海洋科技前沿 水下成像和激光扫描系统及其在冷泉研究中的应用.docx

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海洋科技前沿水下成像和激光扫描系统及其在冷泉研究中的应用

科技前沿▏水下成像和激光扫描系统及其在冷泉研究中的应用

得益于载人潜水器“阿尔文”号在海洋调查中的成功应用，研究人员于1976年在赤道东太平洋加拉帕哥斯断裂带约2500m水深处首次发现了热液生态系统，随后又于1984在墨西哥湾约3200m水深处发现了冷泉系统的存在，这些深海极端环境生态系统的发现及后续研究，颠覆性地改变了人们对深海生境的认知。

随着海洋调查技术与装备的发展和研究的深入，载人潜水器（HOV），缆控潜水器（ROV），自治型潜水器（AUV）等多种潜水器及其搭载设备已被广泛应用海洋科学考察，并且取得了一系列重要成果，极大地推进了海洋科学的研究。

目前，在船载设备大面调查的基础上，选择海山、海底热液和冷泉等特殊生态系统和极端环境作为重点区域并对其进行近海底综合调查已经成为深海科考的常规作业流程。

其中，潜水器的主要工作内容包括：

通过搭载的摄像和照明系统获得调查区的高清影像资料；运用搭载的声学设备获得调查区的高分辨率海底地形地貌与浅地层剖面数据；运用搭载的各种传感器获得研究区原位理化参数；精确安装深海原位观测设备，开展深海原位实验，完成定点采样等。

2012年以来，随着“科学”综合考察船的正式服役、4500m级科考型“发现“ROV及其相关搭载设备的配置、以及中国科学院战略性先导科技专项（A类）“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”等重大项目的实施，中国科学院海洋研究所的深远海调查能力获得了跨越式发展。

基于潜水器及其搭载的光学设备，辅以高精度水下导航定位系统，对重点调查区进行近海底原位观察并获得高清影像资料是深潜器的重要应用之一，也是深远海调查的重要内容，可使科研人员对海底实情具有直观了解和认识，是研究热液和冷泉等极端环境生态系统的基础资料。

为了进一步完善和增强“发现”ROV的近海底观察和测绘能力，满足深海调查需求，本课题组为其配置了L1000型水下成像和激光扫描系统。

该系统于2016年在台湾西南海域福尔摩沙海脊冷泉区进行了成功应用，首次获得了台西南冷泉主体区域的海底高清全景拼接照片，并基于此对冷泉区海底特征、规模和分布规律进行了综合分析和量化研究，为台西南冷泉区的继续研究提供了重要资料。

一、“发现”ROV的水下成像和激光扫描系统

“发现”ROV深海缆控机器人系统配置有4个矢量分布的水平推进器，3个垂向推进器，运行速度可达3.2节，具有灵活的水下移动能力。

为完成深海原位观察与取样，水下观测设备投放与回收等精细作业，还配置了7个深水摄像机（包含2个超高清摄像系统）、动力定位系统（DP）以及Titan4和Atlas两种机械手，其中Titan4七功能机械手采用主、从手操作模式，最大臂展可达1800mm，最大提升力为450kg。

同时，系统还搭载了CTD、CH4、CO2、pH、浊度、溶解氧、原位激光拉曼探针等多种原位探测传感器，以及大体积生物吸样器、沉积物插管取样器、水体取样器和大容量分格置物框等设备，可实现长时间的实时观测与取样任务。

总体而言，“发现”ROV是我国目前深海作业能力最强的科考型ROV之一。

“发现”ROV搭载的4500m级L1000型成像和激光扫描系统（图1）由CathxOcean公司提供。

该套系统主要由1套CathxL1000型双模式激光剖面静物照相机，2组Aphos16系列水下LED光源以及1套DLG300双模式激光光源组成，各部分由电缆统一连接于接线盒内。

这样连接的优点在于，如果某一产品或者电缆损坏，可迅速定位损坏位置，进而进行修复或者替换。

其次，压力开关的配置则提高了激光器的安全性，只有当其达到一定水深之后，才为激光器供电，有效保证了工作人员的人身安全。

照相机的双模式是指通过设置，可以单独或同时获得海底高清照片与激光剖面数据。

例如，在照相机两种模式同时开启的工作条件下，在获得海底高清图片的同时，照相机激发激光器在海底形成激光线性剖面，进而获得海底超高精度（有效精度可达厘米级别）的微地形剖面数据。

DLG300激光器由照相机进行供电，控制和激发。

LED光源也受控于照相机，但直接供电于ROV。

该系统的总功率为141W，低功耗的功率特征使其可进行长时间的深海进海底作业。

图1L1000型成像和激光扫描系统连接示意图

二、水下成像和激光扫描系统的应用

⒈水下作业

在2016年进行台西南冷泉区海底调查过程中，该L1000型水下成像和激光扫描系统固定于“发现”ROV底部，照相机、光源与激光器垂直向下俯视海底。

基于已有近海底声学资料，本课题组在台西南冷泉区共布设51条长度为200m的测线，测线间距为2.5m。

在高清照片与激光剖面数据采集过程中，ROV以1～2节速度沿测线进行距底约3～5m的定高飞行，在该高度下，照相机的视域约为4m（垂直于飞行方向）×2m（平行于飞行方向），相邻测线间照片覆盖率不小于30%，保证了对冷泉区的全覆盖拍摄。

“发现”ROV的水下定位与导航以及所拍摄照片的位置标记由PHINS6000（惯导系统）＋高度计＋USBL（超短基线）＋LBL（长基线）的组合完成，这一组合定位系统的有效定位精度可达分米级别，满足L1000型成像和激光扫描系统的作业需求。

然而，由于天气原因与航次时间限制，2016年航次中，利用该系统在30h内仅完成了41条测线的拍摄和扫描。

在3张/s的拍摄频率下，共拍摄海底照片30万张，覆盖了包括主体冷泉区在内的约20,000m2区域。

图2研究区位置与成像和激光扫描系统完成测线图

⒉海底图像拼接

海底拼接图像则是将该扫描与成像系统所拍摄的并带有位置信息的海底高清图片，利用PTGui软件进行前期图像拼接，并利用PS软件进行后期优化完成。

在图像拼接过程中，每张大图分成10部分，每部分需要处理500张图片，继而完成所有照片拼接，得到精度﹥2000×2000像素的PSD大图。

前期图片拼接工作后，再利用PS软件对图件进行调整以优化图件整体视觉效果，最终获得了台西南冷泉区首幅高清海底照片拼接大图，标志着我国深远海近海底测绘能力的显著提高，同时也为台西南冷泉提供了重要的基础资料。

三、冷泉区海底特征识别

通过对冷泉区海底照片拼接图像的识别和分析，由冷泉区边缘向中心，主要可以识别出还原性沉积物、贝壳/碎屑覆盖区、自生碳酸盐岩露头、低密度贻贝区、繁茂生物区、冷泉喷口等几种典型的冷泉系统海底表现形式。

图3冷泉区海底照片拼接图像与典型海底特征示例

⒈还原性沉积物

还原性沉积物是由于沉积物中含有H2S等还原性物质，导致其颜色呈现为黑色而区分于周围正常海底沉积物（图3b），并且具有有浓烈的H2S气味。

在该冷泉区内，还原性沉积物多呈团块状或片状，规模较小，多个黑色团块常集中离散分布于某一区域内，形成较大面积的还原性沉积物区（图3m）。

⒉自生碳酸盐岩

冷泉系统的富CH4流体在向海底运移的过程中，流体中的CH4与孔隙水中的SO42-在微生物的作用下发生甲烷厌氧氧化与硫酸根还原的耦合反应。

这一化学反应会增加孔隙水中HCO3-的浓度和碱度，进而有利于自生碳酸盐的析出。

析出的自生碳酸盐胶结周围沉积物，进而形成自生碳酸盐岩。

在底流的风化作用下，自生碳酸盐岩上覆或周围尚未固结的正常海底沉积物被侵蚀，最终使自生碳酸盐岩裸露于海底。

在该冷泉区内广泛出露有多种形态的自生碳酸盐岩，包括外形不规则自生碳酸盐岩（图3f）、自生碳酸盐岩硬底（图3g），自生碳酸盐岩混杂堆积（图3l）等几种类型。

自生碳酸盐岩硬底是指出露于海底或者被薄层沉积物覆盖的上表面平坦的自生碳酸盐岩，在垂直海底的剖面上或者硬底结构边缘，常观察到层状或叠瓦状结构，是原海底沉积物层被后期析出的自生碳酸盐矿物胶节而形成。

外形不规则自生碳酸盐岩则表现为外部形态无明显规律，内部亦无明显层理结构发育，与硬底结构形成鲜明对比。

这两种形态的自生碳酸盐岩在冷泉区大面积出露，其间常有断裂或裂隙发育，并且常见生物群落沿裂隙或断裂发育（图3c）。

自生碳酸盐岩混杂堆积主要表现为出露的烟囱状或块状自生碳酸盐岩混杂堆积在一起覆盖海底。

值得注意的是在对本冷泉系统边缘沉积物进行插管取样操作时，发现下伏沉积物中仍有自生碳酸盐岩的发育，表明自生碳酸盐岩的整体范围要比已初露的范围大的多。

⒊贝壳/碎屑覆盖区

贝壳/碎屑覆盖区主要表现为海底表层沉积物中混合有大量贝壳或贝壳碎屑（图3d，j）。

这种海底特征主要分布在冷泉区NW及SE两侧，并顺坡向下分布。

其中NW一侧贝壳保存完整，多为原地堆积或仅经过短距离搬运，SE一侧则以贝壳碎屑为主，表明贝壳经过了较长距离的搬运而发生了破碎。

贝壳覆盖区还见于切割自生碳酸盐岩体的断裂底部或生物群落边缘，主要表现为保存状况良好的贻贝贝壳原位堆积。

⒋低密度贻贝区

低密度贻贝区内贻贝或由几个贻贝组成的贻贝群零星分布于自生碳酸盐岩表面（图3c），单位面积内贻贝个体数目远小于繁茂生物区，表明区内较低的营养物质供给。

⒌繁茂生物区

繁茂生物区内，数量众多的贻贝通过足丝牢固附着于自生碳酸盐岩表面形成贻贝床，常见上层贻贝附着于下层贻贝贝壳之上，个体密集分布的潜凯虾群常独立或成片上覆于贻贝床之上（图3e，h，k）。

贻贝贝壳和潜凯虾外壳上常栖息有帽贝、螺、多毛类等生物。

多个规模较小，覆盖面积为几个到几十个m2的繁茂生物区离散分布于冷泉北部。

而冷泉区南部则主要发育了两个规模较大的繁茂生物区，中间由低密度贻贝区相连，近于连续发育，其中西侧繁茂生物区面积约750m2，东侧面积约为1000m2。

几乎所有的繁茂生物区都沿自生碳酸盐岩上发育的断裂或裂隙分布，特别是断裂或裂隙的交叉位置，表明了这些断裂或裂隙是冷泉流体的优势运移通道。

繁茂生物区与低密度生物区的过渡发育，表明了以CH4，H2S为主的维持化能自养生物群落营养物质浓度梯度的发育。

需要指出的是，相较于其他流体系统，在本冷泉区内没有发现管状蠕虫以及白色蛤的发育。

⒍冷泉喷口

冷泉喷口（图3i）为大量CH4气泡逸出海底的位置，主要发现于繁茂生物区内部的自生碳酸盐岩裂隙中，直径一般小于10cm，逸出的气泡在水体中形成特征明显的气泡流。

在冷泉喷口还可观察到喷口处自生碳酸盐岩以及周围的贻贝壳体上有白色沉淀物附着。

多数冷泉喷口的持续时间少于1年，如2014年观测到的大部分冷泉喷口在2015年航次中已经观测不到，不过在其临近区域常可观察到新的冷泉喷口。

⒎冷泉区海底特征综合分布

经过对冷泉区海底特征分析可知，福尔摩沙海脊冷泉区NS向长约150m，WE向长约100m，，整体表现为局部被化能自养生物群落覆盖并有流体喷口零星分布其中的巨大自生碳酸盐岩岩丘，岩丘的总体面积约为15000m2。

根据对冷泉区海底拼接图像识别和分析可以看出（图4），几乎所有的繁茂生物区都位于自生碳酸盐岩丘的内部区域，仅有一小型繁茂生物区位于边缘位置，繁茂生物区总面积约为3600m2。

根据相对位置关系，繁茂生物区可以简单分为南北两个次级区，各个繁茂区之间由低密度生物区相连。

总体而言，南侧近于连续分布的繁茂区规模和生物量都远大于北侧离散分布的小型繁茂区。

低密度贻贝区主要位于繁茂生物区边缘，或者较小规模的散布于自生碳酸盐岩出露区，总面积约为930m2。

贝壳/碎屑覆盖区主要位于冷泉区的北西侧和南东侧边坡，外侧为沉积物覆盖海底，内侧多与低密度生物区相连，这一海底特征在繁茂生物群落边缘亦有发育，整体面积约为2200m2。

还原性沉积物位于整个自生碳酸盐岩丘外围并围绕其分布，总体面积约为3300m2。

因此，在海底拼接图像上可识别出的冷泉区面积约为18000m2。

综上所述，通过海底拼接图像，我们首次精细化识别和量化研究了福尔摩沙海脊冷泉区的海底特征，并对其分布规律进行了分析，这些重要信息的获得充分表明了海底拼接图像的重要科学意义和广泛应用前景。

图4台西南冷泉区海底特征分布图

四、结论

本文主要介绍了“发现”ROV搭载的4500m级L1000型成像和激光扫描系统及其在台西南冷泉区的实际应用。

通过对本套系统所获得的30万张带有位置信息的高清照片进行精细拼接，首次获得了台西南冷泉区的高清全幅海底图像。

基于此拼接图像，对台西南冷泉系统的海底表现形式、空间分布规律和规模具有了更加清晰的认识和了解。

该套设备的配置和成功应用，显著提高了我国深远海近海底的测绘能力和水平。

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