珊瑚礁監測技術發展現狀及原位在線監測建設

呂意華， 婁全勝， 吳 鵬， 陳志強，方宏達，陳耀祖，陳 棟

（1. 國家海洋局南海環境監測中心，廣東 廣州 510300； 2. 中國海洋大學 海洋與大氣學院，山東 青島 266100；3. 浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021）

珊瑚礁生態系統是地球上凈生產力最高、生物多樣性最豐富的生態系統之一，全球有5 億人直接依賴珊瑚礁生態系統生活，它們為人類提供了食物、旅游、休閑、美學和海岸帶防護等諸多方面的生態和經濟價值。全球珊瑚礁總面積估計為28.43 萬km2，主要位于印度洋-太平洋地區（包括紅海、印度洋、南海和太平洋）、大西洋地區和加勒比海海岸，其中東南亞附近的南海海域珊瑚礁面積占世界珊瑚礁總面積的32.3%。我國珊瑚礁面積居世界第8 位，主要分布于廣東、廣西、福建、臺灣、海南沿岸以及南海諸島[1]。

隨著沿海地區社會和海洋經濟活動強度不斷加大，在全球氣候變化和人類活動的雙重壓力下，全球珊瑚生態健康狀況日益衰退。根據世界資源研究所2012 年的《珊瑚礁危機再探》報告顯示[2]，目前世界上75%的珊瑚礁正遭受著破壞和威脅。在占世界珊瑚礁總面積1/3 的東南亞海域，已有56%的珊瑚瀕臨滅絕。氣候變暖，海洋酸化、富營養化以及破壞性漁業生產和盜采等人類活動是珊瑚生態系統最直接的殺手。我國海域的珊瑚資源退化狀況亦極為嚴重，如西沙島礁周邊海域的珊瑚覆蓋率從2005年的65%下降到了2015 年的15%。因此，如何有效地監測珊瑚礁生態系統，使管理部門能夠及時采取保護措施，防止珊瑚礁生態系統退化，已成為珊瑚礁轄域各個國家亟需解決的環境問題。本文將從珊瑚礁傳統監測方法和自動化監測方法兩個方面對目前珊瑚礁監測技術進行論述。

1 傳統監測

目前，國內外對珊瑚礁生態系統進行監測的技術手段基本相同，主要是采用1997 年發布的《熱帶海洋資源調查手冊》[3]中制定的傳統調查技術和方法，例如截線樣帶法等。該方法由潛水員攜帶專業水下攝相機對珊瑚礁生物、種類、存活硬珊瑚覆蓋度以及生物多樣性指數等指標進行拍攝、記錄和鑒定，部分難以在水下完成的分析則需采集照片和樣品并帶回實驗室做進一步的研究。具體步驟包括：水下相機的組裝和保護、珊瑚魚類人工斷面鑒定和計數、水下珊瑚礁攝影、水下及水上監測位點的標記以及實驗室統計分析[4]。這種珊瑚礁監測技術可以對監測區的珊瑚礁做詳細的調查，因此得到廣泛應用并延續至今。目前，澳大利亞海洋科學研究所、美國伍茲霍爾海洋學研究所和中國科學院南海海洋研究所分別應用該方法對大堡礁、加勒比海和西沙海域的珊瑚礁進行調查并取得了顯著成果。該方法高度依賴天氣、海況和調查人員，對作業和分析人員的專業性要求較高，調查過程中作業人員需連續潛水作業，因此風險較大，監測效率偏低。此外，該方法不能監測到低溫和生物暴發等突發事件對珊瑚礁生態系統的影響，亦難以實現大尺度的珊瑚礁生態系統監測。

2 自動化監測

近年來，隨著葉綠素熒光技術、放射性水平測量技術、水面光譜測量技術、水下成像技術、衛星遙感和自動化水下機器人等新方法新技術的發展，珊瑚礁生態系統的水下監測技術取得了長足的進步。

2.1 葉綠素熒光技術

珊瑚礁白化是由于珊瑚失去體內共生的蟲黃藻或共生蟲黃藻失去體內色素而致使五彩繽紛的珊瑚礁變白的生態現象。葉綠素熒光技術是以造礁珊瑚的葉綠素熒光動力學和蟲黃藻的光合作用理論為基礎，利用珊瑚礁共生藻體內葉綠素變化來研究和監測珊瑚礁變化的技術。德國烏茲堡大學的Ulrich 等于1983 年利用該技術研發了一款可以原位研究水下植物（大型海藻、水草、珊瑚、“藻墊”和附著藻類等）光合作用的儀器——DIVING-PAM。該儀器可應用調制測量光來選擇性地測量活體葉綠素熒光，從而通過監測珊瑚礁中共生蟲黃藻的熒光參數變化來表征珊瑚礁的健康狀況。其特點在于能夠快速、可靠地測量光合作用光化學能量轉換的實際量子產量。DIVING-PAM 是目前發展最好的葉綠素熒光檢測儀，其作業深度可達50 m，在歐洲、美國、大洋洲、日本甚至是南極、北極地區都有廣泛應用[5-6]。DIVING-PAM 的操作非常簡單，只需數秒即可得到測量結果，但是仍需要潛水員進行水下作業完成。Ramesh 等[7]使用YOUTHINK UV-A 黑光手電筒測量珊瑚熒光，對患病和受損的珊瑚以及新生成并附著在沉淀物上或被藻類覆蓋的珊瑚進行了識別研究。與DIVING-PAM 相似，YOUTHINK UV-A也能迅速得到觀測結果，相比傳統調查方法極大提高了觀測效率。

2.2 放射性水平測量技術

放射性核素在多數情況下都是人為產生的，自1940 年以來，人類便通過各種途徑有意無意地向自然界輸入放射性核素[8]。這些放射性核素可能會對人類以及生物種群造成嚴重威脅。例如，珊瑚礁魚類體內的放射性核素可能通過食物鏈進入人體，也可能通過潛水這類直接暴露于輻射環境的方式對人體造成影響。

Lin 等[9]使用高純鍺（HPGe）γ 能譜儀對南海珊瑚礁三角區12 個采樣站點的珊瑚礁底質和活珊瑚骨骼的放射性核素水平進行了調查研究，結果表明研究區域珊瑚礁具有典型的放射性狀態，不存在人為因素導致的放射性核素的沉降區。

2.3 水面光譜測量技術

珊瑚礁底質的光譜反射率存在相似性和多樣性，這些因素會嚴重影響珊瑚礁遙感監測的結果。因此，對珊瑚礁底質光譜反射率的實際觀測可以為珊瑚礁遙感提供數據支撐。水面光譜測量技術是觀測珊瑚礁底質光譜的一種常用技術。水面光譜測量依賴于光譜儀，相比于衛星光譜分析，它具有更高的準確性和靈活性。

楊君怡[10]采集了西沙群島七連嶼周邊海域典型珊瑚礁的底棲生物樣品，并使用ASD Field Spec Dual 雙通道光譜儀對其進行了光譜測量，得到珊瑚礁底質光譜特征。Karpouzli 等[11]利用GER 1500 光譜輻射計測量得到了西加勒比海珊瑚、藻類、海草和沉積物等17 種珊瑚礁生物群的光譜反射率。

2.4 水下成像技術

菲律賓大學Francis 等[12]設計和制作了一種廉價的船載水下攝影機Teardrop 用于珊瑚礁監測。該設備主要由水下相機、嵌入式GSP 以及鋁合金固定框架等3 部分組成，并固定在船只上，隨船只航行時對目標海域的珊瑚礁進行攝影并記錄地理位置信息。針對深水和特殊海底地貌區域珊瑚魚類的監測，澳大利亞海洋科學研究所研發了一種誘餌水下遙感攝影機，可攜帶魚類餌料，從而對目標海域的珊瑚礁魚類進行有效觀察，為珊瑚礁生態系統的客觀評價提供數據支持。隨后，該研究所在大堡礁的不同區域布放了多個海洋浮標，組成無線水下遙感網絡。每個浮標均搭載水上水下攝像攝影機及其他多種海洋觀測儀器和設備，可同時觀測海水溫度、鹽度、pH 值、pCO2、濁度、光照和水下視頻圖像，對該海域的珊瑚礁生態系統進行監測和預警[13-14]。Licuanan 等[15]利用固定在觀測基地上的數碼相機對菲律賓海2014-2018 年期間的珊瑚礁生態環境進行了監測，結果發現珊瑚礁覆蓋率呈下降趨勢，其珊瑚礁總量在過去10 a 內減少了約1/3。

我國海南省海洋與漁業科學院李元超等[16]開發了一種珊瑚礁水下原位監測系統，主要由數據采集部分、數據傳輸部分、基站和遠程終端等4 部分組成。李元超等于西沙群島趙述島附近海域建立了觀測站點平臺，對該系統進行了長達1 a 的海上試驗。觀測平臺采用水中支架的安裝方式，在水深6 m 處安裝各種水質傳感器及水下攝像機，水面以上的支架安裝發電機、數據采集器和發射裝置等。觀測系統可獲得海水pH 值、溶解氧、濁度、葉綠素和鹽度等海洋環境要素和水下錄像的長期連續觀測數據。基于觀測結果，李元超等研究了試驗海區的水質參數、珊瑚礁覆蓋率、種類數量和珊瑚魚類密度等的時間變化特征，結果表明該海域的珊瑚礁生態系統正在恢復。

該方法將海洋監測人員從現場海洋監測中解放出來，具有很好的應用前景，有望實現偏遠海域珊瑚礁的連續原位監測。但是，該原位監測系統也有其不足或者尚待改進的地方，如在高溫高鹽的海水環境下如何防止腐蝕和海洋生物的附著，如何保證高清影像數據的穩定傳輸，如何及時對系統進行快速維護和修理等。此外，對于大面積的珊瑚礁原位監測，研究人員需搭建較多的監測站點，這將極大提高運維成本。

2.5 遙感技術

遙感技術是調查和監測珊瑚礁結構組成的一種有效手段，主要分為遙感影像分析和海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）分析兩類。遙感影像分析本質上是基于衛星或者航空影像，對珊瑚礁的高光譜特征進行分析，從而得到珊瑚礁區域的整體生態特征。而SST分析則直接從影響珊瑚礁生存的主要因素——海水溫度出發，對珊瑚礁狀態做出評估和白化預警。

近年來，遙感技術在國內外的珊瑚礁監測中得到越來越多的應用。蔡玉林等、孫旋等都使用美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）基于衛星SST數據開發的珊瑚礁白化監測產品，分別對南海區域和西沙群島珊瑚礁白化監測進行實例分析[17-18]。黃建波[19]使用多種衛星遙感影像數據分析了南海珊瑚礁的高光譜特征，給出了珊瑚島礁類型、岸線、潮間帶、濕地等目標的高空間分辨率遙感信息的提取結果。徐兵[20]對ETM+、QuickBird、IKONOS 和SPOT 5 等幾類常用傳感器進行光譜響應分析，為遙感監測工作提供了光譜學基礎。除衛星遙感技術以外，航空遙感影像也有較多的應用。Andréfou?t 等[21]使用小型機載光譜成像儀（CASI）數據來展示藻類和珊瑚之間的光譜差異。Touria 等[22]則結合航空影像、衛星影像和雷達數據，提出了HCAI 指數，用于珊瑚礁演變的定量分析。

美國和法國等國均利用衛星遙感手段對珊瑚礁生態系統進行監測和風險評估。Guild 等[23]基于衛星遙感技術開發出全球監測珊瑚礁白化方法，采用熱點和周熱度兩個主要指數，對大面積的珊瑚礁實行衛星監測。Eric 等[24]測量了12 種珊瑚礁棲底物質的光譜，指出珊瑚、海藻的反射率值都比較低；沙的反射率值最高，且缺少峰谷特征，最容易與其他物質區分。另外，法國研究者Julie 等[25]在研究如何設立珊瑚礁保護區時發現通過高分辨率（0.6～10 m）的衛星，可以對分布于淺水區的珊瑚礁生態系統中的珊瑚礁本身及其他環境因子進行遙感監測，如珊瑚礁的地理位置、覆蓋率、多樣性和底質成分等。非珊瑚礁間接監測因子，如海水的水溫、浪高、濁度、葉綠素和其他有顏色的有機質濃度等，氣象因子如風、雨、光照、云覆蓋等，也可對附近陸地的植被覆蓋、城市增長等進行監測，并結合這些監測結果評價目標海域的珊瑚礁健康狀況。但由于珊瑚的光譜特性及其變化均較為復雜，甚至同種珊瑚的光譜也存在明顯差異，充分理解珊瑚光譜的總體趨勢和變異原因是進行光譜識別的關鍵。

衛星遙感技術的最大優點是可實現大尺度海域的珊瑚礁監測，但是目前還沒有專門針對珊瑚礁監測設計的衛星傳感器，而水域環境下的輻射亮度變化范圍小，只占陸地衛星傳感器對輻射亮度整個相應范圍的很小一部分，因此降低了圖像的對比度。此外，該方法由于忽略了可致珊瑚礁病變或者白化的因素（如光、水動力學、珊瑚與蟲黃藻的關系等），使得其監測的時空分辨率不夠精密，對局部海域的珊瑚礁退化預警表現得不盡如人意。

2.6 水下機器人技術

隨著水下機器人技術的發展，水下機器人也開始應用于深海勘察、采樣、漁業資源調查和海洋監測[26-27]。加拿大Bárbara 教授等[28]通過多波段聲吶和水下機器人攝影的方法，對阿拉斯加附近海域深水區珊瑚礁和海綿的生境進行繪制。水下機器人一般需要操作人員在船上遙控，且一般貼海底運行，其工作效率較低，不利于大面積珊瑚礁海域的快速掃描和監測。針對這一缺陷，美國康涅狄格大學的Morgan 等[29]通過預先設定水下機器人的工作高度和操控程序，使水下機器人懸浮于距離海底一定的高度，根據預定程序實現水下機器人對目標海域珊瑚礁的快速自主監測。但是其圖像分辨率相對較差，在珊瑚礁種類鑒定時具有較為明顯的局限性。清攝像機，對珊瑚礁生態環境進行視頻監測。這種結合水下攝像機與水質探頭的監測方式一定程度上拓展了監測范圍，有利于準確評估珊瑚礁的生存狀態。海底有纜在線監測系統獲取的監測數據經專門定制的海底電纜傳輸到岸基監測站，從而實時、連續地監控受試點珊瑚礁生態環境的變化。此外，通過定期對海底監測系統進行維護和保養，能夠確保監測系統的正常運行，實現珊瑚礁生態系統的原位長期、連續、實時、在線監測和評估，為珊瑚礁生態系統的保護和治理提供數據支撐。

圖1 海底觀測系統布放

3 原位在線監測

3.1 監測系統

由于現有珊瑚礁調查方法主要依賴實地采樣和數據分析，難以對偏遠的珊瑚礁區域實行長期原位的系統監測。因此，建立一種可以獨立野外運行、快速準確地描述珊瑚礁生態系統健康狀況的原位監測技術是非常有必要的。近年來，原位監測技術仍處在探索狀態。李元超等[16]在西沙群島成功設立珊瑚礁原位觀測站點，獲得了長時間珊瑚礁觀測數據，其觀測結果表明，實驗海區的珊瑚礁生態系統正在恢復。熊小飛等[30]針對目前珊瑚礁生態環境監測技術實時性、連續性等方面的不足，提出了一種新型監測系統解決方案，利用海底電纜連接海底原位監測系統，將觀測數據傳輸至岸基測站，由岸基控制系統將數據經地面網絡轉發至監測控制中心，從而實現對珊瑚礁附近海域各水文生態參量的實時連續觀測。

為了更好地了解和掌握南海珊瑚礁生態系統隨時間的變化規律，本文基于熊小飛等[30]的監測系統，選取南海某島礁附近受人類活動干擾少、尚屬健康狀態的珊瑚礁生態系統作為監測對象，建設了原位有纜在線監測系統（圖1）。該監測系統以海底原位監測系統、岸基監測站為核心。海底原位監測系統布放在海域受試點底部，與熊小飛等[30]不同的是，除各種水質探頭外，系統還集成搭載了水下高

3.1.1 海底原位監測系統 海底原位監測系統是珊瑚礁監測系統的核心構架之一，其主要功能是對受試點水域的珊瑚礁進行長期、連續和實時監測。該系統的中心控制系統由能源供應分配、電源管理通信和數據采集控制3 個模塊組成。能源供應分配模塊負責將岸基監測站通過海底電纜接入的電壓進行降壓轉換，再根據實際需要對電壓進行分配處理；電源管理通信模塊負責傳感器電源管理與通信協議轉換；數據采集控制模塊主要負責與岸基監測站進行通信，進行傳感器采樣配置、數據采集與實時傳輸。此外，海底原位監測系統集成安裝了一臺高清攝像機，其水下拍攝廣角為80°（圖1），可清晰地觀測珊瑚礁的時間變化特征。

3.1.2 岸基監測站 岸基監測站布設于監測海域附近，其主要功能是為海底原位監測系統供給電力并實現數據和指令的實時交互傳輸。岸基監測站主要由電源管理、監測控制兩個模塊組成。電源管理模塊為海底原位監測系統提供穩定電源；監測控制模塊負責與原位監測系統進行數據和指令交互，同時進行監測數據的存儲備份。

3.2 業務化運行

原位監測系統建設完成后即實現自動業務化運行，截至目前，業務化運行時間已達1 a 有余。如圖2 中的黃色長方形框顯示，監測范圍內的珊瑚退化嚴重，部分濱珊瑚和薔薇珊瑚從發生白化到死亡的時間僅有1 個月左右，而6 個月內基本完成了珊瑚“白化—死亡—微藻附著—珊瑚骨骼腐爛—大型藻占領”這一退化周期。這說明該原位觀測系統可實現對珊瑚礁生態系統的長期、連續監測，對進一步了解珊瑚礁生態系統的時間變化規律、趨勢特征及其影響機制具有重要意義。

圖2 珊瑚礁在線監測白化過程監測實景圖

總體而言，原位監測技術利用海底電纜很好地解決了水下原位觀測系統的穩定電力供給和高清視頻信號的傳輸問題，成功監測到了珊瑚礁退化的全過程，因此可實現重點監測海域長期、連續、實時、在線監測。

4 總結與討論

綜合上述國內外珊瑚礁研究機構對珊瑚礁的研究方法可發現，目前人們利用海洋監測自動化等高科技手段對珊瑚礁生態系統的調查和監測的應用還處于研究或者試驗階段，現有自動化監測手段受限于各自的技術特性，自成一體，并未充分發揮多源、多手段集成監測優勢，無法高效協同，難以全面、細致地對珊瑚礁生態系統實現有效的監測。因此，綜合利用上述珊瑚礁監測方法，努力開發或集成新的、高效安全的和可推廣應用的珊瑚礁生態系統自動化監測技術是未來珊瑚礁監測的發展方向。

因此，為了更有效地監測珊瑚礁生態系統的時間變化規律及其趨勢特征，本文基于前人提出的原位在線監測技術，于南海某島礁海域建設了珊瑚礁生態環境原位在線監測系統，并進行了1 a 多的業務化運行。結果表明，該監測系統能夠實現珊瑚礁的長期、實時、連續監測。但是需要指出的是，其監測范圍仍然有限，無法實現較大空間尺度的珊瑚礁生態系統監測。