水下微距成像采集系统在河湖底栖生物多样性原位调查中的应用研究

摘要

底栖大型无脊椎动物是河湖水质、水生态健康评价的重要指示生物，抓斗、彼得森采泥器等传统底栖采样方式采集底泥样本，底栖生物离开原生栖息环境，易造成个体损伤，且无法观测生物在底泥表面原生栖息状态。本文采用搭载水下微距摄像模块的底栖生物图像采集仪，依托100米线缆、船载手持终端、便携式电池供电方案，探头下放至湖底，近距离原位拍摄底栖生物、底泥界面高清微距图像，无扰动获取底栖生物原生栖息影像，实现底栖生物非采样式原位调查。通过野外河湖现场试验，验证微距成像设备识别螺类、水生昆虫幼虫、贝类等常见底栖生物的能力；探讨原位成像调查在底栖生物多样性快速筛查、生境观测方面应用潜力，为底栖生态调查开辟无扰动可视化新路径。

关键词：底栖生物；微距水下成像；原位观测；生物多样性；河湖生态；无扰动采样；水下图像识别；水生态监测

1 传统底栖生物采样调查存在的短板

底栖大型无脊椎动物广泛生活在河湖底泥‑水界面，对水体污染敏感，是水生态健康评价重要指示生物。国内常规底栖生物调查主要依靠彼得森抓斗、埃克曼采泥器采集底泥样本，将底泥带回船上，通过筛洗得到底栖生物个体，带回实验室开展物种鉴定、计数统计 。

传统采样方法存在若干短板：第一，抓斗下落抓取底泥过程会剧烈扰动底泥表层，破坏底栖生物原生栖息生境；第二，生物被采集之后脱离原生环境，筛洗过程容易造成个体破损，丢失生物行为、栖息位置信息；第三，无法直接观察到底栖生物在底泥表面真实栖息状态，无法观察生物与底质之间的相互关系；第四，抓斗采样会对生态修复区域底栖生境造成人为扰动，不适合修复区高频次重复监测。

潜水员水下目视观测可以实现原位观察，但潜水作业成本高，水深、风浪条件限制大，难以大面积推广。水下微距成像技术，依靠光学近距离拍摄，不需要采集底泥样本，能够原位获取底泥‑水界面生物图像，有望弥补传统调查手段的不足。本文基于底栖生物微距图像采集仪，开展河湖底栖生物原位调查试验研究。

2 底栖生物微距图像采集系统硬件构成

底栖生物图像采集仪硬件主要包含水下微距摄像模块、可调LED环形补光单元、耐压耐腐蚀密封壳体、水密接插件；配套100米综合线缆、船载手持控制终端、便携式锂电池供电单元，最大作业水深20m。

微距摄像模块专门针对底泥表面小型生物优化，镜头支持近距离对焦，适合拍摄螺类、河蚬、水生昆虫幼虫等毫米‑厘米级底栖生物；环形LED补光均匀照射拍摄区域，减少拍摄阴影，提升微小生物细节清晰度；壳体采用耐腐蚀材料，O型圈双重密封，IP68防护；100米线缆实现信号与电力传输，船上手持终端实时显示微距画面，完成拍照录像，保存底栖生物原位影像。设备作业时探头接近湖底，但不触碰底泥，全程无扰动。

3 底栖生物原位成像野外调查试验设计

选择典型平原湖泊开展野外试验，设置22个监测点位，底质包含淤泥底、泥沙混合底、砂质底等常见河湖底质类型，水深范围2.3‑18.1m。每个监测点位同时开展两种调查：①水下微距成像原位调查，探头下放至湖底上方合适距离，拍摄底泥‑水界面微距图像与视频；②同步开展彼得森抓斗采样，实验室完成底栖生物鉴定计数。对比两种调查手段得到的生物检出情况，评估微距成像系统对常见底栖生物识别能力；同时记录水体浊度、底质类型，分析环境条件对微距成像识别效果的影响。

4 水下微距影像底栖生物识别效果分析

野外试验结果表明，在水体浊度较低点位，微距成像系统可以清晰识别田螺、环棱螺、河蚬、蜉蝣幼虫、摇蚊幼虫等河湖常见大型底栖生物，能够观察生物在底泥表面栖息姿态、活动行为，观察底泥表面孔洞、生物扰动痕迹。砂质底、泥沙混合底点位成像识别效果整体优于厚淤泥底点位；厚淤泥底遇到水流扰动容易泛起悬浮物，造成画面浑浊，识别难度上升。

部分个体微小、埋藏在底泥内部的底栖生物，微距成像无法识别；只有栖息在底泥表面、表层的生物可以被镜头捕捉。原位成像可以记录生物原生栖息场景，这是传统抓斗采样无法实现的优势。

5 原位成像调查与抓斗采样结果对比

抓斗采样优势：可以采集埋藏在底泥内部的生物样本，带回实验室完成精确物种鉴定、个体计数，获取生物丰度、生物量定量数据，是目前底栖生物调查的基准方法。抓斗采样劣势：扰动底泥，丢失原生栖息行为信息，重复采样会破坏底栖生境。

水下微距原位成像优势：无扰动，保留底泥‑水界面完整原生状态，直观获取生物栖息行为影像，作业效率高，适合高频次、大面积快速筛查；劣势：只能识别底泥表层生物，无法获取埋藏于底泥内部个体；仅依靠图像，部分近缘物种难以精确区分；难以直接得到生物量、丰度精确定量数据。

两种技术属于互补关系，原位成像不能全替代抓斗采样。可以采用“微距成像大面积快速筛查，重点点位辅以抓斗采样鉴定"的组合调查模式。

6 底泥‑水界面原位观测价值分析

底泥‑水界面是底栖生物生存、物质交换的关键界面。传统抓斗采样把底泥整体取出，破坏界面结构，无法观察底泥表面生物洞穴、生物扰动痕迹、生物栖息分布格局。水下微距成像可以直接获取底泥界面真实状态，观察底栖生物活动痕迹，对于研究底栖生境完整性、评估底栖生态修复效果具备独价值。对于生态修复示范区，不扰动的原位观测手段，可以避免反复采样对修复底栖生境造成二次破坏。

7 原位成像调查技术局限性与改进方向

技术局限性：水体高浊度条件下成像质量下降；埋藏型底栖生物无法识别；单纯依靠图像物种识别存在局限；难以直接输出丰度、生物量定量结果。

后续改进方向：优化微距镜头与补光方案，提升高浊度水体适应性；构建河湖底栖生物图像数据集，引入人工智能图像识别算法，辅助完成生物识别统计；探索图像结合AI估算底栖生物相对丰度的技术路径。

8 结论

本文采用搭载微距摄像模块的底栖生物图像采集仪，开展河湖底栖生物原位成像野外调查试验。设备可以无扰动获取底泥‑水界面微距影像，有效识别螺类、贝类、水生昆虫幼虫等表层栖息底栖生物，观察生物原生栖息状态。原位微距成像调查与传统抓斗采样各有优劣，二者互为补充。该技术适合河湖底栖生物多样性快速筛查、底栖生境完整性评估，为河湖底栖生态调查提供新的可视化技术路径。

参考文献

[1] 蔡佳亮,等.大型底栖无脊椎动物野外调查与质量控制[J].生态科学,2019,38(02):211‑218.

[2] 郭超,等.水下视觉观测技术在底栖生物调查中的应用进展[J].海洋湖沼通报,2022(04):167‑176.