服务热线：400-8810-805
产品列表 / products
摘要
传统河湖沉水植物、底栖生物野外调查常采用抓斗、拖网、水下采样器，采样过程极易扰动底泥、损伤水生植被，破坏原生水生生境；且水上船只作业点位分散，湖区野外无市电供电，给水下原位监测设备供电带来较大难题。本文研发一套双探头河湖原位水下图像采集系统，包含水生植物高清水下摄像采集仪、底栖生物微距成像采集仪、100米长水下信号线缆、手持控制终端、便携式大容量电池供电单元；设备最大作业水深20m，全程非接触可视化勘查，采样作业不对水下动植物造成损伤。文章阐述整套系统硬件架构、电池供电方案、长距离线缆信号传输方案、船载野外作业工艺流程；通过河湖实测试验，对比传统采样调查方式，验证该水下成像系统在沉水植物群落勘查、底栖生物多样性原位调查中的可行性，可为河湖生态修复、水生态健康评估提供一种新型无损伤可视化监测装备。
关键词：水生态监测；原位水下成像；水生植物勘查；底栖生物调查；船载野外作业；电池供电；100米水下线缆；非侵入式监测；无损伤调查
1 引言
我国河湖生态保护与修复工作持续推进，沉水植物群落恢复、底栖生物多样性评价已经成为水生态健康评估的核心工作内容。传统野外调查手段主要依靠彼得森抓斗、埃克曼采泥器、水下样方收割器、潜水员人工采样等方式开展样本采集工作 。抓斗与拖网作业会直接搅动湖底底泥，破坏沉水植物根系结构，造成水生植物植株断裂死亡；底栖生物样本被带出原有生境之后，生物个体容易受到机械挤压损伤，无法观测生物在底泥‑水界面的真实栖息状态。
在大型湖泊、宽阔河道开展野外调查时，调查船只需要往返多个离散监测点位，绝大多数作业水域远离岸边，现场不存在市电接入条件，传统有线供电监测设备无法开展常态化野外作业。潜水员调查受水深、水体能见度、风浪条件限制明显，20m水深区域潜水作业风险高，作业成本高，单日出工可完成监测点位数量有限。
国家水生态环境保护相关政策明确提出，鼓励发展低扰动、非破坏性生态调查技术，尽可能降低调查活动本身对河湖原生生态系统的人为干扰。因此，开发一套船载式、电池供电、非侵入式的原位水下成像勘查装备，实现沉水植物、底栖生物的原位可视化观测，对善现有水生态调查技术体系具有现实意义。本文设计一套双探头河湖原位水下图像采集系统，集成水生植物摄像探头、底栖生物微距成像模块、100m综合线缆、手持终端与便携式电池组，开展系统总体架构设计，完成野外实船测试，对比传统调查手段的优缺点，为河湖生态野外勘查提供新装备方案。
2 原位水下成像勘查系统总体架构
本套原位水下成像勘查系统整体采用“水下双成像探头‑100米综合线缆‑水面手持控制终端‑便携式野外电池单元"四层架构，全部设备可在普通调查船只上完成装载布设，不需要大型作业船舶配套。系统硬件主要分为五大组成部分：水生植物摄像采集仪、底栖生物微距成像采集仪、100米水下综合线缆、手持控制终端、便携式大容量电池供电模块。
水生植物图像采集仪主要面向沉水植物群落大范围观测，采用大视场高清光学镜头，配套可调亮度LED水下补光单元，适合对水下植被覆盖度、群落空间分布开展整体拍摄；底栖生物图像采集仪搭载微距摄像模块，镜头焦距经过优化，适合近距离拍摄底泥表面螺类、昆虫幼虫、贝类等小型底栖生物，获取生物个体细节特征。
100米水下综合线缆集成供电芯线、高清视频信号传输芯线、抗拉芳纶纤维增强层、海水耐腐蚀护套，线缆同时承担电力输送、图像信号回传、机械抗拉拖拽三重功能，满足最大20m水深下放作业需求。水面手持控制终端集成显示屏幕、操作按键、存储单元，工作人员在船上即可完成探头姿态调整、补光亮度调节、实时视频查看、原位图像拍照存档，采集得到的图片与视频本地存储，可后续导出用于室内分析。
便携式电池供电模块为整套系统提供能源，无需外接市电，电池单元具备防水、抗震、低温适应能力，适配湖区船上颠簸潮湿的野外工况。整套系统作业时，探头由船上人员缓慢下放至目标水层，全程不接触、不打捞水生生物与底泥，以光学成像方式完成原位信息获取，实现无损伤勘查。
3 关键子系统设计
3.1 水下耐压密封壳体设计
两套水下成像探头作业最大水深20m，对应静水压力约0.2MPa。壳体选用耐淡水腐蚀的316L不锈钢材料，光学窗口采用高透钢化玻璃镜片，壳体结合面采用双道O型圈密封结构，实现IP68防护等级，能够长期浸泡在水下，抵御泥沙冲刷。壳体内部电路板、摄像模组做灌胶防潮处理，减少水汽冷凝带来的电路故障风险。水密接插件选用海水适配型防水接头，线缆与探头壳体连接处增加抗拉缓冲结构，避免拖拽过程中接头位置受力漏水。
3.2 长距离线缆信号传输抗干扰方案
100m长度线缆同时传输电力与高清视频信号，电力线在电流通断过程会产生电磁噪声，容易对视频信号形成干扰，造成图像出现横纹、卡顿、丢包现象。线缆内部采用分组屏蔽结构，电力芯线与信号芯线物理隔离，分别设置独立铜箔屏蔽层，屏蔽层单端可靠接地，降低线间电磁耦合干扰。视频信号采用差分传输方案，提升长距离传输过程抗噪声能力。同时线缆内部增加芳纶抗拉层，将下放拖拽拉力全部由抗拉纤维承担，避免内部信号线、电源线承受拉力发生断裂。
3.3 野外船载锂电池供电方案
针对野外无市电工况，采用磷酸铁锂便携式电池组作为电源。电池组集成BMS电池管理系统，具备过充、过放、过流、温度保护功能。考虑100m线缆存在电压压降，供电输出端增加电压补偿电路，补偿线缆传输过程电压损耗，保证水下探头端供电电压稳定在设备额定工作区间。电池单元外壳采用防水防尘箱体，船上作业时放置于船舱内部，避免雨水泼溅、浪花打湿造成短路风险。
4 设备技术指标与环境适应性
本系统核心技术指标：最大作业水深20m，线缆总长100m；水生植物摄像模块分辨率1080P，大视场角；底栖生物微距模块支持近距离细节拍摄；LED水下补光亮度连续可调；供电方式为便携式锂电池，无外接市电；防护等级IP68；工作水温0‑35℃，可适应我国大部分河湖淡水环境。
环境适应性方面，设备针对野外复杂工况做优化：低温环境下电池管理系统具备低温放电保护；水下补光灯做散热设计，长时间点亮不会出现过热损坏；壳体材料可耐受淡水长期浸泡、泥沙摩擦冲刷。但系统成像质量会受到水体浊度影响，高泥沙、高悬浮物水体中，光线散射会造成图像清晰度下降，需要配合补光策略优化改善成像效果。
5 船载野外标准化作业流程
船载野外原位成像勘查标准化作业分为前期准备、船只布点、探头下放、成像观测与存档、设备回收五个步骤。
（1）前期准备：上船前检查探头水密接头、线缆外观破损情况，确认电池电量充足，手持终端存储空间充足；
（2）船只布点：船只按照监测方案GPS导航行驶至目标监测点位，船只抛锚稳船，减少风浪造成船体漂移；
（3）探头下放：操作人员缓慢释放100m线缆，匀速将水下探头下放至水下目标深度，控制下放速度，避免探头撞击湖底硬质底质造成镜头磕碰损伤；
（4）原位成像观测：操作人员在手持终端实时查看水下画面，调节LED补光亮度，完成视频录制与原位拍照，记录对应点位GPS坐标、水深、时间信息；
（5）设备回收：完成该点位监测之后匀速回收线缆，将探头提拉回船上，冲洗探头外壳泥沙，检查接头部位，完成单点位作业，船只驶向下一个监测点位。
整套流程不需要投放采样抓斗，不会扰动底泥，不采集生物实体样本，实现非侵入式调查。
6 河湖野外实勘试验与效果分析
选取某中型湖泊开展野外实测试验，设置18个野外监测点位，水深分布区间1.5‑18.6m，覆盖沉水植物集中分布区、裸底底栖生物生境。利用本套双探头成像系统完成原位图像采集，同步采用传统样方采样、抓斗采样开展对照调查。
试验结果表明：在水体浊度较低点位，水生植物探头可以清晰识别苦草、狐尾藻、黑藻等常见沉水植物，能够直观展现植物群落生长状态；微距探头可以识别湖底螺类、蜉蝣幼虫、河蚬等底栖生物，获取生物在底泥表面原生栖息影像。设备在最大18.6m水深可以稳定工作，线缆信号传输稳定，电池组可以支持全天野外连续作业。在高浊度点位，画面出现雾化、色偏现象，识别难度上升，需要调节补光亮度来改善成像效果。
7 与传统抓斗采样、潜水调查方案优缺点对比
抓斗采样优点是可以获取底泥生物实体样本，可以带回实验室做精确物种鉴定；缺点是作业扰动大，破坏水生植被与底栖生境，无法观察生物原生栖息状态，采样过程存在样本丢失、个体损伤问题。
潜水员调查优点是观察直观；缺点是作业水深受限，20m水深潜水作业风险高，人力成本高，单日可完成点位数量少，受风浪、水体能见度制约严重。
本原位水下成像系统优点：全程无扰动，保留水下生境原始状态，输出可视化图像档案，船载作业部署灵活，可快速完成大量点位调查；缺点是物种鉴定依赖图像识别，高浊度水体识别能力下降，无法获取生物实体标本。该技术适合大面积快速筛查，可与传统采样手段互为补充。
8 结论与展望
本文搭建一套船载式双探头河湖原位水下成像勘查系统，硬件包含水生植物摄像探头、底栖生物微距成像探头、100m综合线缆、手持终端与便携式锂电池供电单元，最大作业水深20m，实现沉水植物、底栖生物非侵入式原位可视化勘查。野外湖泊试验证明系统运行稳定，能够获取水下原生生境影像。
该系统不能全替代传统采样，适合作为河湖生态快速调查、生态修复成效巡检的工具。后续可以从两个方向优化：一是配套水下图像智能识别算法，实现沉水植物覆盖度估算、底栖生物自动识别；二是进一步优化镜头与补光方案，提升高浊度河湖水体条件下成像质量。
参考文献（示例）
[1] 张远, 等.我国水生态监测技术发展现状与展望[J].环境科学研究,2022,35(04):889‑898.
[2] 王建军, 等.底栖生物野外调查技术规范研究[J].水生态学杂志,2021,42(02):1‑8.
