基于多波束聲吶的人工魚礁區(qū)地形特征分析

李 東, 唐 誠, 鄒 濤, 劉 斌, 侯朝偉, 張 華

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基于多波束聲吶的人工魚礁區(qū)地形特征分析

李 東1, 2, 唐 誠1, 鄒 濤1, 劉 斌1, 2, 侯朝偉1, 張 華1

(1. 中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所, 山東煙臺(tái) 264003; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

建設(shè)人工魚礁(Artificial Reef, AR)是恢復(fù)和養(yǎng)護(hù)近海漁業(yè)資源的重要措施。盡管中國沿海各地人工魚礁規(guī)模宏大, 但對(duì)于魚礁投放后的監(jiān)測(cè)明顯不足。傳統(tǒng)調(diào)查方法存在效率低、成本高等缺點(diǎn), 多波束測(cè)深系統(tǒng)(Multibeam Echo Sounder, MBES)為探測(cè)魚礁區(qū)地形地貌提供了一種有效的技術(shù)手段。本文利用高分辨率的多波束測(cè)深系統(tǒng), 獲取礁區(qū)詳細(xì)的測(cè)深數(shù)據(jù), 快速確定魚礁位置、形態(tài)等信息; 應(yīng)用地形分析工具提取地形變量(坡度、曲率、粗糙度、地形耐用指數(shù)及地形起伏度), 分析投石后海底地形特征。研究表明, 礁石投放后海底地形發(fā)生顯著變化(水深5~10 m), 礁石發(fā)生沉降現(xiàn)象(下沉深度約0.45 m), 礁石周圍出現(xiàn)沖淤地形(礁石堆高1.65 m, 影響范圍5 m左右)。分析人工魚礁引起的微地形地貌的變化, 可以為魚礁的監(jiān)測(cè)與效果評(píng)估工作提供一種新的技術(shù)方法, 具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

人工魚礁; 多波束聲吶; 地形特征; 監(jiān)測(cè)

海洋牧場(chǎng)是基于海洋生態(tài)學(xué)原理和現(xiàn)代海洋工程技術(shù), 充分利用自然生產(chǎn)力, 在特定海域科學(xué)培育和管理漁業(yè)資源而形成的人工漁場(chǎng)[1]。投放人工魚礁是海洋牧場(chǎng)建設(shè)過程中采用的一種重要技術(shù)手段。它能夠增加附著生物的附著面積, 促進(jìn)浮游生物的繁殖, 在保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境方面起著積極的作用[2]。人工魚礁來源包括天然材料(如貝殼、巖石), 廢棄物材料(如石油平臺(tái)、漁船、輪胎), 建筑材料(如混凝土、鋼材)以及綜合型材料。合理的人工魚礁建設(shè)有利于改造海岸帶生態(tài)系統(tǒng), 減輕水體富營(yíng)養(yǎng)化, 給水產(chǎn)養(yǎng)殖及近海旅游(如游釣、潛水等)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。

如今國內(nèi)外已廣泛地開展人工魚礁建設(shè), 對(duì)近海海洋生物棲息地和漁場(chǎng)進(jìn)行修復(fù), 并取得了較好的效果[5]。前人對(duì)于人工魚礁建設(shè)的研究大多集中在物理、生物、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等方面, 主要包括: (1)人工魚礁的優(yōu)化設(shè)計(jì)與礁區(qū)的合理選址; (2)人工魚礁的經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià); (3)人工魚礁區(qū)海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能評(píng)價(jià); (4)人工魚礁區(qū)的水動(dòng)力學(xué)特性及流場(chǎng)分析等。人工魚礁投入使用后, 需要對(duì)其實(shí)際效果和預(yù)期效果進(jìn)行評(píng)估, 以便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題, 但目前對(duì)于投放后水下礁石自身的監(jiān)測(cè)與管理還缺乏相應(yīng)的系統(tǒng)研究。傳統(tǒng)調(diào)查方法(如水下攝像、人工探摸等)受水下能見度低、水流大、潛水時(shí)間短和人工探摸范圍小等因素的限制, 調(diào)查效果不夠理想, 不僅增加調(diào)查成本, 也影響魚礁的建設(shè)進(jìn)度。

隨著現(xiàn)代聲吶技術(shù)的發(fā)展, 聲學(xué)方法成為海底探測(cè)最有效、快捷的手段。多波束測(cè)深聲吶系統(tǒng)與多波束勘測(cè)技術(shù)自20世紀(jì)90年代末引入中國后, 在海洋資源調(diào)查、海洋工程建設(shè)以及海洋科學(xué)研究等方面發(fā)揮了重要作用[6]。國內(nèi)基于聲吶的人工魚礁建設(shè)的監(jiān)測(cè)工作開展較少, 僅有上海海洋大學(xué)利用測(cè)深側(cè)掃聲吶系統(tǒng)做了些探索性工作[5], 目前還沒有其他研究工作的報(bào)道。本研究利用覆蓋范圍廣、分辨率高的多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)人工魚礁投放區(qū)進(jìn)行探測(cè), 獲取詳細(xì)的海底地形地貌信息并提取地形變量, 分析礁石投放后海底地形特征與變化, 以期為人工魚礁的監(jiān)測(cè)及效果評(píng)估工作提供數(shù)據(jù)支持, 有效促進(jìn)海洋牧場(chǎng)漁業(yè)資源的增值和優(yōu)化。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)簡(jiǎn)介

本文以山東近海某海洋牧場(chǎng)作為研究對(duì)象, 該海域人工魚礁的材料主要來自陸地開采的山石。巖石是堅(jiān)硬、穩(wěn)定、抗腐蝕、低成本的人工魚礁材料, 能夠?yàn)楹Ｑ笊锾貏e是趨礁性的動(dòng)植物提供棲息地[7]。投放礁石現(xiàn)有的規(guī)劃管理主要依靠Google earth標(biāo)注與潛水員水下攝像、探摸, 尚缺乏合理有效的監(jiān)測(cè)、管理機(jī)制。為進(jìn)一步了解投石的分布狀況及投石區(qū)的地形地貌特征, 實(shí)現(xiàn)人工魚礁建設(shè)的科學(xué)監(jiān)測(cè)與管理, 此次調(diào)查選取2012年投石區(qū)(面積約122.67ha)作為調(diào)查對(duì)象, 利用多波束測(cè)深系統(tǒng)快速獲取高分辨率的海底礁石信息。

1.2 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

多波束測(cè)深系統(tǒng)是當(dāng)代海洋基礎(chǔ)勘測(cè)中的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品, 它利用安裝在船底的換能器探頭向探測(cè)水體發(fā)射聲波, 聲波遇到海底或障礙物后產(chǎn)生反射和散射回波, 換能器探頭接收到回波信號(hào)后, 處理單元根據(jù)回波振幅和相位計(jì)算聲波旅行時(shí)間, 再根據(jù)勘測(cè)水體的聲速剖面計(jì)算聲波的實(shí)際傳播距離, 然后根據(jù)發(fā)射開角, 及運(yùn)動(dòng)傳感器的姿態(tài)參數(shù)(探頭載體的橫搖、縱搖和擺動(dòng)角度)計(jì)算回波信號(hào)的位置和水深值[8]。本研究采用R2Sonic 2024高分辨率淺水多波束系統(tǒng), 它具有256個(gè)0.5°超窄波束、160°超寬覆蓋能力、1.25 cm量程分辨率、60 Hz的信號(hào)帶寬以及200 ~ 400 kHz可選的工作頻率。與之配套的輔助設(shè)備包括: 差分GPS(Hemisphere), Octans光纖羅經(jīng)和運(yùn)動(dòng)傳感器(縱搖/橫搖分辨率可達(dá)0.001°), 聲速剖面儀(Minos SVP)以及數(shù)據(jù)采集軟件Qinsy等。

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一個(gè)由多傳感器組成的復(fù)雜系統(tǒng), 最終測(cè)量成果的質(zhì)量不但取決于多波束自身的測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量, 還取決于輔助傳感器測(cè)量參數(shù)的精度[9]。為獲得高質(zhì)量的測(cè)量數(shù)據(jù)必須進(jìn)行規(guī)范的安裝校準(zhǔn)[10]。2016年8月采用上述多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)調(diào)查區(qū)進(jìn)行掃測(cè)。針對(duì)作業(yè)目的, 測(cè)線充分考慮到海底地形及儀器精度等多方面因素, 保證相鄰測(cè)線間有一定重疊度。為獲取投石區(qū)較為全面的地形地貌信息并結(jié)合實(shí)地水深(9 m左右), 波束開角設(shè)為120°(每條測(cè)線覆蓋3倍多水深), 聲吶頻率為400 kHz,測(cè)線間距15 m, 以保證全覆蓋掃測(cè)。實(shí)際測(cè)線51條, 每條測(cè)線長(zhǎng)約1580 m, 船體航速不超過5節(jié), 掃測(cè)工程中每隔3h做一次聲速剖面的測(cè)量用于多波束數(shù)據(jù)的后期校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集后, 采用專業(yè)的后處理軟件Caris對(duì)多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理工作, 包括數(shù)據(jù)檢查(定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、聲速剖面數(shù)據(jù)), 數(shù)據(jù)改正(聲速、船體姿態(tài)、儀器安裝偏差、吃水、潮汐), 數(shù)據(jù)濾波處理(自動(dòng)濾波與人工刪除)以及數(shù)據(jù)壓縮和輸出等。本研究中作者選取調(diào)查區(qū)(圖1)北部一典型區(qū)域(180 m × 180 m)進(jìn)行地形變量的提取與特征分析。

1.3 地形特征提取

多波束水深數(shù)據(jù)具有精度高、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)[11], 能夠滿足海底魚礁區(qū)DEM(數(shù)字高程模型)的要求, 本文采用格網(wǎng)(Grid)模型對(duì)DEM進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。

基于聲學(xué)的地形變量提取方法廣泛應(yīng)用于海底地形地貌分類及底棲生境繪圖的研究中[12-16], 根據(jù)海底魚礁區(qū)的地形地貌特征, 利用地理信息系統(tǒng)軟件中地形分析模塊及插件針對(duì)部分地形因子進(jìn)行提取分析。

(1) 坡度 表示水平面與局部地表之間夾角的正切值, 即高度(z值)變化的最大比率。Slope工具將一個(gè)平面與要處理的像元或中心像元周圍一個(gè)3 × 3的像元鄰域的z值進(jìn)行擬合, 該平面的坡度值通過最大平均值法來計(jì)算。坡度值(用度表示)越小, 地勢(shì)越平坦, 反之越陡峭。

(2) 曲率 它是表面的二階導(dǎo)數(shù), 可以稱為坡度的坡度。Curvature工具輸出結(jié)果為每個(gè)像元的表面曲率。曲率為正說明該像元的表面向上凸, 曲率為負(fù)說明像元的表面開口凹入, 值為0說明是平的, 便于理解侵蝕過程和徑流形成過程。

(3) 粗糙度 也稱地表微地形, 指特定區(qū)域內(nèi)地表單元的曲面面積與其在水平面上的投影面積之比, 是反映地表起伏變化和侵蝕程度的一個(gè)地形因子。其值越大說明受侵蝕和破碎程度越大。該變量可以利用美國國家海洋和大氣管理局海岸服務(wù)中心研發(fā)的BTM (Benthic Terrain Modeler)插件中的Rugosity工具計(jì)算得到。

(4) 地形耐用指數(shù) 指中心點(diǎn)高程與特定鄰域周圍高程的差的平均值, 反映海底地形的局部變化。海底生物棲息地的改變與海底地形變化密切相關(guān), 所以該指數(shù)常被應(yīng)用于海洋底棲生境制圖的研究中。該變量可以由BTM插件中的TRI工具計(jì)算輸出。

(5) 地形起伏度 利用柵格鄰域計(jì)算工具(Neighborhood Statistics)計(jì)算某一確定面積內(nèi)所有柵格中最大高程與最小高程之差, 它反映了海底的起伏特征, 是定量描述地貌形態(tài)、劃分地貌類型的重要指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 人工魚礁區(qū)地形特征分析

經(jīng)格網(wǎng)模型簡(jiǎn)化的DEM數(shù)據(jù), 單元格大小設(shè)為0.2 m輸出(圖2), 然后利用該DEM數(shù)據(jù)提取地形特征變量(坡度、曲率、粗糙度、地形耐用指數(shù)及地形起伏度)進(jìn)一步分析魚礁區(qū)地形地貌特征(圖3)。

圖2顯示該區(qū)水深為5~10 m, 大量投石散布于海底, 投石分布散亂, 規(guī)律性不明顯, 并未達(dá)到投石前施工設(shè)計(jì)要求(線狀分布)。大部分投石堆砌積壓在一起, 少量巖石散落在周邊。無礁石的海底區(qū)域地形較為平坦, 基本沒有起伏變化; 礁石周邊水深較深, 出現(xiàn)沉降與沖刷現(xiàn)象。

從地形特征變量的結(jié)果中我們可以看出, 坡度、曲率、粗糙度、地形耐用指數(shù)以及地形起伏度的高值區(qū)均出現(xiàn)在礁石分布區(qū)域, 基本上可以將投石與平坦海底區(qū)分開來。由于沉降及長(zhǎng)期的水動(dòng)力作用, 在礁石周圍形成了局部“深槽”, 其邊界在坡度與地形起伏度中能夠較為清晰的分辨出來。以坡度為例(表1), 該區(qū)域坡度為0°~83.73°, 坡度小于3°的單元數(shù)約占75%, 說明該區(qū)域投石前相對(duì)比較平坦; 坡度大于5°的單元數(shù)約占20%, 參照前人對(duì)海底地形地貌的劃分方法[17-18], 可以將其作為礁石與平坦海底的分界點(diǎn), 并據(jù)此估算該區(qū)投石的面積為6180 m2(每個(gè)單元為0.04 m2)。

該海域未投放礁石區(qū)海底較為平坦, 投石區(qū)海底地形較為復(fù)雜。研究區(qū)西、北兩個(gè)方向均沒有投石, 我們選取AB、CD兩個(gè)剖面, 用來表征未投石區(qū)與投石區(qū)海底地形地貌特征(圖4)。剖面數(shù)據(jù)顯示, 未投石區(qū)水深值為9 m左右, 投石區(qū)水深在6~10 m間起伏變化; 未投石區(qū)坡度接近0°, 投石區(qū)坡度值顯著增加, 部分區(qū)域達(dá)70°; 未投石區(qū)曲率接近為0(平坦地形), 投石區(qū)正值與負(fù)值均顯著增加, 曲率不僅在礁石周邊的低洼處表現(xiàn)為負(fù)值, 在礁石堆積的空隙單元也為負(fù)值; 粗糙度、地形耐用指數(shù)及地形起伏度在投石區(qū)與非投石區(qū)也同樣存在明顯差異, 且與深度圖、坡度圖表現(xiàn)出一致性。

表1 研究區(qū)坡度統(tǒng)計(jì)

Tab.1 Slope statistic result of study area

通過EF剖面(圖5)可以得知礁石周圍局部的沖淤情況, 進(jìn)一步定量分析礁石投放后引起的海底微地形地貌變化。礁石投放后, 由于自身重力作用及其引起的局部流速的改變[19], 使得礁石周圍海底地形形態(tài)發(fā)生變化。魚礁的穩(wěn)定性除了受礁區(qū)的底質(zhì)條件決定外, 在很大程度上依賴于魚礁周圍的物理環(huán)境以及水流—底質(zhì)—礁體系統(tǒng)內(nèi)的相互作用。剖面數(shù)據(jù)顯示, 礁石周圍的平坦海底水深為9.2 m左右, 沖刷最深處位于兩堆礁石之間, 投石堆積相對(duì)高度為1.65 m, 礁石沉降深度達(dá)0.45 m。可以推測(cè), 礁體的迎流面附近產(chǎn)生下降流, 在下降流到達(dá)海底時(shí)在礁體前部產(chǎn)生漩渦, 造成礁體底部沉積物的沖刷和再懸浮。底層流的擾動(dòng)使魚礁底部與底質(zhì)的接觸面積減少, 造成魚礁的不穩(wěn)定和下陷[20]。礁石底部流速較快區(qū)域的泥沙被移出, 使魚礁周圍的海底底質(zhì)變粗, 被移出的細(xì)泥沙又在流速減弱處堆積, 從而引起局部淤積[21]。盡管該處投石體積不大, 其影響范圍距離礁體仍有5 m左右。

2.2 人工魚礁投放與監(jiān)測(cè)

巖礁分布與投放前的設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差, 主要是在投放時(shí)受海況(如潮流、風(fēng)浪等)影響, 造成船體漂移、搖晃; 另外投放時(shí)定位未選擇差分GPS, 導(dǎo)致精度不高。在魚礁建設(shè)過程和完成后的評(píng)價(jià)中, 可以通過潛水調(diào)查等手段獲得魚礁的掩埋、移位、傾覆、損毀等安全性指標(biāo), 但要充分考慮風(fēng)浪、能見度、水流等因素。潛水調(diào)查方法效率低(一般潛水時(shí)間小于1 h, 單次探摸小于20 m × 20 m)、成本高, 且對(duì)于人工魚礁投放位置的準(zhǔn)確性無法進(jìn)行有效的判定[5]。魚礁區(qū)高分辨率的多波束調(diào)查工作, 不僅可以在宏觀上提供較為全面的礁石投放信息(如具體位置、分布狀態(tài)等), 更能快速獲取礁石區(qū)微地形地貌特征, 從而評(píng)估魚礁投放的準(zhǔn)確性與合理性, 發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題以便采取一定的措施改善其功效, 為下一步的人工魚礁建設(shè)積累經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然, 獲取高質(zhì)量的多波束測(cè)深數(shù)據(jù)是分析魚礁區(qū)地形地貌的關(guān)鍵。因此, 采用多波束調(diào)查時(shí), 不僅要保證聲吶探頭穩(wěn)定安裝(不抖動(dòng)), 系統(tǒng)相對(duì)位置(探頭聲學(xué)中心、光纖羅經(jīng)及GPS)精準(zhǔn)量測(cè), 校準(zhǔn)參數(shù)(橫搖、縱搖及艏搖)合理優(yōu)化, 還要根據(jù)實(shí)地情況確定船速大小以及獲取聲速剖面、潮位數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔, 為后處理工作奠定基礎(chǔ)。

近年來中國人工魚礁建設(shè)規(guī)模宏大, 效益顯著, 但與發(fā)達(dá)國家相比技術(shù)和管理還不成熟。日本在人工魚礁建設(shè)實(shí)踐中走在世界前列, 早在1986年發(fā)布實(shí)施了《沿岸漁場(chǎng)整備開發(fā)事業(yè)人工魚礁漁場(chǎng)建設(shè)計(jì)劃指南》, 為人工魚礁選址、投放及管理提供了參考依據(jù)[22]。美國也在人工魚礁方面做了大量相關(guān)研究工作, 注重魚礁投放效果的調(diào)查研究, 并結(jié)合工程實(shí)例制定了人工魚礁建設(shè)管理規(guī)范[23]。目前國內(nèi)對(duì)于人工魚礁的管理還缺乏相應(yīng)的系統(tǒng)研究, 今后人工魚礁的后期監(jiān)測(cè)工作可以結(jié)合多種方法進(jìn)行綜合觀測(cè): 首先利用聲學(xué)探測(cè)技術(shù)進(jìn)行快速大面積掃測(cè), 獲取其基本狀態(tài), 確定重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象; 然后采用潛水觀測(cè)、水下攝像等傳統(tǒng)方法輔助調(diào)查, 分析人工魚礁對(duì)周圍水域環(huán)境的影響, 從而提高魚礁建設(shè)效果評(píng)估的準(zhǔn)確性。魚礁投放后, 須進(jìn)行定期監(jiān)測(cè), 比如每間隔一定周期(兩年或三年)對(duì)投放區(qū)域進(jìn)行全覆蓋掃測(cè), 掌握魚礁當(dāng)前的分布狀況, 通過與前期的數(shù)據(jù)對(duì)比, 分析魚礁區(qū)的地形變化情況, 對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)結(jié)合區(qū)域水文水質(zhì)調(diào)查、底棲生物調(diào)查以及漁業(yè)資源的調(diào)查成果, 對(duì)魚礁建設(shè)的生態(tài)效果做出綜合評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

本研究表明, 利用覆蓋范圍廣、分辨率高的多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)人工魚礁區(qū)進(jìn)行掃測(cè), 能夠快速獲取海底地形地貌信息, 比傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確度高、效率高、成本低。研究區(qū)內(nèi)投石散布于海底, 坡度、曲率、粗糙度、地形耐用指數(shù)以及地形起伏度的高值區(qū)均出現(xiàn)在礁石分布區(qū)域, 能夠?qū)⒔甘瘡钠教购５讌^(qū)分開來。由于自身重力及水動(dòng)力作用, 礁石發(fā)生沉降現(xiàn)象, 其周圍出現(xiàn)局部沖淤地形。借助地理信息系統(tǒng)地形分析模塊及BTM工具提取魚礁區(qū)地形變量, 可以定量分析投石后引起的海底地形變化特征, 為人工魚礁建設(shè)評(píng)估工作提供了一種新的技術(shù)手段。高精度的多波束數(shù)據(jù)處理可實(shí)現(xiàn)魚礁區(qū)微地形的精細(xì)測(cè)量, 對(duì)于其他水下目標(biāo)(如沉船、海草、珊瑚等)的研究具有一定借鑒意義。

[1] 楊紅生. 我國海洋牧場(chǎng)建設(shè)回顧與展望[J]. 水產(chǎn)學(xué)報(bào), 2016, 40(7): 1133-1140. Yang Hongsheng. Construction of marine ranching in China: reviews and prospects [J]. Journal of Fisheries of China, 2016, 40(7): 1133-1140.

[2] 趙中堂. 我國沿海海上人工魚礁參礁的現(xiàn)狀及其管理問題[J]. 海洋通報(bào), 1995, 14(4): 79-84. Zhao Zhongtang. Status and problems involved in management of artificial reefs for fishes and sea cucumbers off China coast [J]. Marine Science Bulletin, 1995, 14(4): 79-84.

[3] Schygulla C, Peine F. Nienhagen Reef: Abiotic boundary conditions at a large brackish water artificial reef in the Baltic Sea[J]. Journal of Coastal Research, 2013, 29(2): 478-486.

[4] Li D, Tang C, Xia C L, et al. Acoustic mapping and classification of benthic habitat using unsupervised learning in artificial reef water[J]. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2017, 185: 11-21.

[5] 沈蔚, 張守宇, 李勇攀, 等. C3D測(cè)深側(cè)掃聲吶系統(tǒng)在人工魚礁建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 22(3): 404-409. Shen Wei, Zhang Shouyu, Li Yongpan, et al. The application of C3D bathymetry sides can sonar system in artificial reef construction[J]. Journal of Shanghai Ocean University, 2013, 22(3): 404-409.

[6] 唐秋華, 李杰, 周興華, 等. 濟(jì)州島南部海域海底聲吶圖像分析與聲學(xué)底質(zhì)分類[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2014, 36(7): 133-141. Tang Qiuhua, Li Jie, Zhou Xinghua, et al. Seabed sonar image analysis and acoustic seabed classification in the south of the Cheju Island[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2014, 36(7): 133-141.

[7] Connell S D, Glasby T M. Do urban structures influence local abundance and diversity of subtidal epibiota? A case study from Sydney Harbour, Australia[J]. Marine Environmental Research, 1999, 47(4): 373-387.

[8] 李家彪. 多波束勘測(cè)原理技術(shù)與方法[M]. 北京: 海洋出版社, 1999. Li Jiabiao. Principle and Method of Multibeam Survey[M]. Beijing: China Ocean Press, 1999.

[9] 劉經(jīng)南, 趙建虎. 多波束測(cè)深系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].海洋測(cè)繪, 2002, 22(5): 3-6. Liu Jingnan, Zhao Jianhu. Present situation and development trend of multibeam sounding system[J]. Hydrographic Surveying and Charting, 2002, 22(5): 3-6.

[10] 張海濤, 唐秋華, 周興華, 等. 多波束測(cè)深系統(tǒng)換能器的安裝校準(zhǔn)分析[J]. 海洋通報(bào), 2009, 28(1): 102-107. Zhang Haitao, Tang Qiuhua, Zhou Xinghua, et al. Installation and calibration analysis of the multibeam eco sounder transducer[J]. Marine Science Bulletin, 2009, 28(1): 102-107.

[11] 宮士奇, 閻軍, 馬小川, 等. 湄洲灣北部海底地貌特征研究與分析[J]. 海洋科學(xué), 2016, 40(8): 61-69. Gong Shiqi, Yan Jun, Ma Xiaochuan, et al. Topographical and geomorphological features of seafloor in northern Meizhou Gulf [J]. Marine Sciences, 2016, 40(8): 61-69.

[12] Brown C J, Sameoto J A, Smith S J. Multiple methods, maps, and management applications: Purpose made seafloor maps in support of ocean management [J]. Journal of Sea Research, 2012, 72: 1-13.

[13] Wilson M F J, O’Connell B, Brown C, et al. Multiscale terrain analysis of multibeam bathymetry data for habitat mapping on the continental slope[J]. Marine Geodesy, 2007, 30(1-2): 3-35.

[14] 王英, 李家彪, 韓喜球, 等. 地形坡度對(duì)多金屬結(jié)核分布的控制作用[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2001, 23(1): 60-65. Wang Ying, Li Jiabiao, Han Xiqiu, et al. The influence of terrain slope on the distribution of polymetallic nodules[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2001, 23(1): 60-65.

[15] 劉忠臣, 陳義蘭, 丁繼勝, 等. 東海海底地形分區(qū)特征和成因研究[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 2003, 21(2): 160- 173. Liu Zhongchen, Chen Yilan, Ding Jisheng, et al. Study on zoned characteristics and formation cause of the East China Sea submarine topography[J]. Advances in Marine Science, 2003, 21(2): 160-173.

[16] Huang Z, Siwabessy J, Nichol S L, et al. Predictive mapping of seabed substrata using high-resolution multibeam sonar data: A case study from a shelf with complex geomorphology[J]. Marine Geology, 2014, 357: 37-52.

[17] Micallef A, Berndt C, Masson D G, et al. A technique for the morphological characterization of submarine landscapes as exemplified by debris flows of the Storegga Slide[J]. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 2007, 112(F2).

[18] Micallef A, Le Bas T P, Huvenne V A I, et al. A multi-method approach for benthic habitat mapping of shallow coastal areas with high-resolution multibeam data [J]. Continental Shelf Research, 2012, 39: 14-26.

[19] 肖榮, 楊紅. 人工魚礁建設(shè)對(duì)福建霞浦海域營(yíng)養(yǎng)鹽輸運(yùn)的影響[J]. 海洋科學(xué), 2016, 40(2): 94-101. Xiao Rong, Yang Hong. Influence of artificial reef construction on the transportation of nutrients in the offshore area of Xiapu, Fujian [J]. Marine Sciences, 2016, 40(2): 94-101.

[20] 林軍, 章守宇. 人工魚礁物理穩(wěn)定性及其生態(tài)效應(yīng)的研究進(jìn)展[J]. 海洋漁業(yè), 2006, 28(3): 257-262. Lin Jun, Zhang Shouyu. Research advances on physical stability and ecological effects of artificial reef [J]. Marine Fisheries, 2006, 28(3): 257-262.

[21] 陳勇, 于長(zhǎng)清, 張國勝, 等. 人工魚礁的環(huán)境功能與集魚效果[J]. 大連水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 17(1): 64-69. Chen Yong, Yu Changqing, Zhang Guosheng, et al. The environmental function and fish gather effect of artificial reefs [J]. Journal of Dalian Fisheries University, 2002, 17(1): 64-69.

[22] 劉惠飛. 日本人工魚礁建設(shè)的現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代漁業(yè)信息, 2001, 16(12): 15-17. Liu Huifei. The status of construction of artificial fish reef in Japan [J]. Modern Fisheries Information, 16(12): 15-17.

[23] 趙海濤, 張亦飛, 郝春玲, 等. 人工魚礁的投放區(qū)選址和礁體設(shè)計(jì)[J]. 海洋學(xué)研究, 2006, 24(0): 69-76. Zhao Haitao, Zhang Yifei, Hao Chunling, et al. Sitting and designing of artificial reefs [J]. Journal of Marine Sciences, 2006, 24(0): 69-76.

Terrain character analysis of artificial reefs area based on multibeam echo sounder

LI Dong1, 2, TANG Cheng1, ZOU Tao1, LIU Bin1, 2, HOU Chao-wei1, ZHANG Hua1

(1. Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Artificial reef (AR) construction is an important measure to restore coastal fishery resources and improve ecological environment of the coastal waters. Large-scale ARs have been built in selected areas near the coastline in our country. However, few studies have examined ARs status after deployment. Traditional survey methods have low efficiency and high cost. The multibeam echo sounder system (MBES) can provide an effective means to detect ARs topography. In this paper, we used MBES to obtain detailed bathymetric data of ARs to identify their location, form and other information. Then topographic variables such as slope, curvature, rugosity, terrain ruggedness index and topographic relief were extracted by using terrain analysis tool to examine the ARs topographic features. The results showed that the seabed terrain changed significantly (depth from 5 to 10 m) after ARs deployed and there were erosion (sinking depth about 0.45 m) and deposition appearance (the ARs height 1.65 m and influence sphere about 5 m) around ARs. It is possible to provide a new technique to analyze the micro topography changes caused by ARs and this could contribute to ARs examination and assessment work which has a strong practical significance.

artificial reef; multibeam sonar; terrain character; monitor

(本文編輯: 梁德海)

[National Key Basic Research Program of China (973), No.2015CB453301; Coastal Ecosystem Simulation Experiment in Shandong Peninsula, No. 270006-FZLX-2015-00-1; Key Deployment Project of Chinese Academy of Sciences, No.KZZD-EW-14]

Dec., 26, 2016

S953.1

A

1000-3096(2017)05-0127-07

10.11759/hykx20161213002

2016-12-26;

2017-02-08

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)( 2015CB453301); 山東半島近岸海域生態(tài)模擬試驗(yàn)(270006-FZLX-2015-00-1); 中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-14)

李東(1985-), 男, 山東聊城人, 博士研究生, 研究方向?yàn)楹５茁晫W(xué)探測(cè), E-mail: dli@yic.ac.cn; 唐誠, 通信作者, 男, 副研究員, 電話: 0535-2109021, E-mail: ctang@yic.ac.cn; 張華, 通信作者, 男, 研究員, 電話: 0535-2109180, E-mail: hzhang@yic.ac.cn