基于海洋聲光綜合探測技術(shù)的海洋牧場應(yīng)用研究探討

馬 龍，馬治忠，曾現(xiàn)敏，劉大川*

（1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266033；2.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，山東 青島 266033）

近年來，隨著國家重點(diǎn)扶持“藍(lán)色港灣”、“生態(tài)島礁”工程，海洋牧場建設(shè)也得到了迅猛發(fā)展。農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《全國海洋牧場建設(shè)規(guī)劃（2016—2025年）》。2017年，“中央一號(hào)文件”聚焦海洋牧場建設(shè)，明確要求“發(fā)展現(xiàn)代化海洋牧場”，“加強(qiáng)海洋牧場科技開發(fā)”。同年，農(nóng)業(yè)部印發(fā)了《國家級(jí)海洋牧場示范區(qū)建設(shè)規(guī)劃（2017—2025年）》的通知，旨在推動(dòng)全國海洋牧場建設(shè)和管理的科學(xué)化、規(guī)范化、現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化和信息化，構(gòu)建全國海洋牧場監(jiān)測網(wǎng)。山東省積極響應(yīng)中央的號(hào)召，發(fā)布了《山東省海洋牧場建設(shè)規(guī)劃（2017—2020年）》，合理確定海洋牧場的類型，優(yōu)化牧場產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，打造“一體、兩帶、三區(qū)、四園、多點(diǎn)”的發(fā)展空間布局。為了進(jìn)一步發(fā)揮山東省在全國海洋牧場建設(shè)中的試點(diǎn)示范作用，2018年，山東省政府又出臺(tái)了《山東省現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè)綜合試點(diǎn)方案》。由此可見，海洋牧場的建設(shè)正在經(jīng)歷從之前粗獷式、低水平、單一性到系統(tǒng)性、科學(xué)性、規(guī)范性的轉(zhuǎn)變。

海洋牧場建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在前期建設(shè)的同時(shí)要考慮到后期如何進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以對(duì)最終的效益或產(chǎn)出比進(jìn)行科學(xué)有效評(píng)估。因此，在某種程度上，對(duì)海洋牧場的調(diào)查應(yīng)該涵蓋全學(xué)科調(diào)查要素，包括水文氣象、海水化學(xué)、海洋生物、海底綜合特征、漁業(yè)資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等。本文結(jié)合海洋牧場的內(nèi)涵及各類型特點(diǎn)，重點(diǎn)從流場探測、水深地形探測、海底地貌探測、海底淺地層結(jié)構(gòu)探測、漁業(yè)資源探測、水下機(jī)器人探測等6個(gè)方面對(duì)海洋聲光綜合探測技術(shù)在海洋牧場領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述。結(jié)合海洋牧場建設(shè)不同階段重點(diǎn)關(guān)注的問題，探討了海洋聲光綜合探測技術(shù)的應(yīng)用。最后提出了一些建設(shè)性意見，以期為科學(xué)有效地利用海洋聲光綜合探測技術(shù)為海洋牧場合理建設(shè)和科學(xué)監(jiān)管提供技術(shù)支持。

1 海洋牧場的內(nèi)涵和類型

海洋牧場的理念起源于20世紀(jì)60年代末的美國和日本，隨著對(duì)海洋開發(fā)管理認(rèn)識(shí)的逐漸深入，提出了現(xiàn)代化海洋牧場的概念。楊紅生[1]從海洋牧場的6大核心工作（績效評(píng)估、動(dòng)物行為管理、繁育馴化、生境修復(fù)、餌料增殖和系統(tǒng)管理）的角度將其定義為：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?！逗Ｑ竽翀龇诸悺罚⊿C/T 9111—2017）中對(duì)海洋牧場的內(nèi)涵也做了明確界定：“基于海洋生態(tài)系統(tǒng)原理，在特定海域，通過人工魚礁、增殖放流等措施，構(gòu)建或修復(fù)海洋生物繁殖、生長、索餌或避敵所需的場所，增殖養(yǎng)護(hù)漁業(yè)資源，改善海域生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)漁業(yè)資源可持續(xù)利用的漁業(yè)模式”。本文認(rèn)為，從宏觀上講，海洋牧場實(shí)質(zhì)上就是通過科學(xué)的人為干預(yù)改造海洋漁業(yè)環(huán)境，最終實(shí)現(xiàn)海洋漁業(yè)資源高值產(chǎn)出的目的。具體而言，即是綜合利用海洋資源的增養(yǎng)殖手段（增殖放流、人工魚礁等）對(duì)特定海域的漁業(yè)資源進(jìn)行科學(xué)培育和高效管理，營造健康良好的漁業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，注重生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的有效結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代海洋農(nóng)牧化的過程。

海洋牧場的類型較多，每種類型又具有不同的特點(diǎn)?！逗Ｑ竽翀龇诸悺罚⊿C/T 9111—2017）中將海洋牧場分為3大類，分別是養(yǎng)護(hù)型、增值型和休閑型海洋牧場，每一大類又進(jìn)一步細(xì)分為12小類?！渡綎|省海洋牧場建設(shè)規(guī)劃（2017—2020年）》中結(jié)合山東省沿海的特點(diǎn)和規(guī)劃將其沿海的海洋牧場分為5種，分別是游釣型、投礁型、底播型、裝備型和田園型海洋牧場?？偟膩碚f，我國的海洋牧場基本形成了以下4種主要形式：一是生態(tài)修復(fù)型海洋牧場，以大型海藻場營建、人工魚礁投放和海洋生物增殖放流為手段，以漁業(yè)資源養(yǎng)護(hù)、海域生態(tài)環(huán)境修復(fù)為目的；二是增養(yǎng)殖型海洋牧場，以增殖漁業(yè)或海珍品的種苗繁育和養(yǎng)殖為主要目的，如利用深水網(wǎng)箱和大型養(yǎng)殖工船等現(xiàn)代漁業(yè)養(yǎng)殖裝備；三是休閑觀光型海洋牧場，以休閑垂釣和旅游觀光為主要目的，是海洋牧場功能的最新拓展；四是綜合型海洋牧場，兼具上述多項(xiàng)功能。由此可見，不同類型的海洋牧場具有不同的特征，在建設(shè)模式和監(jiān)測方式上都會(huì)有所不同。

2 基于海洋聲光探測的海洋牧場調(diào)查要素

針對(duì)海洋牧場的調(diào)查是全方面和系統(tǒng)性的。一部分調(diào)查要素需要在現(xiàn)場采樣時(shí)進(jìn)行預(yù)處理，因此依賴于傳統(tǒng)的調(diào)查分析手段，比如水體中重金屬元素（汞、銅、鋅、鉛、鎘、鉻、砷）的采樣檢測以及浮游生物、游泳動(dòng)物、底棲生物拖網(wǎng)取樣鑒定等。但是，另一部分調(diào)查要素必須借助海洋聲光綜合手段進(jìn)行獲取，而這些調(diào)查要素對(duì)于海洋牧場的建設(shè)及后評(píng)估而言都至關(guān)重要，如流場特征、海底地形地貌特征、海底淺層結(jié)構(gòu)特征、底質(zhì)類型特點(diǎn)及分布、漁業(yè)資源分布特征及資源量等。本文將重點(diǎn)結(jié)合上述調(diào)查因素進(jìn)行闡述。

3 海洋牧場聲光綜合探測技術(shù)

結(jié)合海洋聲光綜合探測技術(shù)在海洋牧場應(yīng)用的可行性和實(shí)用性，下面主要從6個(gè)方面進(jìn)行闡述，包括流場探測技術(shù)、水深地形探測技術(shù)、海底地貌探測技術(shù)、海底淺地層結(jié)構(gòu)探測技術(shù)、漁業(yè)資源探測技術(shù)和水下機(jī)器人探測技術(shù)。

3.1 流場探測技術(shù)

海洋流場探測一直是各類海洋工程實(shí)施前后關(guān)注的重點(diǎn)，在海洋牧場建設(shè)過程中同樣也需了解相應(yīng)海域的水動(dòng)力環(huán)境特征，包括潮汐特點(diǎn)、海流流速流向變化特征等。只有掌握了海水流動(dòng)的變化規(guī)律及泥沙沖淤特征，才能對(duì)海洋牧場的規(guī)劃設(shè)計(jì)和后期建設(shè)有的放矢。

在礁石投放后，受礁體大小及構(gòu)造不同以及自身重力的影響，會(huì)引起局部流場特征發(fā)生一定改變[2]，流場重新變化分布并形成新的流場特征，從而使得礁石附近的海底微地形發(fā)生變化，局部區(qū)域會(huì)形成上升流。劉彥[3]利用水槽試驗(yàn)證明了單體魚礁的高度和迎流面積越大，所產(chǎn)生的上升流和背渦流強(qiáng)度和規(guī)模也越強(qiáng)，而組合魚礁流場分布則與魚礁的排列方式和間距有關(guān)。

目前，利用聲學(xué)手段對(duì)流場進(jìn)行探測的設(shè)備主要為聲學(xué)多普勒海流剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）。ADCP是利用多普勒頻移原理，通過向水中發(fā)射固定頻率的聲波短脈沖，這些聲脈沖碰到水中的散射體（浮游生物、泥沙、顆粒物等）發(fā)生散射，然后換能器接收回波信號(hào)，經(jīng)過處理從而得到不同水層水體的流速流向剖面分布特征。ADCP是目前應(yīng)用最為廣泛的海流觀測設(shè)備。在觀測方式上主要分為走航觀測和定點(diǎn)錨系觀測。我國近海海洋牧場的水深基本在100 m以內(nèi)，而ADCP具有不同的耐壓級(jí)別，可滿足相應(yīng)的探測需求。此外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)指定海域的長期立體實(shí)時(shí)觀測，還可以借助浮標(biāo)、潛標(biāo)、海床基等觀測平臺(tái)，將ADCP搭載在觀測平臺(tái)上進(jìn)行海流剖面觀測，即使在惡劣環(huán)境下其他觀測手段無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，上述觀測平臺(tái)仍能有效獲取數(shù)據(jù)。根據(jù)海洋牧場海域底質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)選擇適宜的海流觀測平臺(tái)，并進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)。觀測數(shù)據(jù)可以通過衛(wèi)星、GPRS網(wǎng)絡(luò)或無線電通訊等方式進(jìn)行傳輸，經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理形成相應(yīng)產(chǎn)品，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋牧場海域的流場長期實(shí)時(shí)觀測的目的。

3.2 水深地形探測技術(shù)

開展海洋牧場水深地形測量，了解指定海域的水深地形變化特征，對(duì)海洋牧場建設(shè)具有重要意義。

現(xiàn)代水深地形探測主要依賴于聲學(xué)手段，其中包括單波束測量和多波束測量。單波束測量比較簡單，主要借助單波束測深儀進(jìn)行。而多波束測量則主要借助于多波束測深系統(tǒng)，其利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射一定頻率的沿測船航向開角窄、沿垂直航向開角寬的波束，通過發(fā)射和接收扇區(qū)指向的正交性形成海底地形的照射腳印。與單波束探測不同，其一次探測就能形成成百上千個(gè)波束腳印，利用每個(gè)窄波束的波束入射角與旅行時(shí)間可計(jì)算出測點(diǎn)的位置和水深，從而能夠精確、快速地測出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)物的大小、形狀和高低變化，最終描繪出更為精細(xì)的三維海底地形特征。沈蔚等[4]利用C3D測深側(cè)掃聲吶在魚礁區(qū)獲取了不同時(shí)期的水深地形數(shù)據(jù)，并基于三維水下地形數(shù)據(jù)提供了準(zhǔn)確的等深線、坡度、坡向、有效規(guī)劃區(qū)面積等信息，為魚礁區(qū)的規(guī)劃設(shè)計(jì)及后期評(píng)估提供了重要的參考依據(jù)。李東等[5]利用R2SONIC 2024多波束測深系統(tǒng)，獲取了山東近海某海洋牧場詳細(xì)的測深數(shù)據(jù)以及魚礁位置、形態(tài)等信息，并定量分析了投石后引起的魚礁區(qū)海底微地形的變化特征。

隨著多波束探測技術(shù)的發(fā)展，多波束水柱影像（Water Colume Image，WCI）的研究逐漸成為熱點(diǎn)。利用多波束水柱影像可以獲得波束從換能器到海底的完整信息，可用于探測從海面至海底的聲照射目標(biāo)，如魚類[6]（圖1）、氣泡羽狀流[7]、漂浮物及海底凸起物[8]等。因此，對(duì)于海洋牧場探測而言，利用多波束探測系統(tǒng)能夠獲得更為豐富的環(huán)境信息。

圖1 利用多波束水體探測模塊探測到的魚群[8]

無論是單波束探測還是多波束探測都采用船載走航探測方式，隨著無人探測平臺(tái)的發(fā)展，還可以將多波束換能器裝配到無人船（Unmanned Surface Vehicle，USV）、水下遙控機(jī)器人（Remote Operated Vehicle，ROV）和自主潛航器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）上進(jìn)行探測作業(yè)。不僅可以提高工作效率，還可以實(shí)現(xiàn)近底自動(dòng)精細(xì)化探測，獲取海洋牧場局部區(qū)域的微地形變化特征。

3.3 海底地貌探測技術(shù)

海底地貌類型、微地貌特征以及海底地物信息（形狀、大小、高度、位置等）對(duì)于海洋牧場建設(shè)而言也至關(guān)重要，尤其在人工魚礁場的建設(shè)方面。通過海底地貌探測技術(shù)可以有效探測出海底地貌特征以及影響海洋牧場建設(shè)的海底目標(biāo)物分布情況，為人工魚礁的綜合布局和現(xiàn)場投放提供重要的參考依據(jù)。

對(duì)于海底地貌探測而言，目前主要利用側(cè)掃聲吶（Side Scan Sonar，SSS）進(jìn)行大范圍快速掃測，輔助利用（二維、三維）成像聲吶和水下三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行局部區(qū)域海底地貌及水下目標(biāo)物的精細(xì)化探測。

側(cè)掃聲吶是利用超聲波陣列向海底發(fā)射具有指向性寬垂直波束角、窄水平波束角的超聲波，經(jīng)接收陣列接收海底的反射和散射波并處理成影像。沈蔚等[4]利用C3D測深側(cè)掃聲吶在魚礁設(shè)計(jì)階段獲取了高分辨率海底地貌圖，并進(jìn)行了底質(zhì)分類，在魚礁竣工后的監(jiān)測階段，利用不同時(shí)期的水下圖像進(jìn)行對(duì)比，獲取了人工魚礁的水下狀態(tài)（圖2），以判斷魚礁區(qū)的海底地貌變化及魚礁穩(wěn)定性等情況。鄧顯明等[9]對(duì)南麂列島人工魚礁進(jìn)行了探測，并獲得了4個(gè)魚礁的出露高度。

圖2 不同類型人工魚礁投放后竣工驗(yàn)收圖[4]

近些年來，合成孔徑聲吶（Synthetic aperture sonar，SAS）作為一種新型高分辨率水下成像聲吶逐漸成為研究熱點(diǎn)，其工作原理與側(cè)掃聲吶完全不同，但是因其具有橫向空間分辨率高、分辨率與聲吶的工作頻率和作業(yè)距離無關(guān)、工作效率較側(cè)掃聲吶高、能夠?qū)ρ诼衲繕?biāo)物進(jìn)行探測等特點(diǎn)，近些年來已經(jīng)成為研究應(yīng)用的熱點(diǎn)。牟健等[10]通過將法國SHADOWS合成孔徑聲吶與EdgeTech4200側(cè)掃聲吶以及搭載高分辨率側(cè)掃聲吶和淺地層剖面儀的SIS-3000深拖系統(tǒng)進(jìn)行海上試驗(yàn)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，SAS無論在圖像分辨率還是在對(duì)水下目標(biāo)物的定位精度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的側(cè)掃聲吶。但是由于一般的合成孔徑聲吶設(shè)備體積均較側(cè)掃聲吶大，在外業(yè)使用過程中不如側(cè)掃聲吶方便、靈活，因此，目前還未見利用SAS探測海底人工魚礁場的報(bào)道。隨著SAS小型化、多頻段和多平臺(tái)集成發(fā)展[11]，未來其在海洋牧場探測領(lǐng)域?qū)⒂懈鼮閺V闊的應(yīng)用前景。

（二維、三維）成像聲吶是通過換能器向海水中發(fā)射一定波束角的聲脈沖信號(hào)，再接收回波信號(hào)，最終獲得在垂直、水平、距離三個(gè)方向上的分辨率，形成相應(yīng)的二維序列圖像或再經(jīng)計(jì)算機(jī)合成獲得三維圖像。張進(jìn)等[12]利用DIDSON雙頻聲學(xué)成像聲吶獲取了浙江某海域人工魚礁的水下狀態(tài)信息（圖3），對(duì)側(cè)掃聲吶發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行了精確成像。郭棟等[13]利用Aris-1800型雙頻識(shí)別聲吶對(duì)東港大鹿島附近海域的M型人工魚礁和魚群進(jìn)行了有效的聲學(xué)觀測，獲取了清晰的水下礁體狀態(tài)信息。

圖3 DIDSON雙頻成像聲吶獲取的人工魚礁影像[12]

水下三維激光掃描系統(tǒng)是以三角測量技術(shù)計(jì)算距離的，通過測量激光反射回光學(xué)傳感器的角度來計(jì)算到目標(biāo)表面的距離，從而獲得水下目標(biāo)物大量的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。張磊等[14]利用激光差頻掃描三維圖像信息獲取技術(shù)進(jìn)行了空氣試驗(yàn)和水池試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)在水下作業(yè)過程中的實(shí)際效果。陳毅等[15]基于三角法的激光平面掃描技術(shù)，通過控制水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，用平面激光對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行掃描，得到了較為詳實(shí)的三維信息。成像聲吶技術(shù)與水下三維激光技術(shù)這兩者原理不同，但是通過這兩種手段均可以獲得局部區(qū)域高分辨率的海底地貌三維影像以及水下目標(biāo)物的三維信息，尤其在海洋牧場探測過程中，能在一定程度上提高對(duì)海洋牧場水下環(huán)境的感知響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工魚礁區(qū)、礁石區(qū)等局部區(qū)域的精細(xì)化探測。

傳統(tǒng)的側(cè)掃聲吶和合成孔徑聲吶主要采用走航拖曳式測量方式，現(xiàn)在逐步發(fā)展成舷側(cè)便攜安裝探測的方式，但是該種探測方式對(duì)海況要求比較高，橫搖較大將會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，因此具有一定局限性。而（二維、三維）成像聲吶和水下三維激光掃描系統(tǒng)多采用定點(diǎn)探測的方式，也可以搭載在ROV、AUV上進(jìn)行近距離動(dòng)態(tài)探測，通過局部區(qū)域精細(xì)化探測與大范圍掃測形成有效互補(bǔ)。

3.4 淺地層結(jié)構(gòu)探測技術(shù)

淺地層剖面儀用來探測獲取海底淺部地層的結(jié)構(gòu)信息以及埋藏于海底淺層的海底目標(biāo)物等，這些信息對(duì)海洋牧場的建設(shè)而言同樣至關(guān)重要。海洋牧場海域?qū)儆谀姆N底質(zhì)類型、海底淺地層結(jié)構(gòu)如何、地層承載力如何、是否有不穩(wěn)定的地層要素、是否埋藏有海底不明目標(biāo)物等，都關(guān)系著建設(shè)投礁型海洋牧場和裝備型海洋牧場能否有效實(shí)施。

淺地層結(jié)構(gòu)探測技術(shù)是一種基于聲學(xué)原理對(duì)海底淺地層進(jìn)行精細(xì)探測的方法，目前都采用發(fā)射與接收合一的換能器陣，通過發(fā)射固定頻率的連續(xù)波或者寬頻帶線性調(diào)頻波或者通過聲學(xué)頻差的原理進(jìn)行水深測量和高分辨率淺部地層的高精細(xì)探測，形成地層剖面特征圖譜（圖4）。付作民等[16]通過淺地層剖面與參量陣（SES-96型）對(duì)寬約6 km的某海域近海岸的低潮坪淺灘高潮期進(jìn)行了測量施工，通過對(duì)比分析鉆孔資料，有效進(jìn)行了剖面解釋。劉崇煥等[17]結(jié)合地質(zhì)條件對(duì)人工魚礁區(qū)的影響，提出了一種適用于淺海地區(qū)海洋牧場人工魚礁區(qū)的地質(zhì)調(diào)查方法。

圖4 近海海域典型淺地層剖面圖像

淺地層剖面探測可以將換能器固定安裝在船底進(jìn)行走航式探測，也可以利用拖體進(jìn)行拖曳式探測。為了進(jìn)一步提高對(duì)地層的穿透深度與分辨率，將多波束技術(shù)與淺地層探測技術(shù)進(jìn)行融合，不僅可以提高工作效率，還可以獲得較大范圍的海底沉積物信息，形成三維影像以便更直觀地進(jìn)行展示。

3.5 漁業(yè)資源探測技術(shù)

漁業(yè)資源是衡量海洋牧場增殖效應(yīng)的一個(gè)關(guān)鍵因素，準(zhǔn)確、有效地評(píng)估漁業(yè)資源對(duì)掌握海洋牧場的增殖效果及漁業(yè)管理都具有重要意義。漁業(yè)資源的調(diào)查主要依賴于傳統(tǒng)拖網(wǎng)采樣分析的方式，近些年來聲學(xué)調(diào)查逐漸成為漁業(yè)資源調(diào)查的一個(gè)重要手段，因?yàn)樗哂锌焖?、?zhǔn)確、高效的特點(diǎn)，同時(shí)又不會(huì)對(duì)漁業(yè)資源產(chǎn)生破壞。

利用聲學(xué)方法調(diào)查漁業(yè)資源主要利用魚探儀進(jìn)行，重點(diǎn)需要探測漁業(yè)資源的分布情況、種群密度、資源量等信息。有研究表明，魚鰾是較為理想的聲學(xué)反射體，從而成為了魚類反射聲波的主要器官[18]。聲波照射到魚身上產(chǎn)生反射，部分反射回聲信號(hào)被魚探儀的換能器接收后從而形成魚類的聲學(xué)影像（圖5）。

魚類的聲學(xué)探測最終是要實(shí)現(xiàn)對(duì)魚類種群密度及資源量的評(píng)估，而資源量的評(píng)估有兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)需要明確，分別是目標(biāo)強(qiáng)度和回聲積分值[19]。對(duì)某一特定的魚種而言，當(dāng)其積分值和平均聲學(xué)截面（或目標(biāo)強(qiáng)度）已知時(shí)，即可計(jì)算其面積密度，進(jìn)而對(duì)整個(gè)調(diào)查海域的魚類資源種群密度和資源量進(jìn)行綜合評(píng)估[20]。近些年來，國內(nèi)科研學(xué)者相繼開展了一些調(diào)查研究，如利用Simrad EY60便攜式科學(xué)魚探儀分別對(duì)大亞灣人工礁區(qū)[21]、獐子島海洋牧場深水魚礁區(qū)[22]、柘林灣—南澳島海洋牧場[23-24]、海南陵水灣口等海域[25]的漁業(yè)資源進(jìn)行了聲學(xué)探查與評(píng)估。張俊等[26-27]基于南沙海域漁業(yè)資源聲學(xué)和底拖網(wǎng)調(diào)查資料，評(píng)估了南海中南部及南部陸架區(qū)魚類資源量的時(shí)空分布特征。

圖5 科學(xué)魚探儀探測的典型的魚類聲學(xué)影像

目前，多采用將魚探儀換能器固定船底安裝或舷側(cè)便攜式安裝的方式進(jìn)行漁業(yè)資源探測。此外，為了進(jìn)一步提高探測手段的靈活機(jī)動(dòng)性，還可以將魚探儀搭載在ROV、AUV、USV等水下移動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行局部區(qū)域的可移動(dòng)式探測，或搭載在海底觀測網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行定點(diǎn)長時(shí)間探測。

3.6 水下機(jī)器人探測技術(shù)

水下機(jī)器人作為一種可移動(dòng)式探測平臺(tái)，可以搭載多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、（二維或三維）成像聲吶、水下三維激光系統(tǒng)、光學(xué)攝像照相系統(tǒng)等進(jìn)行局部區(qū)域的精細(xì)化探測，利用圖像識(shí)別與信息處理技術(shù)為海洋牧場探測提供水深地形、海底地貌、淺地層結(jié)構(gòu)以及近底水下目標(biāo)物（魚類、人工魚礁等）的基礎(chǔ)信息。水下機(jī)器人的分類很多，結(jié)合在海洋牧場領(lǐng)域應(yīng)用的適用性，本文僅從ROV和AUV兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。

ROV是一種以母船為載體，通過臍帶纜將ROV本體與絞車連接進(jìn)行供電控制和數(shù)據(jù)傳輸，并可以長時(shí)間進(jìn)行海洋調(diào)查與探測作業(yè)的調(diào)查設(shè)備，其適用于局部區(qū)域及近底的精細(xì)化探測，主要分為觀察型和作業(yè)型ROV兩種。對(duì)于海洋牧場探測而言，一般淺海觀察型水下機(jī)器人即能滿足應(yīng)用要求。而AUV則不需要受絞車和臍帶纜的控制，通過導(dǎo)航控制技術(shù)可以進(jìn)行大范圍、近底的精細(xì)化探測，自主完成既定的調(diào)查作業(yè)。隨著空、天、海立體觀測技術(shù)的發(fā)展，水下機(jī)器人探測技術(shù)已逐漸成為一種重要的探測手段[28]。賴云波[29]針對(duì)現(xiàn)代海洋牧場網(wǎng)箱養(yǎng)殖的特點(diǎn)，初步設(shè)計(jì)了一款面向網(wǎng)箱養(yǎng)殖的多功能小型水下機(jī)器人。彭偉鋒[30]等根據(jù)海洋牧場的復(fù)雜環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)水下機(jī)器人的推進(jìn)、轉(zhuǎn)艏和沉浮三大系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使其能夠適應(yīng)環(huán)境復(fù)雜、空間狹小的海洋牧場環(huán)境。

4 海洋聲光綜合探測技術(shù)在海洋牧場建設(shè)不同階段的應(yīng)用

4.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段

無論是哪種類型的海洋牧場，在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，最重要的都是要先了解清楚其本底環(huán)境特征，具體包括：流場特征、地形地貌特征、底質(zhì)類型及分布特征、海底淺地層結(jié)構(gòu)特征、地層承載力特征、漁業(yè)資源現(xiàn)狀（種類、資源量及分布特征）等。海水水質(zhì)、氣象特征、海洋災(zāi)害特征等也需要了解，但是本文在此暫不做討論。此外，上述信息不僅對(duì)建設(shè)海洋牧場至關(guān)重要，也是評(píng)估海洋牧場增殖效果的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

首先，利用ADCP定點(diǎn)觀測獲取長時(shí)間序列的流場變化特征，并結(jié)合探測結(jié)果與擬進(jìn)行的人工魚礁建設(shè)等生態(tài)工程，開展人工魚礁布局與流場變化關(guān)系的數(shù)值模擬研究，尤其針對(duì)上升流的營造方法。其次，利用多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀和科學(xué)魚探儀進(jìn)行走航探測，分別獲取海洋牧場海域原始的水深地形變化特征、海底地貌特征、淺地層結(jié)構(gòu)特征及漁業(yè)資源情況。再結(jié)合沉積物取樣、鉆孔等對(duì)底質(zhì)類型及地層承載力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。綜合分析上述信息，可以對(duì)海洋牧場的建設(shè)規(guī)模、規(guī)劃布局、人工魚礁區(qū)選址、人工魚礁類型及設(shè)計(jì)等進(jìn)行科學(xué)的論證，解決在什么地方建設(shè)海洋牧場、建設(shè)什么類型的海洋牧場、建設(shè)多大規(guī)模的海洋牧場等問題。

4.2 施工階段

針對(duì)施工方面主要涉及投礁型海洋牧場，另外海草床、海藻場構(gòu)建和大型綜合海洋平臺(tái)建設(shè)也會(huì)有所涉及。在此階段要對(duì)施工進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，重點(diǎn)關(guān)注由于人工魚礁場建設(shè)所引起的海洋牧場海域海洋環(huán)境特征發(fā)生了哪些變化，如流場特征變化，尤其是魚礁附近的局部流場特征；海底地形地貌特征變化，如海草床、海藻場的面積分布，人工魚礁和海上綜合平臺(tái)樁基附近微地形地貌特征等；人工魚礁的投放施工效果、分布是否按規(guī)劃設(shè)計(jì)及其水下狀態(tài)等。

首先，在利用ADCP定點(diǎn)觀測獲取海洋牧場海域流場信息的同時(shí)，結(jié)合人工魚礁區(qū)的分布及面積大小，在該區(qū)域布設(shè)若干ADCP觀測站位進(jìn)行輔助加密觀測，以獲取局部區(qū)域流場信息。其次，利用多波束測深系統(tǒng)和側(cè)掃聲吶走航探測分別獲取投礁后的海底地形地貌變化特征、人工魚礁的分布和水下狀態(tài)以及海草床、海藻場的面積分布。針對(duì)人工魚礁和海上綜合平臺(tái)樁基附近微地形地貌特征可以借助ROV搭載（二維、三維）成像聲吶或水下三維激光掃描系統(tǒng)以及光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行局部區(qū)域精細(xì)化聲光綜合探測，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息。綜合分析上述信息，可以對(duì)施工時(shí)是否按照海洋牧場規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)施、建設(shè)效果理不理想進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。

4.3 海洋牧場建成后評(píng)估階段

在竣工后，最主要的工作就是評(píng)價(jià)海洋牧場的建設(shè)成效，定量評(píng)估是否達(dá)到了良好的漁業(yè)資源增殖效果以及是否產(chǎn)生了良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前，這項(xiàng)工作在海洋牧場監(jiān)管領(lǐng)域幾乎是缺失的。

針對(duì)海洋牧場的建設(shè)成效及生態(tài)效應(yīng)評(píng)估，對(duì)于現(xiàn)代海洋牧場而言，不能單純看漁業(yè)資源量增殖了多少、經(jīng)濟(jì)效益增加了多少，而是要從生態(tài)和經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的角度綜合考慮，把握其資源環(huán)境承載力和海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化。換句話說，就是在一定時(shí)空范圍內(nèi)，在可持續(xù)發(fā)展的條件下，摸清海洋牧場所能為人類提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值以及所在海域資源環(huán)境系統(tǒng)所能承載的人類各種社會(huì)活動(dòng)的能力。因此，后評(píng)估階段需要生態(tài)理念的指引和科學(xué)方法的支撐。

無論采取哪種評(píng)估方法，除了常規(guī)的生化要素，流場特征、水深地形數(shù)據(jù)、海底地貌特征、底質(zhì)類型及分布、人工魚礁的狀態(tài)及分布、漁業(yè)資源種類及資源量等要素信息也都是必不可少的。與施工階段不同的是，在此階段更注重動(dòng)態(tài)監(jiān)測，重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面：（1）施工結(jié)束后人工魚礁的狀態(tài)（是否有塌陷、傾覆等）以及由此引起的微地形地貌變化、局部流場變化等；（2）漁業(yè)資源增殖的動(dòng)態(tài)變化情況；（3）海草床、海藻場發(fā)育等生態(tài)修復(fù)效果。因此，在進(jìn)行聲光綜合探測時(shí)，除了在施工階段采取的方式以外，還要利用魚探儀對(duì)海洋牧場建成后的漁業(yè)資源定期進(jìn)行探測，獲取漁業(yè)資源的種類、分布及資源量，與本底調(diào)查進(jìn)行對(duì)比，以便對(duì)其增值效果進(jìn)行定量評(píng)估。此外，還可以借助無人船手段，搭載ADCP、多波束及淺剖實(shí)現(xiàn)快速、高效的動(dòng)態(tài)探測；借助ROV實(shí)現(xiàn)海洋牧場生物多樣性、優(yōu)勢物種觀測及海洋牧場健康程度觀測。

5 結(jié)論與建議

目前，我國海洋牧場建設(shè)已經(jīng)具備了良好的政策支持環(huán)境，但是發(fā)展理念、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)還不統(tǒng)一，科技支撐力量及成果展示還相對(duì)薄弱。為此，本文建議如下：

（1）注重對(duì)海洋牧場成效的三維展示。目前，我國海洋牧場的成效主要通過漁業(yè)資源產(chǎn)值、旅游娛樂方式等進(jìn)行表現(xiàn)，而水下場景難以直接清晰的展現(xiàn)出來。這不僅是海洋牧場缺乏有效監(jiān)管的體現(xiàn)，而且親民的直接感觀直接缺失。山東省正在著力推動(dòng)海洋漁業(yè)從“獵捕型”向“農(nóng)牧型”的轉(zhuǎn)變，提出采用“互聯(lián)網(wǎng)+海洋牧場”的方式高起點(diǎn)建設(shè)海洋牧場，實(shí)現(xiàn)海洋牧場的可視、可測、可控[31]。如果想要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，不僅需要將調(diào)查數(shù)據(jù)數(shù)字化、圖表化，更需要引進(jìn)實(shí)時(shí)、多元、高效的探測手段對(duì)海洋牧場進(jìn)行自動(dòng)、長期、實(shí)時(shí)的立體式監(jiān)視監(jiān)測，將含有多源信息的水下場景直觀清晰地展現(xiàn)出來。

（2）現(xiàn)在我國正在進(jìn)行“智慧海洋”建設(shè)，所謂“智慧海洋”就是要用信息與物理相融合的手段去經(jīng)略海洋，用智慧和科學(xué)的方式去開發(fā)利用海洋資源[32]。對(duì)海洋的綜合感知是“智慧海洋”的核心基礎(chǔ)，海洋大數(shù)據(jù)是“智慧海洋”的靈魂[33]，而海洋探測技術(shù)是獲取海洋大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵手段。我國海洋牧場建設(shè)要參照“智慧海洋”的建設(shè)模式，將海洋環(huán)境信息綜合感知、漁業(yè)資源增養(yǎng)殖與生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益有效結(jié)合，形成相應(yīng)產(chǎn)品以服務(wù)大眾。此外，還要進(jìn)行海洋牧場大數(shù)據(jù)建設(shè)，并做好與“智慧海洋”的對(duì)口銜接。

（3）目前我國海洋牧場相繼出臺(tái)了一些規(guī)劃，并提出了國家級(jí)海洋牧場示范區(qū)的建設(shè)指導(dǎo)意見。沿海各省市要在國家海洋牧場總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上根據(jù)自身海域特點(diǎn)、海洋功能區(qū)劃做好本省海洋牧場的規(guī)劃設(shè)計(jì)與分類布局，注重海洋綜合探測技術(shù)的應(yīng)用，提升現(xiàn)代化海洋牧場的優(yōu)勢。此外，海洋牧場建設(shè)與管理、監(jiān)測與評(píng)價(jià)方面的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還未見報(bào)道，如海洋牧場選址評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)效果后評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等，這些也均需要進(jìn)一步加強(qiáng)完善。