海洋技术▏侧扫声呐在人工鱼礁跟踪监测中的应用 - 海洋生物追踪技术

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近年来，由于过度捕捞、环境污染等原因，近海渔业资源持续衰退，严重影响海洋渔业的可持续发展，海洋牧场是解决这一问题的有效途径之一。人工鱼礁为海洋牧场的重要组成部分，可改善水域生态、为海洋生物提供良好的产卵场和栖息地。2003年以来，借助国家海洋捕捞渔民转产转业政策，连云港在江苏率先启动了海洋牧场建设，通过实施人工鱼礁、增殖放流等生态工程，修复及优化海域生态环境，保护并增殖渔业资源，为鱼类等海洋生物提供了繁殖、生长、索饵和庇敌的场所，起到了良好的保护、增殖和提高渔获量的效果。虽然在人工鱼礁的设计时已考虑防沉降、防倾覆等因素，但在建设过程中仍会面临上述问题，影响礁区建设效果。因此在后期建设过程中需要对人工鱼礁的沉降、倾覆进行监测，以便更好地对礁区进行管理。目前，对礁体的沉降、倾覆主要通过人工潜水探摸等手段进行评价，但受制于水体能见度、安全与人力成本等因素，监测范围较小、监测成本高、效率相对低。

侧扫声呐是一种专业海底物体探测设备，具有精度高、效率高、分辨率高、海底微地形地貌直接成像的特点，能提供直观完整的海底声学图像，从而获得海底形态，并对海底的纹理特征进行定性描述，是当前海洋探测的重要工具之一。

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国内外已经利用侧扫声呐在人工鱼礁研究领域开展了一系列的研究工作。Li等利用侧扫声呐对其进行分类，对人工鱼礁水域底质特征进行监测；沈蔚等应用侧扫声呐系统进行人工鱼礁建设区域海底底质分类，对建设过程中的鱼礁状态进行了评估；刘永虎等应用侧扫声呐系统估算石料人工鱼礁堆的体积；佟飞等利用侧扫声呐技术提取礁高、沉降率与礁体布局等参数，评估人工鱼礁工程质量。

在已有研究的基础上，利用连云港海州湾海洋牧场2018年采集的侧扫声呐数据，根据阴影长度计算目标物高度的原理，分析对比鱼礁沉降量，评价鱼礁投放工程质量。

一、材料与方法

⒈仪器与调查方法

海州湾国家级海洋牧场示范区位于江苏连云港海州湾内，该海域为渔业和养殖用海区域。2018年7月，采用侧扫声呐(EdgeTech4125型：150m@400kHz、75m@900kHz，Oceanscan，美国)进行海州湾海洋牧场示范区数据采集，采集量程为75m，自动时变增益，测量范围为海州湾海洋牧场示范区外扩至80km2。导航定位系统采用差分GPS系统(天宝SPS461型，天宝，中国)。

图1 海州湾海洋牧场示范区位置

调查海区为连云港海州湾海洋牧场牧区(图1)，平均水深约为12m，礁区涨潮流以NE－SW向为主，大潮涨潮平均流速在0．02～0．55m/s之间，表层为沙质粉沙底。

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调查船租用当地拖网渔船，船速为6km/h，侧扫声呐换能器拖曳于调查船后方10m，距GPS天线约20m，换能器在水下的深度由内置压力传感器记录。侧扫声呐实测前进行0．5h的系统测试，以确定最佳测量参数。对定位偏移等进行修正，并在采集软件中进行归算。

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对连云港海洋牧场区进行全覆盖扫测，按照《海洋调查规范》(GB/T12763—2007)进行，采集的侧扫声呐数据使用SonarWiz5软件进行处理。

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⒉调查对象及规格

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调查对象选取2017年6月投放的方形和“十”字形钢筋混凝土框架结构鱼礁。方形礁规格：2m×2m×2m，礁体外观为立方体，中间镂空，各棱边框架规格为20cm×20cm，经圆角光滑处理，整个礁体为钢筋混凝土结构(图2)。“十”字形礁：该礁以单体礁形式投放布置，选用规格相对较大的3m×3m×3m作为“十”字礁的基本外型尺寸(图3)。

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图2 方形礁

图3 “十”字形礁

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⒊侧扫声呐海底物体高度测量方法

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侧扫声呐平面内的二维尺寸由差分GPS提供的坐标数据和声呐反射时间共同决定，分别决定了沿测线方向和垂直于测线方向的距离，目标物的礁体高度可通过测量其阴影长度和水深等参数计算。

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根据阴影长度计算目标物高度的原理见(图4a)，根据相似三角形原理即可计算出目标物的高度，公式为：

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Ht＝Ls×Hf/R  ⑴

式⑴中，Ht为被测目标以海底平面为基准的高度，Ls为侧扫声呐回波映像图中阴影的长度，Hf为换能器距海底面的高度，R为换能器距物体阴影远端的实际斜距。

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对每个侧扫目标物的前、中、后3个部位进行长度测定(图4b)，取3个数值的平均值(Ls)，以降低船只摆动等对目标物测量造成的误差，每种礁体随机取15个礁体进行测算。将随机选取礁区内15个方形礁体与15个“十”字形礁体的侧扫声呐数据代入式⑴，计算礁体高度，对2种礁体的沉降度计算结果使用SPSS23．0进行单因素方差分析(One-WayANOVA)，P＜0．05表示差异显著。

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(a)礁体高度测量侧视图；(b)礁体高度测量俯视图Ht-目标物高度；Ls-礁体阴影长度；Hf-换能器高度；R-斜距；Ls1-礁体前部阴影长度；Ls2-礁体中部阴影长度；Ls3-礁体后部阴影长度

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图4 侧扫声呐计算人工鱼礁高度的原理示意图

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二、渔礁沉降及形态分析

选取15个影像清晰的方形礁体进行计算分析，实测高度见图5。方形礁体的设计高度为2．00m，投礁1年后，侧扫声呐采集数据的测算结果表明，方形礁体的高度为1.44～1.89m，平均值为1.62m，最高与最低礁体的高度相差0.45m，礁体沉降率为5.5%～28.0%，平均值为18.0%，其中沉降量＜0.5m的占80%，沉降量＞0.5m的占20%。

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图5 方形礁体实测高度

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另选取15个影像清晰的“十”字形礁体进行计算分析，实测高度见图6。“十”字形礁体的设计高度为3.00m，投礁1年后，侧扫声呐采集数据的测算结果表明，“十”字形礁体的高度为2.07～2.76m，平均值为2.42m，最高与最低礁体的高度相差0．59m，沉降率为8.0%～31.0%，平均值为19.0%，其中沉降量＜0．5m的占47%，沉降量＞0.5m的占53%。

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图6 “十”字形礁体实测高度

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侧扫声呐采集的图像数据表明，截至调查时，方形礁体结构总体较完整，提取的图像结果显示部分礁体倾倒、破碎，实际礁体布局与预设2层堆叠式布局有一定的偏差。“十”字形礁体结构总体较完整，实际礁体布局与预设布局亦有一定的偏差。沉降度计算结果的单因素方差分析表明，2种礁体在投放海区的抗沉降能力差异显著(P＜0.05)，方形礁体抗沉降能力优于“十”字形礁体。

应用侧扫声呐获取海底礁区状态信息，表现直观、信息量大、作业效率高(董玉娟等，2015)，可较好地对投放礁体的沉降量、稳定性等建设效果进行评估。虽然测量中仪器分辨率与船体摆动等因素影响礁体勘测准确度，但这种方法是可行的，如能结合多波束测深、高频声呐等手段对礁体状态等进行勘察，将进一步减少礁体辨识度的误差。

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三、讨论与结论

⑴在已有研究的基础上利用侧扫声呐对礁体沉降等进行定量评估，为人工鱼礁建设的可靠性和效率性提供了基础数据支持。研究结果表明，方形与“十”字形礁体经1年时间都出现了一定的沉降，但沉降量有所差异，2种礁体在投放海区的抗沉降能力差异显著(P＜0．05)，方形礁体抗沉降能力优于“十”字形礁体，可能是由于投放时脱钩时间或本底沉积质条件差异等原因所致。

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⑵侧扫声呐图像(图7)显示，2种礁体结构整体皆较完整，个别礁体倾倒破碎(图7c)。可能是由于投礁时投放方式不当，或投放后受海流冲击或起锚、拖网等外部作用力所致。

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⑶礁体的投放布局与集鱼效果及生态修复保护效果有很大的关系，适宜的布局能产生良好的流场效应，增强集鱼效果和生态修复保护效果。Raineault等研究表明，由于礁体流场效应，礁体后尾流速度增加，可能会导致礁体邻近区域沉积质冲淤，可通过声呐图像的明暗变化来评估礁体邻近区域的冲淤状况。目前，声呐图像礁体邻近区域未见明暗相间的斑块，数据表明礁体邻近区域未出现明显的泥沙沉积。

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⑷下一步将利用侧扫声呐结合多波束测深、浅地层剖面仪、潜水等技术手段，在评估底拖网对礁区地貌与礁体结构的影响、礁区海底底质自主分类、鱼礁区藻类生长情况与渔业资源状况评估、礁区流场与礁体结构响应分析等方面进行持续探索，进一步优化鱼礁工程建设质量和效果的评估方法，为海洋牧场建设提供可靠的技术支撑。

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图7 侧扫声呐采集图像

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【作者简介】文/赵刚 李妍 许祝华 张鹏程 范海波，分别来自江苏省有色金属华东地质勘查局地球化学勘查与海洋地质调查研究院和连云港市海域使用保护动态管理中心。第一作者赵刚，男，1988年出生，工程师，主要从事海洋测绘等工作；通信作者许祝华，男，1964年出生，研究员级高级工程师，硕士，主要从事海洋综合管理和生态修复工作。本文为基金项目，2016年度江苏省级地质勘查专项资金项目“连云港(中哈物流园)区域地质环境调查”、“人工鱼礁监测与生态三维虚拟现实系统开发”(SH1608)。文章来自《地质学刊》（2020年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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