海底可視技術在大洋科考中的應用和發展趨勢

王苗苗，顧玉民 ，楊 帆

（1.中國地質大學（北京），北京 100083；2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；3.國家海洋環境預報中心，北京 100081）

海底可視技術在大洋科考中的應用和發展趨勢

王苗苗1，顧玉民2，楊 帆3

（1.中國地質大學（北京），北京 100083；2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；3.國家海洋環境預報中心，北京 100081）

海底可視技術是一種直觀地進行海底調查的手段，在大洋科考調查中發揮著重要的作用。文中介紹了海底攝像、電視抓斗和無人纜控潛水器（ROV）等海底可視設備在大洋科考中的應用情況，并提出了自治水下機器人（AUV）在大洋科考中的應用趨勢。

海底可視技術；大洋科考；應用

當前人類消耗的自然資源越來越多，陸地資源日益減少，而占地球表面積的71%的海洋底部卻蘊藏著極其豐富的生物資源和礦產資源，因此對海底進行地質勘查成為全世界各國研究熱點。海底可視技術伴隨人類對海底資源勘查、研究的不斷深入得以快速發展。在地質科學領域，對地質體的目視觀察從來都是地質調查的重要組成部分。地質體的色彩和質感，露頭的形態、產狀等等，都提供了其他方法、資料無法提供的信息。海底地質調查最大的特點是調查對象被海水覆蓋，在早期調查人員無法接近海底調查對象，甚至不能直接觀察探測對象，所開展的各種勘查工作，包括采集樣品都是在看不到探測對象的條件下進行的。地質樣品的采集缺乏賦存狀態和地質背景資料，嚴重影響著海底地質調查探測的實際效果。為此，發展海底可視化技術，實現海洋地質調查人員能夠對海底微地形、地貌和地質特征進行直接的觀察，并配以其他海底勘查裝備（如水下定位、采樣設備）實現通過海底攝像目視觀察探測對象的定點探測和采樣，從而大大提高海底地質勘查的能力和效果，提高工作效率，其意義無疑是重大的。當前國際上應用的海底可視裝備主要有海底攝像系統、無人遙控潛水器(ROV)、自治水下機器人（AUV）、載人潛器以及具有可視功能的取樣設備電視抓斗、海底潛鉆等。

本文主要以國家海洋局“大洋一號”科考船裝載的“深海攝像系統”、“電視抓斗”和“無人遙控潛水器(ROV)”3類可視化裝備的應用情況結合本人參加航次的實際體會，就海底可視技術在大洋科考中的應用和發展趨勢作簡要闡述。

1 海底可視技術在我國大洋勘探中的應用

1.1 我國海底可視化技術的發展

可視化技術在我國大洋資源勘探中的應用較西方發達國家起步晚，以美國、俄羅斯、日本等為首的發達國家，可視化技術在海底資源勘查中的研究和應用，最早可追溯到20世紀50年代，在70年代后期西方發達國家可視化技術已發展成熟，其可視化設備特點主要是以光學、聲學探測并集合機械手等實現精確取樣的大型綜合探測設備為主，如ROV、AUV等。在我國20世紀90年代以前，海底調查多以不可視的手段為主，90年代末引進和自行研發了具有可視化功能的探測設備，但開始主要還是以光學單一功能設備為主，如“海底黑白電視”、“海底照相”等，隨著我國大洋勘探開發的不斷深入，可視化技術得以突飛猛進的發展，具有代表性的是由中國地質科學院礦產資源研究所研制的“深海彩色數字攝像系統”，在海底可視化技術上取得了多項關鍵技術突破，通過同軸電纜實現了6 000 m水深的高清海底攝像，并集成海底照相技術實現可視遙控拍照，尤其是研發的萬米同軸電纜上實現視頻信號與甲板供電電流同纜傳輸技術，解決了早期的靠水下電池供電受電能限制水下工作時間短的弊病。在高清數字影像的基礎上，實現了雙目平行立體式立體攝像系統，攝像作業人員不但可實時觀察到海底，而且是三維立體觀測，可量測海底目標的大小尺寸，為地質科技人員研究與礦產分布有關的海底微地形地貌提供更直觀、科學的觀測手段。其技術水平達到國際領先水平，目前已開發出適合不同作業特點、不同應用形式的攝像系列產品，通訊介質也從單一的同軸電纜發展到光電復合纜等多種線纜。同期，廣州海洋地質調查局、國家海洋局第二海洋研究所、上海交通大學、中國海洋大學等單位也進行了相關技術的研發。攝像系統研發的成功，推動了相關海底可視化技術的研發和應用推廣，如電視抓斗，海底潛鉆等取樣設備，在增加了可視化技術功能后，使得作業效率大大提高，替代了早期以拖網等無可視功能為主的傳統取樣設備，實現了目視觀測下有重點區域的取樣，大大提高了取樣目的性和工作效率。同時，大型綜合可視化海底探測裝備在我國也取得了突破性進展，采用引進集成與自主研發相結合的方式研發的無人有纜遙控潛水器（ROV）取得成功，如國家海洋局的“海龍”號和廣州海洋地質調查局的“海獅”號，目前已進入大洋作業實用階段。中科院沈陽自動化研究所研發的自治水下機器人（AUV）即無纜水下機器人在專業領域也得到了應用。目前我國自行研制的7 000 m載人潛器，近期已通過5 000 m下潛試驗并獲成功。這些都標志著我國海底可視化技術已達到國際先進水平，將在我國海洋資源利用與研究中發揮重要作用。

1.2 海底攝像

海底攝像作為可視化直觀觀測調查手段，在大洋科考調查中發揮著極其重要的作用。該系統由甲板控制單元、甲板供電單元、通訊單元，以及水下電子艙、攝像頭、高度計、深水燈等組成。其應用到大洋結核、結殼、熱液硫化物以及天然氣水合物等能源的考察工作中,獲取了大量的極具價值的視頻數據資料,為我國大洋調查做出了重要貢獻。

早在1998年由中國地質科學院礦產資源研究所和廣州海洋地質調查局聯合研發的“深海彩色攝像系統”裝載于我國綜合科考船“大洋一號”和“海洋四號”上，在太平洋工作區進行了大洋富鈷結核、錳介殼的調查工作，取得了海底重要視頻資料；2001年在南海天然氣水合物調查中取得了水合物存在的地貌特征標志——碳酸鹽介殼。2003年“雙目立體式攝像系統”，在大洋多金屬結核、結殼調查作業中，取得了大量立體觀測視頻資料，通過“立體視圖像反演解釋系統”（“雙目立體式攝像系統”配套軟件系統）對立體視頻資料反演，重構海底三維微地形、地貌，對研究海底礦產有關的地貌特征具有重要意義。2007年利用升級后的深海攝像系統我國首次在西南印度洋中脊拍攝到海底熱液活動區影像，這也是國際上首次在該區發現海底熱液活動區，為海底熱液硫化物調查取得了寶貴的基礎資料。

“海底攝像系統”自20世紀90年代末一直應用至今，已成為大洋海底作業常規的作業手段。由于海底攝像使調查人員可以對海底直接目視觀測，故可選用適當的采樣手段（抓斗、淺鉆等），選擇合適的采樣點，采集泥樣、水樣、氣樣,并可將聲學、熱學、力學、電化學等多種傳感器搭載到攝像拖曳體上進行多參數綜合探測。通過高分辨率水下電視與錄像對海底進行直接、連續地地質觀察,可獲得寶貴的圖像信息,有經驗的地質專家可從中識別出各種地形、地貌、地質和構造現象[1]。攝像拖體上搭載的各種原位探測傳感器的數據信息，可用于分析近海底海水中與礦產有關的異常信息，對海底礦產成因的研究和確定新的找礦靶區有指示作用。

2010年12月，本文第一作者參加了大洋第22航次的科考任務，在西太平洋成功觀測到清晰的結核視像（圖1），為地質工作者估算結核的豐度提供了依據。

圖1 西太平洋結核照片

1.3 電視抓斗

電視抓斗是一套海底攝像連續觀察與抓斗取樣器相結合的可視地質取樣器。系統由機架、斗體、電池供電單元、液壓動力裝置和甲板監控單元等組成。主要用于海底塊狀硫化物、多金屬結核、結殼及其他沉積物的采樣。由于可以在甲板直接進行海底觀察的同時進行遙控定點采樣，故而很大程度上提高了采樣的有效率和成功率。此套設備在大洋中應用廣泛，是先進的采樣取樣器。

2003年6月，電視抓斗裝載于“大洋一號”科考船上，經過多年的應用實踐該設備日趨成熟。目前已成為“大洋一號”作業的重要設備之一。本人參加的大洋第22航次科考中，電視抓斗亦在應用中。

1.4 無人纜控潛水器（ROV）

無人纜控潛水器 (RemotelyOperated Vehicle,簡稱ROV)是通過臍帶連接潛水器與水面控制設備，通過水下電視、聲納等專用設備進行實時觀察，由操作手在水面實現遠程遙控，并通過機械手進行水下作業[2]。深海ROV是當今國際海底探查中的高新技術代表，是一個國家綜合國力的象征。

“海龍”號ROV是我國具有自主知識產權的第一臺具有3 500 m作業深度的ROV[3]。由潛水器、中繼器、臍帶纜、A字架、止蕩架、絞車、控制室和電源等幾大部分組成。“海龍”號ROV主要用于3 500 m深度以內的大洋海底調查活動，包括海底熱液礦物取樣、大洋深海生物基因和極端微生物的研究以及探索人類的起源等。

2009年，在我國大洋第21航次科考中，“海龍”號ROV首次成功進行了試用，在東太平洋海隆“鳥巢”黑煙囪區觀察到了罕見的巨大硫化物“黑煙囪”，并用機械手準確抓獲了約7 kg黑煙囪噴口的硫化物樣品。于2010年12月開始的我國大洋第22航次科考中，“海龍”號ROV正式投入使用；并于第二航段中，采用無中繼器布放模式，完成了多站作業任務，成功采集到海底多金屬硫化物和生物樣品，還同步拍攝了高清晰的海底照片和作業全程視頻影像（圖2）。

由廣州海洋地質調查局負責研發的“海獅”號ROV，已在我國新造大洋科考船“海洋6號”上海試獲得成功，進入到實地作業區試生產階段，將成為我國海域天然氣水合物勘查的又一利器。

圖2 “海龍”號ROV海底作業

1.5 三套設備應用對比

海底攝像的主要作業目的是快速完成大范圍工作區勘查，在工作區沿預先設計的作業側線完成拖曳作業，拖曳速度一般在2～3 kn，實時傳輸海底視頻影像到甲板監控室，科研人員對重點目標有選擇控制照相獲取高清影像照片。一次下水作業可從幾小時到數十小時，地質調查人員根據攝像、照相資料對海底微地形、地貌以及地質現象（構造、產狀、形體等）進行判別，從而確定重點工作靶區，為進一步勘查如定位采樣分析等提供基礎數據資料。立體攝像可以通過三維反演，重構三維海底微地形并可進行精確尺寸量測。實際海底作業中，海底攝像一般作為其他調查手段的先導手段，在海底資源勘查作業中有重要作用。

電視抓斗是具有電視攝像機的海底采樣設備。作業目的是采集海底樣品，一般是在海底攝像作業獲取的海底視頻資料（或前期地質調查資料）基礎上通過判別分析確定的重點小范圍內定點取樣。操作時用深海絞車將采樣器投放到離海底5～10 m的高度上，以1～2 kn慢速航行并通過船上的電視顯像設備連續觀察海底尋找采樣目標，一旦找到目標立即用船上操縱板將采樣器沉放到海底并關閉采樣爪捕抓樣品。

大洋一號裝載的遙控水下機器人(ROV)是水下機器人的一種，即有纜水下機器人，ROV系統的作業目的主要是海底高精度（觀測、取樣與定位）作業。為了達到高精度作業的目的，在其設計結構上遠比海底攝像、電視抓斗復雜得多，前兩者均屬于無自主動力的靠船載鎧裝纜拖曳方式作業，不能準確海底定位，也不能自主移動，而ROV系統則采用中繼器和零浮力臍帶纜結合自身的推進器實現有限范圍的自主移動，同時采用超短基線等水下高精度定位系統，水下機械手實現準確的定位觀測和樣品采集。系統同時攜帶多種聲學系統和各種探測傳感器，實現多功能性綜合海底探測作業。目前裝載于“大洋一號”科考船上的“海龍”號ROV配有兩個機械手以及可擴展多種功能的取樣器，綜合作業能力強。

“大洋一號”是我國具有綜合遠洋科考能力的較先進的科考船之一，目前其裝載的3種可視化設備即海底攝像系統、電視抓斗、遙控水下機器人（ROV）從一個側面反映了可視化技術在我國大洋作業中的發展歷程，同時也表明了不同作業目的、不同作業性質而采取的不同系統設計。正因為此，3套設備在近年來我國的大洋科學考察中，根據不同的海底調查目的選用不同的可視化設備進行有針對性作業。例如，在通常的實際作業中，首席科學家首先采用作業成本低的深海攝像系統沿測線進行攝像作業，得到較大范圍的海底視像資料，從中重點選擇靶區進行小范圍的電視抓斗取樣作業，在此基礎上，科學家獲得了地質認識，再啟動綜合探測能力強、具有高精度水下定位能力的水下機器人ROV對海底探測目標作進一步論證和研究，這已成為目前大洋資源科考的代表性的作業模式。

2 海底可視技術的發展趨勢

海底攝像和電視抓斗因其制造、作業成本低和操作相對簡便在大洋科考中應用廣泛，但是兩者也有不足之處。首先，由于兩者自身不具備動力支持系統，靠船載電纜剛性連接拖曳作業，不能滿足水下航跡精確定位要求；電視抓斗自身重量大，拖曳范圍受到限制，長距離拖曳易造成電纜受力超負荷而損壞，給作業帶來不安全隱患；此外，由于海底的地形上下起伏不可避免地碰撞拖體，不僅對設備本身容易造成一定的損壞，而且對海底環境也會有一定的損害，特別是電視抓斗在進行無動力被動采樣時，對海底的原始環境造成的破壞比較大，在海洋環境保護的重要性日益凸顯的當今來說這無疑是個挑戰。

作為“大洋一號”船上科技含量最高、操作最為復雜的一套設備，無人纜控潛水器（ROV），目前在實際應用中采用去掉中繼器的布放模式，這種模式主要考慮設備安全，防止設備丟失，且設備操作相對簡單，但缺點是在水下活動范圍和機動性能大大降低。

隨著當今高新技術的日益發展,自治水下機器人和載人潛器在海洋開發中成為熱點。自治水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）自帶能源，依靠自身的自治能力來管理和控制自己以完成人賦予的使命，可以分為智能式和預編程式兩種[6]。由于與母船沒有直接的物理連接，其具有水下作業期間不依賴于母船、活動范圍大、不怕電纜糾纏、功能多樣和作業時耗費人力少等優點。AUV由載體系統、控制系統、長基線定位系統和探測系統構成[7]。控制系統是AUV的核心，負責其在水中的運動及所有機載設備的控制；長基線定位系統用來確定其在水中的位置；探測系統主要用于海底地形地貌和剖面測量，錄像、照相及其他水文參數測量等。AUV有較完善的避碰系統,可以在較為復雜的海底地形條件下通過程序控制按預定測線進行自治航行,自動進行換線轉彎等操作[8]，使得碰撞的幾率大大降低。再者，AUV沒有拖纜，海況變化的影響就相對較小，且活動范圍比ROV更大；更重要的是，在無纜束縛的情況下，其可以進行對目標物的全方位多角度不干擾的拍攝，能提供更有價值和更真實的研究資料。

1995年,在中國大洋礦產資源開發研究協會支持下，國內多家單位和俄羅斯合作研制開發“CR-01”型6 000 m自治水下機器人，并于1997年在太平洋中國礦區完成了各項海底試驗調查任務，獲得了大量數據和資料。其主要用于海底平坦地形的多金屬結核礦區工作環境，探測內容只限于聲學、光學和水文測量[9]。2000年，經過改進研制出“CR-02”型6 000 m自主水下機器人[10]。近年來，又研制出復合型智能潛水器ARV樣機，綜合了自治水下機器人和遙控水下機器人的各自優勢，既可以像AUV一樣依照預設指令進行自主航行，也可像ROV一樣通過水面視頻畫面監測遙控進行精細作業[11]。

我國自主研發的7 000 m水下機械人已研制成功，2011年7月份已完成下潛5 000 m實驗獲得成功。發展大型綜合的水下機械人對海底資源進行精細結構調查，既提高了調查資料的可靠性，同時也符合當前地質調查工作強調資源保護的新的勘查理念，符合國際發展的趨勢。

總之，自治水下機器人由于其優勢必將成為今后大洋海底調查的重要設備。再者，由于技術的進步，ROV、AUV及水下載人機器人正向著更加小型化、遠程化、智能化、靈活化、群體化發展，將成為未來名副其實的海洋智能機器人。

3 結論

隨著我國對海洋調查的日益深入，對調查設備也提出了更高要求。海底可視化設備即海底攝像、電視抓斗和無人遙控潛水器（ROV）目前已成為大洋作業的主力設備，隨著自治水下機器人、載人潛器的研發成功，海底可視化技術已得到廣泛應用，定會為我國大洋科考事業做出重大貢獻。

[1]顧玉民,趙金花,吳宣志.MPEG4在海底彩色電視監控系統中的應用[J].海洋技術,2004,23(3):46-58.

[2]張漢泉，吳廬山，張錦煒.海底可視技術在天然氣水合物勘查中的應用[J].地質通報,2005,24(2):185-188.

[3]張艷.揭秘“海龍”號海底機器人[N].中國海洋報,2011.

[4]張曉東,金淑英,張培良.第十三屆全國遙感技術學術交流會論文摘要集[C],2001.

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[6]封錫盛.從有纜遙控水下機器人到自治水下機器人[J].中國工程科學,2000,2(12):29-33.

[7]李碩,燕奎臣,李一平,等.6000 mAUV深海試驗研究[J].海洋工程,2007,25(4):1-6.

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Application and Development Trend of the Sea-floor Visualization Technique in Ocean Scientific Survey

WANG Miao-miao1,GU Yu-min2,YANG Fan3
(1.China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China;2.Institute of Mineral Resource,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China;3.National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081,China)

The sea-floor visualization technique is a method to investigate the sea-floor directly,which has played an important role in ocean scientific survey.Three kinds of sea-floor visualization techniques applied in the ocean scientific survey were introduced,including the sea-floor video system,TV grab and remote operating vehicle (ROV).Finally,the development trend of AUV in the survey on ocean mineral resources was brought up.

sea-floor visualization technique;ocean scientific survey;application

P71

B

1003-2029(2012)01-0115-04

2011-09-20

國家高技術研究發展計劃（863）資助項目（2006AA09A205）

王苗苗（1986-），女，在讀碩士研究生，主要研究方向為資源勘探。

顧玉民（1962-），男，副研究員，研究方向為找礦綜合方法技術。