數(shù)字化海水養(yǎng)殖主要技術(shù)綜述

◎ 文/于喆

當(dāng)前是我國(guó)數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村建設(shè)的重要階段，作為農(nóng)業(yè)重要組成部分，海水養(yǎng)殖數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)智慧化海水養(yǎng)殖的前提，也是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文通過海水環(huán)境監(jiān)控、水下影像采集、數(shù)字孿生漁場(chǎng)、物聯(lián)網(wǎng)漁場(chǎng)等四個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)數(shù)字化海水養(yǎng)殖的主要技術(shù)方向進(jìn)行了分析與探索，供相關(guān)從業(yè)者參考借鑒。

2023年2月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《數(shù)字中國(guó)建設(shè)整體布局規(guī)劃》指出，建設(shè)數(shù)字中國(guó)是數(shù)字時(shí)代推進(jìn)中國(guó)式現(xiàn)代化的重要引擎，是構(gòu)筑國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)的有力支撐。加快數(shù)字中國(guó)建設(shè)，對(duì)全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家、全面推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興具有重要意義和深遠(yuǎn)影響。

我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正加速由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，隨著信息技術(shù)高速發(fā)展，利用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感等信息技術(shù)，發(fā)展數(shù)字化水產(chǎn)養(yǎng)殖，對(duì)提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的生產(chǎn)力有著重要作用。2023年中央一號(hào)文件提出，深入實(shí)施數(shù)字鄉(xiāng)村發(fā)展行動(dòng)，推動(dòng)數(shù)字化應(yīng)用場(chǎng)景研發(fā)推廣；加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)應(yīng)用，推進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會(huì)辦公室在《數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展規(guī)劃（2019-2025年）》提出了漁業(yè)智慧化、種業(yè)數(shù)字化等概念，指出要發(fā)展數(shù)字漁場(chǎng)。加快漁業(yè)信息化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)海水養(yǎng)殖數(shù)字化，從而實(shí)現(xiàn)智慧養(yǎng)殖，對(duì)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)提質(zhì)增效、產(chǎn)業(yè)升級(jí)有著重要意義，也是我國(guó)從漁業(yè)大國(guó)躍升為高水平漁業(yè)強(qiáng)國(guó)的必要途徑。

現(xiàn)階段，數(shù)字化海水養(yǎng)殖技術(shù)主要有海水環(huán)境監(jiān)控、水下影像采集、數(shù)字孿生漁場(chǎng)、物聯(lián)網(wǎng)漁場(chǎng)等四個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景。

一、海水環(huán)境監(jiān)控

“養(yǎng)魚先養(yǎng)水”。水是魚類等水產(chǎn)物種賴以生存的環(huán)境，水環(huán)境質(zhì)量直接影響到水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品質(zhì)量。隨著電化學(xué)、傳感器、新材料、嵌入式等技術(shù)飛速發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下溫度、鹽度、溶解氧、pH值等多理化參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著5G通訊技術(shù)、衛(wèi)星通訊技術(shù)、無線傳感網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，養(yǎng)殖水環(huán)境監(jiān)控不僅能安裝在室內(nèi)、濱海養(yǎng)殖區(qū)，還能安裝在近海大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)。水環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控可以積累長(zhǎng)期、連續(xù)的數(shù)據(jù)，形成重要、可參考的生產(chǎn)資料，通過查閱和分析歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)督管理；利用搜集的水質(zhì)數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行水質(zhì)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，為病害防治、自動(dòng)投喂、環(huán)境清理等提供智能化的決策依據(jù)。

目前，水質(zhì)探頭成本仍然較高，維護(hù)和校準(zhǔn)仍然需要投入較多人力，在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中，尤其需要考慮能耗、海流、水下障礙物纏繞等多種因素影響，給定期的維護(hù)和校準(zhǔn)工作加大了難度。

二、水下影像采集

雙目相機(jī)和三維立體相機(jī)是水下影像采集的主要傳感設(shè)備。雙目相機(jī)是一種輕量級(jí)、低成本、實(shí)時(shí)性較好的三維影像感知設(shè)備，而三維立體相機(jī)則更適合需要高精度、全方位三維信息的應(yīng)用場(chǎng)景。兩者作為水產(chǎn)影像采集的利器，在室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖池中取得良好應(yīng)用效果。水下影像采集對(duì)水體透明度有著較高要求，在室外大面積水域尤其是海域的水下影像采集過程中，魚類活動(dòng)、水流運(yùn)動(dòng)和天氣變化等都會(huì)造成擾動(dòng)，給影像采集和識(shí)別帶來困難。使用水下航行器搭載傳感器來協(xié)助進(jìn)行影像采集，可以更好地完成室外大面積水域影像采集任務(wù)，但是這種方式也大大增加了成本。

水下影像采集技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面。

（一）生物表型分析

通過高分辨率三維水產(chǎn)生物影像采集，可對(duì)水產(chǎn)生物形狀、顏色、大小、結(jié)構(gòu)等性狀做分析和處理，記錄水產(chǎn)生物成長(zhǎng)檔案，并可及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，進(jìn)行病害預(yù)警。

（二）生物行為學(xué)分析

水產(chǎn)生物對(duì)水中污染物會(huì)產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，生物行為變化是其生態(tài)環(huán)境變化的體現(xiàn)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)長(zhǎng)足進(jìn)步，基于魚類行為變化的視覺監(jiān)測(cè)已成為生物水質(zhì)監(jiān)測(cè)重要課題。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先需要獲取每個(gè)目標(biāo)魚類的行為軌跡數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，分析其規(guī)律和異常情況，最終建立預(yù)警系統(tǒng)。

（三）水下漁業(yè)資源量豐度調(diào)查

通過圖像增強(qiáng)、目標(biāo)檢測(cè)、特征提取等技術(shù)，可對(duì)水下各類水產(chǎn)生物進(jìn)行分類識(shí)別和計(jì)數(shù)，對(duì)其他相關(guān)的包括底質(zhì)、浮游生物、底棲生物的資源量信息進(jìn)行調(diào)查，同時(shí)可以結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)水域中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如氨氮、硝酸鹽、磷酸鹽等的含量進(jìn)行估算和分析，以評(píng)估水域的營(yíng)養(yǎng)情況。通過了解營(yíng)養(yǎng)植物、生物的分布規(guī)律，評(píng)估水產(chǎn)生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，制定合理的水環(huán)境管理和水產(chǎn)養(yǎng)殖方案。

（四）餌料識(shí)別

餌料投喂是決定水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)成本和水質(zhì)的主要因素之一。隨著漁業(yè)設(shè)施裝備發(fā)展，大多數(shù)養(yǎng)殖戶已經(jīng)使用自動(dòng)投料機(jī)，這些機(jī)器的投料頻率和投料量一般根據(jù)養(yǎng)殖戶經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。然而養(yǎng)殖者對(duì)魚類實(shí)際攝食需求的信息掌握有限，這就可能導(dǎo)致過度喂食或喂養(yǎng)不足。過量的飼料不被食用會(huì)消耗氧氣，產(chǎn)生氨和其他有毒物質(zhì)影響水質(zhì)，進(jìn)而影響魚的健康生長(zhǎng)。通過對(duì)室內(nèi)養(yǎng)殖池底部殘餌量的實(shí)時(shí)影像監(jiān)控和分析，可做出更好的投喂決策。

三、數(shù)字孿生漁場(chǎng)

水產(chǎn)養(yǎng)殖屬于高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，主要面臨自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、外來環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)、病害風(fēng)險(xiǎn)、管理和技術(shù)保障風(fēng)險(xiǎn)等，養(yǎng)殖環(huán)境也存在不確定性。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、無線傳感技術(shù)、聲光技術(shù)發(fā)展，可復(fù)現(xiàn)水下場(chǎng)景的數(shù)字孿生漁場(chǎng)將一步步成為現(xiàn)實(shí)。

水下點(diǎn)云技術(shù)是一種將激光掃描和三維成像技術(shù)應(yīng)用于水下環(huán)境的技術(shù)。它可以通過激光掃描將海底物體的形狀和位置等信息轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過三維成像技術(shù)將這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可視化圖像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海底環(huán)境的精確測(cè)量和建模。近年來，水下點(diǎn)云技術(shù)得到了快速發(fā)展。隨著硬件設(shè)備的升級(jí)，水下激光掃描儀性能不斷提升，能更加精確、高效地獲取海底物體的三維信息。其應(yīng)用場(chǎng)景也從最初的海底資源勘探、海底文物科考向更多領(lǐng)域擴(kuò)展。該技術(shù)正與水下機(jī)器人、雙目視覺技術(shù)等進(jìn)行融合發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更加全面和精確的水下場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)。

數(shù)字孿生技術(shù)將養(yǎng)殖漁場(chǎng)這個(gè)物理世界映射到數(shù)字化虛擬空間，讓水產(chǎn)養(yǎng)殖這個(gè)與自然界直接打交道的工作轉(zhuǎn)變?yōu)榕c數(shù)據(jù)和影像打交道。這種方式的優(yōu)勢(shì)一是不受時(shí)間和空間制約，實(shí)現(xiàn)對(duì)漁場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理；二是養(yǎng)殖人員可身臨其境般便捷全面地了解漁場(chǎng)信息，并實(shí)現(xiàn)多元感官互動(dòng)；三是可通過數(shù)字孿生體直接采集生物身高、體長(zhǎng)等表型特征；四是便于分析預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)孿生體進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素捕獲，并對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)景進(jìn)行重建，進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，依托孿生體模擬實(shí)驗(yàn)，可以在不終止本體漁場(chǎng)運(yùn)行的情況下，探索改善養(yǎng)殖相關(guān)技術(shù)方案，從而提高漁場(chǎng)本體養(yǎng)殖成功率。

當(dāng)前，數(shù)字孿生漁場(chǎng)在推廣和應(yīng)用上仍面臨困難和挑戰(zhàn)。一是水下環(huán)境復(fù)雜，如海水吸收和散射作用、海水中懸浮物、海底復(fù)雜地形等，讓水下聲光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用受到了局限。二是數(shù)據(jù)精度和可靠性有待提高，水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度和可靠性對(duì)于水下環(huán)境監(jiān)測(cè)和勘探至關(guān)重要，但由于水下環(huán)境復(fù)雜性和數(shù)據(jù)采集困難性，水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度和可靠性仍然存在一定局限。三是數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理需要使用一系列專業(yè)算法和軟件，這涉及激光掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、三維建模等多個(gè)領(lǐng)域，處理過程復(fù)雜且耗時(shí)較長(zhǎng)，導(dǎo)致現(xiàn)階段只能周期性完成養(yǎng)殖場(chǎng)景數(shù)字化重建，暫不能達(dá)到實(shí)時(shí)效果。四是硬件設(shè)備成本高，水下點(diǎn)云技術(shù)需要使用的高端激光掃描儀、水下機(jī)器人等硬件設(shè)備成本較高，對(duì)于一些應(yīng)用場(chǎng)景的普及和推廣造成了一定的制約。

四、物聯(lián)網(wǎng)漁場(chǎng)

不管是水文數(shù)據(jù)還是影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，都需要通過實(shí)時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器端，供養(yǎng)殖管理者通過終端設(shè)備來訪問，這就需要強(qiáng)大的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)做支撐。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)的是“萬物互聯(lián)”，達(dá)到節(jié)省時(shí)間成本、人力成本、能源成本的目的。它是將網(wǎng)絡(luò)連接從標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)擴(kuò)展到車輛、電子產(chǎn)品、軟件、傳感器等不同用途的設(shè)備中，組成多設(shè)備的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，陸上無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到飛速進(jìn)步，無線水下物聯(lián)、無線水上物聯(lián)也逐步成為可能。對(duì)于水下特殊環(huán)境，可以通過聲學(xué)通訊和光學(xué)通訊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。聲學(xué)通訊可以實(shí)現(xiàn)低衰減率的遠(yuǎn)距離通訊，如水文數(shù)據(jù)、控制信息等的傳送；光學(xué)通訊可以實(shí)現(xiàn)高帶寬、低延遲的近距離通訊，如影像數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)等的傳送。對(duì)于海面上的通訊，可由使用多跳的無線射頻通信技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)漁場(chǎng)的核心技術(shù)，其核心思想是實(shí)現(xiàn)設(shè)備多樣化、多節(jié)點(diǎn)、低能耗、自組織的無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。傳感節(jié)點(diǎn)、通信協(xié)議、能源供給都要按照無線傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)控制終端、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、傳感設(shè)備、水產(chǎn)生物等各個(gè)實(shí)體實(shí)時(shí)互聯(lián)。

總而言之，與陸地環(huán)境和淡水環(huán)境不同，嚴(yán)酷的海水環(huán)境是制約海水養(yǎng)殖數(shù)字化的重要因素。耐腐蝕、防水壓材料的設(shè)計(jì)、水下通訊技術(shù)的研究、提高能源的利用效率等方面均有待提升和探索。數(shù)字化海水養(yǎng)殖是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，隨著各類技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，在數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村建設(shè)的大背景下，將有力推動(dòng)海水養(yǎng)殖業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。