新技術(shù)在水母監(jiān)測中的應(yīng)用＊

楊東方，崔文林，張洪亮，徐子鈞，張愛君

（1．國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033；2．浙江海洋學(xué)院海洋科技學(xué)院 舟山 316000；3．上海海洋大學(xué)生命學(xué)院 上海 201306）

近年來，在許多海域經(jīng)常出現(xiàn)水母的暴發(fā)，如東海、黃海和渤海，給海洋生態(tài)和漁業(yè)造成了嚴(yán)重的災(zāi)害。夏季和秋季水母暴發(fā)的密集區(qū)往往是魚卵和仔稚魚的主要分布區(qū)，水母食性廣，可使水域浮游動物的密度急劇下降［1］，導(dǎo)致幼魚和小魚餓死，魚類資源密度下降［2］。水母災(zāi)害嚴(yán)重影響漁業(yè)生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［3］。因此，需要準(zhǔn)確監(jiān)測水母的種類、數(shù)量、分布等指標(biāo)。以往的水母監(jiān)測以拖船網(wǎng)具作業(yè)為主［2，4－6］，具有無法原位監(jiān)測、時(shí)空分辨率低、容易損壞水母幼體、人力物力耗費(fèi)量大等缺點(diǎn)［7－8］，不能達(dá)到當(dāng)今水母指標(biāo)的監(jiān)測要求。于是，現(xiàn)在的先進(jìn)技術(shù)被引入水母的監(jiān)測，如水下聲學(xué)［9］、水下光學(xué)［10］、航空 技術(shù)［11］等，豐富了水母監(jiān)測的方法，提高了水母監(jiān)測的水平。本研究闡述水母監(jiān)測的新方法，并分析了各種監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為水母及各種生物的監(jiān)測提供科學(xué)方法。

1 水下攝像的監(jiān)測

水母在水體中緩慢的移動，就可以利用水下攝像進(jìn)行監(jiān)測。首先將光源對目標(biāo)進(jìn)行照明，把光敏芯片與傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭結(jié)合在一起，將目標(biāo)成像在面陣光電器件上，通過快門對光通量進(jìn)行控制，利用圖像采集裝置將圖像信息存儲在存儲器上，利用數(shù)字圖像處理方法對浮游生物進(jìn)行分析識別［12］。水下攝像的監(jiān)測方法優(yōu)點(diǎn)在于分辨率高、能夠反映水母的運(yùn)動行為。而且水母的時(shí)空分布、移動過程和行為表現(xiàn)都可以通過水下攝像進(jìn)行記錄 （圖1）［10］，其缺點(diǎn)是視野有限。

圖1 水下攝像的監(jiān)測技術(shù)示意圖

對水下攝像的監(jiān)測技術(shù)已進(jìn)行了多年的研究。Davis等研制的水下浮游生物視頻記錄系統(tǒng)（Video Plankton Recorder，VPR）［13－14］，利用前向散射光來對幾乎透明的浮游生物成像，能夠監(jiān)測尺寸在0．2～20mm 之間的浮游動物，如水螅蟲、水母等。Strickler和Hwang［15］設(shè)計(jì)的浮游動物三維觀測系統(tǒng)采用了多部相機(jī)來對1L 體積范圍內(nèi)的生物進(jìn)行圖像采集，可以獲取浮游動物的行為特征等各種信息。Graham 等［10］開發(fā)了水母攝像系統(tǒng)，分辨率達(dá)到2m （垂直方向）×1m（水平方向），實(shí)現(xiàn)了水母的原位監(jiān)測。于連生等［16］利用“全自動數(shù)字顯微成像儀”實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場浮游生物圖像的自動拍攝。對此，水下攝像的監(jiān)測技術(shù)在不斷地完善，水下水母等浮游生物在水下攝像的過程中不受任何影響和控制。

2 聲吶成像的監(jiān)測

聲吶成像方法主要通過聲吶信號的發(fā)射與接收來實(shí)現(xiàn)水母的監(jiān)測。Han 等［9］建立的水母監(jiān)測高分辨率成像聲吶 （A Dual－frequency Identification Sonar，DIDSON），該系統(tǒng)包括傳感器、機(jī)頂控制盒、數(shù)據(jù)線、控制軟件和便攜式電腦，傳感器可在高頻 （1．8MHz）和低頻（1．0MHz）模式下操作［9］（圖2）［9］。聲吶成像的監(jiān)測方法優(yōu)點(diǎn)在于監(jiān)測范圍廣、可以同時(shí)監(jiān)測水母的水平和垂直分布、在渾濁或昏暗水體中也可以監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)［17－19］，其缺點(diǎn)是分辨率低、無法進(jìn)行種屬的判別、無法反應(yīng)水母的運(yùn)動行為等。

圖2 聲吶成像的監(jiān)測技術(shù)示意圖

近年來，聲吶成像的監(jiān)測技術(shù)有很大的發(fā)展。在聲學(xué)系統(tǒng)方面，高分辨率 （500kHz）側(cè)掃聲吶系統(tǒng)已能提供近似照相的分辨率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)水下目標(biāo)的成像和識別。目前，該技術(shù)用于水母、魚類的豐度、規(guī)模、游泳、行為等的監(jiān)測［20－22］。Han等［9］運(yùn)用高分辨率聲吶成像技術(shù)監(jiān)測了近岸水域海月水母的數(shù)量豐度和空間分布，根據(jù)高分辨率的聲吶圖像可以對直徑4．1～19．6cm（平均13．1cm）的水母進(jìn)行定性和定量分析，而且此方法獲取的水母總平均密度比傳統(tǒng)方法高3．3 倍，跟傳統(tǒng)方法相比優(yōu)勢很明顯。因此，隨著聲吶成像分辨率的提高，加上本身具有探測范圍廣的優(yōu)勢，高分辨率成像聲吶技術(shù)在水母的水下監(jiān)測中發(fā)揮了重大的作用。

3 航空影像的監(jiān)測

航空影像的監(jiān)測方法以飛行器為載體，通過攝影或攝像，可以調(diào)查大范圍水域水母的區(qū)域分布，獲取近表層或表層大型水母的信息［11，23］。在調(diào)查過程中，Houghton等［11］將飛機(jī)飛行高度固定在152m，飛行速度固定在185km／h，飛機(jī)兩邊各配有1名觀測者（圖3），使用測斜儀將觀測范圍限制在于飛機(jī)兩側(cè)的250m 范圍內(nèi)，以5min為間隔計(jì)數(shù)。對于出現(xiàn)在水體表層或近表層的大型水母，可以在低空飛行的航空器上直接地、大范圍地、迅速地觀測［24］。Houghton等［11］用航空監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測了南愛爾蘭海域的3 種大型水母Rhizostomaoctopus、Cyaneacapillata和Chrysaorahysoscell，這些水母體型較大（直徑大于1m），各自具有不同的顏色而且不透明，可以在低空（152m）通過肉眼直接辨認(rèn)。因此，通過航空影像的監(jiān)測技術(shù)，在水體表層或近表層，可以觀察大型水母的分布狀況、運(yùn)動過程和行為表現(xiàn)。而且，不需要接觸水體，驚擾這些水母，就可以完成這些觀察的過程。

圖3 航空影像的監(jiān)測技術(shù)示意圖

4 監(jiān)測方法的比較

在不同的水域范圍，根據(jù)不同水母的大小和不同的觀察內(nèi)容，就要采用不同的監(jiān)測技術(shù)方法：水下攝像的監(jiān)測、聲吶成像的監(jiān)測和航空影像的監(jiān)測 （表1）。如果需要監(jiān)測水母的種類、數(shù)量和生理特征，就需要水母監(jiān)測的傳統(tǒng)方法，以拖船網(wǎng)具作業(yè)，將水母捕撈上船。

表1 新方法在水母監(jiān)測中的應(yīng)用

5 結(jié)論

水母的種類繁多，大小不一，活動范圍廣泛，又難于捕撈。因此，要監(jiān)測水母的時(shí)空分布、移動過程和行為表現(xiàn)，就需要新的科學(xué)技術(shù)的集成來解決。例如，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、聲學(xué)技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)和圖像技術(shù)等多學(xué)科交叉合成，得到了水下攝像的監(jiān)測、聲吶成像的監(jiān)測和航空影像的監(jiān)測。當(dāng)然，還要采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行拖網(wǎng)采樣。這樣，才能夠?qū)λ赣屑?xì)致、準(zhǔn)確的監(jiān)測。在不同的水域范圍，根據(jù)不同的水母大小和不同的觀察內(nèi)容，就要采用不同的監(jiān)測技術(shù)方法，每一種監(jiān)測方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際研究需要和現(xiàn)有條件，選擇合適的方法，或綜合使用多種方法。對于小范圍的水下調(diào)查，可采用水下攝像的監(jiān)測；對于大范圍、大縱深的水下調(diào)查，可采用聲吶成像的監(jiān)測；對于大范圍的表層和近表層調(diào)查，可采用航空影像的監(jiān)測。

隨著未來對水母綜合深入的研究，對水母的監(jiān)測也提出了更高的要求，將最新的創(chuàng)新技術(shù)充分應(yīng)用到水母的監(jiān)測過程中，如記憶芯片植入到水母里，進(jìn)行長期跟蹤，展示水母的時(shí)空變化和移動軌跡等；如水下智能機(jī)器人在水母的周圍一起運(yùn)動，進(jìn)行細(xì)微觀察，展示水母的生理特征和行為表現(xiàn)等。因此，利用革命性的創(chuàng)新技術(shù)在水母監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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