基于水下高清摄像的河湖沉水植物原位无损伤勘查技术研究

摘要

沉水植物是河湖生态系统健康状况的核心指示物种，传统水下植物调查多采用捞草器、水下样方收割法，取样过程会破坏沉水植被群落，无法实现原位观测。本文以水生植物水下图像采集仪为研究工具，搭载高清水下摄像探头，100米加长线缆、手持可视化终端，船只定点下放探头至水下20m深度，原位获取水下沉水植物生长状态影像，全程不接触、不打捞水生植物，实现无损伤勘查。本文开展野外对比试验，将水下成像原位调查结果与传统样方调查结果进行比对，分析设备在沉水植物种类识别、覆盖度估算、群落空间分布勘查方面精度；探讨水体浊度、光照条件对水下成像画质的影响；建立基于水下实拍影像的沉水植物野外调查作业规范，为河湖沉水植被恢复效果评估提供非侵入式可视化技术手段。

关键词：沉水植物；水生植物；原位勘查；水下摄像；无损伤监测；水生态修复；河湖生态调查；水下可视化

1 沉水植物传统调查方式及其生态破坏问题

沉水植物是河湖生态系统关键组成部分，能够净化水体、稳定底泥、为水生动物提供栖息生境，沉水植物群落的种类组成、覆盖度、空间分布是评价河湖生态修复成效的重要指标。国内传统沉水植物野外调查主要采用样方收割法，利用捞草耙、采草器，投放至水下样方位置，将样方内沉水植物全部打捞出水，带回实验室鉴定种类、统计生物量。

传统样方收割法存在明显短板：一是采样过程直接破坏沉水植物植株，对于正在开展生态修复的湖泊，反复采样会对修复示范区植被造成二次破坏；二是采样得到的是破碎样本，无法直接观测植株在水下真实生长形态、群落空间结构；三是在水深较大区域，捞草器容易出现样方偏移，采样结果存在误差；四是调查完成之后没有水下直观影像档案，后期复核只能再次开展现场采样。

潜水员水下调查可以原位观察沉水植物，但潜水作业受水深、风浪、水体能见度限制，20m水深区域潜水作业风险高，人力成本高昂，不适合大面积湖泊大范围点位调查。发展非侵入式原位观测技术，在不破坏沉水植被前提下获取水下植被影像，对水生态修复监测工作具备重要实用价值。本文基于水生植物图像采集仪，开展沉水植物原位成像勘查技术研究。

2 水生植物图像采集仪系统组成与成像原理

水生植物图像采集仪主要由水下高清摄像探头、可调LED补光模组、耐压密封壳体、100米综合线缆、船载手持控制终端、便携式锂电池供电单元组成，最大作业水深20m。摄像探头采用大视场光学镜头，适合拍摄水下大面积植被群落；LED补光灯亮度连续可调，用于补偿水下光照不足；图像视频信号通过100m线缆传输到船上手持终端，工作人员实时查看水下画面，完成拍照、录像，存储点位对应的影像资料，同步记录GPS坐标、水深信息。设备探头仅完成光学拍摄，不会触碰、收割水下植物，实现全非侵入式原位观测。

3 沉水植物原位成像调查野外试验方案

选取修复型湖泊作为试验区域，试验区内分布苦草、黑藻、狐尾藻、马来眼子菜等多种常见沉水植物，设置24组平行监测点位，水深区间2.1‑17.3m。每个点位先后开展两套调查：①原位水下成像调查，船只定点下放水生植物采集仪，拍摄水下沉水植物影像；②同步开展传统0.25㎡样方捞草采样，鉴定物种，统计样方内植被覆盖度。将原位成像判读结果与传统样方结果进行比对，评估原位成像方法的识别能力与估算精度。同时记录各个点位水体浊度、水下光照强度，分析环境条件对成像识别效果的影响。

4 水下影像‑传统样方调查结果对比与精度分析

试验结果显示：水体浊度较低（浊度＜15NTU）点位，水下成像可以清晰区分苦草、黑藻、狐尾藻等优势沉水植物种类；基于实拍图像估算的植被覆盖度与传统样方实测覆盖度整体相关性较好，R²达到0.81，能够满足大范围植被快速评估需求。在植被覆盖度较高区域，图像判读结果与样方结果偏差较小；在植被稀疏、零散分布点位，受拍摄视角影响，覆盖度估算误差有所增大。

对比结果同时表明，原位成像方法优势在于可以完整记录沉水植物群落原生生长形态、植株空间分布格局，获取可视化档案；但是对于植株细小、形态高度相似物种，仅依靠图像难以实现精确物种鉴定，需要结合少量传统采样辅助鉴定。

5 水体浊度、光照对水下成像识别效果影响试验

水体浊度是影响水下成像质量关键环境因子。水体中悬浮泥沙、藻类颗粒会吸收、散射光线，造成图像色偏、对比度下降、细节模糊。当水体浊度大于35NTU，水下图像雾化严重，沉水植物物种识别难度明显上升。水下光照强度与水深、天气条件密切相关，阴天、深水区域自然光不足，需要开启LED补光灯提升画面清晰度；但补光灯亮度不宜过高，亮度过高会造成水体悬浮物强烈反光，出现画面过曝，反而降低识别效果。

试验得到现场操作经验：低浊度水体，可以适当降低补光亮度；高浊度水体，适度提高补光，同时控制探头与植被之间拍摄距离，不要距离过远，提升目标主体在画面中的占比，改善识别效果。

6 沉水植物原位可视化勘查标准化作业流程

结合野外试验，建立沉水植物原位成像勘查标准化作业流程：

1）前期准备：设备检查，电池电量校验，记录调查区域基础资料；

2）船只导航到达监测点位，船只稳船，记录点位GPS、水深；

3）匀速下放水下摄像探头，控制探头距离水下植被层合适拍摄距离；

4）调节LED补光亮度，避免画面过曝或者曝光不足，录制视频、拍摄多张原位照片；

5）保存影像文件，文件命名关联点位编号、坐标、时间；

6）完成点位，回收探头，船只驶向下一个监测点位。

影像带回室内，通过图像判读，完成沉水植物种类识别、覆盖度估算，形成调查成果。

7 技术优势与适用范围

技术优势：调查过程不会损伤沉水植物群落，适合生态修复示范区长期跟踪监测；船载部署灵活，点位切换速度快，适合大面积湖泊多点位快速调查；全部点位留存可视化影像档案，便于后期成果复核追溯。

适用范围：适合水深≤20m河湖水体；水体浊度不端的条件下效果佳；适合沉水植物群落分布调查、修复成效快速评估。技术局限性：高浊度水体识别能力下降；精细物种鉴定能力弱，需要配合少量传统采样；不能直接获取生物量定量数据。该技术适合作为快速筛查手段，和传统样方采样技术相互配合使用。

8 结论

本文利用水生植物水下图像采集仪开展沉水植物原位无损伤勘查野外试验，与传统样方采样结果对比，原位成像方法在低浊度水体条件下可以有效识别沉水植物群落，实现植被覆盖度估算，获取水下原生生长状态影像。水体浊度、光照条件对成像识别效果影响显著，实际作业中需要合理调节补光亮度与拍摄距离。建立标准化野外作业流程，该技术可以作为河湖沉水植被调查的新型非侵入式手段，为水生态修复效果评估提供技术支撑。

参考文献

[1] 金相灿, 等.湖泊沉水植物调查技术导则[M].北京:中国环境科学出版社,2018.

[2] 李春华,叶春.沉水植物修复效果评估技术研究进展[J].环境工程技术学报,2020,10(03):345‑352.