張 旭

0 前言

隨著我國(guó)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，我國(guó)海洋科考事業(yè)不斷發(fā)展，從近海邁向遠(yuǎn)洋，從綠水進(jìn)入深藍(lán)大洋。廣袤的大洋海底蘊(yùn)藏著極為豐富的礦物資源，世界各主要國(guó)家例如：俄、美、德、法、日、英、韓等國(guó)紛紛投入巨資開(kāi)展調(diào)查，展開(kāi)了一場(chǎng)“藍(lán)色圈地”運(yùn)動(dòng)[1]。為在這場(chǎng)“藍(lán)色圈地”運(yùn)動(dòng)中爭(zhēng)取主動(dòng)，我國(guó)積極開(kāi)展了“中國(guó)大洋科考”工作，調(diào)查相關(guān)國(guó)際海底資源分布情況，為我國(guó)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(guó)大洋科考中的應(yīng)用越來(lái)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(jiǎn)介

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

海底攝像系統(tǒng)作為一種海底可視化光學(xué)觀(guān)測(cè)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(xué)家的“千里眼”，把人類(lèi)的視野延伸到黑暗、幽冷的大洋深處，將深不見(jiàn)底的神秘海底世界直觀(guān)地展現(xiàn)在人們面前[4]。

以我國(guó)“海洋六號(hào)”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(lái)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(fù)合鎧裝纜連接。甲板單元通過(guò)光電復(fù)合纜給水下拖體供電，這意味著水下拖體工作時(shí)間理論上不受電能限制，可長(zhǎng)時(shí)間在水下工作，甲板和水下拖體通過(guò)光電復(fù)合纜里的光纖實(shí)時(shí)通訊，海底視像資料（海底視頻、照片）能實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊装鍐卧?/p>

海底攝像系統(tǒng)的甲板單元由控制計(jì)算機(jī)、供電變壓器、甲板光端機(jī)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(jī)、高度計(jì)、水下定位信標(biāo)等組成。其中照明燈、攝像頭、照相機(jī)為核心終端設(shè)備，提供視像資料，高度計(jì)顯示拖體離底高度，輔助光電復(fù)合纜絞車(chē)操作人員控制拖體離底高度，水下定位信標(biāo)結(jié)合母船位置確定拖體在水下的實(shí)時(shí)位置。

圖1 “海洋六號(hào)”船海底攝像系統(tǒng)甲板單元

圖2 “海洋六號(hào)”船搭載的海底攝像系統(tǒng)拖體

1.2 “海洋六號(hào)”船海底攝像系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

（1）系統(tǒng)最大工作水深：6 000 m。

（2）系統(tǒng)工作時(shí)間：連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，無(wú)工作時(shí)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(fù)合纜接口，所有信號(hào)通過(guò)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(shí)間（GMT時(shí)間）、拖體經(jīng)緯度、拖體水深以及離底高度。

（8）水下照相機(jī)參數(shù)：

型號(hào)：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(dòng)，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(jì)算機(jī)硬盤(pán)記錄。

1.3 海底攝像系統(tǒng)作業(yè)方式

進(jìn)行海底攝像作業(yè)時(shí)，海況需在4級(jí)以?xún)?nèi)，母船航速不超過(guò)2節(jié)，根據(jù)多波束系統(tǒng)探測(cè)的海底地形及作業(yè)時(shí)船舶在無(wú)動(dòng)力狀態(tài)下的漂移方向和速度確定攝像系統(tǒng)開(kāi)始投放的位置，提前布設(shè)好測(cè)線(xiàn)，以保證拖體在海底的實(shí)際拍攝路徑通過(guò)或接近預(yù)定拍攝測(cè)站的位置。測(cè)線(xiàn)方向一般由山頂向山腳布設(shè)，避免過(guò)大的地形起伏和陡坎。

水下拖體入水以后即開(kāi)啟攝像系統(tǒng)，通過(guò)視頻畫(huà)面監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，距離海底約200 m時(shí)打開(kāi)高度計(jì)，絞車(chē)及系統(tǒng)操作人員根據(jù)監(jiān)控圖像和高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)拖體進(jìn)行高度控制，隨時(shí)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(guó)大洋科考中的應(yīng)用

我國(guó)“海洋六號(hào)”科考船是中國(guó)大洋科考的“新兵”，入列以來(lái)多次參加中國(guó)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(yùn)藏豐富的鐵、錳、銅、鈷、鎳等金屬元素[2]。其資源調(diào)查過(guò)程中作業(yè)手段通常圍繞著“面、線(xiàn)、點(diǎn)”三方面展開(kāi)工作。對(duì)某海底區(qū)域進(jìn)行資源調(diào)查，首先通過(guò)“多波速”大面積掃描獲取海底地形以及回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，再通過(guò)淺剖、海底攝像系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)線(xiàn)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(guò)箱式、重力活塞、淺鉆等取樣設(shè)備定點(diǎn)取樣獲取海底實(shí)物樣品進(jìn)行測(cè)試分析[6]。

海底攝像系統(tǒng)是一種測(cè)線(xiàn)調(diào)查作業(yè)設(shè)備，具有作業(yè)成本低、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、作業(yè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可直觀(guān)觀(guān)察海底地形地貌，資源分布，對(duì)確定海底資源分布邊界，評(píng)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(píng)估工作中，通過(guò)多波速回波探測(cè)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(cè)線(xiàn)，通過(guò)海底攝像觀(guān)察海底結(jié)核分布情況，一方面驗(yàn)證多波速回波強(qiáng)度與結(jié)核實(shí)際分布狀況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，另一方面通過(guò)海底攝像系統(tǒng)獲取的視像資料通過(guò)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(diǎn)為激光標(biāo)尺，視頻后處理軟件根據(jù)它來(lái)確定視頻觀(guān)測(cè)面積，進(jìn)而可計(jì)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(biāo)為密密麻麻的點(diǎn)狀結(jié)核，同時(shí)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(dòng)，攝像頭不斷的處于快速變焦過(guò)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(dǎo)致海底照明亮度不斷變化，這會(huì)降低視頻截圖清晰度。照相機(jī)獲取的照片清晰度較高，但也存在偶爾曝光過(guò)度或者不足的問(wèn)題。因而視頻和照片資料根據(jù)需要互補(bǔ)，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(lèi)似，不過(guò)由于海山區(qū)富鈷結(jié)殼分布的復(fù)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(guò)淺剖獲取海山區(qū)的淺底層結(jié)構(gòu)。通過(guò)海底攝像系統(tǒng)與淺剖的配合來(lái)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(duì)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(cè)線(xiàn)通常由山頂向山腳下布置。

海山區(qū)攝像目標(biāo)物富鈷結(jié)殼通常較大，因而攝像頭攝像畫(huà)面受拖體移動(dòng)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(guò)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(lái)了挑戰(zhàn)，經(jīng)常出現(xiàn)水下拖體由于避閃不及時(shí)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(fù)雜，規(guī)律性不強(qiáng)，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(cè)線(xiàn)。

以下圖5至圖10為中國(guó)大洋科考DY41B航次“海洋六號(hào)”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(cè)線(xiàn)不同位置，該測(cè)線(xiàn)由海山頂向山腳布置，長(zhǎng)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(fù)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(qiáng)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(jìn)而為評(píng)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(guó)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(huì)越來(lái)越多，起到的作用也會(huì)越來(lái)越大，與此同時(shí)，對(duì)海底攝像系統(tǒng)的要求也會(huì)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(huì)將后處理軟件跟系統(tǒng)控制軟件結(jié)合起來(lái)，能夠?qū)⒁曨l資料實(shí)時(shí)分析處理，得到整條海底攝像測(cè)線(xiàn)上多金屬結(jié)核覆蓋率、豐度變化曲線(xiàn)，并能夠自動(dòng)定時(shí)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(guó)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(xiàn)：

［1］何高文，梁東紅，宋成兵，等.淺地層剖面測(cè)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(xiàn)［J］.地球科學(xué)，2005（04）：509-512.

［2］張振國(guó)，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(guó)稀土學(xué)報(bào)，2011，29（05）：630-636.

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

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