為水下單元提供供電管理控制，同時甲板單元可直接接入筆記本電腦進(jìn)行珊瑚礁調(diào)查監(jiān)測視頻畫面、監(jiān)測站點(diǎn)坐標(biāo)等信息實(shí)時查看和記錄。甲板單元前端提供一鍵式的電源開關(guān)控制按鈕，后端提供AC220V 市電三線插頭接口、專用連接線纜航空插頭接口、外接筆記本設(shè)備USB 及網(wǎng)絡(luò)接口。甲板單元通過外部接入AC220V 市電，利用 AC220V/DC5V 1W、AC220V/DC12V 10W、AC220V/DC36V 30 W 電壓轉(zhuǎn)換，集中進(jìn)行 G-Mouse 衛(wèi)星定位模塊、LED 輔助光源（20 W）、水下高清攝像機(jī)設(shè)備（1080p）的穩(wěn)定電力供給。GMouse 衛(wèi)星定位模塊兼容GPS 定位系統(tǒng)，可并行捕獲和跟蹤任意其中兩個GNSS，通過提供-167 dBm的動態(tài)靈敏度和2 m 的定位精度以及NEMA 0183協(xié)議輸出，幫助在珊瑚礁現(xiàn)場調(diào)查中準(zhǔn)確快速的獲取站點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)。

圖1 便攜式珊瑚礁分布調(diào)查系統(tǒng)整體示意圖

1.2 數(shù)據(jù)展示模塊

數(shù)據(jù)展示模塊通過在外部接入筆記本電腦上運(yùn)行免安裝軟件，進(jìn)行珊瑚礁監(jiān)測視頻畫面、站點(diǎn)坐標(biāo)的實(shí)時查看，以及珊瑚礁監(jiān)測評價記錄操作，主要包括視頻解碼播放模塊、定位信息解析模塊、珊瑚礁監(jiān)測評價模塊等部分組成。

視頻解碼播放模塊主要是基于ffmpeg 技術(shù)，將原始流數(shù)據(jù)經(jīng)解協(xié)議、解封裝、解碼、音視頻同步等步驟后進(jìn)行實(shí)時在線播放、存儲，目前可兼容常規(guī)的RTMP、RTSP、HTTP 等協(xié)議視頻流。首先從原始的流媒體協(xié)議數(shù)據(jù)去掉信令數(shù)據(jù)得到壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過解封裝后輸出H.264 編碼的視頻碼流以及AAC 編碼的音頻碼流，通過解碼得到非壓縮的視頻顏色數(shù)據(jù)RGB24 和非壓縮的音頻數(shù)據(jù)PCM，并將其中的視頻幀數(shù)據(jù)YUV 轉(zhuǎn)碼成圖片進(jìn)行在線播放。

定位信息解析模塊主要用于實(shí)時接收GPS 定位信息數(shù)據(jù)，兼容常規(guī)的NEMA-0183 協(xié)議數(shù)據(jù)，對包含 GPGSV、GNGGA、GNGSA、GNRMC、GNVTG 的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析過濾，實(shí)時獲取當(dāng)前珊瑚礁監(jiān)測站點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù)并動態(tài)展示。

珊瑚礁監(jiān)測評價模塊，通過對當(dāng)前珊瑚礁狀況進(jìn)行有、無等選擇評價，可后臺同步自動生成當(dāng)前珊瑚礁監(jiān)測畫面圖片文件及視頻文件，并動態(tài)生成珊瑚礁記錄索引信息，主要包括圖片編號、時間戳、經(jīng)緯度和評價信息。

1.3 電力信號傳輸

電力信號傳輸線纜采用防水耐壓8 芯線纜，可進(jìn)行100 Mbps 網(wǎng)絡(luò)信號傳輸，以及DC 12 V、DC 36 V 電力供給，線纜傳輸壓降較小?？估K采用尼龍編制，一端編織成雞心扣，以便與水下框架連接，可提供200 kg 抗拉力。其中電力信號傳輸線纜被抗拉繩包覆編織成一個整體，負(fù)責(zé)連接甲板單元及水下單元，輔助現(xiàn)場調(diào)查時水下單元的布放和回收。

2 潿洲島珊瑚礁分布狀況試點(diǎn)調(diào)查

2.1 現(xiàn)場調(diào)查

2019 年 5 月 25 日—31 日，國家海洋局南海環(huán)境監(jiān)測中心和浙江大學(xué)海洋學(xué)院組織技術(shù)團(tuán)隊利用此珊瑚礁調(diào)查系統(tǒng)在潿洲島開展試點(diǎn)應(yīng)用。調(diào)查人員參照目前國內(nèi)通行做法，根據(jù)潿洲島海岸線變化情況在海角、底質(zhì)類型變化情況，在潿洲島周邊按500～1 000 m/條的斷面間隔設(shè)置沿岸線垂直方向的珊瑚礁調(diào)查斷面，采用便攜式珊瑚礁分布調(diào)查系統(tǒng)采集水下影像資料，觀察底質(zhì)類型，判斷和記錄珊瑚礁分布情況，共完成了33 條調(diào)查斷面的調(diào)查（圖2）。具體現(xiàn)場作業(yè)流程如下：

（1）將斷面位置信息導(dǎo)入移動導(dǎo)航設(shè)備，駕駛小艇到達(dá)預(yù)設(shè)斷面，測量水深，根據(jù)水深情況調(diào)整小艇位置，小艇盡量靠近岸邊（水深約1.5～2 m 作為調(diào)查的起點(diǎn)）。

（2）放下船載便攜式珊瑚礁調(diào)查系統(tǒng)，觀察周邊底質(zhì)，如發(fā)現(xiàn)珊瑚礁且為基巖底質(zhì)，則小艇按離岸線垂直方向（借助潛水裝備中的指北三聯(lián)表）每隔10～20 m 左右（可根據(jù)珊瑚礁分布密集程度進(jìn)行調(diào)整）設(shè)置1 個采集點(diǎn)，放下設(shè)備觀察，采集水下影像和獲取經(jīng)緯度信息，直至珊瑚礁與泥沙邊界區(qū)，然后再沿調(diào)查斷面往外設(shè)置3 個采集點(diǎn)，確認(rèn)50 m內(nèi)已無珊瑚礁。

（3）考慮到部分沙灘為人工填埋，對沙質(zhì)岸段和基巖岸段的分界區(qū)采用水下機(jī)器人進(jìn)行巡查，確定有無珊瑚礁，如發(fā)現(xiàn)有珊瑚礁則重復(fù)步驟1 和步驟2，如未發(fā)現(xiàn)則進(jìn)入后續(xù)斷面的調(diào)查。

（4）在調(diào)查過程中，如果上一個斷面發(fā)現(xiàn)珊瑚礁，而下一個500 m 間隔的斷面內(nèi)未發(fā)現(xiàn)珊瑚礁，則在這兩個斷面之間增設(shè)斷面繼續(xù)補(bǔ)充調(diào)查。

（5）現(xiàn)場記錄各斷面岸線類型，地形地貌及周邊人類活動情況。

圖2 調(diào)查斷面分布圖和數(shù)據(jù)采集點(diǎn)（紅色圓點(diǎn)）分布情況

2.2 實(shí)驗室分析

將自動生成的斷面調(diào)查點(diǎn)位的經(jīng)緯度排序，以無珊瑚礁分布的采集點(diǎn)和相鄰的有珊瑚礁采集點(diǎn)連線的中間點(diǎn)作為珊瑚礁分布的外邊界點(diǎn)，結(jié)合視頻影像對珊瑚分布情況進(jìn)行確認(rèn)。內(nèi)邊界為對應(yīng)的衛(wèi)星遙感解譯的海陸分界線，并根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)、岸線類型（基巖、泥質(zhì)和沙礫質(zhì)）、地形地貌（沙地、灘涂、河流入?？诘龋┖脱匕度祟惢顒訝顩r（碼頭、填海區(qū)等）進(jìn)行了核實(shí)。利用GIS 軟件連接珊瑚礁分布外邊界點(diǎn)與海陸分界線所圍成的圖斑作為珊瑚礁分布區(qū)，采用Arcgis 的Smooth 工具（平滑容差0.1 m）對珊瑚礁分布區(qū)域邊緣進(jìn)行平滑處理。

2.3 調(diào)查結(jié)果

本次試點(diǎn)調(diào)查結(jié)果（圖3）顯示，除南灣外，全島沿岸均有珊瑚礁呈帶狀分布，分布帶寬度范圍為0.07～2.16 km。其中以西北部-北部-東北部分布最寬，寬度多在1.65～2.10 km 之間，東部和西部分別在0.24～1.14 km 和0.16～1.03 km。潿洲島珊瑚多呈零星斑塊狀分布，以團(tuán)塊狀和皮殼狀珊瑚為主，分枝狀珊瑚較少，珊瑚斷枝、骨骼和碎屑隨處可見，全島共發(fā)現(xiàn)珊瑚礁分布面積22.1 km2。

圖3 潿洲島珊瑚礁分布狀況圖（紅色區(qū)域為珊瑚分布區(qū)域）

廣西紅樹林中心、自然資源部第三海洋研究所和廣東海洋大學(xué)分別通過500 m、500 m 和200 m的斷面間隔對潿洲島、三亞紅塘灣和深圳大鵬灣海域的珊瑚礁分布狀況進(jìn)行了調(diào)查。與本次試點(diǎn)應(yīng)用的區(qū)別在于調(diào)查手段不同，本次試點(diǎn)應(yīng)用是以便攜式珊瑚礁調(diào)查系統(tǒng)替代人工潛水來獲取水下影像。

珊瑚礁現(xiàn)場調(diào)查海況一般不高于3 級，但現(xiàn)場調(diào)查作業(yè)過程中水面記錄的經(jīng)緯度受風(fēng)、海流的牽引影響存在一定偏差。此外，由于便攜式珊瑚礁調(diào)查系統(tǒng)獲取的水下影像是不連續(xù)的，在繪制珊瑚礁分布區(qū)時以調(diào)查斷面的最后一個有珊瑚調(diào)查點(diǎn)與第一個無珊瑚調(diào)查點(diǎn)的中間點(diǎn)作為分布邊界點(diǎn)。因此，通過數(shù)據(jù)處理確定的邊界點(diǎn)存在5～10 m 的誤差。通過比較廣西紅樹林研究中心2014 年對潿洲島珊瑚礁分布的調(diào)查結(jié)果表明，潿洲島珊瑚礁沿著海岸線分布，西北部沿岸海域最寬，東北部、東部、東南部、西南部次之，面積約為21.3 km2[14-15]，其珊瑚礁空間分布特征與本次調(diào)查數(shù)據(jù)一致，僅面積存在0.7 km2的誤差，吻合度達(dá)到96.2%。

因此，本文中的便攜式珊瑚礁分布調(diào)查系統(tǒng)在現(xiàn)場調(diào)查過程中存在因系統(tǒng)調(diào)查方式導(dǎo)致的誤差，但對結(jié)果的影響較小。在資金、人力和時間等有限條件下，該系統(tǒng)可替代反復(fù)潛水作業(yè)，極大地提高了作業(yè)效率和安全性。通過比較單一調(diào)查斷面的作業(yè)時間，該方法可縮短作業(yè)時間達(dá)150%～200%，非常適合于水體透明度低，潛水作業(yè)風(fēng)險大，難以采用遙感等其他技術(shù)手段的近岸海域珊瑚礁分布狀況調(diào)查。

3 結(jié)論

本文研究開發(fā)的便攜式珊瑚礁分布調(diào)查系統(tǒng)是一種現(xiàn)場利用水下攝影攝像設(shè)備調(diào)查珊瑚礁的創(chuàng)新技術(shù)方法，可以實(shí)時高效安全地獲取水下珊瑚礁分布情況并記錄位置信息。通過在潿洲島珊瑚礁調(diào)查中的試點(diǎn)應(yīng)用，該系統(tǒng)適用于近岸珊瑚礁分布狀況調(diào)查，作業(yè)效率可大幅提高，調(diào)查結(jié)果準(zhǔn)確。此外，該設(shè)備還可應(yīng)用于其他需獲取水下影像資料的調(diào)查工作中，如底質(zhì)類型和海草床等，具有良好的應(yīng)用前景。