珊瑚礁监测技术发展现状及原位在线监测建设

吕意华， 娄全胜， 吴 鹏， 陈志强，方宏达，陈耀祖，陈 栋

（1. 国家海洋局南海环境监测中心，广东 广州 510300； 2. 中国海洋大学 海洋与大气学院，山东 青岛 266100；3. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021）

珊瑚礁生态系统是地球上净生产力最高、生物多样性最丰富的生态系统之一，全球有5 亿人直接依赖珊瑚礁生态系统生活，它们为人类提供了食物、旅游、休闲、美学和海岸带防护等诸多方面的生态和经济价值。全球珊瑚礁总面积估计为28.43 万km2，主要位于印度洋-太平洋地区（包括红海、印度洋、南海和太平洋）、大西洋地区和加勒比海海岸，其中东南亚附近的南海海域珊瑚礁面积占世界珊瑚礁总面积的32.3%。我国珊瑚礁面积居世界第8 位，主要分布于广东、广西、福建、台湾、海南沿岸以及南海诸岛[1]。

随着沿海地区社会和海洋经济活动强度不断加大，在全球气候变化和人类活动的双重压力下，全球珊瑚生态健康状况日益衰退。根据世界资源研究所2012 年的《珊瑚礁危机再探》报告显示[2]，目前世界上75%的珊瑚礁正遭受着破坏和威胁。在占世界珊瑚礁总面积1/3 的东南亚海域，已有56%的珊瑚濒临灭绝。气候变暖，海洋酸化、富营养化以及破坏性渔业生产和盗采等人类活动是珊瑚生态系统最直接的杀手。我国海域的珊瑚资源退化状况亦极为严重，如西沙岛礁周边海域的珊瑚覆盖率从2005年的65%下降到了2015 年的15%。因此，如何有效地监测珊瑚礁生态系统，使管理部门能够及时采取保护措施，防止珊瑚礁生态系统退化，已成为珊瑚礁辖域各个国家亟需解决的环境问题。本文将从珊瑚礁传统监测方法和自动化监测方法两个方面对目前珊瑚礁监测技术进行论述。

1 传统监测

目前，国内外对珊瑚礁生态系统进行监测的技术手段基本相同，主要是采用1997 年发布的《热带海洋资源调查手册》[3]中制定的传统调查技术和方法，例如截线样带法等。该方法由潜水员携带专业水下摄相机对珊瑚礁生物、种类、存活硬珊瑚覆盖度以及生物多样性指数等指标进行拍摄、记录和鉴定，部分难以在水下完成的分析则需采集照片和样品并带回实验室做进一步的研究。具体步骤包括：水下相机的组装和保护、珊瑚鱼类人工断面鉴定和计数、水下珊瑚礁摄影、水下及水上监测位点的标记以及实验室统计分析[4]。这种珊瑚礁监测技术可以对监测区的珊瑚礁做详细的调查，因此得到广泛应用并延续至今。目前，澳大利亚海洋科学研究所、美国伍兹霍尔海洋学研究所和中国科学院南海海洋研究所分别应用该方法对大堡礁、加勒比海和西沙海域的珊瑚礁进行调查并取得了显著成果。该方法高度依赖天气、海况和调查人员，对作业和分析人员的专业性要求较高，调查过程中作业人员需连续潜水作业，因此风险较大，监测效率偏低。此外，该方法不能监测到低温和生物暴发等突发事件对珊瑚礁生态系统的影响，亦难以实现大尺度的珊瑚礁生态系统监测。

2 自动化监测

近年来，随着叶绿素荧光技术、放射性水平测量技术、水面光谱测量技术、水下成像技术、卫星遥感和自动化水下机器人等新方法新技术的发展，珊瑚礁生态系统的水下监测技术取得了长足的进步。

2.1 叶绿素荧光技术

珊瑚礁白化是由于珊瑚失去体内共生的虫黄藻或共生虫黄藻失去体内色素而致使五彩缤纷的珊瑚礁变白的生态现象。叶绿素荧光技术是以造礁珊瑚的叶绿素荧光动力学和虫黄藻的光合作用理论为基础，利用珊瑚礁共生藻体内叶绿素变化来研究和监测珊瑚礁变化的技术。德国乌兹堡大学的Ulrich 等于1983 年利用该技术研发了一款可以原位研究水下植物（大型海藻、水草、珊瑚、“藻垫”和附着藻类等）光合作用的仪器——DIVING-PAM。该仪器可应用调制测量光来选择性地测量活体叶绿素荧光，从而通过监测珊瑚礁中共生虫黄藻的荧光参数变化来表征珊瑚礁的健康状况。其特点在于能够快速、可靠地测量光合作用光化学能量转换的实际量子产量。DIVING-PAM 是目前发展最好的叶绿素荧光检测仪，其作业深度可达50 m，在欧洲、美国、大洋洲、日本甚至是南极、北极地区都有广泛应用[5-6]。DIVING-PAM 的操作非常简单，只需数秒即可得到测量结果，但是仍需要潜水员进行水下作业完成。Ramesh 等[7]使用YOUTHINK UV-A 黑光手电筒测量珊瑚荧光，对患病和受损的珊瑚以及新生成并附着在沉淀物上或被藻类覆盖的珊瑚进行了识别研究。与DIVING-PAM 相似，YOUTHINK UV-A也能迅速得到观测结果，相比传统调查方法极大提高了观测效率。

2.2 放射性水平测量技术

放射性核素在多数情况下都是人为产生的，自1940 年以来，人类便通过各种途径有意无意地向自然界输入放射性核素[8]。这些放射性核素可能会对人类以及生物种群造成严重威胁。例如，珊瑚礁鱼类体内的放射性核素可能通过食物链进入人体，也可能通过潜水这类直接暴露于辐射环境的方式对人体造成影响。

Lin 等[9]使用高纯锗（HPGe）γ 能谱仪对南海珊瑚礁三角区12 个采样站点的珊瑚礁底质和活珊瑚骨骼的放射性核素水平进行了调查研究，结果表明研究区域珊瑚礁具有典型的放射性状态，不存在人为因素导致的放射性核素的沉降区。

2.3 水面光谱测量技术

珊瑚礁底质的光谱反射率存在相似性和多样性，这些因素会严重影响珊瑚礁遥感监测的结果。因此，对珊瑚礁底质光谱反射率的实际观测可以为珊瑚礁遥感提供数据支撑。水面光谱测量技术是观测珊瑚礁底质光谱的一种常用技术。水面光谱测量依赖于光谱仪，相比于卫星光谱分析，它具有更高的准确性和灵活性。

杨君怡[10]采集了西沙群岛七连屿周边海域典型珊瑚礁的底栖生物样品，并使用ASD Field Spec Dual 双通道光谱仪对其进行了光谱测量，得到珊瑚礁底质光谱特征。Karpouzli 等[11]利用GER 1500 光谱辐射计测量得到了西加勒比海珊瑚、藻类、海草和沉积物等17 种珊瑚礁生物群的光谱反射率。

2.4 水下成像技术

菲律宾大学Francis 等[12]设计和制作了一种廉价的船载水下摄影机Teardrop 用于珊瑚礁监测。该设备主要由水下相机、嵌入式GSP 以及铝合金固定框架等3 部分组成，并固定在船只上，随船只航行时对目标海域的珊瑚礁进行摄影并记录地理位置信息。针对深水和特殊海底地貌区域珊瑚鱼类的监测，澳大利亚海洋科学研究所研发了一种诱饵水下遥感摄影机，可携带鱼类饵料，从而对目标海域的珊瑚礁鱼类进行有效观察，为珊瑚礁生态系统的客观评价提供数据支持。随后，该研究所在大堡礁的不同区域布放了多个海洋浮标，组成无线水下遥感网络。每个浮标均搭载水上水下摄像摄影机及其他多种海洋观测仪器和设备，可同时观测海水温度、盐度、pH 值、pCO2、浊度、光照和水下视频图像，对该海域的珊瑚礁生态系统进行监测和预警[13-14]。Licuanan 等[15]利用固定在观测基地上的数码相机对菲律宾海2014-2018 年期间的珊瑚礁生态环境进行了监测，结果发现珊瑚礁覆盖率呈下降趋势，其珊瑚礁总量在过去10 a 内减少了约1/3。

我国海南省海洋与渔业科学院李元超等[16]开发了一种珊瑚礁水下原位监测系统，主要由数据采集部分、数据传输部分、基站和远程终端等4 部分组成。李元超等于西沙群岛赵述岛附近海域建立了观测站点平台，对该系统进行了长达1 a 的海上试验。观测平台采用水中支架的安装方式，在水深6 m 处安装各种水质传感器及水下摄像机，水面以上的支架安装发电机、数据采集器和发射装置等。观测系统可获得海水pH 值、溶解氧、浊度、叶绿素和盐度等海洋环境要素和水下录像的长期连续观测数据。基于观测结果，李元超等研究了试验海区的水质参数、珊瑚礁覆盖率、种类数量和珊瑚鱼类密度等的时间变化特征，结果表明该海域的珊瑚礁生态系统正在恢复。

该方法将海洋监测人员从现场海洋监测中解放出来，具有很好的应用前景，有望实现偏远海域珊瑚礁的连续原位监测。但是，该原位监测系统也有其不足或者尚待改进的地方，如在高温高盐的海水环境下如何防止腐蚀和海洋生物的附着，如何保证高清影像数据的稳定传输，如何及时对系统进行快速维护和修理等。此外，对于大面积的珊瑚礁原位监测，研究人员需搭建较多的监测站点，这将极大提高运维成本。

2.5 遥感技术

遥感技术是调查和监测珊瑚礁结构组成的一种有效手段，主要分为遥感影像分析和海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）分析两类。遥感影像分析本质上是基于卫星或者航空影像，对珊瑚礁的高光谱特征进行分析，从而得到珊瑚礁区域的整体生态特征。而SST分析则直接从影响珊瑚礁生存的主要因素——海水温度出发，对珊瑚礁状态做出评估和白化预警。

近年来，遥感技术在国内外的珊瑚礁监测中得到越来越多的应用。蔡玉林等、孙旋等都使用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）基于卫星SST数据开发的珊瑚礁白化监测产品，分别对南海区域和西沙群岛珊瑚礁白化监测进行实例分析[17-18]。黄建波[19]使用多种卫星遥感影像数据分析了南海珊瑚礁的高光谱特征，给出了珊瑚岛礁类型、岸线、潮间带、湿地等目标的高空间分辨率遥感信息的提取结果。徐兵[20]对ETM+、QuickBird、IKONOS 和SPOT 5 等几类常用传感器进行光谱响应分析，为遥感监测工作提供了光谱学基础。除卫星遥感技术以外，航空遥感影像也有较多的应用。Andréfouët 等[21]使用小型机载光谱成像仪（CASI）数据来展示藻类和珊瑚之间的光谱差异。Touria 等[22]则结合航空影像、卫星影像和雷达数据，提出了HCAI 指数，用于珊瑚礁演变的定量分析。

美国和法国等国均利用卫星遥感手段对珊瑚礁生态系统进行监测和风险评估。Guild 等[23]基于卫星遥感技术开发出全球监测珊瑚礁白化方法，采用热点和周热度两个主要指数，对大面积的珊瑚礁实行卫星监测。Eric 等[24]测量了12 种珊瑚礁栖底物质的光谱，指出珊瑚、海藻的反射率值都比较低；沙的反射率值最高，且缺少峰谷特征，最容易与其他物质区分。另外，法国研究者Julie 等[25]在研究如何设立珊瑚礁保护区时发现通过高分辨率（0.6～10 m）的卫星，可以对分布于浅水区的珊瑚礁生态系统中的珊瑚礁本身及其他环境因子进行遥感监测，如珊瑚礁的地理位置、覆盖率、多样性和底质成分等。非珊瑚礁间接监测因子，如海水的水温、浪高、浊度、叶绿素和其他有颜色的有机质浓度等，气象因子如风、雨、光照、云覆盖等，也可对附近陆地的植被覆盖、城市增长等进行监测，并结合这些监测结果评价目标海域的珊瑚礁健康状况。但由于珊瑚的光谱特性及其变化均较为复杂，甚至同种珊瑚的光谱也存在明显差异，充分理解珊瑚光谱的总体趋势和变异原因是进行光谱识别的关键。

卫星遥感技术的最大优点是可实现大尺度海域的珊瑚礁监测，但是目前还没有专门针对珊瑚礁监测设计的卫星传感器，而水域环境下的辐射亮度变化范围小，只占陆地卫星传感器对辐射亮度整个相应范围的很小一部分，因此降低了图像的对比度。此外，该方法由于忽略了可致珊瑚礁病变或者白化的因素（如光、水动力学、珊瑚与虫黄藻的关系等），使得其监测的时空分辨率不够精密，对局部海域的珊瑚礁退化预警表现得不尽如人意。

2.6 水下机器人技术

随着水下机器人技术的发展，水下机器人也开始应用于深海勘察、采样、渔业资源调查和海洋监测[26-27]。加拿大Bárbara 教授等[28]通过多波段声呐和水下机器人摄影的方法，对阿拉斯加附近海域深水区珊瑚礁和海绵的生境进行绘制。水下机器人一般需要操作人员在船上遥控，且一般贴海底运行，其工作效率较低，不利于大面积珊瑚礁海域的快速扫描和监测。针对这一缺陷，美国康涅狄格大学的Morgan 等[29]通过预先设定水下机器人的工作高度和操控程序，使水下机器人悬浮于距离海底一定的高度，根据预定程序实现水下机器人对目标海域珊瑚礁的快速自主监测。但是其图像分辨率相对较差，在珊瑚礁种类鉴定时具有较为明显的局限性。清摄像机，对珊瑚礁生态环境进行视频监测。这种结合水下摄像机与水质探头的监测方式一定程度上拓展了监测范围，有利于准确评估珊瑚礁的生存状态。海底有缆在线监测系统获取的监测数据经专门定制的海底电缆传输到岸基监测站，从而实时、连续地监控受试点珊瑚礁生态环境的变化。此外，通过定期对海底监测系统进行维护和保养，能够确保监测系统的正常运行，实现珊瑚礁生态系统的原位长期、连续、实时、在线监测和评估，为珊瑚礁生态系统的保护和治理提供数据支撑。

图1 海底观测系统布放

3 原位在线监测

3.1 监测系统

由于现有珊瑚礁调查方法主要依赖实地采样和数据分析，难以对偏远的珊瑚礁区域实行长期原位的系统监测。因此，建立一种可以独立野外运行、快速准确地描述珊瑚礁生态系统健康状况的原位监测技术是非常有必要的。近年来，原位监测技术仍处在探索状态。李元超等[16]在西沙群岛成功设立珊瑚礁原位观测站点，获得了长时间珊瑚礁观测数据，其观测结果表明，实验海区的珊瑚礁生态系统正在恢复。熊小飞等[30]针对目前珊瑚礁生态环境监测技术实时性、连续性等方面的不足，提出了一种新型监测系统解决方案，利用海底电缆连接海底原位监测系统，将观测数据传输至岸基测站，由岸基控制系统将数据经地面网络转发至监测控制中心，从而实现对珊瑚礁附近海域各水文生态参量的实时连续观测。

为了更好地了解和掌握南海珊瑚礁生态系统随时间的变化规律，本文基于熊小飞等[30]的监测系统，选取南海某岛礁附近受人类活动干扰少、尚属健康状态的珊瑚礁生态系统作为监测对象，建设了原位有缆在线监测系统（图1）。该监测系统以海底原位监测系统、岸基监测站为核心。海底原位监测系统布放在海域受试点底部，与熊小飞等[30]不同的是，除各种水质探头外，系统还集成搭载了水下高

3.1.1 海底原位监测系统 海底原位监测系统是珊瑚礁监测系统的核心构架之一，其主要功能是对受试点水域的珊瑚礁进行长期、连续和实时监测。该系统的中心控制系统由能源供应分配、电源管理通信和数据采集控制3 个模块组成。能源供应分配模块负责将岸基监测站通过海底电缆接入的电压进行降压转换，再根据实际需要对电压进行分配处理；电源管理通信模块负责传感器电源管理与通信协议转换；数据采集控制模块主要负责与岸基监测站进行通信，进行传感器采样配置、数据采集与实时传输。此外，海底原位监测系统集成安装了一台高清摄像机，其水下拍摄广角为80°（图1），可清晰地观测珊瑚礁的时间变化特征。

3.1.2 岸基监测站 岸基监测站布设于监测海域附近，其主要功能是为海底原位监测系统供给电力并实现数据和指令的实时交互传输。岸基监测站主要由电源管理、监测控制两个模块组成。电源管理模块为海底原位监测系统提供稳定电源；监测控制模块负责与原位监测系统进行数据和指令交互，同时进行监测数据的存储备份。

3.2 业务化运行

原位监测系统建设完成后即实现自动业务化运行，截至目前，业务化运行时间已达1 a 有余。如图2 中的黄色长方形框显示，监测范围内的珊瑚退化严重，部分滨珊瑚和蔷薇珊瑚从发生白化到死亡的时间仅有1 个月左右，而6 个月内基本完成了珊瑚“白化—死亡—微藻附着—珊瑚骨骼腐烂—大型藻占领”这一退化周期。这说明该原位观测系统可实现对珊瑚礁生态系统的长期、连续监测，对进一步了解珊瑚礁生态系统的时间变化规律、趋势特征及其影响机制具有重要意义。

图2 珊瑚礁在线监测白化过程监测实景图

总体而言，原位监测技术利用海底电缆很好地解决了水下原位观测系统的稳定电力供给和高清视频信号的传输问题，成功监测到了珊瑚礁退化的全过程，因此可实现重点监测海域长期、连续、实时、在线监测。

4 总结与讨论

综合上述国内外珊瑚礁研究机构对珊瑚礁的研究方法可发现，目前人们利用海洋监测自动化等高科技手段对珊瑚礁生态系统的调查和监测的应用还处于研究或者试验阶段，现有自动化监测手段受限于各自的技术特性，自成一体，并未充分发挥多源、多手段集成监测优势，无法高效协同，难以全面、细致地对珊瑚礁生态系统实现有效的监测。因此，综合利用上述珊瑚礁监测方法，努力开发或集成新的、高效安全的和可推广应用的珊瑚礁生态系统自动化监测技术是未来珊瑚礁监测的发展方向。

因此，为了更有效地监测珊瑚礁生态系统的时间变化规律及其趋势特征，本文基于前人提出的原位在线监测技术，于南海某岛礁海域建设了珊瑚礁生态环境原位在线监测系统，并进行了1 a 多的业务化运行。结果表明，该监测系统能够实现珊瑚礁的长期、实时、连续监测。但是需要指出的是，其监测范围仍然有限，无法实现较大空间尺度的珊瑚礁生态系统监测。