海底攝像系統(tǒng)在中國大洋資源調(diào)查中的應(yīng)用*

張 旭

0 前言

隨著我國建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略的深入推進，我國海洋科考事業(yè)不斷發(fā)展，從近海邁向遠洋，從綠水進入深藍大洋。廣袤的大洋海底蘊藏著極為豐富的礦物資源，世界各主要國家例如：俄、美、德、法、日、英、韓等國紛紛投入巨資開展調(diào)查，展開了一場“藍色圈地”運動[1]。為在這場“藍色圈地”運動中爭取主動，我國積極開展了“中國大洋科考”工作，調(diào)查相關(guān)國際海底資源分布情況，為我國圈定優(yōu)質(zhì)礦區(qū)提供重要參考。海底攝像系統(tǒng)在我國大洋科考中的應(yīng)用越來越多，是調(diào)查海底資源分布邊界的一種重要海洋調(diào)查手段[2-3]。

1 海底攝像系統(tǒng)簡介

1.1 設(shè)備簡介

海底攝像系統(tǒng)作為一種海底可視化光學觀測設(shè)備，廣泛應(yīng)用于海洋資源、環(huán)境等調(diào)查領(lǐng)域。它是海洋科學家的“千里眼”，把人類的視野延伸到黑暗、幽冷的大洋深處，將深不見底的神秘海底世界直觀地展現(xiàn)在人們面前[4]。

以我國“海洋六號”科考船搭載的海底攝像系統(tǒng)為例，海底攝像系統(tǒng)從大的方面來講主要由甲板單元、水下拖體兩部分構(gòu)成（如圖1、圖2所示），中間使用光電復合鎧裝纜連接。甲板單元通過光電復合纜給水下拖體供電，這意味著水下拖體工作時間理論上不受電能限制，可長時間在水下工作，甲板和水下拖體通過光電復合纜里的光纖實時通訊，海底視像資料（海底視頻、照片）能實時傳輸?shù)郊装鍐卧?/p>

海底攝像系統(tǒng)的甲板單元由控制計算機、供電變壓器、甲板光端機組成。水下拖體由拖體框架、水密控制罐、水密變壓器罐、照明燈、攝像頭、照相機、高度計、水下定位信標等組成。其中照明燈、攝像頭、照相機為核心終端設(shè)備，提供視像資料，高度計顯示拖體離底高度，輔助光電復合纜絞車操作人員控制拖體離底高度，水下定位信標結(jié)合母船位置確定拖體在水下的實時位置。

圖1 “海洋六號”船海底攝像系統(tǒng)甲板單元

圖2 “海洋六號”船搭載的海底攝像系統(tǒng)拖體

1.2 “海洋六號”船海底攝像系統(tǒng)主要技術(shù)指標

（1）系統(tǒng)最大工作水深：6 000 m。

（2）系統(tǒng)工作時間：連續(xù)長時間工作，無工作時間限制。

（3）系統(tǒng)電源供應(yīng)：甲板電源供電，輸出電壓280～350VAC可調(diào)，額定輸出功率2 kW。

（4）系統(tǒng)電源與通訊接口：光電復合纜接口，所有信號通過光纖傳輸。

（5）視頻采集水下攝像頭（2路）：

ROS C600 Color Zoom Camera；

最小感光指數(shù)：1.4 Lux（彩色）；

拍攝幅面：1 920×1 080；

視頻輸出格式：HD-SDI高清視頻。

（6）水下照明燈（2盞）：L300 75W/24V/24VLED照明燈。

（7）圖像疊加信息：視頻采集時間（GMT時間）、拖體經(jīng)緯度、拖體水深以及離底高度。

（8）水下照相機參數(shù)：

型號：OE14-408；

圖像分辨度：可在640×480與2 592×1 944像素之間選擇；

感光度：ISO 50 100 200 400自動，可選0.02 Lux；

景物亮度：11 Lux；

幀視頻：PAL 625 Line/50Hz PAL。

（9）視頻記錄方式：甲板計算機硬盤記錄。

1.3 海底攝像系統(tǒng)作業(yè)方式

進行海底攝像作業(yè)時，海況需在4級以內(nèi)，母船航速不超過2節(jié)，根據(jù)多波束系統(tǒng)探測的海底地形及作業(yè)時船舶在無動力狀態(tài)下的漂移方向和速度確定攝像系統(tǒng)開始投放的位置，提前布設(shè)好測線，以保證拖體在海底的實際拍攝路徑通過或接近預(yù)定拍攝測站的位置。測線方向一般由山頂向山腳布設(shè)，避免過大的地形起伏和陡坎。

水下拖體入水以后即開啟攝像系統(tǒng)，通過視頻畫面監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，距離海底約200 m時打開高度計，絞車及系統(tǒng)操作人員根據(jù)監(jiān)控圖像和高度計數(shù)據(jù)對拖體進行高度控制，隨時調(diào)整拖體高度以保證拍攝質(zhì)量并避免拖體撞擊海底。

2 海底攝像系統(tǒng)在中國大洋科考中的應(yīng)用

我國“海洋六號”科考船是中國大洋科考的“新兵”，入列以來多次參加中國大洋科考任務(wù)，主要從事大洋多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼資源調(diào)查[5]。多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼是海洋中最重要的固體沉積礦產(chǎn)之一，蘊藏豐富的鐵、錳、銅、鈷、鎳等金屬元素[2]。其資源調(diào)查過程中作業(yè)手段通常圍繞著“面、線、點”三方面展開工作。對某海底區(qū)域進行資源調(diào)查，首先通過“多波速”大面積掃描獲取海底地形以及回波強度數(shù)據(jù)，再通過淺剖、海底攝像系統(tǒng)進行測線作業(yè)，分別獲取海底淺部地層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和海底視像資料，最后通過箱式、重力活塞、淺鉆等取樣設(shè)備定點取樣獲取海底實物樣品進行測試分析[6]。

海底攝像系統(tǒng)是一種測線調(diào)查作業(yè)設(shè)備，具有作業(yè)成本低、作業(yè)時間長、作業(yè)距離遠等優(yōu)點，可直觀觀察海底地形地貌，資源分布，對確定海底資源分布邊界，評估相關(guān)資源量有著重要作用。

2.1 海底攝像系統(tǒng)在多金屬結(jié)核資源調(diào)查中的應(yīng)用

目前，大洋多金屬結(jié)核資源調(diào)查評估工作中，通過多波速回波探測技術(shù)確定結(jié)核分布面積，再在相關(guān)區(qū)域布置海底攝像測線，通過海底攝像觀察海底結(jié)核分布情況，一方面驗證多波速回波強度與結(jié)核實際分布狀況的對應(yīng)關(guān)系，另一方面通過海底攝像系統(tǒng)獲取的視像資料通過后處理軟件得到相關(guān)位置的結(jié)核覆蓋率，結(jié)合箱式取樣器獲得的結(jié)核豐度（kg/m2）數(shù)據(jù)，就可以大致估算出相關(guān)區(qū)域的多金屬結(jié)核資源總量。

圖3為海底攝像系統(tǒng)在結(jié)核資源區(qū)獲取的視頻截圖，圖4為海底攝像系統(tǒng)獲取的照片資料。圖3中紅色斑點為激光標尺，視頻后處理軟件根據(jù)它來確定視頻觀測面積，進而可計算出結(jié)核覆蓋率以及不同尺寸結(jié)核的比例。由于結(jié)核區(qū)目標為密密麻麻的點狀結(jié)核，同時海底攝像系統(tǒng)的水下拖體是在海底以1.5節(jié)左右的速度移動，攝像頭不斷的處于快速變焦過程，并且拖體離底高度隨海底地形起伏以及船舶受涌浪影響而不斷的發(fā)生變化，導致海底照明亮度不斷變化，這會降低視頻截圖清晰度。照相機獲取的照片清晰度較高，但也存在偶爾曝光過度或者不足的問題。因而視頻和照片資料根據(jù)需要互補，也是常用的手段。

2.2 海底攝像在富鈷結(jié)殼資源區(qū)的應(yīng)用

圖3 海底攝像系統(tǒng)結(jié)核區(qū)視頻截圖

圖4 海底攝像系統(tǒng)結(jié)核區(qū)照片

富鈷結(jié)殼資源的調(diào)查手段跟多金屬結(jié)核資源調(diào)查類似，不過由于海山區(qū)富鈷結(jié)殼分布的復雜性，不少區(qū)域結(jié)殼上面覆蓋有沉積物，這在海底攝像系統(tǒng)視像資料上難以分辨，所以往往還需通過淺剖獲取海山區(qū)的淺底層結(jié)構(gòu)。通過海底攝像系統(tǒng)與淺剖的配合來研究發(fā)現(xiàn)富鈷結(jié)殼的分布規(guī)律。多金屬結(jié)核主要分布在地形起伏變化較小的海山盆底，而富鈷結(jié)殼主要分布在海山斜坡上，地形變化較大，海底攝像系統(tǒng)作業(yè)難度也相對較高。為了便于操作人員控制水下拖體離底高度保障設(shè)備安全，海山區(qū)的海底攝像測線通常由山頂向山腳下布置。

海山區(qū)攝像目標物富鈷結(jié)殼通常較大，因而攝像頭攝像畫面受拖體移動影響較小，水下拖體保持較高高度也能保證視像資料的清晰度。不過海山區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)地形起伏較大的陡坡或者孤立的巨石也給海底攝像作業(yè)帶來了挑戰(zhàn)，經(jīng)常出現(xiàn)水下拖體由于避閃不及時而發(fā)生碰撞的情況。由于富鈷結(jié)殼的分布狀況比多金屬結(jié)核更為復雜，規(guī)律性不強，要調(diào)查清楚結(jié)殼的分布情況就需要布置更為密集的海底攝像測線。

以下圖5至圖10為中國大洋科考DY41B航次“海洋六號”利用海底攝像系統(tǒng)在某海山獲取的海底照片資料，它們?nèi)∽砸粭l測線不同位置，該測線由海山頂向山腳布置，長度約8 km左右，由這些圖片可知，海山區(qū)富鈷結(jié)殼的分布變化是比較復雜的，結(jié)殼的形態(tài)變化也較大，既有成片的板狀結(jié)殼區(qū)域，也有礫狀結(jié)殼。這些視像資料結(jié)合多波速回波強度以及淺剖數(shù)據(jù)有助于分析富鈷結(jié)殼的分布規(guī)律，進而為評估富鈷結(jié)殼資源量提供重要參考[7]。

3 結(jié)論與展望

海底攝像系統(tǒng)在中國大洋資源調(diào)查中不可或缺，隨著多金屬結(jié)核資源以及海山富鈷結(jié)殼資源調(diào)查的深入，海底攝像系統(tǒng)的應(yīng)用會越來越多，起到的作用也會越來越大，與此同時，對海底攝像系統(tǒng)的要求也會更高。目前，新的海底攝像系統(tǒng)已經(jīng)提上日程，新的系統(tǒng)將會將后處理軟件跟系統(tǒng)控制軟件結(jié)合起來，能夠?qū)⒁曨l資料實時分析處理，得到整條海底攝像測線上多金屬結(jié)核覆蓋率、豐度變化曲線，并能夠自動定時或定距離截圖，極大地減輕后處理人員工作量，提高大洋資源調(diào)查效率。相信新的海底攝像系統(tǒng)不久便能夠投入中國大洋資源調(diào)查任務(wù)中，發(fā)揮更大的作用。

圖5 海山山頂沉積物

圖6 結(jié)殼與沉積物局部邊界

圖7 板狀結(jié)殼

圖8 板狀結(jié)殼

圖9 礫狀結(jié)殼

圖10 板狀結(jié)殼附著生物

參考文獻：

［1］何高文，梁東紅，宋成兵，等.淺地層剖面測量和海底攝像聯(lián)合應(yīng)用確定平頂海山富鈷結(jié)殼分布界線［J］.地球科學，2005（04）：509-512.

［2］張振國，高蓮鳳，李昌存，等.多金屬結(jié)核/結(jié)殼中稀土元素的富集特征及其資源效應(yīng)［J］.中國稀土學報，2011，29（05）：630-636.

［3］陳良益.海底礦產(chǎn)資源調(diào)查用水下攝像系統(tǒng)的研究［C］.西部大開發(fā)科教先行與可持續(xù)發(fā)展——中國科協(xié)2000年學術(shù)年會文集，2000.

［4］曹菲.深海攝像如何窺探海底世界［N］.科技日報，2007-07-12（005）.

［5］ 左 朝 勝.深 海大 洋 觀山 記 ［N］.科 技日 報 ，2011-09-03（003）.

［6］周林立，胡光道.富鈷結(jié)殼資源量評估方法［J］.海洋地質(zhì)動態(tài)，2005（06）：29-31.

［7］楊克紅，章偉艷，胡光道，等.分形理論在富鈷結(jié)殼資源量評價方面的應(yīng)用研究［J］.地質(zhì)與勘探，2004（06）：61-64.