非侵入式原位水下成像技术在河湖生态健康快速调查中的应用模式研究

摘要

当前河湖生态环境调查任务量大、野外点位多，传统采样调查耗时久，并且容易对水生态造成扰动破坏。本文提出一套“船只走航布点+原位水下成像快速勘查"的河湖生态调查新模式；采用水生植物、底栖生物双图像采集仪，船载电池供电、100米线缆下放水下探头，在每个监测点位快速获取水下植被、底栖生境微距影像，形成可视化调查档案，无需打捞采样、无水下生态破坏。文章对比传统生态调查与水下成像快速勘查模式的人力耗时、成本、生态影响；给出走航式水下成像调查点位布设方案、野外作业流程；案例证明该技术适合大面积河湖生态状况快速筛查，可作为水生态常态化巡检、生态修复成效快速评估的高效技术手段。

关键词：河湖生态健康调查；原位水下成像；快速勘查；走航监测；非侵入式；水生态巡检；生态修复评估

1 传统河湖生态调查模式短板

随着我国河湖生态保护不断推进，流域层面河湖健康评估、生态修复成效监测、水生态常态化巡检任务持续增加，需要开展大量野外调查工作。传统水生态调查模式主要依靠抓斗、采草器采样，采集实体样本带回实验室分析。传统模式存在几方面短板：第一，每个点位采样、筛洗、样本保存耗费大量时间，大面积湖泊众多点位调查周期长，人力投入大；第二，采样过程会扰动底泥、损伤水生植物，在生态修复示范区，高频次重复采样会对修复后的水生生境造成人为二次破坏；第三，传统采样得到的是实体样本，缺少水下现场直观影像档案，后期成果复核只能再次开展野外采样；第四，潜水调查成本高，作业条件受限，难以大规模开展。

面对大面积河湖多点位快速调查需求，传统调查模式效率难以满足常态化巡检工作需要。发展非侵入式快速调查技术，兼顾调查效率与生态低扰动，具备现实工程价值。本文提出船只走航+原位水下成像快速勘查新模式，研究该模式的点位布设、作业流程，与传统采样模式开展多维度对比。

2 船载原位水下成像快速勘查系统与工作模式

整套快速勘查系统硬件包含水生植物图像采集仪、底栖生物微距图像采集仪、100米综合线缆、船载手持控制终端、便携式锂电池供电单元，全部设备装载于普通调查船只，不需要大型科考船舶。工作模式为走航式快速调查：调查船只按照预设监测点位路线航行，到达点位之后船只稳船，下放水下探头，分别调用水生植物摄像探头、底栖生物微距探头，采集该点位沉水植物群落、底泥‑水界面原位图像视频，记录GPS坐标、水深，完成该点位影像采集之后，回收探头，船只驶向下一个点位，依次完成全部点位，全部过程不采集生物实体样本，不扰动水下生境。野外获取全部影像资料带回室内，开展图像判读，完成沉水植物、底栖生境分析，形成调查成果，同时留存全套可视化影像档案。

该模式定位为快速筛查手段，不需要全替代传统采样；重点区域可以搭配少量传统采样，完成精确物种鉴定。

3 野外走航点位布设原则

走航原位成像调查点位布设需要结合河湖调查目标，遵循以下原则：

1）覆盖主要生境类型：点位需要覆盖不同水深梯度、不同底质类型、不同水生植被分布区域；

2）生态修复区域加密布设：在生态修复示范区、修复试点区域加密点位，便于跟踪修复成效；

3）避开危险作业区域：避开礁石、水下障碍物，防止探头下放发生碰撞损坏；设备最大作业水深20m，点位水深不超过设备最大水深；

4）点位兼顾空间均匀性，同时兼顾重点关注区域；每个点位需要记录GPS坐标，方便后期重复回访监测。

4 快速勘查标准化作业流程

走航式原位水下成像快速勘查完整作业流程：

1）前期准备：收集调查湖泊基础资料，完成点位规划，设备检查调试，电池充足电；

2）船只出航，按照GPS导航依次航行至各个预设监测点位；

3）船只到达点位，抛锚稳船，记录点位编号、GPS坐标、水深；

4）依次下放水生植物摄像探头获取沉水植物影像，切换底栖微距探头获取底泥界面微距影像；调节补光亮度，完成拍照录像；

5）影像文件命名关联点位信息，原始文件保存；

6）回收水下探头，船只航行至下一个点位；

7）全部野外点位完成，返回码头；室内开展图像判读分析，输出调查报告，完整归档全部影像资料。

5 传统采样‑水下成像勘查模式综合对比（耗时、成本、生态影响）

从人力耗时、经济成本、生态扰动、数据档案四个维度对比两种模式。

耗时对比：传统采样模式，单点位采样、筛洗样本耗时较长，一天船只作业能够完成点位数量有限；原位成像快速勘查模式，单点位影像采集时间短，同等船只人力条件下，单日可以完成点位数量显著提升，大面积湖泊调查周期可以明显缩短。

成本对比：传统采样需要样本处理、实验室鉴定，人力成本高；原位成像模式野外环节效率高，不需要样本处理筛洗，野外作业成本更低；但图像判读需要具备水生态专业人员，精细物种鉴定仍然需要辅以传统采样。

生态扰动对比：传统抓斗、样方收割采样，会扰动底泥，损伤水生植物，对修复区生境造成破坏；原位成像全程光学观测，不触碰底泥与生物，无生态扰动，适合修复区高频次重复巡检。

数据档案对比：传统采样主要保存生物样本，缺少水下现场原生场景影像；原位成像模式每个点位留存完整图像视频档案，可长期保存，便于后期复核对比、多年度变化分析。

局限性：原位成像模式高浊度水体识别能力下降；无法获取生物实体标本，精细物种鉴定能力有限。

6 工程应用案例分析

某中型湖泊开展生态修复成效快速评估，湖泊面积约32km²，规划布设72个监测点位。采用走航原位水下成像快速勘查模式，野外船只2个工作日完成全部72个点位影像采集；室内开展图像判读，得到沉水植物分布、底栖生境状况，识别出修复示范区植被恢复较好区域以及植被退化区域。挑选12个代表性点位，再开展传统抓斗采样，完成精准物种鉴定作为校核。整套组合模式，相比全部点位传统采样，野外作业时间大幅缩短，同时避免修复示范区大量点位采样带来的生态扰动，取得较好应用效果。

7 技术推广应用建议

推广应用建议：

1）定位为快速筛查、常态化巡检技术，不单独全替代传统采样，采用“成像快速普查+重点点位传统采样校核"组合调查模式；

2）生态修复示范区优先推广，降低高频监测对修复生境的人为破坏；

3）建立影像归档管理制度，原始图像完整保存，支撑多年度对比评估；

4）配套开展调查人员培训，掌握设备操作、图像判读能力；后续推进AI图像识别技术，进一步提升图像判读工作效率。

8 结论

本文提出船只走航布点+原位水下成像快速勘查的河湖生态健康调查新模式，整套系统船载电池供电，无扰动获取水下沉水植物、底栖生境原位影像。与传统采样模式对比，该模式野外调查效率高，生态扰动为零，能够形成完整可视化影像档案，适合大面积河湖生态快速筛查、常态化巡检、生态修复成效评估。该技术应当与传统采样手段相互配合，发挥各自优势，为河湖水生态调查提供新的技术方案。

参考文献

[1] 刘录三,等.我国河湖健康评估技术发展现状与建议[J].环境科学学报,2023,43(05):441‑450.

[2] 李黎,等.非侵入式监测技术在水生态调查中的应用综述[J].水生态学杂志,2022,43(04):1‑9.