天津市大神堂海洋牧場海域人工魚礁區聲學初步調查

房恩軍，王宏，曾祥茜，王宇，徐曉甫，張雪

（1.天津市水產研究所，天津 300457；2.天津市海洋牧場工程技術中心，天津 300457）

人工魚礁的建造和投放，是當前我國海洋牧場建設的主要工作之一[1]。人工魚礁是海洋牧場建設的基礎生態工程[2]，是海洋牧場生境構建和修復的重要內容。投放的人工魚礁，形成了新的流場，為水產生物提供了良好的棲息和繁育場所[3]，從而提高了漁業資源的產量和質量，增加了生物多樣性，修復了海域生態環境。人工魚礁的建設是一個復雜的系統工程，不僅受海域功能區劃、海域底質、地貌、水流、風浪等諸多因素的限制和影響，而且與魚礁的沉陷、穩定性和使用壽命等密切相關。2009 年起天津市正式啟動了天津市濱海新區大神堂海洋牧場的建設，累計投放了不同規格的鋼筋混凝土礁體29 348個，共計10.88×104m3·空。天津渤海灣海域多為粉砂淤泥質海底，人工魚礁礁體投放后可能會發生位移和淤積沉降，需要對海洋牧場人工魚礁的空間分布現狀進行調查和評估，對人工魚礁礁體水平位移和淤積沉降狀況進行監測和預警[4-9]。

傳統的人工魚礁調查方法主要通過潛水員水下攝像和人工探摸，由于調查海域水體的能見度、人員安全與成本等因素，傳統調查方法具有耗時長、成本高、效率低、難以對大規模的人工魚礁形成宏觀監測等缺點[10-13]。相較于傳統調查方法，潛海調查方法，可以在水體能見度低的海域，利用聲學探測手段如側掃聲吶、識別聲吶和多波束測深系統等對人工魚礁投放位置及其漁業資源增殖效果進行評價，結果更為科學和精準。國內外已經利用側掃聲吶在人工魚礁研究領域開展了一系列研究。Li 等[14]利用側掃聲吶對其進行分類，對人工魚礁水域底質特征進行監測；沈蔚等[15]應用側掃聲吶系統進行人工魚礁建設區域海底底質分類，對建設過程中的魚礁狀態進行了評估；劉永虎等[16]應用側掃聲吶系統估算石料人工魚礁堆的體積；佟飛等[17]利用側掃聲吶技術提取礁高、沉降率與礁體布局等參數，評估人工魚礁工程質量。為了掌握人工魚礁區已投放魚礁的現狀，了解魚礁在海底的位置和姿態信息，利用側掃聲吶、智能無人船、多波束測深、水下機器人（ROV）、差分GPS 信標機空間定位和GIS 軟件數字化相結合的聲學方案，開展了天津市大神堂海洋牧場人工魚礁區聲學研究。利用聲學設備采集魚礁投放區數據，解決了常規設備無法在水下對人工魚礁進行大面積監測的難題，首次在天津大神堂海洋牧場海域獲得了人工魚礁的空間分布細節信息，摸清了人工魚礁區域內魚礁狀況，評估驗證了海洋牧場修復海域生態環境、恢復漁業資源的效果，為海洋牧場前期投放成果檢驗和后期規劃建設提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 調查站位和時間

本研究選擇天津市濱海新區漢沽海域的大神堂海洋牧場為研究對象，地理范圍位于39°05′03″N～39°08′01″N，117°57′00″E～118°00′45″E，總面積2 360 hm2，平均水深5 m，牧場區魚蝦蟹貝藻豐富，生態修護和資源養護效果明顯，為典型的牡蠣礁型海洋牧場。本研究于2021 年9 月18 日正式開始外業測量工作。側掃聲吶的測線設計為南北朝向，布設測線間距為25 m，測線數量共86 條，平均長度3 392 m（圖1、圖2）。外業總共耗時29 d，數據處理耗時40 d，完成測線長度約292 km，實際測量面積約778 hm2（圖3）。

圖1 聲學測區位置示意圖

圖2 聲學測線布設示意圖

圖3 聲學測量航跡線圖

1.2 調查分析方法

按照交通運輸部頒布的JT/T790—2010《多波束測深系統測量技術要求》和JTS 131—2012《水運工程測量規范》，利用側掃聲吶、多波束測深、水下機器人（ROV）、智能無人船、差分GPS 信標機空間定位和GIS 軟件數字化相結合的人工魚礁現狀聲學調查方法，開展了天津市大神堂海洋牧場人工魚礁區聲學調查。使用實時三維成像聲吶系統、多波束掃測系統對海洋牧場區域投放的人工魚礁進行勘察，采集人工魚礁聲學圖像，獲得人工魚礁的空間分布細節信息，評估海洋牧場建設效果。

表1 采用的主要儀器設備

1.3 數據處理方法

1.3.1 水位數據處理 本次調查設置的海上驗潮站距離岸邊水位站約6 km，兩地潮時、潮差變化相近，評估兩地潮位性質基本一致。假設同一時刻岸邊潮位為h1，海上潮位為h2，則可以得到岸邊到海上的基準傳遞參數Δh=h2-h1。岸邊潮位站和海上驗潮站每10 min 有1 組同步潮位觀測數據，通過多組同步數據計算Δh，得到其均方差。對多個Δh 取平均值，最終得到海上驗潮數據轉換到1985 國家高程基準下的潮位數據，用作多波束水深測量數據的水位改正。

1.3.2 多波束數據處理 多波束數據處理采用Caris 多波束處理軟件。采用HIPS to ASCII 方式選擇測線，導出該測線上所有的點云數據。采用BASE Surface To ASCII 方式導出測區內的水深數據，借助Hypack 軟件抽稀為10 m 網格的點云數據。采用CUBE 算法生成1 m 分辨率的Base 曲面數據。由于測區范圍較大，采用300×300 m 網格將測區分為88 個區域，采用0.1 m 分辨率構建Base 曲面，并采用BASE Surface To Image 方式導出測區的圖像，便于清晰地觀測魚礁分布情況以及海床的狀況。

2 結果與分析

2.1 海洋牧場聲學圖像

采用多波束測深儀對魚礁投放區域進行全覆蓋掃測，根據多波束測量數據采用BASE Surface To Image 方式導出測區數據（圖4），按照1∶1 000 繪制水深圖，獲得了天津大神堂海洋牧場人工魚礁區的側掃聲吶和多波束聲學圖像。調查結果顯示，聲學掃測區水深在5.2～7.0 m。由圖4-B 可以看出，監測海域水深整體呈現出從北至南逐漸變深的趨勢。由于人工魚礁高于海底，在水深偽彩圖上表現為與周圍海底顏色不同，圖4-B 中存在顏色明顯與周圍海底不一致的目標，對照水深圖例可以看出，目標深度比海底淺，目標即為本次監測的人工魚礁。

圖4 天津大神堂海洋牧場人工魚礁聲學掃測圖像

2.2 典型魚礁掃測圖像

利用USE 軟件的PatchTest 模塊，對設備的安裝偏移參數進行校準，并將安裝偏移參數的校準值輸入軟件。利用Replay 模塊，對數據進行回放，選擇有特征的魚礁圖像，調整圖像渲染方式、數據濾波方式，獲取較好的圖像，即實時三維成像聲吶成果導出后如圖5 所示。從圖5 可以看出，人工魚礁表面極不規則，存在凹凸變化，魚礁投放后，表面生長有形狀不規則的附著物。

圖5 天津大神堂海洋牧場典型魚礁聲學掃測圖像

2.3 海床的聲學圖像特征

為了更加清晰地查看測區內魚礁的分布情況，采用300 m×300 m 網格將測區分為88 個區域，對各區域進行編號（圖6）。

圖6 天津大神堂海洋牧場人工魚礁聲學調查成果總圖

圖7 為天津大神堂海洋牧場聲學成果總圖8-4 區域局部細節圖，其中紅色矩形部分是2018 年投放的人工魚礁，黑色多邊形部分是2010 年投放的人工魚礁。從圖7 可以看出，2018 年投放的人工魚礁周邊地形未有顯著變化，而2010 年投放礁體周邊的地形有明顯提升，且提升程度與礁體距離緊密相關。由此可以看出，人工魚礁的投放對海床的演變有巨大的促進作用（圖8）。

圖7 多波束8-4 區域局部細節圖

圖8 天津大神堂海洋牧場海床類型分布

2.4 魚礁增殖效果聲學圖像特征

實時三維成像聲吶成果導出后如圖9 所示。從圖9 可以看出，魚礁表面極為不規則，存在凹凸變化。由于調查海域海水透明度較低，通過水下攝像監測魚礁投放后效果較為困難，為了進一步驗證三維成像聲吶成果，本研究通過精確的GPS 定位，采用海上原位吊礁對比三維成像的方法，驗證了聲吶圖像中魚礁表面有形狀不規則的附著物，確認為礁體附著生物（圖10），主要包括環節動物、節肢動物、脊索動物、腔腸動物、棘皮動物、軟體動物等，其中牡蠣是礁體附著生物的主要優勢種。因此，高精度的側掃聲吶圖像數據可用于人工魚礁對牡蠣增殖等效果的研究。

圖9 實時三維成像聲吶掃測魚礁效果圖

圖10 海上原位吊起的魚礁

3 討論與結論

3.1 人工魚礁空間分布的研究

人工魚礁是一種設置在水中的人工構筑物，能夠為魚類等水生生物的棲息、生長和繁殖提供必要和安全的場所，達到保護和增殖漁業資源、修復生態環境的目的。以往在海洋牧場建設中，使用常規設備無法獲得牧場整個區域人工魚礁投放后的準確位置、姿態等空間分布信息。采用側掃聲吶、多波束測深等聲學方法，可以對人工魚礁建設進行準確有效監測，解決了常規設備無法在水下對人工魚礁進行監測的難題。根據多波束導出的點云數據，對高程進行渲染得到點云高程渲染，結果顯示，人工魚礁的輪廓比較清晰，與投放的魚礁形態一致，礁體結構完整，測區內魚礁形態各異，分布在多個片區，各片區內有相對集中擺放的，也有散落分布的，有疊放現象。根據提取的圖像結果顯示，實際礁體分布與設計布局有一定的偏差。

通過對側掃聲吶圖像的解譯，獲得了天津大神堂海洋牧場人工魚礁的空間分布細節信息，確認了研究區域中人工魚礁的具體位置，并對其進行了精確的GPS 定位。從人工魚礁的空間分布可以得出，天津大神堂海洋牧場人工魚礁的分布比較密集，保存現狀較好，大多數礁體呈現豎置狀態，位于海床表面以上。本研究明確了天津大神堂海洋牧場人工魚礁全部位于海洋牧場既定范圍之內，未發生遷移。本次聲學調查結果清晰、準確，圖像清晰，與同類研究相比[13-18]，整體準確率為98%。

3.2 驗證海洋牧場對牡蠣礁的修復作用

多波束測深系統等聲學設備工作原理是通過計算回波速度來記錄海底的地形起伏信息，獲得采樣點位的高精度的位置和深度信息，為實現海床類型識別提供翔實的數據支持。多波束水深數據能夠客觀反映海底的三維幾何結構，海底幾何特征又與海床類型密切相關，對水深數據的特征值進行提取，可以用于海床分類[19]。

在渤海灣近海海洋牧場內，牡蠣是礁體附著生物優勢種。天津大神堂海洋牧場緊鄰天津大神堂活體牡蠣礁國家級海洋特別保護區，附近海域存活有現代活體牡蠣礁[20-21]。96%以上的牡蠣幼蟲在繁殖期將脫離初始礁體，隨海流遷移至周邊海域。人工魚礁是良好的牡蠣幼蟲附著基，可為牡蠣的生長發育提供適宜生境。每年牡蠣繁殖季節，受潮汐流場的影響，大量牡蠣幼蟲由活體牡蠣礁保護區遷移至海洋牧場海域，附著于人工礁體之上，使天津大神堂海洋牧場中牡蠣大量增殖。牡蠣疊加生長的特性，使海洋牧場的海床出現明顯的起伏和褶皺，可以通過高精度的聲學數據進行識別。本研究依據聲學調查獲得高精度的聲吶圖像數據用于人工魚礁對牡蠣增殖效果的時空分布特性研究。結果發現，天津大神堂海洋牧場海域有60.54 hm2海床已轉變為牡蠣海床或牡蠣泥混海床，也就是說在天津大神堂海洋牧場形成了60.54 hm2新牡蠣礁。為了檢驗聲學研究結果，本研究采取海上原位吊礁、底拖網、水下機器人（ROV）原位采集海底泥樣、潛水影像、人工探摸等調查手段，確認聲學調查發現的牡蠣海床為活體牡蠣礁，驗證了多波束等聲學技術對牡蠣覆蓋海床的識別研究結果準確有效，證實了人工魚礁建設對牡蠣礁的修復作用。研究結果為淺灘淤泥質海域海洋牧場貝類資源量的定量評估和牡蠣礁演化變遷研究提供了基礎數據，為全面科學準確有效評估人工魚礁建設效果提供了解決方案。

3.3 水下機器人（ROV）在海洋牧場監測中應用

本研究首次在天津市海洋牧場監測中使用水下機器人（ROV），并獲得成功。水下機器人（ROV）可以進行定點和區域性走航式觀測，通過搭載的多參數環境監測儀等設備，對水體進行剖面或斷面連續觀測，突破水體對遙感觀測手段的限制，獲得高分辨率的海洋環境觀測數據，為海洋牧場的建設布局提供技術支持。配備了機械手臂和可視化系統的水下機器人（ROV）由相關人員遙控，遠程精準采集礁體及海床上的原位樣品，實現了生物多類樣品的精確獲取和保真回收，較好地響應海洋牧場特殊生境的探測需求，在海洋牧場立體監測體系中發揮了重要的協同作用，提高了工作效率，降低了成本，保護了海洋牧場的原生態，經濟性、生態性和科學性達到高度統一。搭載光學攝像頭和三維聲納在一定區域內對牡蠣礁的形態、附著物、淤積沉降、生物生長等狀況進行近距離、高分辨率的原位觀察和遙測，獲取牡蠣礁體、海洋生物、海床底質等目標對象的高清實景圖像，為海洋牧場的碳匯能力評估和提升提供科學有效的數據。

現代化海洋牧場的建設是一個系統工程，涉及到海洋生態學、動物行為學、海洋工程學、信息技術學等多學科的交叉應用[1]，全面科學準確有效評估人工魚礁建設效果存在一定的技術難題。本研究探索了利用側掃聲吶、多波束測深、水下機器人（ROV）、差分GPS 信標機空間定位和GIS 軟件數字化相結合的聲學技術在海洋牧場建設研究中的重要作用，并取得了初步成果，是監測評估淺灘淤泥質海域海洋牧場建設效果的有效方法之一，為全面科學準確有效評估人工魚礁建設效果提供了解決方案。此項基于側掃聲吶和多波束測深等綜合聲學技術方案通過對聲吶圖像聲圖結構分析以及成像進行特征提取，結合數字圖像處理的方法實現了對海域中人工魚礁、海床具有非常好的識別能力，對魚礁穩定性、礁體沉降等投放情況可以進行精準評估，對海床分類研究結果準確有效，對人工魚礁投放位置及其生態修復效果進行評價更科學。

本研究解決了在淺灘淤泥質海域水體能見度低，難以開展大規模的人工魚礁精準監測的難題，可為海洋牧場人工魚礁建設的規劃、方案制定、建設過程和建設結果進行科學準確有效的評估，保障海洋牧場建設的科學實施和管理。