太震撼了！水下机器人潜入大海，拍到了珊瑚的真实模样

各位家长有没有被孩子问过“大海里的珊瑚长什么样”“怎么保护小鱼的家”？今天这篇内容家长收藏好，轻松搞定一次高质量的亲子海洋启蒙～

珊瑚礁栖息地虽然只占全球海洋水下面积的0.2%，却孕育了超过25%的海洋生物，因此也被称作“海洋生物的摇篮”。然而，想要深入“摇篮”一探究竟，可不是一件容易事。过去，科研人员想要了解珊瑚的生长与健康情况，需要穿着厚重的潜水服潜入大海，可人类潜水深度有限，最多只能到达水下几十米深的地方，而且长时间潜水容易体力不支；也可以用载人潜水器，但它造价高昂，单次下潜成本不菲，且无法灵活穿梭在复杂的浅水珊瑚丛中。更麻烦的是，海底光线减弱、水流湍急，还有海藻、海草等遮挡，想拍到珊瑚的“真面目”，实在困难。

现在，有了新的解决方案——水下机器人，它就像一位不知疲倦的“海底摄影师”，能潜入大海，把珊瑚礁的每一个细节都清晰地“记录在案”。

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“海底摄影师”

3个“秘密武器”

水下机器人之所以能在海底大展身手，靠的是3个“秘密武器”——分别像人的眼睛、大脑和双脚，可以协同工作，让复杂的海底环境变“坦途”。

不同相机在水下因阳光造成的成像光路效应

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“眼睛”——水下光学相机

由于珊瑚礁一般只能在光照充足、海水清澈和温暖的浅水区发育，非常适合使用水下光学相机（CCD camera）来观察它们的栖息地和生态环境的变化。水下光学相机不仅可以记录珊瑚礁的细节，还能为水下机器人躲避障碍物和鱼群提供必要的信息，帮助实现友好、非侵入式的探索。

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“大脑”——深度学习系统

海底的情况比我们想象复杂得多：鱼儿会游到水下机器人镜头前，泥沙会被水流卷起形成“水下雾霾”，所引起的散射作用，会让拍出来的照片模糊不清。这时候，“智慧大脑”就派上用场了，它就像一位经验丰富的照片编辑，不仅能让拍摄的视频或影像效果增强，还能自动挑错：凭借分析上百万张珊瑚照片所积累的经验，它能一眼识别出哪些照片模糊不清，哪些照片内的珊瑚有遮挡，筛掉这些不合格的照片，只留下完整清晰的珊瑚影像。据统计，面对近万张照片，“智慧大脑”只需3分钟就能筛选出380张合格照片，比人工筛选快了几十倍！

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“脚蹼”——高精度推进系统

海底不像平地那样平坦，有时会突然出现水流让水下机器人偏离方向，这时灵活的“脚蹼”——矢量推进器便开始发挥作用。在水下机器人的不同位置安装有多个矢量推进器，就像人类灵活的手脚。当水流把水下机器人往左推时，右边的推进器就会发力，把它拉回正确方向；当水下机器人想要靠近珊瑚拍摄细节时，前方的推进器就会缓慢加速，让它像一片叶子一样轻轻飘过去，不会因为动作太猛而惊扰到珊瑚或搅起泥沙。

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“海底摄影师”

工作日记

水下机器人的每一次探测都是经过精心策划的，“出海准备—水下巡航—图像处理—成果分析”4个步骤都藏着严谨的科学细节。

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“出海准备”

水下机器人出发前，工作人员会先查看目标海域的地图，在电脑上标出要探测的珊瑚礁区域。同时，还要给水下机器人设定“安全规则”：最大下潜深度不超过30米，遇到强水流（超过每秒2米）时暂停工作，电池剩余20%时自动返航等。这些设置能确保水下机器人顺利完成任务。

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“水下巡航”

水下机器人被放入海中后，会先启动相机和导航系统，再沿着预设路线巡航。它还有个“视觉定位模块”，能通过识别珊瑚的独特纹理来判断自己的位置。例如，它路过某一块鹿角珊瑚时发现其有3个明显的分叉，就会拍下这一特征；再次经过这里时，通过对比分叉的位置，便能确认自己是否偏离航线，比传统的水下定位系统更精准。

在拍摄过程中，水下机器人还会通过计算视频连续帧之间的帧率和拍摄距离，使相邻照片保持60%左右的部分重叠。这些重叠的照片能保障不会出现“漏拍”，还会生成准确的海底数字孪生模型，进而构建出信息丰富、可以演化的数字海底世界。

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“图像处理”

水下机器人完成巡航后，会带着数万张照片返航。接下来，“智慧大脑”会再次出场，通过数字摄影测量技术，把二维照片变成三维建模。整个过程像把很多张从不同角度拍摄的玩具熊猫照片叠加起来，就能算出玩具熊猫的高度、宽度，包括每一根绒毛的位置——珊瑚的三维真实建模就是这样做出来的。通过这个模型，就能清楚地看到珊瑚的高度、分支数量，甚至是表面的细小破损。

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“成果分析”

最后，工作人员会根据三维建模和照片，给珊瑚做一次全面“体检”，统计健康珊瑚的覆盖率、记录生病珊瑚的数量（例如被海藻覆盖的珊瑚会呈现褐色，需要重点关注），还能对比往年的数据，看看珊瑚是不是长得更茂盛了。如果发现健康珊瑚的覆盖率比往年提高，就说明海洋保护措施有成效。

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珊瑚礁保护

“全能助手”

其实，这位“海底摄影师”不仅会拍照，还像环保卫士一样为珊瑚礁保驾护航。

珊瑚礁图像语义分割与三维模型叠加分析

（不同颜色代表不同种类珊瑚礁的健康状况）

首先，它能及时发现珊瑚的“病情”。珊瑚也会“生病”，例如遇到海水温度升高，会排出体内共生的藻类，变成白色，这就是珊瑚白化。如果白化持续时间太长，珊瑚就会死亡。过去，科研人员很难通过卫星影像及时发现白化现象，往往发现时已经来不及抢救。而水下机器人可以定期巡航，通过对比照片很快能发现变白的珊瑚，保护区的工作人员就可以立刻采取降温措施，帮助处于热浪中的珊瑚躲过一劫。

其次，它能为珊瑚重建家园提供依据。有些海域的珊瑚因为污染、过度捕捞等原因遭到破坏，需要人工补种。但补种珊瑚需明确海底地形是否适合、水流是否平缓。这时候，三维模型就能派上用场——从模型中找出平坦且水流速度适中的区域，再结合珊瑚的生长需求，确定最佳补种位置。

通过图片重建的珊瑚礁三维模型

接下来，工作人员计划给水下机器人加装温盐深传感器、主动光学传感器和流体高速相机等先进装备，让它在拍摄珊瑚的同时，还能检测海水温度、酸碱度、含氧量等，获得更精准的三维实景与珊瑚纹理信息。相信在不久之后，可以实现多台水下机器人组队工作，去探测更大面积的珊瑚礁。

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责任编辑｜赵青云 李雅欣

运营编辑｜李雅欣

质量审核 | 王维嘉

图文来源 | 《知识就是力量》杂志《水下机器人：潜入大海，“看见”珊瑚》，撰文/李明（武汉大学机器人学院机器人系 南海遥感测绘创新中心），原文有删改，原创作品转载请注明来源。

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