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秘境之眼,潜探碧海|第二代海底有缆珊瑚生态在线观测系统

2022/09/16点击次数:

2022年8月,福建台湾海峡海洋生态系统国家野外科学观测研究站东山实验场(以下简称“东山实验场”)在东山近岸海域顺利完成第二代海底有缆珊瑚生态在线观测系统(Coral Ecosystem Cabled Observatory,简称 “CECO-II”)为期两个月的海试工作,运行状态良好,数据已正式入库至厦门大学海洋监测与信息服务中心(MMIS)的海洋云平台。该系统具有实时传输、水下宽视角、运行稳定、维护简便、环境友好等优点,可为近岸海洋生态学研究及多学科交叉研究提供关键技术支撑。

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CECO-II系统主要结构组成示意图

研究背景

福建东山是我国大陆沿岸造礁石珊瑚分布的最北缘,该区域的海水温度满足造礁石珊瑚生长的极限条件,使其群落组成特征与我国广东及南海的珊瑚礁差异显著。东山珊瑚生物群落位于生态位边缘,相对于其他群落更易受到水动力条件变迁、气候变化的影响,对其开展长期监测具有重要科学与环境价值。由于全球变暖导致的生态系统体系转变(regime shift)的过程正在全球范围内缓慢发生。然而,体系转变并非普遍、迅速发生,因此需要通过长时间的连续观测来研究气候变化与生态系统体系转变的过程与联系。原位观测作为海洋生态系统长期观测的主要方式之一,存在维护成本高、生物附着严重、水体浊度影响大、通信连接不稳定、带宽不足等一系列难题,制约原位观测技术的数据质量。

研究进展

2022年3月初,东山实验场成立海洋仪器研发实验室,就现阶段原位观测存在的难题进行专题研究。其中,刘迟迟博士领衔的研发团队对原有系统(CECO-I)进行了优化升级,着重改进了水下摄像头这一核心部件,建立了新一代的海底有缆珊瑚生态在线观测系统。该系统具有成本合理、高带宽通讯、实时传输、宽水下视角、维护需求低、环境友好等优点。CECO-II具备性能如下:

高性能水下摄像系统团队自主研发集成水下高清摄像头,改进光学镜头,满足了超宽观测范围要求,适应了高浊度环境;通过机械刷实现镜头自动清洁、防生物附着效果显著,延长维护周期;改进后的摄像系统具备进水、高温和移动报警功能,保证系统长期稳定运行。

多种观测仪器接驳。新系统具备水下接驳功能,提供标准水密接口,可搭载多种传感器和水下仪器,满足多学科研究需求。目前,该系统集成了多参数水质仪、水听器、浮游生物水下成像仪(中科院深圳先进院李剑平团队研制)等。

高带宽稳定数据连接。系统结合海底电缆传输、无线桥接、有线宽带等传输方式,实现水下视频数据和水环境参数数据的实时远距离传输和远程控制管理,满足多点部署形成观测网络的需求。

观测参数丰富。该系统的观测参数不仅包括了多种水质参数以及典型造礁珊瑚生物群落生长状态的实时监测,同时还运用图像增强技术,进一步优化近岸高浊度水体的水下视频影像数据。通过机器学习及水下视频目标识别,系统还能实现珊瑚覆盖率、珊瑚生长率、鱼类密度、鱼类种类等衍生数据的产出。

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CECO-II核心部件之一:自主研发的

超宽视角水下高清摄像头

该系统的正式上线,满足了珊瑚生态系统长期原位观测的需求,推动了珊瑚生态监测和研究工作中相关问题的解决,提高了我们对高纬度造礁珊瑚如何响应全球气候变化这一问题的认识,并助力我国高纬度珊瑚的保育与生态修复工作的开展。

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系统海试现场

项目支持与成果运用

CECO-II系统的研制与布放获得了由厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室与中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室共同设立的海洋科学与技术交叉创新研究基金资助,同时该系统也为中国科学院与澳大利亚联邦科学与工业组织(CAS-CSIRO)国际合作研究项目“面向蓝色经济支撑的近海水域浮游生物监测新技术与工具研究”提供了示范应用平台。