新技术在水母监测中的应用＊

杨东方，崔文林，张洪亮，徐子钧，张爱君

（1．国家海洋局北海环境监测中心 青岛 266033；2．浙江海洋学院海洋科技学院 舟山 316000；3．上海海洋大学生命学院 上海 201306）

近年来，在许多海域经常出现水母的暴发，如东海、黄海和渤海，给海洋生态和渔业造成了严重的灾害。夏季和秋季水母暴发的密集区往往是鱼卵和仔稚鱼的主要分布区，水母食性广，可使水域浮游动物的密度急剧下降［1］，导致幼鱼和小鱼饿死，鱼类资源密度下降［2］。水母灾害严重影响渔业生产，造成巨大的经济损失［3］。因此，需要准确监测水母的种类、数量、分布等指标。以往的水母监测以拖船网具作业为主［2，4－6］，具有无法原位监测、时空分辨率低、容易损坏水母幼体、人力物力耗费量大等缺点［7－8］，不能达到当今水母指标的监测要求。于是，现在的先进技术被引入水母的监测，如水下声学［9］、水下光学［10］、航空 技术［11］等，丰富了水母监测的方法，提高了水母监测的水平。本研究阐述水母监测的新方法，并分析了各种监测方法的优缺点，为水母及各种生物的监测提供科学方法。

1 水下摄像的监测

水母在水体中缓慢的移动，就可以利用水下摄像进行监测。首先将光源对目标进行照明，把光敏芯片与传统光学镜头结合在一起，将目标成像在面阵光电器件上，通过快门对光通量进行控制，利用图像采集装置将图像信息存储在存储器上，利用数字图像处理方法对浮游生物进行分析识别［12］。水下摄像的监测方法优点在于分辨率高、能够反映水母的运动行为。而且水母的时空分布、移动过程和行为表现都可以通过水下摄像进行记录 （图1）［10］，其缺点是视野有限。

图1 水下摄像的监测技术示意图

对水下摄像的监测技术已进行了多年的研究。Davis等研制的水下浮游生物视频记录系统（Video Plankton Recorder，VPR）［13－14］，利用前向散射光来对几乎透明的浮游生物成像，能够监测尺寸在0．2～20mm 之间的浮游动物，如水螅虫、水母等。Strickler和Hwang［15］设计的浮游动物三维观测系统采用了多部相机来对1L 体积范围内的生物进行图像采集，可以获取浮游动物的行为特征等各种信息。Graham 等［10］开发了水母摄像系统，分辨率达到2m （垂直方向）×1m（水平方向），实现了水母的原位监测。于连生等［16］利用“全自动数字显微成像仪”实现现场浮游生物图像的自动拍摄。对此，水下摄像的监测技术在不断地完善，水下水母等浮游生物在水下摄像的过程中不受任何影响和控制。

2 声呐成像的监测

声呐成像方法主要通过声呐信号的发射与接收来实现水母的监测。Han 等［9］建立的水母监测高分辨率成像声呐 （A Dual－frequency Identification Sonar，DIDSON），该系统包括传感器、机顶控制盒、数据线、控制软件和便携式电脑，传感器可在高频 （1．8MHz）和低频（1．0MHz）模式下操作［9］（图2）［9］。声呐成像的监测方法优点在于监测范围广、可以同时监测水母的水平和垂直分布、在浑浊或昏暗水体中也可以监测等优点［17－19］，其缺点是分辨率低、无法进行种属的判别、无法反应水母的运动行为等。

图2 声呐成像的监测技术示意图

近年来，声呐成像的监测技术有很大的发展。在声学系统方面，高分辨率 （500kHz）侧扫声呐系统已能提供近似照相的分辨率，而且能够实现水下目标的成像和识别。目前，该技术用于水母、鱼类的丰度、规模、游泳、行为等的监测［20－22］。Han等［9］运用高分辨率声呐成像技术监测了近岸水域海月水母的数量丰度和空间分布，根据高分辨率的声呐图像可以对直径4．1～19．6cm（平均13．1cm）的水母进行定性和定量分析，而且此方法获取的水母总平均密度比传统方法高3．3 倍，跟传统方法相比优势很明显。因此，随着声呐成像分辨率的提高，加上本身具有探测范围广的优势，高分辨率成像声呐技术在水母的水下监测中发挥了重大的作用。

3 航空影像的监测

航空影像的监测方法以飞行器为载体，通过摄影或摄像，可以调查大范围水域水母的区域分布，获取近表层或表层大型水母的信息［11，23］。在调查过程中，Houghton等［11］将飞机飞行高度固定在152m，飞行速度固定在185km／h，飞机两边各配有1名观测者（图3），使用测斜仪将观测范围限制在于飞机两侧的250m 范围内，以5min为间隔计数。对于出现在水体表层或近表层的大型水母，可以在低空飞行的航空器上直接地、大范围地、迅速地观测［24］。Houghton等［11］用航空监测技术监测了南爱尔兰海域的3 种大型水母Rhizostomaoctopus、Cyaneacapillata和Chrysaorahysoscell，这些水母体型较大（直径大于1m），各自具有不同的颜色而且不透明，可以在低空（152m）通过肉眼直接辨认。因此，通过航空影像的监测技术，在水体表层或近表层，可以观察大型水母的分布状况、运动过程和行为表现。而且，不需要接触水体，惊扰这些水母，就可以完成这些观察的过程。

图3 航空影像的监测技术示意图

4 监测方法的比较

在不同的水域范围，根据不同水母的大小和不同的观察内容，就要采用不同的监测技术方法：水下摄像的监测、声呐成像的监测和航空影像的监测 （表1）。如果需要监测水母的种类、数量和生理特征，就需要水母监测的传统方法，以拖船网具作业，将水母捕捞上船。

表1 新方法在水母监测中的应用

5 结论

水母的种类繁多，大小不一，活动范围广泛，又难于捕捞。因此，要监测水母的时空分布、移动过程和行为表现，就需要新的科学技术的集成来解决。例如，将计算机技术、微电子技术、光电子技术、声学技术、光学技术、信息技术和图像技术等多学科交叉合成，得到了水下摄像的监测、声呐成像的监测和航空影像的监测。当然，还要采用传统的方法进行拖网采样。这样，才能够对水母有细致、准确的监测。在不同的水域范围，根据不同的水母大小和不同的观察内容，就要采用不同的监测技术方法，每一种监测方法都有各自的优缺点，应该根据实际研究需要和现有条件，选择合适的方法，或综合使用多种方法。对于小范围的水下调查，可采用水下摄像的监测；对于大范围、大纵深的水下调查，可采用声呐成像的监测；对于大范围的表层和近表层调查，可采用航空影像的监测。

随着未来对水母综合深入的研究，对水母的监测也提出了更高的要求，将最新的创新技术充分应用到水母的监测过程中，如记忆芯片植入到水母里，进行长期跟踪，展示水母的时空变化和移动轨迹等；如水下智能机器人在水母的周围一起运动，进行细微观察，展示水母的生理特征和行为表现等。因此，利用革命性的创新技术在水母监测中具有广阔的应用前景。

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