海底摄像系统在中国大洋资源调查中的应用*

2018-05-05张旭

机电工程技术 2018年4期

张旭

0 前言

随着我国建设海洋强国战略的深入推进，我国海洋科考事业不断发展，从近海迈向远洋，从绿水进入深蓝大洋。广袤的大洋海底蕴藏着极为丰富的矿物资源，世界各主要国家例如：俄、美、德、法、日、英、韩等国纷纷投入巨资开展调查，展开了一场“蓝色圈地”运动[1]。为在这场“蓝色圈地”运动中争取主动，我国积极开展了“中国大洋科考”工作，调查相关国际海底资源分布情况，为我国圈定优质矿区提供重要参考。海底摄像系统在我国大洋科考中的应用越来越多，是调查海底资源分布边界的一种重要海洋调查手段[2-3]。

1 海底摄像系统简介

1.1 设备简介

海底摄像系统作为一种海底可视化光学观测设备，广泛应用于海洋资源、环境等调查领域。它是海洋科学家的“千里眼”，把人类的视野延伸到黑暗、幽冷的大洋深处，将深不见底的神秘海底世界直观地展现在人们面前[4]。

以我国“海洋六号”科考船搭载的海底摄像系统为例，海底摄像系统从大的方面来讲主要由甲板单元、水下拖体两部分构成（如图1、图2所示），中间使用光电复合铠装缆连接。甲板单元通过光电复合缆给水下拖体供电，这意味着水下拖体工作时间理论上不受电能限制，可长时间在水下工作，甲板和水下拖体通过光电复合缆里的光纤实时通讯，海底视像资料（海底视频、照片）能实时传输到甲板单元。

海底摄像系统的甲板单元由控制计算机、供电变压器、甲板光端机组成。水下拖体由拖体框架、水密控制罐、水密变压器罐、照明灯、摄像头、照相机、高度计、水下定位信标等组成。其中照明灯、摄像头、照相机为核心终端设备，提供视像资料，高度计显示拖体离底高度，辅助光电复合缆绞车操作人员控制拖体离底高度，水下定位信标结合母船位置确定拖体在水下的实时位置。

图1 “海洋六号”船海底摄像系统甲板单元

图2 “海洋六号”船搭载的海底摄像系统拖体

1.2 “海洋六号”船海底摄像系统主要技术指标

（1）系统最大工作水深：6 000 m。

（2）系统工作时间：连续长时间工作，无工作时间限制。

（3）系统电源供应：甲板电源供电，输出电压280～350VAC可调，额定输出功率2 kW。

（4）系统电源与通讯接口：光电复合缆接口，所有信号通过光纤传输。

（5）视频采集水下摄像头（2路）：

ROS C600 Color Zoom Camera；

最小感光指数：1.4 Lux（彩色）；

拍摄幅面：1 920×1 080；

视频输出格式：HD-SDI高清视频。

（6）水下照明灯（2盏）：L300 75W/24V/24VLED照明灯。

（7）图像叠加信息：视频采集时间（GMT时间）、拖体经纬度、拖体水深以及离底高度。

（8）水下照相机参数：

型号：OE14-408；

图像分辨度：可在640×480与2 592×1 944像素之间选择；

感光度：ISO 50 100 200 400自动，可选0.02 Lux；

景物亮度：11 Lux；

帧视频：PAL 625 Line/50Hz PAL。

（9）视频记录方式：甲板计算机硬盘记录。

1.3 海底摄像系统作业方式

进行海底摄像作业时，海况需在4级以内，母船航速不超过2节，根据多波束系统探测的海底地形及作业时船舶在无动力状态下的漂移方向和速度确定摄像系统开始投放的位置，提前布设好测线，以保证拖体在海底的实际拍摄路径通过或接近预定拍摄测站的位置。测线方向一般由山顶向山脚布设，避免过大的地形起伏和陡坎。

水下拖体入水以后即开启摄像系统，通过视频画面监控设备状态，距离海底约200 m时打开高度计，绞车及系统操作人员根据监控图像和高度计数据对拖体进行高度控制，随时调整拖体高度以保证拍摄质量并避免拖体撞击海底。

2 海底摄像系统在中国大洋科考中的应用

我国“海洋六号”科考船是中国大洋科考的“新兵”，入列以来多次参加中国大洋科考任务，主要从事大洋多金属结核和富钴结壳资源调查[5]。多金属结核、富钴结壳是海洋中最重要的固体沉积矿产之一，蕴藏丰富的铁、锰、铜、钴、镍等金属元素[2]。其资源调查过程中作业手段通常围绕着“面、线、点”三方面展开工作。对某海底区域进行资源调查，首先通过“多波速”大面积扫描获取海底地形以及回波强度数据，再通过浅剖、海底摄像系统进行测线作业，分别获取海底浅部地层结构数据和海底视像资料，最后通过箱式、重力活塞、浅钻等取样设备定点取样获取海底实物样品进行测试分析[6]。

海底摄像系统是一种测线调查作业设备，具有作业成本低、作业时间长、作业距离远等优点，可直观观察海底地形地貌，资源分布，对确定海底资源分布边界，评估相关资源量有着重要作用。

2.1 海底摄像系统在多金属结核资源调查中的应用

目前，大洋多金属结核资源调查评估工作中，通过多波速回波探测技术确定结核分布面积，再在相关区域布置海底摄像测线，通过海底摄像观察海底结核分布情况，一方面验证多波速回波强度与结核实际分布状况的对应关系，另一方面通过海底摄像系统获取的视像资料通过后处理软件得到相关位置的结核覆盖率，结合箱式取样器获得的结核丰度（kg/m2）数据，就可以大致估算出相关区域的多金属结核资源总量。

图3为海底摄像系统在结核资源区获取的视频截图，图4为海底摄像系统获取的照片资料。图3中红色斑点为激光标尺，视频后处理软件根据它来确定视频观测面积，进而可计算出结核覆盖率以及不同尺寸结核的比例。由于结核区目标为密密麻麻的点状结核，同时海底摄像系统的水下拖体是在海底以1.5节左右的速度移动，摄像头不断的处于快速变焦过程，并且拖体离底高度随海底地形起伏以及船舶受涌浪影响而不断的发生变化，导致海底照明亮度不断变化，这会降低视频截图清晰度。照相机获取的照片清晰度较高，但也存在偶尔曝光过度或者不足的问题。因而视频和照片资料根据需要互补，也是常用的手段。

2.2 海底摄像在富钴结壳资源区的应用

图3 海底摄像系统结核区视频截图

图4 海底摄像系统结核区照片

富钴结壳资源的调查手段跟多金属结核资源调查类似，不过由于海山区富钴结壳分布的复杂性，不少区域结壳上面覆盖有沉积物，这在海底摄像系统视像资料上难以分辨，所以往往还需通过浅剖获取海山区的浅底层结构。通过海底摄像系统与浅剖的配合来研究发现富钴结壳的分布规律。多金属结核主要分布在地形起伏变化较小的海山盆底，而富钴结壳主要分布在海山斜坡上，地形变化较大，海底摄像系统作业难度也相对较高。为了便于操作人员控制水下拖体离底高度保障设备安全，海山区的海底摄像测线通常由山顶向山脚下布置。

海山区摄像目标物富钴结壳通常较大，因而摄像头摄像画面受拖体移动影响较小，水下拖体保持较高高度也能保证视像资料的清晰度。不过海山区经常出现地形起伏较大的陡坡或者孤立的巨石也给海底摄像作业带来了挑战，经常出现水下拖体由于避闪不及时而发生碰撞的情况。由于富钴结壳的分布状况比多金属结核更为复杂，规律性不强，要调查清楚结壳的分布情况就需要布置更为密集的海底摄像测线。

以下图5至图10为中国大洋科考DY41B航次“海洋六号”利用海底摄像系统在某海山获取的海底照片资料，它们取自一条测线不同位置，该测线由海山顶向山脚布置，长度约8 km左右，由这些图片可知，海山区富钴结壳的分布变化是比较复杂的，结壳的形态变化也较大，既有成片的板状结壳区域，也有砾状结壳。这些视像资料结合多波速回波强度以及浅剖数据有助于分析富钴结壳的分布规律，进而为评估富钴结壳资源量提供重要参考[7]。

3 结论与展望

海底摄像系统在中国大洋资源调查中不可或缺，随着多金属结核资源以及海山富钴结壳资源调查的深入，海底摄像系统的应用会越来越多，起到的作用也会越来越大，与此同时，对海底摄像系统的要求也会更高。目前，新的海底摄像系统已经提上日程，新的系统将会将后处理软件跟系统控制软件结合起来，能够将视频资料实时分析处理，得到整条海底摄像测线上多金属结核覆盖率、丰度变化曲线，并能够自动定时或定距离截图，极大地减轻后处理人员工作量，提高大洋资源调查效率。相信新的海底摄像系统不久便能够投入中国大洋资源调查任务中，发挥更大的作用。