海底可视技术在大洋科考中的应用和发展趋势

王苗苗，顾玉民 ，杨 帆

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；3.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

海底可视技术在大洋科考中的应用和发展趋势

王苗苗1，顾玉民2，杨 帆3

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；3.国家海洋环境预报中心，北京 100081）

海底可视技术是一种直观地进行海底调查的手段，在大洋科考调查中发挥着重要的作用。文中介绍了海底摄像、电视抓斗和无人缆控潜水器（ROV）等海底可视设备在大洋科考中的应用情况，并提出了自治水下机器人（AUV）在大洋科考中的应用趋势。

海底可视技术；大洋科考；应用

当前人类消耗的自然资源越来越多，陆地资源日益减少，而占地球表面积的71%的海洋底部却蕴藏着极其丰富的生物资源和矿产资源，因此对海底进行地质勘查成为全世界各国研究热点。海底可视技术伴随人类对海底资源勘查、研究的不断深入得以快速发展。在地质科学领域，对地质体的目视观察从来都是地质调查的重要组成部分。地质体的色彩和质感，露头的形态、产状等等，都提供了其他方法、资料无法提供的信息。海底地质调查最大的特点是调查对象被海水覆盖，在早期调查人员无法接近海底调查对象，甚至不能直接观察探测对象，所开展的各种勘查工作，包括采集样品都是在看不到探测对象的条件下进行的。地质样品的采集缺乏赋存状态和地质背景资料，严重影响着海底地质调查探测的实际效果。为此，发展海底可视化技术，实现海洋地质调查人员能够对海底微地形、地貌和地质特征进行直接的观察，并配以其他海底勘查装备（如水下定位、采样设备）实现通过海底摄像目视观察探测对象的定点探测和采样，从而大大提高海底地质勘查的能力和效果，提高工作效率，其意义无疑是重大的。当前国际上应用的海底可视装备主要有海底摄像系统、无人遥控潜水器(ROV)、自治水下机器人（AUV）、载人潜器以及具有可视功能的取样设备电视抓斗、海底潜钻等。

本文主要以国家海洋局“大洋一号”科考船装载的“深海摄像系统”、“电视抓斗”和“无人遥控潜水器(ROV)”3类可视化装备的应用情况结合本人参加航次的实际体会，就海底可视技术在大洋科考中的应用和发展趋势作简要阐述。

1 海底可视技术在我国大洋勘探中的应用

1.1 我国海底可视化技术的发展

可视化技术在我国大洋资源勘探中的应用较西方发达国家起步晚，以美国、俄罗斯、日本等为首的发达国家，可视化技术在海底资源勘查中的研究和应用，最早可追溯到20世纪50年代，在70年代后期西方发达国家可视化技术已发展成熟，其可视化设备特点主要是以光学、声学探测并集合机械手等实现精确取样的大型综合探测设备为主，如ROV、AUV等。在我国20世纪90年代以前，海底调查多以不可视的手段为主，90年代末引进和自行研发了具有可视化功能的探测设备，但开始主要还是以光学单一功能设备为主，如“海底黑白电视”、“海底照相”等，随着我国大洋勘探开发的不断深入，可视化技术得以突飞猛进的发展，具有代表性的是由中国地质科学院矿产资源研究所研制的“深海彩色数字摄像系统”，在海底可视化技术上取得了多项关键技术突破，通过同轴电缆实现了6 000 m水深的高清海底摄像，并集成海底照相技术实现可视遥控拍照，尤其是研发的万米同轴电缆上实现视频信号与甲板供电电流同缆传输技术，解决了早期的靠水下电池供电受电能限制水下工作时间短的弊病。在高清数字影像的基础上，实现了双目平行立体式立体摄像系统，摄像作业人员不但可实时观察到海底，而且是三维立体观测，可量测海底目标的大小尺寸，为地质科技人员研究与矿产分布有关的海底微地形地貌提供更直观、科学的观测手段。其技术水平达到国际领先水平，目前已开发出适合不同作业特点、不同应用形式的摄像系列产品，通讯介质也从单一的同轴电缆发展到光电复合缆等多种线缆。同期，广州海洋地质调查局、国家海洋局第二海洋研究所、上海交通大学、中国海洋大学等单位也进行了相关技术的研发。摄像系统研发的成功，推动了相关海底可视化技术的研发和应用推广，如电视抓斗，海底潜钻等取样设备，在增加了可视化技术功能后，使得作业效率大大提高，替代了早期以拖网等无可视功能为主的传统取样设备，实现了目视观测下有重点区域的取样，大大提高了取样目的性和工作效率。同时，大型综合可视化海底探测装备在我国也取得了突破性进展，采用引进集成与自主研发相结合的方式研发的无人有缆遥控潜水器（ROV）取得成功，如国家海洋局的“海龙”号和广州海洋地质调查局的“海狮”号，目前已进入大洋作业实用阶段。中科院沈阳自动化研究所研发的自治水下机器人（AUV）即无缆水下机器人在专业领域也得到了应用。目前我国自行研制的7 000 m载人潜器，近期已通过5 000 m下潜试验并获成功。这些都标志着我国海底可视化技术已达到国际先进水平，将在我国海洋资源利用与研究中发挥重要作用。

1.2 海底摄像

海底摄像作为可视化直观观测调查手段，在大洋科考调查中发挥着极其重要的作用。该系统由甲板控制单元、甲板供电单元、通讯单元，以及水下电子舱、摄像头、高度计、深水灯等组成。其应用到大洋结核、结壳、热液硫化物以及天然气水合物等能源的考察工作中,获取了大量的极具价值的视频数据资料,为我国大洋调查做出了重要贡献。

早在1998年由中国地质科学院矿产资源研究所和广州海洋地质调查局联合研发的“深海彩色摄像系统”装载于我国综合科考船“大洋一号”和“海洋四号”上，在太平洋工作区进行了大洋富钴结核、锰介壳的调查工作，取得了海底重要视频资料；2001年在南海天然气水合物调查中取得了水合物存在的地貌特征标志——碳酸盐介壳。2003年“双目立体式摄像系统”，在大洋多金属结核、结壳调查作业中，取得了大量立体观测视频资料，通过“立体视图像反演解释系统”（“双目立体式摄像系统”配套软件系统）对立体视频资料反演，重构海底三维微地形、地貌，对研究海底矿产有关的地貌特征具有重要意义。2007年利用升级后的深海摄像系统我国首次在西南印度洋中脊拍摄到海底热液活动区影像，这也是国际上首次在该区发现海底热液活动区，为海底热液硫化物调查取得了宝贵的基础资料。

“海底摄像系统”自20世纪90年代末一直应用至今，已成为大洋海底作业常规的作业手段。由于海底摄像使调查人员可以对海底直接目视观测，故可选用适当的采样手段（抓斗、浅钻等），选择合适的采样点，采集泥样、水样、气样,并可将声学、热学、力学、电化学等多种传感器搭载到摄像拖曳体上进行多参数综合探测。通过高分辨率水下电视与录像对海底进行直接、连续地地质观察,可获得宝贵的图像信息,有经验的地质专家可从中识别出各种地形、地貌、地质和构造现象[1]。摄像拖体上搭载的各种原位探测传感器的数据信息，可用于分析近海底海水中与矿产有关的异常信息，对海底矿产成因的研究和确定新的找矿靶区有指示作用。

2010年12月，本文第一作者参加了大洋第22航次的科考任务，在西太平洋成功观测到清晰的结核视像（图1），为地质工作者估算结核的丰度提供了依据。

图1 西太平洋结核照片

1.3 电视抓斗

电视抓斗是一套海底摄像连续观察与抓斗取样器相结合的可视地质取样器。系统由机架、斗体、电池供电单元、液压动力装置和甲板监控单元等组成。主要用于海底块状硫化物、多金属结核、结壳及其他沉积物的采样。由于可以在甲板直接进行海底观察的同时进行遥控定点采样，故而很大程度上提高了采样的有效率和成功率。此套设备在大洋中应用广泛，是先进的采样取样器。

2003年6月，电视抓斗装载于“大洋一号”科考船上，经过多年的应用实践该设备日趋成熟。目前已成为“大洋一号”作业的重要设备之一。本人参加的大洋第22航次科考中，电视抓斗亦在应用中。

1.4 无人缆控潜水器（ROV）

无人缆控潜水器 (RemotelyOperated Vehicle,简称ROV)是通过脐带连接潜水器与水面控制设备，通过水下电视、声纳等专用设备进行实时观察，由操作手在水面实现远程遥控，并通过机械手进行水下作业[2]。深海ROV是当今国际海底探查中的高新技术代表，是一个国家综合国力的象征。

“海龙”号ROV是我国具有自主知识产权的第一台具有3 500 m作业深度的ROV[3]。由潜水器、中继器、脐带缆、A字架、止荡架、绞车、控制室和电源等几大部分组成。“海龙”号ROV主要用于3 500 m深度以内的大洋海底调查活动，包括海底热液矿物取样、大洋深海生物基因和极端微生物的研究以及探索人类的起源等。

2009年，在我国大洋第21航次科考中，“海龙”号ROV首次成功进行了试用，在东太平洋海隆“鸟巢”黑烟囱区观察到了罕见的巨大硫化物“黑烟囱”，并用机械手准确抓获了约7 kg黑烟囱喷口的硫化物样品。于2010年12月开始的我国大洋第22航次科考中，“海龙”号ROV正式投入使用；并于第二航段中，采用无中继器布放模式，完成了多站作业任务，成功采集到海底多金属硫化物和生物样品，还同步拍摄了高清晰的海底照片和作业全程视频影像（图2）。

由广州海洋地质调查局负责研发的“海狮”号ROV，已在我国新造大洋科考船“海洋6号”上海试获得成功，进入到实地作业区试生产阶段，将成为我国海域天然气水合物勘查的又一利器。

图2 “海龙”号ROV海底作业

1.5 三套设备应用对比

海底摄像的主要作业目的是快速完成大范围工作区勘查，在工作区沿预先设计的作业侧线完成拖曳作业，拖曳速度一般在2～3 kn，实时传输海底视频影像到甲板监控室，科研人员对重点目标有选择控制照相获取高清影像照片。一次下水作业可从几小时到数十小时，地质调查人员根据摄像、照相资料对海底微地形、地貌以及地质现象（构造、产状、形体等）进行判别，从而确定重点工作靶区，为进一步勘查如定位采样分析等提供基础数据资料。立体摄像可以通过三维反演，重构三维海底微地形并可进行精确尺寸量测。实际海底作业中，海底摄像一般作为其他调查手段的先导手段，在海底资源勘查作业中有重要作用。

电视抓斗是具有电视摄像机的海底采样设备。作业目的是采集海底样品，一般是在海底摄像作业获取的海底视频资料（或前期地质调查资料）基础上通过判别分析确定的重点小范围内定点取样。操作时用深海绞车将采样器投放到离海底5～10 m的高度上，以1～2 kn慢速航行并通过船上的电视显像设备连续观察海底寻找采样目标，一旦找到目标立即用船上操纵板将采样器沉放到海底并关闭采样爪捕抓样品。

大洋一号装载的遥控水下机器人(ROV)是水下机器人的一种，即有缆水下机器人，ROV系统的作业目的主要是海底高精度（观测、取样与定位）作业。为了达到高精度作业的目的，在其设计结构上远比海底摄像、电视抓斗复杂得多，前两者均属于无自主动力的靠船载铠装缆拖曳方式作业，不能准确海底定位，也不能自主移动，而ROV系统则采用中继器和零浮力脐带缆结合自身的推进器实现有限范围的自主移动，同时采用超短基线等水下高精度定位系统，水下机械手实现准确的定位观测和样品采集。系统同时携带多种声学系统和各种探测传感器，实现多功能性综合海底探测作业。目前装载于“大洋一号”科考船上的“海龙”号ROV配有两个机械手以及可扩展多种功能的取样器，综合作业能力强。

“大洋一号”是我国具有综合远洋科考能力的较先进的科考船之一，目前其装载的3种可视化设备即海底摄像系统、电视抓斗、遥控水下机器人（ROV）从一个侧面反映了可视化技术在我国大洋作业中的发展历程，同时也表明了不同作业目的、不同作业性质而采取的不同系统设计。正因为此，3套设备在近年来我国的大洋科学考察中，根据不同的海底调查目的选用不同的可视化设备进行有针对性作业。例如，在通常的实际作业中，首席科学家首先采用作业成本低的深海摄像系统沿测线进行摄像作业，得到较大范围的海底视像资料，从中重点选择靶区进行小范围的电视抓斗取样作业，在此基础上，科学家获得了地质认识，再启动综合探测能力强、具有高精度水下定位能力的水下机器人ROV对海底探测目标作进一步论证和研究，这已成为目前大洋资源科考的代表性的作业模式。

2 海底可视技术的发展趋势

海底摄像和电视抓斗因其制造、作业成本低和操作相对简便在大洋科考中应用广泛，但是两者也有不足之处。首先，由于两者自身不具备动力支持系统，靠船载电缆刚性连接拖曳作业，不能满足水下航迹精确定位要求；电视抓斗自身重量大，拖曳范围受到限制，长距离拖曳易造成电缆受力超负荷而损坏，给作业带来不安全隐患；此外，由于海底的地形上下起伏不可避免地碰撞拖体，不仅对设备本身容易造成一定的损坏，而且对海底环境也会有一定的损害，特别是电视抓斗在进行无动力被动采样时，对海底的原始环境造成的破坏比较大，在海洋环境保护的重要性日益凸显的当今来说这无疑是个挑战。

作为“大洋一号”船上科技含量最高、操作最为复杂的一套设备，无人缆控潜水器（ROV），目前在实际应用中采用去掉中继器的布放模式，这种模式主要考虑设备安全，防止设备丢失，且设备操作相对简单，但缺点是在水下活动范围和机动性能大大降低。

随着当今高新技术的日益发展,自治水下机器人和载人潜器在海洋开发中成为热点。自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）自带能源，依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成人赋予的使命，可以分为智能式和预编程式两种[6]。由于与母船没有直接的物理连接，其具有水下作业期间不依赖于母船、活动范围大、不怕电缆纠缠、功能多样和作业时耗费人力少等优点。AUV由载体系统、控制系统、长基线定位系统和探测系统构成[7]。控制系统是AUV的核心，负责其在水中的运动及所有机载设备的控制；长基线定位系统用来确定其在水中的位置；探测系统主要用于海底地形地貌和剖面测量，录像、照相及其他水文参数测量等。AUV有较完善的避碰系统,可以在较为复杂的海底地形条件下通过程序控制按预定测线进行自治航行,自动进行换线转弯等操作[8]，使得碰撞的几率大大降低。再者，AUV没有拖缆，海况变化的影响就相对较小，且活动范围比ROV更大；更重要的是，在无缆束缚的情况下，其可以进行对目标物的全方位多角度不干扰的拍摄，能提供更有价值和更真实的研究资料。

1995年,在中国大洋矿产资源开发研究协会支持下，国内多家单位和俄罗斯合作研制开发“CR-01”型6 000 m自治水下机器人，并于1997年在太平洋中国矿区完成了各项海底试验调查任务，获得了大量数据和资料。其主要用于海底平坦地形的多金属结核矿区工作环境，探测内容只限于声学、光学和水文测量[9]。2000年，经过改进研制出“CR-02”型6 000 m自主水下机器人[10]。近年来，又研制出复合型智能潜水器ARV样机，综合了自治水下机器人和遥控水下机器人的各自优势，既可以像AUV一样依照预设指令进行自主航行，也可像ROV一样通过水面视频画面监测遥控进行精细作业[11]。

我国自主研发的7 000 m水下机械人已研制成功，2011年7月份已完成下潜5 000 m实验获得成功。发展大型综合的水下机械人对海底资源进行精细结构调查，既提高了调查资料的可靠性，同时也符合当前地质调查工作强调资源保护的新的勘查理念，符合国际发展的趋势。

总之，自治水下机器人由于其优势必将成为今后大洋海底调查的重要设备。再者，由于技术的进步，ROV、AUV及水下载人机器人正向着更加小型化、远程化、智能化、灵活化、群体化发展，将成为未来名副其实的海洋智能机器人。

3 结论

随着我国对海洋调查的日益深入，对调查设备也提出了更高要求。海底可视化设备即海底摄像、电视抓斗和无人遥控潜水器（ROV）目前已成为大洋作业的主力设备，随着自治水下机器人、载人潜器的研发成功，海底可视化技术已得到广泛应用，定会为我国大洋科考事业做出重大贡献。

[1]顾玉民,赵金花,吴宣志.MPEG4在海底彩色电视监控系统中的应用[J].海洋技术,2004,23(3):46-58.

[2]张汉泉，吴庐山，张锦炜.海底可视技术在天然气水合物勘查中的应用[J].地质通报,2005,24(2):185-188.

[3]张艳.揭秘“海龙”号海底机器人[N].中国海洋报,2011.

[4]张晓东,金淑英,张培良.第十三届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C],2001.

[5]徐鹏飞,崔维成,谢俊元,等.遥控自治水下机器人控制系统[J].中国造船,2010,51(4):100-110.

[6]封锡盛.从有缆遥控水下机器人到自治水下机器人[J].中国工程科学,2000,2(12):29-33.

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[9]赵涛,刘明雍,周良荣.自主水下航行器的研究现状和挑战[J].火力与指挥控制,2010,35(6):1-6.

[10]封锡盛,李一平,徐红丽.下一代海洋机器人写在人类创造下潜深度世界记录10912 m50周年之际[J].机器人,2011,33(1):113-118.

[11]王磊,刘涛,杨申申,等.深海潜水器ARV关键技术[J].火力与指挥控制,2010,35(11):6-8.

Application and Development Trend of the Sea-floor Visualization Technique in Ocean Scientific Survey

WANG Miao-miao1,GU Yu-min2,YANG Fan3
(1.China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China;2.Institute of Mineral Resource,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037,China;3.National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081,China)

The sea-floor visualization technique is a method to investigate the sea-floor directly,which has played an important role in ocean scientific survey.Three kinds of sea-floor visualization techniques applied in the ocean scientific survey were introduced,including the sea-floor video system,TV grab and remote operating vehicle (ROV).Finally,the development trend of AUV in the survey on ocean mineral resources was brought up.

sea-floor visualization technique;ocean scientific survey;application

P71

B

1003-2029(2012)01-0115-04

2011-09-20

国家高技术研究发展计划（863）资助项目（2006AA09A205）

王苗苗（1986-），女，在读硕士研究生，主要研究方向为资源勘探。

顾玉民（1962-），男，副研究员，研究方向为找矿综合方法技术。