一種便攜式珊瑚礁分布調查系統研究與應用

呂意華 ，姜慶巖 ，陳志強 ，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 海洋學院，浙江 舟山 316021）

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

目前，受限于技術和資金等因素，我國尚未全面系統的開展珊瑚礁分布狀況調查工作，我國的珊瑚礁分布面積存在較大爭議，有關珊瑚礁分布狀況調查主要依托個別專項開展了局部熱點區(qū)域的調查。這些調查工作因區(qū)域零散、范圍小，無法實現全覆蓋；數據資料呈現碎片化，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，導致不能全景性呈現我國珊瑚礁分布現狀，珊瑚礁保護管理工作難以有效開展[4-8]。

國內外珊瑚礁的分布狀況調查主要采取遙感調查和現場調查相結合的方式。遙感調查主要通過衛(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，遙感調查主要適應于水體透明度高的近岸或偏遠島礁海域，難以適應近岸水體透明度低和較深水域珊瑚礁分布調查[9-11]。現場調查依托專業(yè)潛水員或水下機器人，開展現場觀察、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)，風險高且效率低。另外一種是采用水下機器人（ROV）代替潛水員進行珊瑚礁分布調查，這種方法雖較之前有很大改觀，但仍存在不足之處，如ROV 的使用需要技術人員經過專業(yè)培訓方可上手操作，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上限制了大規(guī)模開展珊瑚礁分布調查的能力。因此，亟須開發(fā)一種安全、便捷和高效，可實時定位的珊瑚礁分布狀況的調查設備，為我國珊瑚礁分布狀況的全覆蓋調查提供技術支撐。

1 便攜式珊瑚礁分布調查系統研究

針對現有珊瑚礁調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查系統，該系統模塊化設計，結構簡單；重量18 kg，輕巧便攜，使用方便；可避免大量的人員反復潛水作業(yè)，大大提高珊瑚礁分布狀況現場調查的效率和作業(yè)安全。目前此珊瑚礁調查系統已獲得國家實用新型發(fā)明專利。

1.1 總體設計

便攜式珊瑚礁分布調查系統（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、數據展示模塊；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、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行珊瑚礁調查監(jiān)測視頻畫面、監(jiān)測站點坐標等信息實時查看和記錄。甲板單元前端提供一鍵式的電源開關控制按鈕，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、外接筆記本設備USB 及網絡接口。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 電壓轉換，集中進行 G-Mouse 衛(wèi)星定位模塊、LED 輔助光源（20 W）、水下高清攝像機設備（1080p）的穩(wěn)定電力供給。GMouse 衛(wèi)星定位模塊兼容GPS 定位系統，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協議輸出，幫助在珊瑚礁現場調查中準確快速的獲取站點經緯度坐標。

圖1 便攜式珊瑚礁分布調查系統整體示意圖

1.2 數據展示模塊

數據展示模塊通過在外部接入筆記本電腦上運行免安裝軟件，進行珊瑚礁監(jiān)測視頻畫面、站點坐標的實時查看，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，將原始流數據經解協議、解封裝、解碼、音視頻同步等步驟后進行實時在線播放、存儲，目前可兼容常規(guī)的RTMP、RTSP、HTTP 等協議視頻流。首先從原始的流媒體協議數據去掉信令數據得到壓縮后的音視頻數據，經過解封裝后輸出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據RGB24 和非壓縮的音頻數據PCM，并將其中的視頻幀數據YUV 轉碼成圖片進行在線播放。

定位信息解析模塊主要用于實時接收GPS 定位信息數據，兼容常規(guī)的NEMA-0183 協議數據，對包含 GPGSV、GNGGA、GNGSA、GNRMC、GNVTG 的數據進行解析過濾，實時獲取當前珊瑚礁監(jiān)測站點的經緯度坐標數據并動態(tài)展示。

珊瑚礁監(jiān)測評價模塊，通過對當前珊瑚礁狀況進行有、無等選擇評價，可后臺同步自動生成當前珊瑚礁監(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，可進行100 Mbps 網絡信號傳輸，以及DC 12 V、DC 36 V 電力供給，線纜傳輸壓降較小。抗拉繩采用尼龍編制，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，負責連接甲板單元及水下單元，輔助現場調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調查

2.1 現場調查

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

（1）將斷面位置信息導入移動導航設備，駕駛小艇到達預設斷面，測量水深，根據水深情況調整小艇位置，小艇盡量靠近岸邊（水深約1.5～2 m 作為調查的起點）。

（2）放下船載便攜式珊瑚礁調查系統，觀察周邊底質，如發(fā)現珊瑚礁且為基巖底質，則小艇按離岸線垂直方向（借助潛水裝備中的指北三聯表）每隔10～20 m 左右（可根據珊瑚礁分布密集程度進行調整）設置1 個采集點，放下設備觀察，采集水下影像和獲取經緯度信息，直至珊瑚礁與泥沙邊界區(qū)，然后再沿調查斷面往外設置3 個采集點，確認50 m內已無珊瑚礁。

（3）考慮到部分沙灘為人工填埋，對沙質岸段和基巖岸段的分界區(qū)采用水下機器人進行巡查，確定有無珊瑚礁，如發(fā)現有珊瑚礁則重復步驟1 和步驟2，如未發(fā)現則進入后續(xù)斷面的調查。

（4）在調查過程中，如果上一個斷面發(fā)現珊瑚礁，而下一個500 m 間隔的斷面內未發(fā)現珊瑚礁，則在這兩個斷面之間增設斷面繼續(xù)補充調查。

（5）現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 調查斷面分布圖和數據采集點（紅色圓點）分布情況

2.2 實驗室分析

將自動生成的斷面調查點位的經緯度排序，以無珊瑚礁分布的采集點和相鄰的有珊瑚礁采集點連線的中間點作為珊瑚礁分布的外邊界點，結合視頻影像對珊瑚分布情況進行確認。內邊界為對應的衛(wèi)星遙感解譯的海陸分界線，并根據現場調查數據、岸線類型（基巖、泥質和沙礫質）、地形地貌（沙地、灘涂、河流入海口等）和沿岸人類活動狀況（碼頭、填海區(qū)等）進行了核實。利用GIS 軟件連接珊瑚礁分布外邊界點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)域邊緣進行平滑處理。

2.3 調查結果

本次試點調查結果（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行了調查。與本次試點應用的區(qū)別在于調查手段不同，本次試點應用是以便攜式珊瑚礁調查系統替代人工潛水來獲取水下影像。

珊瑚礁現場調查海況一般不高于3 級，但現場調查作業(yè)過程中水面記錄的經緯度受風、海流的牽引影響存在一定偏差。此外，由于便攜式珊瑚礁調查系統獲取的水下影像是不連續(xù)的，在繪制珊瑚礁分布區(qū)時以調查斷面的最后一個有珊瑚調查點與第一個無珊瑚調查點的中間點作為分布邊界點。因此，通過數據處理確定的邊界點存在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查結果表明，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查數據一致，僅面積存在0.7 km2的誤差，吻合度達到96.2%。

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

3 結論

本文研究開發(fā)的便攜式珊瑚礁分布調查系統是一種現場利用水下攝影攝像設備調查珊瑚礁的創(chuàng)新技術方法，可以實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查中的試點應用，該系統適用于近岸珊瑚礁分布狀況調查，作業(yè)效率可大幅提高，調查結果準確。此外，該設備還可應用于其他需獲取水下影像資料的調查工作中，如底質類型和海草床等，具有良好的應用前景。