一种便携式珊瑚礁分布调查系统研究与应用

吕意华 ，姜庆岩 ，陈志强 ，邓 伟 ，陈凯彪 ，石荣贵 ，陈 栋 ，李培良 *

（国家海洋局南海环境监测中心，广东 广州 510300；2. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021）

珊瑚礁生态系统是地球上净生产力最高、生物多样性最丰富的生态系统之一，被誉为“海洋中的热带雨林”、“蓝色沙漠中的绿洲”，全球有5 亿人直接依赖珊瑚礁生态系统生活，它为人类提供了食物、旅游、休闲、美学和海岸带防护等诸多方面生态价值[1-3]。

目前，受限于技术和资金等因素，我国尚未全面系统的开展珊瑚礁分布状况调查工作，我国的珊瑚礁分布面积存在较大争议，有关珊瑚礁分布状况调查主要依托个别专项开展了局部热点区域的调查。这些调查工作因区域零散、范围小，无法实现全覆盖；数据资料呈现碎片化，难以形成“一张图”和工作开展比较分散，时间缺乏同步性等问题，导致不能全景性呈现我国珊瑚礁分布现状，珊瑚礁保护管理工作难以有效开展[4-8]。

国内外珊瑚礁的分布状况调查主要采取遥感调查和现场调查相结合的方式。遥感调查主要通过卫星和航空遥感反演珊瑚礁分布范围、地形地貌和水体环境等信息，但受限于水体透明度和水深等因素，遥感调查主要适应于水体透明度高的近岸或偏远岛礁海域，难以适应近岸水体透明度低和较深水域珊瑚礁分布调查[9-11]。现场调查依托专业潜水员或水下机器人，开展现场观察、拍摄影像资料，获取珊瑚礁分布信息，该方法对天气、海况和人员的依赖程度高，对作业和分析人员专业要求高，作业人员需连续潜水作业，风险高且效率低。另外一种是采用水下机器人（ROV）代替潜水员进行珊瑚礁分布调查，这种方法虽较之前有很大改观，但仍存在不足之处，如ROV 的使用需要技术人员经过专业培训方可上手操作，且耗电量大，易用性较差。此外，ROV 水下定向航行和自平衡能力差，缺乏GPS 定位能力，难以实时获取影像的位置信息，其移动过程中连接线缆也极易被珊瑚礁钩挂[12-13]。这些问题的存在从技术上限制了大规模开展珊瑚礁分布调查的能力。因此，亟须开发一种安全、便捷和高效，可实时定位的珊瑚礁分布状况的调查设备，为我国珊瑚礁分布状况的全覆盖调查提供技术支撑。

1 便携式珊瑚礁分布调查系统研究

针对现有珊瑚礁调查方式存在的缺陷与不足，本文研究开发了一种便携式珊瑚礁分布调查系统，该系统模块化设计，结构简单；重量18 kg，轻巧便携，使用方便；可避免大量的人员反复潜水作业，大大提高珊瑚礁分布状况现场调查的效率和作业安全。目前此珊瑚礁调查系统已获得国家实用新型发明专利。

1.1 总体设计

便携式珊瑚礁分布调查系统（图1），包括甲板单元、专用连接线缆和水下单元。甲板单元包括供电管理模块、G-Mouse 卫星定位模块、数据展示模块；所述专用连接线缆包括抗拉绳、电力信号传输线缆；水下单元包括搭载框架、水下高清摄像机、辅助照明装置；专用连接线缆连接甲板单元与水下单元。甲板单元通过专用连接线缆为水下单元提供供电管理控制，同时甲板单元可直接接入笔记本电脑进行珊瑚礁调查监测视频画面、监测站点坐标等信息实时查看和记录。甲板单元前端提供一键式的电源开关控制按钮，后端提供AC220V 市电三线插头接口、专用连接线缆航空插头接口、外接笔记本设备USB 及网络接口。甲板单元通过外部接入AC220V 市电，利用 AC220V/DC5V 1W、AC220V/DC12V 10W、AC220V/DC36V 30 W 电压转换，集中进行 G-Mouse 卫星定位模块、LED 辅助光源（20 W）、水下高清摄像机设备（1080p）的稳定电力供给。GMouse 卫星定位模块兼容GPS 定位系统，可并行捕获和跟踪任意其中两个GNSS，通过提供-167 dBm的动态灵敏度和2 m 的定位精度以及NEMA 0183协议输出，帮助在珊瑚礁现场调查中准确快速的获取站点经纬度坐标。

图1 便携式珊瑚礁分布调查系统整体示意图

1.2 数据展示模块

数据展示模块通过在外部接入笔记本电脑上运行免安装软件，进行珊瑚礁监测视频画面、站点坐标的实时查看，以及珊瑚礁监测评价记录操作，主要包括视频解码播放模块、定位信息解析模块、珊瑚礁监测评价模块等部分组成。

视频解码播放模块主要是基于ffmpeg 技术，将原始流数据经解协议、解封装、解码、音视频同步等步骤后进行实时在线播放、存储，目前可兼容常规的RTMP、RTSP、HTTP 等协议视频流。首先从原始的流媒体协议数据去掉信令数据得到压缩后的音视频数据，经过解封装后输出H.264 编码的视频码流以及AAC 编码的音频码流，通过解码得到非压缩的视频颜色数据RGB24 和非压缩的音频数据PCM，并将其中的视频帧数据YUV 转码成图片进行在线播放。

定位信息解析模块主要用于实时接收GPS 定位信息数据，兼容常规的NEMA-0183 协议数据，对包含 GPGSV、GNGGA、GNGSA、GNRMC、GNVTG 的数据进行解析过滤，实时获取当前珊瑚礁监测站点的经纬度坐标数据并动态展示。

珊瑚礁监测评价模块，通过对当前珊瑚礁状况进行有、无等选择评价，可后台同步自动生成当前珊瑚礁监测画面图片文件及视频文件，并动态生成珊瑚礁记录索引信息，主要包括图片编号、时间戳、经纬度和评价信息。

1.3 电力信号传输

电力信号传输线缆采用防水耐压8 芯线缆，可进行100 Mbps 网络信号传输，以及DC 12 V、DC 36 V 电力供给，线缆传输压降较小。抗拉绳采用尼龙编制，一端编织成鸡心扣，以便与水下框架连接，可提供200 kg 抗拉力。其中电力信号传输线缆被抗拉绳包覆编织成一个整体，负责连接甲板单元及水下单元，辅助现场调查时水下单元的布放和回收。

2 涠洲岛珊瑚礁分布状况试点调查

2.1 现场调查

2019 年 5 月 25 日—31 日，国家海洋局南海环境监测中心和浙江大学海洋学院组织技术团队利用此珊瑚礁调查系统在涠洲岛开展试点应用。调查人员参照目前国内通行做法，根据涠洲岛海岸线变化情况在海角、底质类型变化情况，在涠洲岛周边按500～1 000 m/条的断面间隔设置沿岸线垂直方向的珊瑚礁调查断面，采用便携式珊瑚礁分布调查系统采集水下影像资料，观察底质类型，判断和记录珊瑚礁分布情况，共完成了33 条调查断面的调查（图2）。具体现场作业流程如下：

（1）将断面位置信息导入移动导航设备，驾驶小艇到达预设断面，测量水深，根据水深情况调整小艇位置，小艇尽量靠近岸边（水深约1.5～2 m 作为调查的起点）。

（2）放下船载便携式珊瑚礁调查系统，观察周边底质，如发现珊瑚礁且为基岩底质，则小艇按离岸线垂直方向（借助潜水装备中的指北三联表）每隔10～20 m 左右（可根据珊瑚礁分布密集程度进行调整）设置1 个采集点，放下设备观察，采集水下影像和获取经纬度信息，直至珊瑚礁与泥沙边界区，然后再沿调查断面往外设置3 个采集点，确认50 m内已无珊瑚礁。

（3）考虑到部分沙滩为人工填埋，对沙质岸段和基岩岸段的分界区采用水下机器人进行巡查，确定有无珊瑚礁，如发现有珊瑚礁则重复步骤1 和步骤2，如未发现则进入后续断面的调查。

（4）在调查过程中，如果上一个断面发现珊瑚礁，而下一个500 m 间隔的断面内未发现珊瑚礁，则在这两个断面之间增设断面继续补充调查。

（5）现场记录各断面岸线类型，地形地貌及周边人类活动情况。

图2 调查断面分布图和数据采集点（红色圆点）分布情况

2.2 实验室分析

将自动生成的断面调查点位的经纬度排序，以无珊瑚礁分布的采集点和相邻的有珊瑚礁采集点连线的中间点作为珊瑚礁分布的外边界点，结合视频影像对珊瑚分布情况进行确认。内边界为对应的卫星遥感解译的海陆分界线，并根据现场调查数据、岸线类型（基岩、泥质和沙砾质）、地形地貌（沙地、滩涂、河流入海口等）和沿岸人类活动状况（码头、填海区等）进行了核实。利用GIS 软件连接珊瑚礁分布外边界点与海陆分界线所围成的图斑作为珊瑚礁分布区，采用Arcgis 的Smooth 工具（平滑容差0.1 m）对珊瑚礁分布区域边缘进行平滑处理。

2.3 调查结果

本次试点调查结果（图3）显示，除南湾外，全岛沿岸均有珊瑚礁呈带状分布，分布带宽度范围为0.07～2.16 km。其中以西北部-北部-东北部分布最宽，宽度多在1.65～2.10 km 之间，东部和西部分别在0.24～1.14 km 和0.16～1.03 km。涠洲岛珊瑚多呈零星斑块状分布，以团块状和皮壳状珊瑚为主，分枝状珊瑚较少，珊瑚断枝、骨骼和碎屑随处可见，全岛共发现珊瑚礁分布面积22.1 km2。

图3 涠洲岛珊瑚礁分布状况图（红色区域为珊瑚分布区域）

广西红树林中心、自然资源部第三海洋研究所和广东海洋大学分别通过500 m、500 m 和200 m的断面间隔对涠洲岛、三亚红塘湾和深圳大鹏湾海域的珊瑚礁分布状况进行了调查。与本次试点应用的区别在于调查手段不同，本次试点应用是以便携式珊瑚礁调查系统替代人工潜水来获取水下影像。

珊瑚礁现场调查海况一般不高于3 级，但现场调查作业过程中水面记录的经纬度受风、海流的牵引影响存在一定偏差。此外，由于便携式珊瑚礁调查系统获取的水下影像是不连续的，在绘制珊瑚礁分布区时以调查断面的最后一个有珊瑚调查点与第一个无珊瑚调查点的中间点作为分布边界点。因此，通过数据处理确定的边界点存在5～10 m 的误差。通过比较广西红树林研究中心2014 年对涠洲岛珊瑚礁分布的调查结果表明，涠洲岛珊瑚礁沿着海岸线分布，西北部沿岸海域最宽，东北部、东部、东南部、西南部次之，面积约为21.3 km2[14-15]，其珊瑚礁空间分布特征与本次调查数据一致，仅面积存在0.7 km2的误差，吻合度达到96.2%。

因此，本文中的便携式珊瑚礁分布调查系统在现场调查过程中存在因系统调查方式导致的误差，但对结果的影响较小。在资金、人力和时间等有限条件下，该系统可替代反复潜水作业，极大地提高了作业效率和安全性。通过比较单一调查断面的作业时间，该方法可缩短作业时间达150%～200%，非常适合于水体透明度低，潜水作业风险大，难以采用遥感等其他技术手段的近岸海域珊瑚礁分布状况调查。

3 结论

本文研究开发的便携式珊瑚礁分布调查系统是一种现场利用水下摄影摄像设备调查珊瑚礁的创新技术方法，可以实时高效安全地获取水下珊瑚礁分布情况并记录位置信息。通过在涠洲岛珊瑚礁调查中的试点应用，该系统适用于近岸珊瑚礁分布状况调查，作业效率可大幅提高，调查结果准确。此外，该设备还可应用于其他需获取水下影像资料的调查工作中，如底质类型和海草床等，具有良好的应用前景。