趙 鋼，王茂枚，徐 毅，舒 實(shí)2，蔡 軍

(1.江蘇省水利科學(xué)研究院，南京 210017； 2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210024)

1 研究背景

沉水植物作為湖泊生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，在固定底泥、防止沉積物再懸浮、凈化水質(zhì)等方面具有重要的作用[1-3]。然而，湖泊沉水植物會(huì)隨著富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程，發(fā)生衰退甚至消失[3]。沉水植物的逐步消亡打破了原有的生態(tài)平衡，并由此引發(fā)了湖泊水質(zhì)惡化、生態(tài)系統(tǒng)破壞等一系列生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重影響了水體功能的正常發(fā)揮和湖泊周邊人民的身體健康[3]。因此，探測(cè)與調(diào)查湖泊沉水植物的分布及群落結(jié)構(gòu)，在湖泊水生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作中起著十分重要的作用。

現(xiàn)有湖泊沉水植物分布和群落結(jié)構(gòu)的探測(cè)與調(diào)查方法主要包括：人工樣方調(diào)查、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)以及回聲探測(cè)儀調(diào)查。人工樣方調(diào)查，主要是在選定的區(qū)域使用采泥器及水草采集刀具采集、撈割沉水植物[4]，這種方法可以準(zhǔn)確獲得沉水植物的種類、蓋度、鮮重等生長(zhǎng)狀況。但是如要了解整個(gè)區(qū)域的沉水植物情況，工作量過于繁重，對(duì)于觀測(cè)或獲取所需沉水植物難度較大的樣地，調(diào)查得到的數(shù)據(jù)也很難全面地代表樣地的實(shí)際情況，而且樣方調(diào)查往往將沉水植物連根拔起，會(huì)對(duì)沉水植物造成破壞。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法是在獲取特定時(shí)段衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，得到沉水植物分布圖，然而，目前遙感影像數(shù)據(jù)的分辨率較低，如水體表面被藍(lán)藻覆蓋，會(huì)大大影像解析結(jié)果的準(zhǔn)確性[5-6]。應(yīng)用回聲探測(cè)儀對(duì)湖泊沉水植物進(jìn)行走航式調(diào)查，能夠大幅提高野外調(diào)查效率，但是回聲探測(cè)儀難以識(shí)別湖泊底泥的泥水界面及底泥表層的有機(jī)碎屑，反而增加了回聲信號(hào)分析的難度和工作量[7-8]。由此可見，由于受到環(huán)境、人力、物力、時(shí)間等條件的制約，現(xiàn)有沉水植物的調(diào)查方法仍然存在一定的缺陷和不足，有必要探索更為高效、科學(xué)的調(diào)查方法。

近年來，聲吶探測(cè)技術(shù)在水下魚類探測(cè)[9]、水下工程檢測(cè)[10-11]等相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。張進(jìn)[9]利用雙頻識(shí)別聲吶對(duì)上海滴水湖中的魚群進(jìn)行了定量評(píng)估，成功獲得魚體個(gè)數(shù)和魚長(zhǎng)；陳星辰和陳斌[11]使用雙頻識(shí)別聲吶對(duì)洪澤湖三河船閘的水下工程狀況進(jìn)行探測(cè)，準(zhǔn)確獲得其水下?lián)p壞程度和損壞位置。植物蓋度是植物地上部分垂直投影面積占樣方面積的百分比[4]，雙頻識(shí)別聲吶可通過發(fā)射波束經(jīng)水體傳播后到達(dá)沉水植物表面而產(chǎn)生回波并被聲吶接收，實(shí)現(xiàn)在渾濁、黑暗的水下獲得清晰的影像數(shù)據(jù)[10-11]。理論上采用雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)技術(shù)調(diào)查湖泊沉水植物蓋度是可行的，但是目前實(shí)際應(yīng)用尚未見報(bào)道。

本文利用雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)技術(shù)對(duì)太湖沉水植物開展探測(cè)，通過影像后處理獲取沉水植物蓋度，并對(duì)比傳統(tǒng)樣方調(diào)查方法分析雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)技術(shù)調(diào)查沉水植物數(shù)據(jù)的可行性，為湖泊沉水植物演替規(guī)律的研究和湖泊水生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作提供技術(shù)支持和理論參考。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域及調(diào)查時(shí)間

太湖貢湖灣位于太湖東部(如圖1(a))，湖底平坦，水深2 m左右，分布著種類較多的沉水植物，主要優(yōu)勢(shì)種為馬來眼子菜等；貢湖灣為無錫市、蘇州市等周邊地區(qū)重要的水源地；另外，近年來，貢湖灣沉水植物群落呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)，需要加強(qiáng)探測(cè)和調(diào)查[12]。因此，選擇太湖貢湖灣作為本文的研究區(qū)域。遵循GIS方法中的成層隨機(jī)布點(diǎn)原則，兼顧采樣點(diǎn)分布的均勻性和隨機(jī)性，在貢湖灣湖區(qū)選擇具有代表性的采樣點(diǎn)10個(gè)，其中貢湖灣西北部5個(gè)，東部5個(gè)，如圖1(b)，各采樣點(diǎn)坐標(biāo)見表1。筆者分別于2013年5月、2013年8月、2013年11月及2014年2月，按不同季節(jié)分4次對(duì)太湖貢湖灣湖區(qū)沉水植物開展調(diào)查研究。

圖1 太湖貢湖灣湖區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of Gonghu Bay of Taihu Lake and distribution of sampling points

2.2 雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)方法

雙頻識(shí)別聲吶(Dual-Frequency Identification Sonar，縮寫DIDSON):通過聲學(xué)透鏡對(duì)波束進(jìn)行壓縮，聚焦形成非常狹窄的波束來生成接近光學(xué)照片畫質(zhì)的高清圖像數(shù)據(jù)[11]。雙頻識(shí)別聲吶工作時(shí)所使用的主要設(shè)備包括：

(1)雙頻識(shí)別聲吶(標(biāo)準(zhǔn)型)?？稍?～40 m范圍內(nèi)對(duì)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，保證了觀測(cè)范圍內(nèi)圖像清晰度。

(2)船只。為了實(shí)現(xiàn)雙頻識(shí)別聲吶在湖泊中運(yùn)行，需要船只作為運(yùn)載工具。

(3)GPS定位系統(tǒng)(Leica RTK GPS)。利用GPS定位系統(tǒng)對(duì)船只進(jìn)行導(dǎo)航，并將探測(cè)結(jié)果與已知坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)校正，對(duì)測(cè)線進(jìn)行平面精度控制。本文采用高精度的Leica RTK GPS。

(4)計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)或筆記本電腦接收雙頻識(shí)別聲吶獲得的影像數(shù)據(jù)并進(jìn)行后處理分析。

雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)主要包括以下3個(gè)步驟：

(1)基于各探測(cè)點(diǎn)形成測(cè)線，使得測(cè)線能夠經(jīng)過全部測(cè)點(diǎn)。利用測(cè)繪局提供的CORS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)線平面控制，控制測(cè)線的相對(duì)探測(cè)點(diǎn)的平面偏差在1.5 cm之內(nèi)。

(2)以船只作為運(yùn)載工具，將雙頻識(shí)別聲吶和GPS定位系統(tǒng)一同固定于船只船舷處同一位置，使雙頻識(shí)別聲吶的探頭設(shè)置于湖泊水面以下并與水平面呈25°～35°范圍內(nèi)的銳角，探頭與探測(cè)目標(biāo)的距離設(shè)定在1～2 m內(nèi)。

(3)利用GPS定位系統(tǒng)導(dǎo)航船只，使雙頻識(shí)別聲吶按照既定的測(cè)線移動(dòng)。船只帶動(dòng)雙頻識(shí)別聲吶的平移速度不超過3 m/s。為了獲得沉水植物的高分辨率影像，設(shè)置雙頻識(shí)別聲吶最優(yōu)工作參數(shù)，即采集窗口起點(diǎn)距離0.83 m、窗口長(zhǎng)度2.5 m。

2.3 圖像數(shù)據(jù)后處理方法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)聲吶圖像的蓋度提取，本文提出了基于數(shù)字影像處理技術(shù)的雙頻識(shí)別聲吶數(shù)字圖像處理系統(tǒng)。首先，將圖像轉(zhuǎn)換為目前常見格式的影像，如JPG,BMP,PNG等，其圖像編碼格式統(tǒng)一，在后續(xù)的處理中易于進(jìn)行像素級(jí)操作，如圖2(a)所示;其次，變換圖像灰度，為了突出顯示出植被的細(xì)節(jié)部分且提高其顯示清晰度，將水域部分變換為黑色背景，植被增強(qiáng)為白色顯示;最后，利用行列掃描算法，掃描各個(gè)像素的灰度值，并根據(jù)植被像素所占總圖像面積的比值估算單位面積水下的植被的蓋度，如圖2(b)所示。

2.4 人工樣方調(diào)查方法

在進(jìn)行雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)的同時(shí)，作為對(duì)照，在每個(gè)調(diào)查區(qū)域通過人工樣方調(diào)查對(duì)沉水植物進(jìn)行種類識(shí)別和蓋度比對(duì)。人工樣方調(diào)查采用多次重復(fù)隨機(jī)小樣方調(diào)查的方法[13]，每個(gè)樣方為0.5 m×0.5 m的鐵框，采樣時(shí)將框內(nèi)全部沉水植物連根拔起，每個(gè)樣點(diǎn)取5個(gè)樣方，記錄樣方種類和數(shù)量，并稱取鮮重。最后，通過方網(wǎng)格法計(jì)算蓋度。

3 結(jié) 果

3.1 雙頻識(shí)別聲吶影像顯示結(jié)果

圖3 4種典型沉水植物聲吶影像Fig.3 Sonar images of four typical submersed macrophytes

將雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)得到的太湖貢湖灣典型沉水植物影像與樣方取得的樣品進(jìn)行實(shí)際對(duì)照，分別得到馬來眼子菜(Potamogetonmalaianus)、微齒眼子菜(Potamogetonmacckianus)、穗狀狐尾藻(Myriophyllumspicatum)和金魚藻(Ceratophyllumdemersum)4種典型沉水植物的聲吶影像，如圖3所示。

從圖3可以看出，4種典型沉水植物分別呈現(xiàn)如下特點(diǎn)。

馬來眼子菜：葉條形，葉片先端鈍圓而具小凸尖，基部鈍圓，邊緣淺波狀，有細(xì)微的鋸齒。

微齒眼子菜：莖細(xì)長(zhǎng)，具分枝，近基部常匍匐，于節(jié)處生出多數(shù)纖長(zhǎng)的須根，葉條形，無柄，先端鈍圓，基部與托葉貼生成短的葉鞘，葉緣具微細(xì)的疏鋸齒。

穗狀狐尾藻：根狀莖發(fā)達(dá)，在水底泥中蔓延，節(jié)部生根，莖圓柱形，分枝極多。

金魚藻：莖平滑，具分枝，葉裂片絲狀條形，邊緣僅一側(cè)有數(shù)細(xì)齒。

3.2 蓋度的提取與分析

將不同時(shí)間各樣點(diǎn)聲吶探測(cè)數(shù)據(jù)文件按幀號(hào)提取出多幅圖片，從中去掉場(chǎng)景重疊部分的圖片，得到場(chǎng)景獨(dú)立的各組圖片。然后通過雙頻識(shí)別聲吶數(shù)字圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行批處理，得到各采樣點(diǎn)的蓋度，并與采樣點(diǎn)區(qū)域的多次重復(fù)隨機(jī)小樣方調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同季節(jié)各樣點(diǎn)聲吶探測(cè)法與樣方法蓋度對(duì)比Fig.4 Comparisons of acquired coverage at sampling points between DIDSON and plot method in different seasons

圖4(a)為2013年5月分別用聲吶探測(cè)法和樣方法測(cè)得的沉水植物蓋度，在1—10號(hào)樣點(diǎn)處聲吶探測(cè)法得到的沉水植物蓋度分別為12%，8%，12%，9%，53%，23%，38%，66%，92%，68%，而樣方法測(cè)得的蓋度則分別為10%，5%，8%，5%，50%，20%，30%，65%，90%，65%，2種方法得到的蓋度基本一致，聲吶探測(cè)法測(cè)得的蓋度略高于樣方法。2013年8月測(cè)得的結(jié)果也基本類似，多數(shù)樣點(diǎn)處聲吶探測(cè)法測(cè)得的蓋度高于樣方法(圖4(b))；而在圖4(c)中，2013年11月聲吶探測(cè)法測(cè)得的蓋度在2號(hào)和6號(hào)樣點(diǎn)處略低于樣方法結(jié)果，但2種方法得到的蓋度相差不大。圖4(d)顯示2種方法得到的蓋度呈現(xiàn)類似的規(guī)律，2014年2月1—6號(hào)樣點(diǎn)處的沉水植物蓋度在5%～10%之間，而7—9號(hào)樣點(diǎn)處的蓋度>60%，在9號(hào)樣點(diǎn)處甚至接近100%。通過與傳統(tǒng)的樣方法進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)本文提出的雙頻識(shí)別聲吶法測(cè)定的沉水植物蓋度與樣方法基本一致，表明該方法探測(cè)得到的沉水植物蓋度與實(shí)際值較為接近，對(duì)于大面積的沉水植物調(diào)查來說，該方法探測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的參考性。

4 討 論

沉水植物的蓋度可以科學(xué)反映湖泊水體的生態(tài)狀況，所以湖泊的沉水植物調(diào)查是一個(gè)重點(diǎn)。與其他生物群落的調(diào)查方法一樣，沉水植物的調(diào)查也屬于統(tǒng)計(jì)生態(tài)學(xué)的范疇，其分析方法是從一組觀測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，經(jīng)過分析、運(yùn)算，找出數(shù)據(jù)中隱藏的規(guī)律。受人力、物力和時(shí)間的限制，在大多數(shù)情況下，研究者都不可能對(duì)所研究地區(qū)(或范圍)的生物群落進(jìn)行全部的研究，而只能抽取其中的一部分來研究分析。傳統(tǒng)的植物群落調(diào)查主要采用樣方法。但是，由于沉水植物廣泛具有集群分布的特征，反映群落種類組成的最小面積在不同的群落地段可能有極大的不同，隨著樣方面積的增大，種類-面積曲線有較大的差別；同時(shí)，人工撈割沉水植物，不僅工作量繁重，且有些樣地很難觀測(cè)、收取到所需的沉水植物，調(diào)查得到的數(shù)據(jù)不能全面地代表樣地的實(shí)際情況，還會(huì)對(duì)沉水植物造成破壞。所以，沉水植物的調(diào)查一直是一個(gè)難點(diǎn)[4-5]。

受雙頻識(shí)別聲吶應(yīng)用到漁業(yè)資源調(diào)查中的啟發(fā)，為了探索出一種更為高效可靠的湖泊沉水植物調(diào)查技術(shù)，本文根據(jù)雙頻識(shí)別聲吶的工作原理，考慮探測(cè)目標(biāo)沉水植物的生理輪廓、生態(tài)分布特點(diǎn)，結(jié)合探測(cè)區(qū)域水體環(huán)境特點(diǎn)，提出利用雙頻識(shí)別聲吶調(diào)查湖泊沉水植物的方法。雙頻識(shí)別聲吶通過聲學(xué)原理成像，彌補(bǔ)了光學(xué)成像系統(tǒng)受環(huán)境光源亮度、水體透明度及環(huán)境對(duì)比度限制的缺陷，適用于在水體透明度不高的太湖中探測(cè)調(diào)查沉水植物；雙頻識(shí)別聲吶分辨率較高，采用雙頻識(shí)別聲吶能夠探測(cè)并分辨沉水植物的莖干和葉片目標(biāo)，植物形態(tài)與生長(zhǎng)型等因素對(duì)探測(cè)結(jié)果并無明顯影響，能夠較好地反映實(shí)際情況。

較傳統(tǒng)采集調(diào)查方法，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：

(1)分辨率高，可直觀、形象地觀測(cè)到沉水植物的形態(tài)，且不傷害沉水植物，對(duì)湖泊生態(tài)影響小。

(2)獲取的沉水植物圖譜影像是連續(xù)的,且全覆蓋不漏測(cè)。

(3)觀測(cè)的數(shù)據(jù)和圖像可以有效地收集保存，為日后的觀測(cè)和研究提供方便，且可以同時(shí)觀測(cè)湖泊地質(zhì)、地貌等其他狀況，可與其他領(lǐng)域交叉使用。

(4)易操作使用，攜帶方便，大大減小工作人員的工作量和工作強(qiáng)度。

然而，將雙頻識(shí)別聲吶獲取的蓋度與傳統(tǒng)的樣方法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)2種方法獲得的蓋度指標(biāo)仍然存在一定的差異，雙頻識(shí)別聲吶獲得的蓋度指標(biāo)往往高于樣方法。在圖4(b)中，2013年8月1—4號(hào)樣點(diǎn)的蓋度指標(biāo)，雙頻識(shí)別聲吶結(jié)果甚至是樣方法結(jié)果的2～4倍。當(dāng)時(shí)正值夏季，是藍(lán)藻生長(zhǎng)最為旺盛的季節(jié)，水體中懸浮大量的藍(lán)藻等雜質(zhì)，對(duì)雙頻識(shí)別聲吶的探測(cè)造成了一定的影響。因此，雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)沉水植物時(shí)，往往會(huì)受到水體中其他物種或雜質(zhì)的影響。

另外，由于雙頻識(shí)別聲吶在探測(cè)沉水植物時(shí)，探頭與探測(cè)目標(biāo)的距離需設(shè)定在1～2 m內(nèi)，對(duì)于水深較深的湖泊，還需對(duì)探測(cè)裝置進(jìn)行改裝。而根據(jù)本文的探測(cè)試驗(yàn)，為了獲得清晰的沉水植物影像，船只帶動(dòng)雙頻識(shí)別聲吶的平移速度不宜超過3 m/s，因此，探測(cè)速度也不宜過快。

5 結(jié) 論

本文利用雙頻識(shí)別聲吶在不同季節(jié)對(duì)太湖貢湖灣沉水植物開展探測(cè)調(diào)查，主要得到以下2點(diǎn)結(jié)論：

(1)雙頻識(shí)別聲吶能夠在水體透明度不高的湖泊中以及不破壞沉水植物的情況下，探測(cè)并分辨植物的莖干、葉片目標(biāo)，采用該方法調(diào)查沉水植物蓋度是可行的。

(2)基于數(shù)字影像處理技術(shù)提出了雙頻識(shí)別聲吶數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)沉水植物蓋度的提取。通過與樣方法調(diào)查結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雙頻識(shí)別聲吶探測(cè)得到的蓋度與實(shí)際值較為接近，對(duì)于大面積的沉水植物調(diào)查來說，該方法探測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的參考性。研究成果可為湖泊沉水植物演替規(guī)律的研究和湖泊水生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作提供技術(shù)支持和參考。