海洋论坛▏一种基于声光组合技术的人工鱼礁探测方法

“海洋牧场”是指在一定海域范围内，采用先进渔业设施装备和科学管理体制，通过人工鱼礁投放、增殖放流、适度采捕、渔业资源调查评估等手段，监控和促进范围海域内渔业资源增殖和水域生态环境修复效果的渔业模式。其中，人工鱼礁投放是提高海洋生产力的重要手段，已被国内外实践经验证实。截至2023年，广东已有的15个国家级海洋牧场示范区，面积合计1250.45km²，占全国国家级海洋牧场示范区总数（169个）的8.87%。

2002年广东省人民政府发布《关于建设人工鱼礁保护海洋资源环境议案的实施办法》后，惠州市相关主管部门在2008年启动小星山海洋牧场人工鱼礁区建设，前后共建造投放612个鱼礁单体，凭借资源禀赋和区位优势，于2019年评为国家级海洋牧场示范区，具有一定代表性，可为其他海洋牧场人工鱼礁区的探测技术提供参考。但由于早期人工鱼礁区缺乏规范制度的指引和管理，部分礁区选址、建设规模、环境承载力等在建设前期未经充分论证，小星山海洋牧场人工鱼礁投放已长达15年，一直缺少精准定位记录，再加上小星山海域面积达4.34km²，平均水深高达15m以上，海域范围大且海底能见度低，人工鱼礁定位和探测难度极大，常规监测手段难以实施，导致长期缺乏对鱼礁单体实体的探测，无法获取鱼礁生物附着、空间位移情况的信息。

为对已投放的人工鱼礁进行有效监测、评估与管理，判断鱼礁投放后对所在海域环境和渔业资源保护增殖效果，为管理部门提供海域管控措施的决策提供科学依据，本研究以广东省惠州市国家级小星山海洋牧场人工鱼礁区为探测对象，以水下机器人为载体，采用声光组合技术，利用侧扫声呐系统对海域内鱼礁进行定位，再以多波束成像声呐系统探测人工鱼礁位移情况，并为水下机器人提供行驶方向导航。最后采用海底增强算法进行水下图像监测，拍摄海底人工鱼礁表面情况，评估表面生物附着和渔业资源聚集效果。

⒈实施工程区概况

实施工程区位于广东省惠州市大亚湾海域东南部小星山岛北部海域的人工鱼礁区，位于小星山和圣告岛附近海域，形成礁区总面积约合4.34km²，共投放礁体612个，组成3个鱼礁群，每个鱼礁群由204个鱼礁单体组成，其中GDS06#礁体86个，GDC008#礁体76个，GDL08#礁体42个。

⒉项目仪器设备

为解决在大范围海域内人工鱼礁的快速寻找和图像监测，人工鱼礁探测仪器选用英国Tritech公司生产的StarFish450F侧扫声呐，其探测频率450kHz、量程100m、测深50m、水平波速角1.7°；英国Blueprint Subsea公司生产的Oculus系列M750D多波束成像声纳，其探测频率750kHz/1.2MHz、量程120m、水平方向开角130°、垂直开角20°、最大波速数512；项目团队联合深圳潜行创新科技有限公司研制的SX200水下机器人，其最大潜水深度200m、最大移动半径400m、配套4K水下摄像头、视频分辨率4K30FPS、视频最大码流60M。探测仪器如图1所示。

图1 探测仪器

⒈项目整体方案

项目针对海洋牧场人工鱼礁采取侧扫声呐、多波速成像声呐和水下图像摄像的组合方式进行探测，探测流程如图2所示，主要包括采用侧扫声呐进行大范围海域内人工鱼礁寻找定位、通过多波束成像声呐给水下机器人提供海底人工鱼礁的精准导航并获取鱼礁单体的空间位移情况、利用水下机器人对鱼礁单体进行清晰拍摄，获取鱼礁表面图像。

图2 海底人工鱼礁探测流程图

⒉人工鱼礁侧扫声呐探测

根据侧扫声呐成像的基本原理，考虑人工鱼礁在实际投放过程中由于船只海上定位偏移和长期受海浪作用而发生位移的情况，适当将勘测海域适用沿海洋牧场人工鱼礁区边界外扩10m，以充分保证侧扫声呐探测范围能够完全覆盖目前鱼礁位置。本次人工鱼礁海域侧扫声呐勘测共布设25条，方向为西北-东南，测线间隔25m，设计测线长为1.28km。为减少由于海浪波动造成侧扫声呐晃动而导致成像盲区增大或偏移的情况，给侧扫声呐仪器配重20kg的平衡杆，安装在船只后方，以船只拖动方式进行侧扫作业，现场安装和作业见图3。

图3 侧扫声呐现场安装和作业图

由于小星山海洋牧场人工鱼礁区海床较平坦，海底礁石、沉船等障碍物较少，侧扫声呐成像可以更加清晰直观判断出人工鱼礁位置。从侧扫声呐探测图中可见，人工鱼礁以群体方式投放，呈现大范围无序状态，如图4所示。

图4 侧扫声呐对人工鱼礁的探测成像图

⒊人工鱼礁多波束成像声呐探测

多波束成像声呐原理是向探测海底区域发射多束声波，声波碰到海底障碍物后反射回穿，被换能器探头接收，根据各束声波在海底的旅行时间和回传后的声波振幅计算实际传播距离，再根据声呐发射开角和运动传感器姿态参数计算探测的障碍物位置。该探测方式具有数据量大、精度高的特点，但探测角度呈锥体状，探测范围窄，不适用于大范围海域面积的探测作业，因此需要配合侧扫声呐探测的人工鱼礁位置数据进行使用，进一步监测鱼礁单体的位移情况。利用水下机器人可在海底进行多自由度航行的特点，通过水下机器人搭载多波束成像声呐方式，使多波束成像声呐在海底任意方向探测，实现人工鱼礁位置的高效精准探测。

多波束成像声呐探测前需要进行参数校准，包括横摇偏差、纵摇偏差、艏摇偏差以及时延。横摇偏差的校准需在平坦区域海床内划定1条直线，以2～3节速度沿直线往返航线1次。纵摇偏差的校准需在具有暗礁等障碍物的特殊区域海床内划定1条直线，以2～3节速度沿直线往返航线1次。艏摇偏差的校准需在具有暗礁等障碍物的特殊区域海床内划定2条直线，直线距离应为该区域水深的4倍，以2～3节速度沿直线往返航线1次。时延的校准需在具有暗礁等障碍物的特殊区域海床内划定1条直线，分别以2节和4节速度沿直线往返航线1次。

完成多波束成像声呐的参数校准后，再进行人工鱼礁正式探测，图5为人工鱼礁群多波束声呐成像，图6为人工鱼礁单体多波束声呐成像。从图6可发现，声呐成像图可清晰观测鱼礁群和鱼礁个体的结构和摆放情况，鱼礁群摆放无明显规则，鱼礁单体存在沉陷、倾斜、重叠情况，部分鱼礁出现严重侵蚀问题。

图5 人工鱼礁群多波束声呐成像图

图6人工鱼礁单体多波束声呐成像图

⒋人工鱼礁海底增强图像探测

⑴适用于水下图像增强的红色通道算法开发。由于水体介质对光线衰减效果明显，再加上海底环境较为复杂，存在海浪波动、颗粒悬浮物等因素的影响，光线在水体中被吸收、散射，极易出现摄像头成像边缘模糊、清晰度低、可见距离小的问题，导致人工鱼礁难以在水下图像中捕获，因此需要开发水下图像增强算法来辅助清晰图像的获取。针对人工鱼礁上附着生物体积小、但颜色特征显著的特点，利用红色波长是衰减最快波长的特点，开发了一种水下图像增强的红色通道算法，在对比度拉伸处理之前增加了色彩均衡的方法，考虑红光、蓝光、绿光在水中的不同衰减速度，以波长贡献度加权方式进行图像颜色校正（见式1），以图像红通道像素值均值与蓝通道像素值均值的比做为增益，来补偿降质较多的红通道，从而改善色偏。其中以饱和度指标表征人工照明中白光强度Sat（I^→）（见式2），再优化照明区域内的白光影响，获取光波真实透射率t^~（x）（见式3），使水下图像恢复真实颜色。通过该水下图像算法，对海底图像进行增强，如图7所示，可发现图像蓝光、绿光得到有效弱化，人工照明造成的白光过曝也得到改善，图像颜色更加接近真实、成像更清晰。

式中，J^R（x）、J^G（x）、J^B（x）分别为期望复原得到的红绿蓝通道清晰图像；I^R（x）、I^G（x）、I^B（x）分别为拍摄所得水下待处理降质的红绿蓝通道图像；ρ^R、ρ^C、ρ^B分别为红光、蓝光、绿光的波长贡献度；A^R、A^C、A^B分为无穷远处环境红光、蓝光、绿光强度；Sat（I^→）为饱和度；t^~（x）为真实透射率；λ为标量乘数，可以手动调整，以适应实际人工光的数量。

图7 水下图像增强前后对比图

⑵人工鱼礁水下图像监测。利用海底图像增强技术，通过水下机器人对人工鱼礁单体表面进行观测，如图8所示。人工鱼礁单体表面上有珊瑚群落、海参、青口等生物附着，但整体附着面积不大，仍存在大面积的空白位置。另外，经济鱼类未能得到明显观测。推测这与当地捕捞船较多、鱼礁投放位置离旅游区域距离较近有直接关系，渔业资源的诱集、增殖速度不及海底捕捞速度。项目团队第一次进行水下探测时，曾发生渔网缠绕问题，当地海洋捕捞产业较发达，已对海洋渔业生产造成一定影响。

图8 人工鱼礁海底增强图像

⒌人工鱼礁群鱼群密度探测

利用声呐技术对远离人工鱼礁范围和人工鱼礁群周围进行鱼群密度探测，如图9所示。人工鱼礁群周围的鱼群密度大于远离鱼礁范围的鱼群密度，说明鱼礁的投放能为鱼类提供优越的生长、繁育和栖息空间，礁区确切发挥了鱼类资源增殖和诱集作用。

图9 人工鱼礁群鱼群密度探测

人工鱼礁的投放是应对环境污染、过度捕捞、养殖侵占等多种对海洋生态环境造成影响的手段，通过鱼礁为珊瑚、鱼类等海底生物提供天然躲避天敌、产卵繁殖和躲避风浪的良好栖息场所，可诱集经济鱼类形成天然渔场，对维持海洋生态和海洋物种平衡、增加海洋碳汇、改善海洋水质、减少海洋赤潮等方面具有重大意义，有效改善“海洋荒漠化”问题。

本文探索出的一种基于声光组合技术人工鱼礁探测方法，可高效监测鱼礁投放方位和表面生物附着情况，提供鱼礁维护的科学依据，后续可进一步优化鱼礁寻找方法，通过水下定位USBL技术，基于鱼礁定位信息开发水下机器人自动导航算法，实现人工鱼礁探测的自动化水平，提升监测效率。以小星山海洋牧场人工鱼礁区为例，鱼礁虽初见成效，诱集了一定程度的海底生物附着，但整体空白面积较大。同时，人工鱼礁群附近海域床体荒漠化现状明显，见图10，亟需采取保护措施改善。

图10 小星山海洋牧场人工鱼礁区海床荒漠化现状

从周期监测策略、过度捕捞、养殖侵占、增殖放流等方面对该人工鱼礁区提出以下4点建议：

⑴建立周期性人工鱼礁监测机制。针对人工鱼礁的环境信息和生物聚集状态进行实时、有效的监测，加大监测频率，建立周期性人工鱼礁监测机制，进行礁区生态环境的定期状况评估和预测，依据实际情况更合理、科学地管理海洋牧场人工鱼礁区，为后续开展礁区跟踪评估、优化建设和产业开发等工作提供系统性科技支撑。

⑵改善过度捕捞现状。目前礁区内存在捕捞船数量较多、出海作业频繁的问题，如图11所示，捕捞船只大多数属于10～20m的中大型船型，采取拖网作业，作业间距不足50m，对生态环境的可持续性造成一定破坏。从渔业资源可持续发展角度出发，建议压减近海捕捞船只数量，适当减少中大型渔船近海拖网和罩网作业频率，以“保量提质，规范发展”为目标，缩减近海捕捞作业，发展远洋捕捞，守住近海生态红线。

图11 小星山海洋牧场人工鱼礁区内捕捞船作业过程

⑶改善养殖侵占现状。目前礁区附近海域内存在围海网箱养殖情况，如图12所示，由于网箱养殖位置离礁区较近，且属于近海海域，无可避免会对礁区的海洋生态空间挤占。虽然围海网箱养殖是海洋开发利用、缓解土地资源紧缺的新科技潮流，但对于近海海域，尤其是湾区内水体交换无法与远海媲美，其对海洋生态环境的破坏日渐凸显。生态系统一旦被破坏，需要花费大量人力、财力去恢复，得不偿失。建议网箱养殖的规划建设应向远海发展，根据农业农村部、国家发展改革委等八部门联合印发的《关于加快推进深远海养殖发展的意见》，深远海网箱养殖应建设在低潮位水深不小于20m或离岸10km以上的海域中，充分利用深远海洋环流系统优势，能够持续交换水体、稀释养殖污染，能够天然形成一种自我净化和自我修复的养殖生态环境。

图12 小星山海洋牧场人工鱼礁区附近围海网箱养殖

⑷持续跟踪增殖放流效果。水生生物增殖放流是修复海洋渔业资源和增加水生生物多样性的重要手段。相关管理部门应持续跟踪增殖放流效果，结合海洋牧场人工鱼礁生态保护作用，对海洋牧场生物多样性进行定期调查，提供礁区维护改善的科学依据。同时，相关主管部门应强化增殖放流监管，需在增殖放流水域采取划定禁渔区和禁渔期等保护措施，强化增殖前后放流区域内有害渔具清理和水上执法检查，确保放流水生物种得到有效保护。

本文以国家级小星山海洋牧场人工鱼礁区为探测对象，针对该海域鱼礁精准定位缺乏、水体深度较大、勘测范围较大的问题，运用声光组合技术实现对海底人工鱼礁进行空间和表面状况探测，为人工鱼礁增殖效果评估探索出一种科学高效、可操作、可复制的技术手段。经过探测，发现该人工礁区已初见成效，鱼群密度相比其他海域丰富，渔业资源初有聚集，但整体空白面积较大，亟需采取相应的防护措施。

为进一步优化海洋生态环境，保障人工鱼礁生态效果的最大化发挥，本文提出建立周期性人工鱼礁监测机制；改善过度捕捞现状，缩减近海捕捞作业，发展远洋捕捞；改善养殖侵占现状，海洋网箱养殖应向深远海发展；持续跟踪增殖放流效果，强化增殖放流区域保护措施和监管工作等建议，以加快实现海洋牧场人工鱼礁区的科学化、现代化管理。

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