海底攝像系統在中國大洋資源調查中的應用*

2018-05-05 08:38:51張旭

機電工程技術 2018年4期

張旭

0 前言

隨著我國建設海洋強國戰略的深入推進，我國海洋科考事業不斷發展，從近海邁向遠洋，從綠水進入深藍大洋。廣袤的大洋海底蘊藏著極為豐富的礦物資源，世界各主要國家例如：俄、美、德、法、日、英、韓等國紛紛投入巨資開展調查，展開了一場“藍色圈地”運動[1]。為在這場“藍色圈地”運動中爭取主動，我國積極開展了“中國大洋科考”工作，調查相關國際海底資源分布情況，為我國圈定優質礦區提供重要參考。海底攝像系統在我國大洋科考中的應用越來越多，是調查海底資源分布邊界的一種重要海洋調查手段[2-3]。

1 海底攝像系統簡介

1.1 設備簡介

海底攝像系統作為一種海底可視化光學觀測設備，廣泛應用于海洋資源、環境等調查領域。它是海洋科學家的“千里眼”，把人類的視野延伸到黑暗、幽冷的大洋深處，將深不見底的神秘海底世界直觀地展現在人們面前[4]。

以我國“海洋六號”科考船搭載的海底攝像系統為例，海底攝像系統從大的方面來講主要由甲板單元、水下拖體兩部分構成（如圖1、圖2所示），中間使用光電復合鎧裝纜連接。甲板單元通過光電復合纜給水下拖體供電，這意味著水下拖體工作時間理論上不受電能限制，可長時間在水下工作，甲板和水下拖體通過光電復合纜里的光纖實時通訊，海底視像資料（海底視頻、照片）能實時傳輸到甲板單元。

海底攝像系統的甲板單元由控制計算機、供電變壓器、甲板光端機組成。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、高度計、水下定位信標等組成。其中照明燈、攝像頭、照相機為核心終端設備，提供視像資料，高度計顯示拖體離底高度，輔助光電復合纜絞車操作人員控制拖體離底高度，水下定位信標結合母船位置確定拖體在水下的實時位置。

圖1 “海洋六號”船海底攝像系統甲板單元

圖2 “海洋六號”船搭載的海底攝像系統拖體

1.2 “海洋六號”船海底攝像系統主要技術指標

（1）系統最大工作水深：6 000 m。

（2）系統工作時間：連續長時間工作，無工作時間限制。

（3）系統電源供應：甲板電源供電，輸出電壓280～350VAC可調，額定輸出功率2 kW。

（4）系統電源與通訊接口：光電復合纜接口，所有信號通過光纖傳輸。

（5）視頻采集水下攝像頭（2路）：

ROS C600 Color Zoom Camera；

最小感光指數：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：視頻采集時間（GMT時間）、拖體經緯度、拖體水深以及離底高度。

（8）水下照相機參數：

型號：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，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：甲板計算機硬盤記錄。

1.3 海底攝像系統作業方式

進行海底攝像作業時，海況需在4級以內，母船航速不超過2節，根據多波束系統探測的海底地形及作業時船舶在無動力狀態下的漂移方向和速度確定攝像系統開始投放的位置，提前布設好測線，以保證拖體在海底的實際拍攝路徑通過或接近預定拍攝測站的位置。測線方向一般由山頂向山腳布設，避免過大的地形起伏和陡坎。

水下拖體入水以后即開啟攝像系統，通過視頻畫面監控設備狀態，距離海底約200 m時打開高度計，絞車及系統操作人員根據監控圖像和高度計數據對拖體進行高度控制，隨時調整拖體高度以保證拍攝質量并避免拖體撞擊海底。

2 海底攝像系統在中國大洋科考中的應用

我國“海洋六號”科考船是中國大洋科考的“新兵”，入列以來多次參加中國大洋科考任務，主要從事大洋多金屬結核和富鈷結殼資源調查[5]。多金屬結核、富鈷結殼是海洋中最重要的固體沉積礦產之一，蘊藏豐富的鐵、錳、銅、鈷、鎳等金屬元素[2]。其資源調查過程中作業手段通常圍繞著“面、線、點”三方面展開工作。對某海底區域進行資源調查，首先通過“多波速”大面積掃描獲取海底地形以及回波強度數據，再通過淺剖、海底攝像系統進行測線作業，分別獲取海底淺部地層結構數據和海底視像資料，最后通過箱式、重力活塞、淺鉆等取樣設備定點取樣獲取海底實物樣品進行測試分析[6]。

海底攝像系統是一種測線調查作業設備，具有作業成本低、作業時間長、作業距離遠等優點，可直觀觀察海底地形地貌，資源分布，對確定海底資源分布邊界，評估相關資源量有著重要作用。

2.1 海底攝像系統在多金屬結核資源調查中的應用

目前，大洋多金屬結核資源調查評估工作中，通過多波速回波探測技術確定結核分布面積，再在相關區域布置海底攝像測線，通過海底攝像觀察海底結核分布情況，一方面驗證多波速回波強度與結核實際分布狀況的對應關系，另一方面通過海底攝像系統獲取的視像資料通過后處理軟件得到相關位置的結核覆蓋率，結合箱式取樣器獲得的結核豐度（kg/m2）數據，就可以大致估算出相關區域的多金屬結核資源總量。

圖3為海底攝像系統在結核資源區獲取的視頻截圖，圖4為海底攝像系統獲取的照片資料。圖3中紅色斑點為激光標尺，視頻后處理軟件根據它來確定視頻觀測面積，進而可計算出結核覆蓋率以及不同尺寸結核的比例。由于結核區目標為密密麻麻的點狀結核，同時海底攝像系統的水下拖體是在海底以1.5節左右的速度移動，攝像頭不斷的處于快速變焦過程，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生變化，導致海底照明亮度不斷變化，這會降低視頻截圖清晰度。照相機獲取的照片清晰度較高，但也存在偶爾曝光過度或者不足的問題。因而視頻和照片資料根據需要互補，也是常用的手段。

2.2 海底攝像在富鈷結殼資源區的應用

圖3 海底攝像系統結核區視頻截圖

圖4 海底攝像系統結核區照片

富鈷結殼資源的調查手段跟多金屬結核資源調查類似，不過由于海山區富鈷結殼分布的復雜性，不少區域結殼上面覆蓋有沉積物，這在海底攝像系統視像資料上難以分辨，所以往往還需通過淺剖獲取海山區的淺底層結構。通過海底攝像系統與淺剖的配合來研究發現富鈷結殼的分布規律。多金屬結核主要分布在地形起伏變化較小的海山盆底，而富鈷結殼主要分布在海山斜坡上，地形變化較大，海底攝像系統作業難度也相對較高。為了便于操作人員控制水下拖體離底高度保障設備安全，海山區的海底攝像測線通常由山頂向山腳下布置。

海山區攝像目標物富鈷結殼通常較大，因而攝像頭攝像畫面受拖體移動影響較小，水下拖體保持較高高度也能保證視像資料的清晰度。不過海山區經常出現地形起伏較大的陡坡或者孤立的巨石也給海底攝像作業帶來了挑戰，經常出現水下拖體由于避閃不及時而發生碰撞的情況。由于富鈷結殼的分布狀況比多金屬結核更為復雜，規律性不強，要調查清楚結殼的分布情況就需要布置更為密集的海底攝像測線。

以下圖5至圖10為中國大洋科考DY41B航次“海洋六號”利用海底攝像系統在某海山獲取的海底照片資料，它們取自一條測線不同位置，該測線由海山頂向山腳布置，長度約8 km左右，由這些圖片可知，海山區富鈷結殼的分布變化是比較復雜的，結殼的形態變化也較大，既有成片的板狀結殼區域，也有礫狀結殼。這些視像資料結合多波速回波強度以及淺剖數據有助于分析富鈷結殼的分布規律，進而為評估富鈷結殼資源量提供重要參考[7]。

3 結論與展望

海底攝像系統在中國大洋資源調查中不可或缺，隨著多金屬結核資源以及海山富鈷結殼資源調查的深入，海底攝像系統的應用會越來越多，起到的作用也會越來越大，與此同時，對海底攝像系統的要求也會更高。目前，新的海底攝像系統已經提上日程，新的系統將會將后處理軟件跟系統控制軟件結合起來，能夠將視頻資料實時分析處理，得到整條海底攝像測線上多金屬結核覆蓋率、豐度變化曲線，并能夠自動定時或定距離截圖，極大地減輕后處理人員工作量，提高大洋資源調查效率。相信新的海底攝像系統不久便能夠投入中國大洋資源調查任務中，發揮更大的作用。