摘要

傳統河湖沉水植物、底棲生物野外調查常采用抓斗、拖網、水下采樣器，采樣過程極易擾動底泥、損傷水生植被，破壞原生水生生境；且水上船只作業點位分散，湖區野外無市電供電，給水下原位監測設備供電帶來較大難題。本文研發一套雙探頭河湖原位水下圖像采集系統，包含水生植物高清水下攝像采集儀、底棲生物微距成像采集儀、100米長水下信號線纜、手持控制終端、便攜式大容量電池供電單元；設備最大作業水深20m，全程非接觸可視化勘查，采樣作業不對水下動植物造成損傷。文章闡述整套系統硬件架構、電池供電方案、長距離線纜信號傳輸方案、船載野外作業工藝流程；通過河湖實測試驗，對比傳統采樣調查方式，驗證該水下成像系統在沉水植物群落勘查、底棲生物多樣性原位調查中的可行性，可為河湖生態修復、水生態健康評估提供一種新型無損傷可視化監測裝備。

關鍵詞：水生態監測；原位水下成像；水生植物勘查；底棲生物調查；船載野外作業；電池供電；100米水下線纜；非侵入式監測；無損傷調查

1 引言

我國河湖生態保護與修復工作持續推進，沉水植物群落恢復、底棲生物多樣性評價已經成為水生態健康評估的核心工作內容。傳統野外調查手段主要依靠彼得森抓斗、埃克曼采泥器、水下樣方收割器、潛水員人工采樣等方式開展樣本采集工作 。抓斗與拖網作業會直接攪動湖底底泥，破壞沉水植物根系結構，造成水生植物植株斷裂死亡；底棲生物樣本被帶出原有生境之后，生物個體容易受到機械擠壓損傷，無法觀測生物在底泥?水界面的真實棲息狀態。

在大型湖泊、寬闊河道開展野外調查時，調查船只需要往返多個離散監測點位，絕大多數作業水域遠離岸邊，現場不存在市電接入條件，傳統有線供電監測設備無法開展常態化野外作業。潛水員調查受水深、水體能見度、風浪條件限制明顯，20m水深區域潛水作業風險高，作業成本高，單日出工可完成監測點位數量有限。

國家水生態環境保護相關政策明確提出，鼓勵發展低擾動、非破壞性生態調查技術，盡可能降低調查活動本身對河湖原生生態系統的人為干擾。因此，開發一套船載式、電池供電、非侵入式的原位水下成像勘查裝備，實現沉水植物、底棲生物的原位可視化觀測，對善現有水生態調查技術體系具有現實意義。本文設計一套雙探頭河湖原位水下圖像采集系統，集成水生植物攝像探頭、底棲生物微距成像模塊、100m綜合線纜、手持終端與便攜式電池組，開展系統總體架構設計，完成野外實船測試，對比傳統調查手段的優缺點，為河湖生態野外勘查提供新裝備方案。

2 原位水下成像勘查系統總體架構

本套原位水下成像勘查系統整體采用“水下雙成像探頭?100米綜合線纜?水面手持控制終端?便攜式野外電池單元"四層架構，全部設備可在普通調查船只上完成裝載布設，不需要大型作業船舶配套。系統硬件主要分為五大組成部分：水生植物攝像采集儀、底棲生物微距成像采集儀、100米水下綜合線纜、手持控制終端、便攜式大容量電池供電模塊。

水生植物圖像采集儀主要面向沉水植物群落大范圍觀測，采用大視場高清光學鏡頭，配套可調亮度LED水下補光單元，適合對水下植被覆蓋度、群落空間分布開展整體拍攝；底棲生物圖像采集儀搭載微距攝像模塊，鏡頭焦距經過優化，適合近距離拍攝底泥表面螺類、昆蟲幼蟲、貝類等小型底棲生物，獲取生物個體細節特征。

100米水下綜合線纜集成供電芯線、高清視頻信號傳輸芯線、抗拉芳綸纖維增強層、海水耐腐蝕護套，線纜同時承擔電力輸送、圖像信號回傳、機械抗拉拖拽三重功能，滿足最大20m水深下放作業需求。水面手持控制終端集成顯示屏幕、操作按鍵、存儲單元，工作人員在船上即可完成探頭姿態調整、補光亮度調節、實時視頻查看、原位圖像拍照存檔，采集得到的圖片與視頻本地存儲，可后續導出用于室內分析。

便攜式電池供電模塊為整套系統提供能源，無需外接市電，電池單元具備防水、抗震、低溫適應能力，適配湖區船上顛簸潮濕的野外工況。整套系統作業時，探頭由船上人員緩慢下放至目標水層，全程不接觸、不打撈水生生物與底泥，以光學成像方式完成原位信息獲取，實現無損傷勘查。

3 關鍵子系統設計

3.1 水下耐壓密封殼體設計

兩套水下成像探頭作業最大水深20m，對應靜水壓力約0.2MPa。殼體選用耐淡水腐蝕的316L不銹鋼材料，光學窗口采用高透鋼化玻璃鏡片，殼體結合面采用雙道O型圈密封結構，實現IP68防護等級，能夠長期浸泡在水下，抵御泥沙沖刷。殼體內部電路板、攝像模組做灌膠防潮處理，減少水汽冷凝帶來的電路故障風險。水密接插件選用海水適配型防水接頭，線纜與探頭殼體連接處增加抗拉緩沖結構，避免拖拽過程中接頭位置受力漏水。

3.2 長距離線纜信號傳輸抗干擾方案

100m長度線纜同時傳輸電力與高清視頻信號，電力線在電流通斷過程會產生電磁噪聲，容易對視頻信號形成干擾，造成圖像出現橫紋、卡頓、丟包現象。線纜內部采用分組屏蔽結構，電力芯線與信號芯線物理隔離，分別設置獨立銅箔屏蔽層，屏蔽層單端可靠接地，降低線間電磁耦合干擾。視頻信號采用差分傳輸方案，提升長距離傳輸過程抗噪聲能力。同時線纜內部增加芳綸抗拉層，將下放拖拽拉力全部由抗拉纖維承擔，避免內部信號線、電源線承受拉力發生斷裂。

3.3 野外船載鋰電池供電方案

針對野外無市電工況，采用磷酸鐵鋰便攜式電池組作為電源。電池組集成BMS電池管理系統，具備過充、過放、過流、溫度保護功能。考慮100m線纜存在電壓壓降，供電輸出端增加電壓補償電路，補償線纜傳輸過程電壓損耗，保證水下探頭端供電電壓穩定在設備額定工作區間。電池單元外殼采用防水防塵箱體，船上作業時放置于船艙內部，避免雨水潑濺、浪花打濕造成短路風險。

4 設備技術指標與環境適應性

本系統核心技術指標：最大作業水深20m，線纜總長100m；水生植物攝像模塊分辨率1080P，大視場角；底棲生物微距模塊支持近距離細節拍攝；LED水下補光亮度連續可調；供電方式為便攜式鋰電池，無外接市電；防護等級IP68；工作水溫0?35℃，可適應我國大部分河湖淡水環境。

環境適應性方面，設備針對野外復雜工況做優化：低溫環境下電池管理系統具備低溫放電保護；水下補光燈做散熱設計，長時間點亮不會出現過熱損壞；殼體材料可耐受淡水長期浸泡、泥沙摩擦沖刷。但系統成像質量會受到水體濁度影響，高泥沙、高懸浮物水體中，光線散射會造成圖像清晰度下降，需要配合補光策略優化改善成像效果。

5 船載野外標準化作業流程

船載野外原位成像勘查標準化作業分為前期準備、船只布點、探頭下放、成像觀測與存檔、設備回收五個步驟。

（1）前期準備：上船前檢查探頭水密接頭、線纜外觀破損情況，確認電池電量充足，手持終端存儲空間充足；

（2）船只布點：船只按照監測方案GPS導航行駛至目標監測點位，船只拋錨穩船，減少風浪造成船體漂移；

（3）探頭下放：操作人員緩慢釋放100m線纜，勻速將水下探頭下放至水下目標深度，控制下放速度，避免探頭撞擊湖底硬質底質造成鏡頭磕碰損傷；

（4）原位成像觀測：操作人員在手持終端實時查看水下畫面，調節LED補光亮度，完成視頻錄制與原位拍照，記錄對應點位GPS坐標、水深、時間信息；

（5）設備回收：完成該點位監測之后勻速回收線纜，將探頭提拉回船上，沖洗探頭外殼泥沙，檢查接頭部位，完成單點位作業，船只駛向下一個監測點位。

整套流程不需要投放采樣抓斗，不會擾動底泥，不采集生物實體樣本，實現非侵入式調查。

6 河湖野外實勘試驗與效果分析

選取某中型湖泊開展野外實測試驗，設置18個野外監測點位，水深分布區間1.5?18.6m，覆蓋沉水植物集中分布區、裸底底棲生物生境。利用本套雙探頭成像系統完成原位圖像采集，同步采用傳統樣方采樣、抓斗采樣開展對照調查。

試驗結果表明：在水體濁度較低點位，水生植物探頭可以清晰識別苦草、狐尾藻、黑藻等常見沉水植物，能夠直觀展現植物群落生長狀態；微距探頭可以識別湖底螺類、蜉蝣幼蟲、河蜆等底棲生物，獲取生物在底泥表面原生棲息影像。設備在最大18.6m水深可以穩定工作，線纜信號傳輸穩定，電池組可以支持全天野外連續作業。在高濁度點位，畫面出現霧化、色偏現象，識別難度上升，需要調節補光亮度來改善成像效果。

7 與傳統抓斗采樣、潛水調查方案優缺點對比

抓斗采樣優點是可以獲取底泥生物實體樣本，可以帶回實驗室做精確物種鑒定；缺點是作業擾動大，破壞水生植被與底棲生境，無法觀察生物原生棲息狀態，采樣過程存在樣本丟失、個體損傷問題。

潛水員調查優點是觀察直觀；缺點是作業水深受限，20m水深潛水作業風險高，人力成本高，單日可完成點位數量少，受風浪、水體能見度制約嚴重。

本原位水下成像系統優點：全程無擾動，保留水下生境原始狀態，輸出可視化圖像檔案，船載作業部署靈活，可快速完成大量點位調查；缺點是物種鑒定依賴圖像識別，高濁度水體識別能力下降，無法獲取生物實體標本。該技術適合大面積快速篩查，可與傳統采樣手段互為補充。

8 結論與展望

本文搭建一套船載式雙探頭河湖原位水下成像勘查系統，硬件包含水生植物攝像探頭、底棲生物微距成像探頭、100m綜合線纜、手持終端與便攜式鋰電池供電單元，最大作業水深20m，實現沉水植物、底棲生物非侵入式原位可視化勘查。野外湖泊試驗證明系統運行穩定，能夠獲取水下原生生境影像。

該系統不能全替代傳統采樣，適合作為河湖生態快速調查、生態修復成效巡檢的工具。后續可以從兩個方向優化：一是配套水下圖像智能識別算法，實現沉水植物覆蓋度估算、底棲生物自動識別；二是進一步優化鏡頭與補光方案，提升高濁度河湖水體條件下成像質量。

參考文獻（示例）

[1] 張遠, 等.我國水生態監測技術發展現狀與展望[J].環境科學研究,2022,35(04):889?898.

[2] 王建軍, 等.底棲生物野外調查技術規范研究[J].水生態學雜志,2021,42(02):1?8.