太震撼了！水下機器人潛入大海，拍到了珊瑚的真實模樣

各位家長有沒有被孩子問過“大海里的珊瑚長什么樣”“怎么保護小魚的家”？今天這篇內容家長收藏好，輕松搞定一次高質量的親子海洋啟蒙～

珊瑚礁棲息地雖然只占全球海洋水下面積的0.2%，卻孕育了超過25%的海洋生物，因此也被稱作“海洋生物的搖籃”。然而，想要深入“搖籃”一探究竟，可不是一件容易事。過去，科研人員想要了解珊瑚的生長與健康情況，需要穿著厚重的潛水服潛入大海，可人類潛水深度有限，最多只能到達水下幾十米深的地方，而且長時間潛水容易體力不支；也可以用載人潛水器，但它造價高昂，單次下潛成本不菲，且無法靈活穿梭在復雜的淺水珊瑚叢中。更麻煩的是，海底光線減弱、水流湍急，還有海藻、海草等遮擋，想拍到珊瑚的“真面目”，實在困難。

現在，有了新的解決方案——水下機器人，它就像一位不知疲倦的“海底攝影師”，能潛入大海，把珊瑚礁的每一個細節都清晰地“記錄在案”。

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“海底攝影師”

3個“秘密武器”

水下機器人之所以能在海底大展身手，靠的是3個“秘密武器”——分別像人的眼睛、大腦和雙腳，可以協同工作，讓復雜的海底環境變“坦途”。

不同相機在水下因陽光造成的成像光路效應

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“眼睛”——水下光學相機

由于珊瑚礁一般只能在光照充足、海水清澈和溫暖的淺水區發育，非常適合使用水下光學相機（CCD camera）來觀察它們的棲息地和生態環境的變化。水下光學相機不僅可以記錄珊瑚礁的細節，還能為水下機器人躲避障礙物和魚群提供必要的信息，幫助實現友好、非侵入式的探索。

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“大腦”——深度學習系統

海底的情況比我們想象復雜得多：魚兒會游到水下機器人鏡頭前，泥沙會被水流卷起形成“水下霧霾”，所引起的散射作用，會讓拍出來的照片模糊不清。這時候，“智慧大腦”就派上用場了，它就像一位經驗豐富的照片編輯，不僅能讓拍攝的視頻或影像效果增強，還能自動挑錯：憑借分析上百萬張珊瑚照片所積累的經驗，它能一眼識別出哪些照片模糊不清，哪些照片內的珊瑚有遮擋，篩掉這些不合格的照片，只留下完整清晰的珊瑚影像。據統計，面對近萬張照片，“智慧大腦”只需3分鐘就能篩選出380張合格照片，比人工篩選快了幾十倍！

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“腳蹼”——高精度推進系統

海底不像平地那樣平坦，有時會突然出現水流讓水下機器人偏離方向，這時靈活的“腳蹼”——矢量推進器便開始發揮作用。在水下機器人的不同位置安裝有多個矢量推進器，就像人類靈活的手腳。當水流把水下機器人往左推時，右邊的推進器就會發力，把它拉回正確方向；當水下機器人想要靠近珊瑚拍攝細節時，前方的推進器就會緩慢加速，讓它像一片葉子一樣輕輕飄過去，不會因為動作太猛而驚擾到珊瑚或攪起泥沙。

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“海底攝影師”

工作日記

水下機器人的每一次探測都是經過精心策劃的，“出海準備—水下巡航—圖像處理—成果分析”4個步驟都藏著嚴謹的科學細節。

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“出海準備”

水下機器人出發前，工作人員會先查看目標海域的地圖，在電腦上標出要探測的珊瑚礁區域。同時，還要給水下機器人設定“安全規則”：最大下潛深度不超過30米，遇到強水流（超過每秒2米）時暫停工作，電池剩余20%時自動返航等。這些設置能確保水下機器人順利完成任務。

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“水下巡航”

水下機器人被放入海中后，會先啟動相機和導航系統，再沿著預設路線巡航。它還有個“視覺定位模塊”，能通過識別珊瑚的獨特紋理來判斷自己的位置。例如，它路過某一塊鹿角珊瑚時發現其有3個明顯的分叉，就會拍下這一特征；再次經過這里時，通過對比分叉的位置，便能確認自己是否偏離航線，比傳統的水下定位系統更精準。

在拍攝過程中，水下機器人還會通過計算視頻連續幀之間的幀率和拍攝距離，使相鄰照片保持60%左右的部分重疊。這些重疊的照片能保障不會出現“漏拍”，還會生成準確的海底數字孿生模型，進而構建出信息豐富、可以演化的數字海底世界。

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“圖像處理”

水下機器人完成巡航后，會帶著數萬張照片返航。接下來，“智慧大腦”會再次出場，通過數字攝影測量技術，把二維照片變成三維建模。整個過程像把很多張從不同角度拍攝的玩具熊貓照片疊加起來，就能算出玩具熊貓的高度、寬度，包括每一根絨毛的位置——珊瑚的三維真實建模就是這樣做出來的。通過這個模型，就能清楚地看到珊瑚的高度、分支數量，甚至是表面的細小破損。

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“成果分析”

最后，工作人員會根據三維建模和照片，給珊瑚做一次全面“體檢”，統計健康珊瑚的覆蓋率、記錄生病珊瑚的數量（例如被海藻覆蓋的珊瑚會呈現褐色，需要重點關注），還能對比往年的數據，看看珊瑚是不是長得更茂盛了。如果發現健康珊瑚的覆蓋率比往年提高，就說明海洋保護措施有成效。

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珊瑚礁保護

“全能助手”

其實，這位“海底攝影師”不僅會拍照，還像環保衛士一樣為珊瑚礁保駕護航。

珊瑚礁圖像語義分割與三維模型疊加分析

（不同顏色代表不同種類珊瑚礁的健康狀況）

首先，它能及時發現珊瑚的“病情”。珊瑚也會“生病”，例如遇到海水溫度升高，會排出體內共生的藻類，變成白色，這就是珊瑚白化。如果白化持續時間太長，珊瑚就會死亡。過去，科研人員很難通過衛星影像及時發現白化現象，往往發現時已經來不及搶救。而水下機器人可以定期巡航，通過對比照片很快能發現變白的珊瑚，保護區的工作人員就可以立刻采取降溫措施，幫助處于熱浪中的珊瑚躲過一劫。

其次，它能為珊瑚重建家園提供依據。有些海域的珊瑚因為污染、過度捕撈等原因遭到破壞，需要人工補種。但補種珊瑚需明確海底地形是否適合、水流是否平緩。這時候，三維模型就能派上用場——從模型中找出平坦且水流速度適中的區域，再結合珊瑚的生長需求，確定最佳補種位置。

通過圖片重建的珊瑚礁三維模型

接下來，工作人員計劃給水下機器人加裝溫鹽深傳感器、主動光學傳感器和流體高速相機等先進裝備，讓它在拍攝珊瑚的同時，還能檢測海水溫度、酸堿度、含氧量等，獲得更精準的三維實景與珊瑚紋理信息。相信在不久之后，可以實現多臺水下機器人組隊工作，去探測更大面積的珊瑚礁。

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責任編輯｜趙青云 李雅欣

運營編輯｜李雅欣

質量審核 | 王維嘉

圖文來源 | 《知識就是力量》雜志《水下機器人：潛入大海，“看見”珊瑚》，撰文/李明（武漢大學機器人學院機器人系 南海遙感測繪創新中心），原文有刪改，原創作品轉載請注明來源。

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