CC BY
104
РАЗДЕЛ I. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 57.087:574.5
А.А. Дуленин, О.А. Кудревский
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЕГКОГО ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМОГО НЕОБИТАЕМОГО ПОДВОДНОГО АППАРАТА ДЛЯ МОРСКИХ ПРИБРЕЖНЫХ ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе обобщен опыт авторов по использованию в морских гидробиологических исследованиях прибрежной зоны легких телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА). Полученные с их помощью данные позволяют составить целостное представление о донных ландшафтах и распределении на морском дне эпибентосных организмов, их технические возможности обеспечивают полную обратную связь аппарата с оператором, высокую скорость работы, значительную глубину погружения, достаточно точное географическое позиционирование. ТНПА имеют относительно низкую стоимость. Дополнительным преимуществом телеуправляемых аппаратов является отсутствие законодательного регулирования и регламентации их работы, как это имеет место при проведении водолазных работ. Основным недостатком использования ТНПА является невозможность систематического отбора проб. Оптимально их использование в сочетании с техническими приспособлениями и методами сбора материала, обеспечивающими регулярный отбор проб - дражным, дночерпательным, водолазным. Методы организации и проведения гидробиологических исследований с использованием ТНПА аналогичны методам водолазных съемок, но имеют ряд технических особенностей. Исследования авторов показывают, что они пригодны для подводного ландшафтного картирования, проведения промысловой разведки донных беспозвоночных, качественного и количественного учета массовых гидробионтов.
Ключевые слова: морские гидробиологические исследования, прибрежная зона, телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА).
А.А. Dulenin, О.А. Kudrevskiy
THE USE OF LIGHTWEIGHT REMOTE OPERATED VEHICLE FOR MARINE COASTAL
HYDROBIOLOGICAL INVESTIGATIONS
In this paper, we discuss personal experience on the use of lightweight unmanned remote operated vehicles (ROVs) in marine hydrobiological investigations of the marine coastal zone. The data obtained by operating ROVs allows making a complete picture of the sea bottom landscapes and on distribution of epibenthic organisms. The technical capabilities of ROVs provide full feedback of the device with operator and high speed of work and also give a significant depth of immersion and quite accurate geographical positioning. ROVs have a relatively low cost. Their additional advantage is the lack of legislative regulation during operation comparing to the case of scuba diving operations. The main disadvantage of their use is the impossibility of systematic sampling. The optimal use of ROVs is realized in combination with technical devices and methods of material collection, which ensure regular sampling such as dredging, bottom-sampling and diving. The methods of organization and conduction of hydrobiological investigations using ROVs are similar to diving surveys methods; however, they have a number of technical peculiarities. Our study shows that ROVs are suitable for underwater landscape mapping, field exploration of bottom invertebrates, qualitative and quantitative accounting of abundant hydrobionts.
Key words: marine hydrobiological investigations, coastal zone, remote operated vehicle (ROV).
DOI: 10.17217/2079-0333-2019-48-6-17
Введение
В ранее опубликованных работах первого автора, посвященных оптимизации процессов изучения состояния морских биоресурсов и проведения с этой целью учетных съемок [1-3] констатируется, что основным фактором, сдерживающим развитие промыслово -биологических
исследований в прибрежной зоне РФ, является сокращение финансирования НИР, особенно в части экспедиционных исследований. Поэтому в последние десятилетия в большинстве регионов российского Дальнего Востока полноценные гидробиологические учетные съемки в прибрежной зоне проводятся редко, нерегулярно, а то и вообще не проводятся. Исключение в этом отношении составляет Приморский край и северо-западная часть Охотского моря, относящаяся к Хабаровскому краю. Как следствие возникает проблема дефицита сведений о состоянии прибрежных экосистем и биологических ресурсов прибрежной зоны. Между тем такие сведения необходимы для разработки прогнозов вылова промысловых организмов, эффективного управления ресурсами, оценок ущерба окружающей среде от хозяйственной деятельности, проведения природоохранных мероприятий, а также для решения ряда других практических и научных задач.
Вопросы разработки, апробации и популяризации технических средств и методов, упрощающих и удешевляющих проведение подводных гидробиологических исследований, весьма актуальны, особенно если они направлены на получение визуальных данных о донной биоте. Такие сведения необходимы в связи с тем, что традиционно применяемые для ведения учетных гидробиологических съемок «слепые» орудия сбора проб макробентоса: тралы, драги, дночер-патели, ловушки и др. в силу своей селективности неизбежно дают значительно искаженную информацию о составе, структуре поселений и распределении гидробионтов [4-7]. В связи с этим получаемые с их помощью количественные оценки нуждаются в корректировке путем введения в расчеты коэффициентов уловистости, оценок площадей облова, выявления групп неучитываемых и недоучитываемых организмов и т. д. Поэтому крайне желательна корректировка и дополнение сведений, получаемых «слепыми» орудиями лова, данными непосредственных видеонаблюдений.
В гидробиологии с давних пор применяются водяные фонари-бентовизоры. Однако их использование в морских акваториях ограничено глубинами 6-8 м. Для изучения населения больших глубин они не подходят. В гидробиологии известен опыт установки на дне видеокамер, не связанных с поверхностью, но такие камеры не предназначены для работы в реальном времени. Иногда используют буксируемые необитаемые подводные аппараты [8], однако они не компактны и не управляемы, поэтому едва ли следует говорить о перспективах их широкого применения.
Наилучшие способы получения визуальной информации о подводной биоте - использование водолазного метода сбора материала, подводных привязных видеокамер, а также ТНПА - телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов [9]. Последние незаменимы для изучения донных ландшафтов, состава и структуры сообществ макроэпибентоса и решения ряда других задач. Следует признать, что только непосредственное наблюдение позволяет исследователю адекватно оценивать состояние донных сообществ. В настоящей статье анализируется опыт использования ТНПА и преимущества передаваемой с их помощью научной информации перед таковой, получаемой от подводных привязных видеокамер и данных водолазных обследований.
В последние десятилетия ТНПА все шире применяют для разного рода подводных работ. Общие сведения об их использовании хорошо представлены в сети Интернет [10-12]. В научной литературе имеются работы, посвященные анализу изображений, полученных под водой для описания и учета донных организмов [8, 13, 14]. Однако сведения о методических аспектах организации исследований с применением ТНПА и особенностях их использования при проведении гидробиологических съемок еще нуждаются в систематизации. На официальных сайтах производителей ТНПА они отсутствуют и ограничены указаниями на то, что использование телеуправляемых подводных аппаратов требует приобретения специальных навыков.
Практика гидробиологических исследований, действительно, показывает, что недостаточно просто обеспечить исследователя прибором для проведения подводной видеосъемки и технической инструкцией по его применению. Использование его путем слепого следования «стандартным методам» без учета реальных особенностей изучаемых объектов приводят не только к увеличению трудозатрат, времени и стоимости проведения съемок, но часто и к значительному обесцениванию получаемых результатов [2, 6]. Это диктует необходимость осмысления и обобщения опыта использования исследовательских приборов и выработки четких алгоритмов их применения в соответствии с характером проводимых работ.
В настоящей работе сделана попытка обобщить имеющиеся у авторов результаты использования ТНПА в гидробиологических исследованиях и дать рекомендации по организации гидробиологических исследований с их использованием.
Материалы и методы
Проанализированы результаты работы, проведенной в 2017 и 2018 гг. в северо-западной части Татарского пролива ТНПА «Rovbuilder-150» российского производства в течение около 20 рабочих часов. Для выявления особенностей проведения гидробиологических съемок с использованием аппарата результаты, полученные с его помощью, сравнивали с результатами гидробиологических водолазных съемок в северо-западных частях Охотского моря и Татарского пролива в период 1999-2016 гг., которые были проведены специалистами Хабаровского филиала ТИНРО-Центра (в настоящее время - Хабаровский филиал ВНИРО).
Всего за это время было выполнено около 6 тыс. водолазных гидробиологических станций, из которых около 600 - первым автором настоящей статьи. Дополнительно результаты работы ТНПА «Rovbuilder-150» сравнивали с результатами исследований, полученными при помощи привязных видеокамер собственного кустарного производства, производства КНР и фирмы AquaVue (США), в ходе их использования в течение 50 рабочих часов в период с 2008 по 2016 гг. в тех же районах побережья. Указанные исследования выполняли в соответствии с общими методическими рекомендациями, изложенными в работах [2, 15]. Съемки с маломерных судов проводили в соответствии с разработанными нами подходами [3]. Отметим, что конкретные методики проведения съемок в разных районах дальневосточного побережья приведены в наших ранних публикациях [16-19].
Эксплуатацию ТНПА и выявление особенностей его работы проводили в режиме ходовых испытаний с учетом ранее полученного опыта [2]. Осмотры дна при помощи ТНПА и подвесных камер выполняли с борта надувной лодки длиной 4,5 м с подвесным мотором и с борта пластикового катера Yamaha Fish-22 длиной 6,6 м, снабженного закрытым кубриком для размещения оборудования. Обследовали глубины от 1 до 30 м на удалении от 50 до 1 000 м от берега. Методики конкретных исследований меняли в зависимости от поставленных задач. Дно осматривали в отдельных точках, обследуя по 100-500 м2 его поверхности. Дополнительно выполняли трансекты, ориентированные перпендикулярно берегу. При их выполнении на основании анализа видеоизображений выделяли основные ландшафты [20] и биоценозы, характеризующиеся поясным распределением. Осмотры проводили как стационарно, так и по мере движения. В ленточных биоценозах при необходимости выполняли трансекты, ориентированные параллельно берегу. Осмотры поселений гидробионтов проводили в ходе движения аппарата галсами. В отдельных случаях определяли координаты границ распространения тех или иных гидробионтов.
Для относительной оценки эффективности практического использования обсуждаемых способов сбора гидробиологических данных был проведен опрос пяти экспертов, являющихся специалистами-водолазами, имеющими опыт гидробиологических исследований и управления ТНПА и привязными подводными видеокамерами [21]. Им было предложено оценить эффективность разных способов получения гидробиологических данных по 21 показателю. Для каждого из анализируемых способов: водолазного, с использованием привязных видеокамер и с использованием ТНПА - подсчитывали сумму выставленных экспертами баллов. Наиболее эффективным признавали способ с самым высоким средним баллом, вычисленным на основании показаний всех экспертов.
Результаты и обсуждение
Организация и стоимость исследований. Поскольку водолазные работы являются особо тяжелым и особо вредным видом деятельности, они жестко регламентированы. Поэтому организация водолазной станции в соответствии с Межотраслевыми правилами безопасности труда при проведении водолазных работ [22] недоступна для множества организаций, занимающихся гидробиологическими исследованиями. В связи с этим главное преимущество использования ТНПА и привязных видеокамер по сравнению с водолазными исследованиями видится в отсутствии законодательного регулирования их работы. Это делает возможным проведение гидробиологических исследований с помощью таких приборов силами любой научно-исследователь -ской организации.
Одним из ключевых вопросов при этом является стоимость оборудования и выполнения работ. Стоимость ТНПА разных модификаций, пригодных для прибрежных гидробиологических исследований, в зависимости от количества дополнительного оборудования составляет от 200 до 1 500 тыс. руб. Для проведения большинства видов прибрежных исследований вполне доста-
точно аппарата стоимостью около 400 тыс. руб., что вполне доступно для научно-исследовательских организаций. Привязные видеокамеры много дешевле - от 10-15 тыс. руб. за безымянную камеру китайского производства и до порядка 100 тыс. руб. за профессиональные камеры отечественных производителей. В то же время стоимость оборудования водолазной станции составляет не менее 2-4 млн руб.
Отметим также, что для работы с небольшими ТНПА (как и для работы с привязной камерой) достаточно 2-3 человек - судоводителя, оператора-гидробиолога и, возможно, техника, в то время как минимальный состав группы при работе водолазной станции - пять человек (три водолаза, водолазный врач-физиолог, научный сотрудник). Уже только поэтому стоимость водолазных работ много выше, чем работ с использованием ТНПА и привязных камер.
Объем и габариты оборудования, необходимого для проведения работ, также несопоставимы. Так, комплекс ТНПА занимает 3-4 багажных места (аппарат, кейс с блоком управления, катушка с кабель-тросом и, при необходимости, портативная электростанция), которые легко переносят два человека. Комплекс привязной камеры - это 1-2 багажных места, тогда как оборудование водолазной станции занимает не менее 15 багажных мест, что является фактором, ограничивающим возможности проведения прибрежных исследований. Благодаря небольшим габаритам и минимальному количеству обслуживающего персонала ТНПА и привязные камеры могут успешно работать с малых и маломерных судов, в то время как полноценное функционирование водолазной станции в условиях гидробиологических съемок участков большой протяженности возможно только при использовании среднетоннажного судна, что на 1 -2 порядка увеличивает стоимость экспедиционных исследований.
Оператора ТНПА можно подготовить за достаточно короткое время. Особые требования к состоянию его здоровья при этом не предъявляются. Для водолазов же необходимо продолжительное обучение, регулярные медицинские осмотры, переаттестации и т. д. [22]. Кроме того, в своем большинстве водолазы не являются специалистами-гидробиологами, что отражается на результатах сбора гидробиологических проб, количественных и качественных данных [2].
Особенности подготовки и эксплуатации ТНПА. Сведения, необходимые для подготовки телеуправляемых аппаратов к работе, содержатся в руководствах по эксплуатации и на официальных сайтах производителей [12], однако при их подготовке к морским экспедиционным гидробиологическим исследованиям следует учитывать специфику последних. Так, наиболее качественные изображения донных объектов можно получить при стационарном расположении ТНПА на дне. Для этого аппарату необходимо перед началом работы обеспечить легкую отрицательную плавучесть, закрепив на его лыжах небольшие грузы и убедившись, что аппарат легко садится на грунт без работы вертикальных движителей. Без такой предварительной подготовки детальное рассмотрение мелких объектов на дне и получение качественных изображений может быть существенно затруднено. Подготовка ТНПА к эксплуатации и его рабочая проверка занимает не более 10-15 мин, что значительно меньше времени, необходимого для подготовки к работе водолаза. Наиболее удобна в этом смысле привязная камера, которая готова к работе уже через 3-5 мин.
Управлять ТНПА «с нуля» невозможно - требуется некоторая теоретическая подготовка и практическое обучение оператора, которое по времени сопоставимо со временем обучения автомобилиста. При этом следует иметь в виду, что управление аппаратом осуществляется в трех плоскостях и значительно отличается от управления привычными транспортными средствами. В качестве пульта управления используется джойстик Sony PlayStation 2. Основная трудность на начальных этапах обучения заключается в необходимости добиваться точного расположения ТНПА на необходимом для ведения качественной видеосъемки расстоянии, под необходимым углом к объекту исследования. Следует быть готовым к тому, что в первое время качество получаемого материала может оказаться довольно низким. Однако уже через короткое время, после приобретения оператором уверенности в своих действиях, оно значительно повышается. В целом управление ТНПА (при отсутствии серьезного дополнительного оснащения) вполне доступно для самостоятельного освоения.
Получение гидробиологических данных. Ключевые преимущества ТНПА и привязных камер по отношению к водолазному способу гидробиологических исследований заключаются в большой рабочей глубине и неограниченном времени пребывания под водой. Стандартный режим гидробиологической водолазной съемки, позволяющий на практике обходиться без
декомпрессии, подразумевает работу на глубинах до 20 м. Работы на глубинах от 20 до 40 м проводятся в течение непродолжительного времени (как правило, не более 10 минут на грунте) и обязательно предусматривают остановки для декомпрессии при подъеме. На глубинах свыше 40 м водолазные гидробиологические исследования обычно не проводятся. В то же время даже дешевые привязные камеры обеспечивают осмотр дна на глубинах 20-50 м, а профессиональные - до 400 м. Относительно недорогие ТНПА отечественного производства могут работать на глубинах 50-150 м, что обеспечивает сбор большей части необходимых в прибрежных исследованиях данных.
Использование ТНПА и привязных видеокамер устраняет проблему «испорченного телефона», возникающую при работе с водолазом, не имеющим биологического образования. Описания донной биоты с чужих слов, как известно, страдают значительными искажениями, а отбор количественных проб нередко сопровождается ошибками, поскольку обратная связь с водолазом обычно невозможна. Получить дополнительное задание он может только после подъема на поверхность, а выполнить его - только при повторном погружении. Это осложняет проведение водолазных съемок, увеличивает их продолжительность и вносит затруднения в истолкование результатов.
Неплохой уровень обратной связи в реальном времени исследователь получает при использовании привязных видеокамер, поскольку, имея возможность видеть дно, может «на ходу» корректировать работу. Однако привязные видеокамеры являются пассивными орудиями наблюдения, не способными самостоятельно передвигаться и корректировать свое местоположение. Их положение в пространстве нестабильно, они раскачиваются волнением, под действием течений, возникающих при движении судна и т. п. Нахождение камеры в подвешенном состоянии мешает стабильному получению качественного изображения дна. Утяжелив камеру, можно положить ее на грунт и тем добиться стабильного качества изображения, но при этом выбор нужного ракурса объекта будет затруднен, а детальное рассмотрение небольших объектов зачастую невозможно. Дешевые привязные камеры часто не имеют возможности записи изображения, поэтому пригодны только для грубых рекогносцировочных работ - промысловой разведки и первичного выделения макроэпибентосных сообществ. Однако, если работы ограничиваются подобными задачами, привязную камеру в виду ее компактности, дешевизны и простоты использования можно рассматривать как оптимальный исследовательский прибор.
При работе с камерой в стандартном исполнении возможен только глазомерный учет плотности и проективного покрытия гидробионтов. Дооснащение привязных камер лазерными указками или иными приспособлениями, позволяющими обозначать на дне участки с определенной площадью, дало бы возможность проводить количественный учет гидробионтов. В настоящее время они, насколько известно авторам, такими приспособлениями штатно не оснащаются. Тем не менее вполне возможно дооборудование подвесной камеры раздвижной телескопической крестовиной с расположенными на ее концах лазерными указками. В этом случае изменение длины ног крестовины позволило бы регулировать учетную площадь. Кроме того, такое решение помогло бы вести количественный учет гидробионтов на трансектах с полосой учета, ограниченной указками. Без больших затруднений можно самостоятельно изготовить гораздо более простые приспособления, например, металлические треноги, ограничивающие разные учетные площади (0,1; 0,25; 0,5; 1 м2) в зависимости от размеров и плотности учитываемых объектов. Подобные приспособления не решат проблему строгого учета гидробионтов на трансектах, но позволят организовать их учет на пробных площадках.
При необходимости детального обследования сообществ макробентоса, осмотра отдельных участков дна и получения их качественных изображений лучше всего использовать ТНПА. Способность аппарата к активному перемещению и наличие у него функции удержания глубины и курса обеспечивают его относительно стабильное положение или независимое от внешних воздействий перемещение в пространстве. Наиболее качественное изображение получается при посадке аппарата на дно, а возможность произвольно выбрать место посадки и наличие поворотных видеокамер дает возможность съемки объекта в нужном ракурсе. Запись видео в разрешении FullHD на карту памяти камеры аппарата или его на жесткий диск обеспечивает полное документирование работы.
Оперативность в подготовке к работе, отсутствие у операторов ограничений по показателям здоровья, возможность для специалистов-гидробиологов самостоятельно проводить визуальное обследование дна и корректировать работу аппарата обеспечивают весьма высокую скорость
проведения работ посредством ТНПА и привязных видеокамер по сравнению с водолазным методом. Так, водолазная съемка 35-мильного участка прибрежной зоны в западной части Татарского пролива в 1999 г., выполненная с борта среднетоннажного судна, заняла в общей сложности две недели. Обследование этого же участка с борта маломерного судна при помощи привязной видеокамеры, когда водолаз спускался под воду для отбора проб в заранее выделенных местах, заняло три дня [23]. Далее, регулярные водолазные обследования одного и того же участка побережья, проводившиеся в 2011-2016 гг., требовали около двух дней, в 2017-2018 гг. с использованием ТНПА были выполнены менее, чем за один рабочий день. Таким образом, следует признать, что использование привязных видеокамер и ТНПА позволяет существенно сократить продолжительность работ.
Сравнение эффективности ТНПА с привязной видеокамерой и водолазом приведены в таблице. Среднее количество баллов по результатам экспертного оценивания разных способов получения гидробиологических данных весьма близко: ТНПА - 86, водолаз - 82, привязная видеокамера - 81. Критерии оценки разных способов исследования и возможности их сравнения вызвали дискуссию среди экспертов. При сопоставимости результатов наивысший средний балл получил ТНПА. По мнению опрошенных, эти аппараты могут использоваться для проведения прибрежных гидробиологических исследований.
Обобщенная оценка эффективности разных способов получения гидробиологических данных
Показатель Привязная видеокамера ТНПА Водолаз
Безопасность Очень высокая Высокая Средняя
Квалификация Низкая Средняя Высокая
Погодозащищенность Высокая Средняя Хорошая
Габариты Малые Средние Большие
Скорость подготовки к работе Высокая Средняя Низкая
Удобство работы Малое Среднее Высокое
Скорость работы Средняя Высокая Низкая
Маневренность Отсутствует Высокая Очень высокая
Глубина погружения Средняя Высокая Низкая
Время под водой Неограниченное Неограниченное Довольно малое
Возможности описания ландшафта Плохие Хорошие Отличные
Возможности определения видов Плохие Посредственные Отличные
Возможности отбора проб Отсутствуют Плохие Отличные
Возможности фото/видео Посредственные Хорошие Отличные
Трансляция видео Посредственная Отличная Отсутствует
Запись видео Отсутствует Отличная Отличная
Энергонезависимость Высокая Высокая Посредственная
Возможность работы с лодки Отличная Посредственная Хорошая
Доступность для исследователя Высокая Средняя Малая
Общая стоимость Низкая Средняя Высокая
Сложность регламентирования Отсутствует Отсутствует Критическая
Методы проведения гидробиологической съемки при помощи ТНПА в целом совпадают с таковыми для водолазных съемок [2, 15]. Расположение разрезов и станций при выполнении работ у протяженных морских побережий со сменой характера берегов и поясным расположением биотопов на дне должно соответствовать типическому принципу [24]. Вдоль однотипных побережий и при относительно однородном характере дна и донной биоты разрезы выполняются через равные промежутки, от 0,5 км до 10 миль, в зависимости от задач исследования. Более частыми разрезы делают при проведении ресурсных съемок с целью оценки запасов и оконтурива-ния поселений донных гидробионтов, более редкими - при сборе данных сравнительно-экологического характера. В местах изменения характера берега, рельефа дна, типов грунта, общего характера донной биоты делают дополнительные разрезы. Их делают также у основания и вершины мысов, на входных мысах, в средней и кутовой частях бухт. У мысов и в бухтах в связи с выраженной сменой топических условий разрезы следует выполнять чаще, чем у открытых побережий.
Известную проблему при проведении гидробиологических исследований с помощью ТНПА составляет относительно низкая точность позиционирования. Оснащение недорогого телеуправляемого аппарата системами подводного позиционирования увеличивает стоимость комплекса на порядок, что для большинства видов прибрежных исследований вряд ли оправдано. Поэтому
позиционирование осуществляется с судна, на котором базируется ТНПА. Добиться относительного совпадения координат судна и аппарата можно только при выполнении точечного вертикального погружения, желательно, на якоре и при отсутствии течений. Иначе из-за сноса судна, особенно в движении, минимальная ошибка позиционирования будет приблизительно соответствовать двукратному значению глубины погружения, то есть около 20 м при погружении на 10 м и до 200 м при погружении на 100 м. Это вполне приемлемо, поскольку соответствует общему характеру смены биотических поясов с глубиной и точности позиционирования при проведении классических водолазных съемок. На мелководьях наблюдается частая смена биоценозов, что требует определения координат с довольно высокой точностью. С увеличением глубины пояса становятся шире, их границы все более размываются, что позволяет снизить точность позиционирования. Для достижения приемлемой точности определения координат необходимо следить, чтобы ТНПА всегда находился «на коротком поводке» под судном, своевременно выбирая слабину кабель-троса. Схема прохождения гидробиологического разреза легким ТНПА показана на рис. 1.
Рис. 1. Общий порядок прохождения гидробиологического разреза легким ТНПА
Выполнять точечные погружения следует только для повышения точности географической привязки, где это необходимо. Точечных осмотров дна, особенно на мелководьях, следует избегать, поскольку из-за высокой дискретности сложения, дробности и пестроты донных ландшафтов и бентосных сообществ малых глубин результат осмотра с большой вероятностью будет случайным. Обеспечить повторяемость результатов при точечных осмотрах затруднительно, поскольку практически сложно обеспечить попадание «снаряда» второй раз в одну и ту же «воронку». Поэтому основным методом исследования при помощи ТНПА является выполнение трансект, позволяющих осматривать участки дна значительной протяженности. В этом случае исследователь получает информацию обо всех основных особенностях участка, что хорошо обеспечивает повторяемость результатов. Исходя из этого принципа, выполнение слишком коротких трансект не имеет смысла, их длина, как правило, должна составлять не менее 30-50 м.
При работе с маломерных судов, большая скорость передвижения и автономность ТНПА, по сравнению с водолазом, позволяет вместо серии станций, выполнять короткие разрезы (до 500-1 000 м) в виде сплошных, ориентированных перпендикулярно берегу трансект. Такой подход позволяет осмотреть все ценотические пояса, отметив координаты их границ и наиболее типичные участки и получив намного более полную, по сравнению с водолазным способом, картину распределения биоты. Если разрез более длинный, целесообразно продолжать его выполнение в виде серии более коротких (100-200 м) трансект.
Когда возникает необходимость обследовать отдельные ценотические пояса, следует выполнить на разрезе серию параллельных берегу трансект, пересекающих основную в координатах расположения их типичных участков. Для сбора общих гидробиологических сведений параллельные трансекты могут быть относительно короткими (50-100 м). При необходимости установить границы промысловых скоплений, длина параллельных трансект может быть много больше.
При необходимости оконтурить отдельные скопления гидробионтов, целесообразно выполнить серию галсов с поворотами на границах скопления. Относительно небольшие поселения с четко выраженными границами (с периметром до 1-2 км) можно оконтуривать, проводя ТНПА вдоль границы скопления. Алгоритм работы с легким ТНПА показан в виде блок-схемы (рис. 2).
При работе ТНПА с борта среднетоннажного судна гибкость и оперативность работы маломерных плавсредств теряется. В этом случае общая схема исследования будет повторять методику водолазной съемки: перпендикулярные берегу разрезы из серий станций, каждая из которых будет представлять тран-секту с максимальной протяженностью, соответствующей длине кабель-троса. Съемка в движении будет возможна только на существенном удалении от берега, а возможности маневрирования при этом будут сильно ограниченны. Такая организация работы оправдана только для тяжелых ТНПА, работающих на больших глубинах. Подробное обсуждение гидробиологических исследований при помощи тяжелых ТНПА не входит в задачи настоящей работы. Что касается прибрежных исследований, даже если они проводятся на среднетоннажных судах, следует стремиться к тому, чтобы работа с ТНПА осуществлялась с борта базирующихся на них специальных маломерных судов - лодок, ботов, катеров - аналогично тому, как организуются водолазные съемки на специализированных НИС. Маломерные суда для работы с ТНПА обязательно должны иметь тент, навес либо кубрик. Это необходимо для обеспечения оператору комфортных условий наблюдения, так как сколь-нибудь продолжительное время смотреть в монитор при естественном дневном свете невозможно. Кроме того, необходима защита аппаратуры от дождя и брызг.
Формализация результатов и получение количественных данных. Простое заполнение стандартных бланков, таблиц и т. п., в которых отражены результаты визуальных наблюдений, вряд ли может считаться хорошим примером формализации, поскольку такие наблюдения в значительной мере субъективны и не лишены искажений [2]. Строго говоря, они не соответствуют критерию научности К. Поппера [25] - принципиальной проверяемости и опровергаемости. Проблемы формализации результатов и анализа фото- и видеозаписей в настоящее время решают при помощи систем искусственного интеллекта, распознавания образов и т. п., применяя их для вполне практических задач, например, оценки запасов гребешков [14]. Однако на практике выполнять количественный учет можно более простыми способами. Поскольку наиболее качественные изображения получаются при неподвижном положении аппарата, при необходимости количественного учета гидробионтов можно выполнять серии из 20-50 посадок ТНПА на грунт, делая их через равные промежутки времени или равные расстояния. Подсчет гидробионтов на скриншотах во время этих посадок даст репрезентативный количественный материал. При обследовании протяженных участков с однородной биотой посадки аппарата можно выполнять через определенное расстояние (например, через каждые 50-100 м) в точках с заранее выбранными координатами. Если обследуется относительно небольшая агрегация промысловых видов, посадки можно выполнять через небольшие промежутки времени (например, через каждые 10-20 с).
БЕРЕГ
, СПЛОШНАЯ ТРАНСЕКТА У БЕРЕГА ЧЕРЕЗ ВСЕ ЦЕНОТИЧЕСКИЕ ПОЯСА
ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ТРАНСЕКТЫ ! ЦЕНТРЕ ЦЕНОТИЧЕСКИХ ЯСОВ
ОБСЛЕДОВАНИЕ ПРОМЫСЛОВОГО СКОПЛЕНИЯ ГАЛСАМИ
ПРЕРЫВИСТАЯ ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ ТРАНСЕКТА НА БОЛЬШОМ УДАЛЕНИИ ОТ БЕРЕГА. ПОГРУЖЕНИЯ НА РАЗНЫХ ГЛУБИНАХ
Рис. 2. Графическая схема движения легкого ТНПА при проведении гидробиологического разреза
Кроме того, серии скриншотов через равные промежутки времени можно делать по мере проведения видеозаписи при медленном относительно равномерном движении аппарата над дном по трансекте, естественно, при условии, что качество изображения достаточно хорошее, а учитываемые объекты достаточно крупны (гребешки, друзы мидий, морские ежи и т. п.). В некоторых случаях для количественного учета гидробионтов вполне пригоден простой их подсчет во время проведения гидробиологического разреза.
Запись видео достаточно вести в разрешении HD (1280*720) или FullHD (1920*1080) в зависимости от необходимой и возможной детализации, с частотой 15-30 кадров в секунду. Устанавливать более высокие разрешение и частоту кадров для подводных видеосъемок не имеет смысла из-за относительно низкой прозрачности водной среды и небольшой скорости перемещения аппарата в воде. Результативность работы напрямую зависит от прозрачности воды. Если водолаз целый ряд задач может выполнять вслепую, то работа ТНПА в мутной воде будет полностью безрезультатна. Поэтому на мелководьях, до глубин 10-15 м, не следует начинать работу в первые сутки после шторма. Частично проблему видеосъемки в умеренно мутной воде решает черно-белая видеозапись. Начиная с 10 м глубины весьма важную роль при подводной видеосъемке, даже в дневное время, играет искусственное освещение. Это обстоятельство часто не учитывается операторами, которые довольствуются естественным освещением. В особенности это касается водолазов, освоивших управление ТНПА, но привыкших работать при естественном освещении. Между тем искусственное освещение при помощи осветителей с регулируемыми спектром и мощностью позволяет весьма значительно улучшить качество картинки, облегчить зрительное восприятие изображения, и, что наиболее важно для количественного и качественного учета гидробионтов, многократно увеличить детализацию картинки (рис. 3). Управление освещением, как и управление движением, требует навыка и вырабатывается по мере приобретения опыта.
Рис. 3. Однотипные участки дна, снятые при естественном (слева) и искусственном (справа) освещении. Справа видны офиуры, сидячие полихеты, мшанки, губки, гидроиды, водоросли, неразличимые слева
Отбор проб. Отбор гидробионтов при помощи ТНПА весьма проблематичен. Эти аппараты снабжены двух- или трехпалыми манипуляторами. Однако нужно понимать, что в настоящее время возможности манипуляторов ограниченны и несравнимы с возможностями отбора руками и специальными инструментами в ходе водолазных работ. Водолаз способен с весьма высокой скоростью в любых количествах собирать разноразмерных представителей макробентоса, выкапывать их из грунта, использовать водолазные дночерпатели, срезать растения, отделять от субстрата прикрепленных животных, сортировать и укладывать сборы прямо под водой и т. п.
Водолаз собирает образцы, практически не отвлекаясь на работу рук. Манипулятор лишен таких возможностей и предназначен только для того, чтобы захватить один объект. Навыки захвата требуют тренировки, а сбор каждого объекта - отдельного времени. При этом захват мелких или очень крупных объектов может быть затруднен или невозможен.
Производителями аппаратов проблема сбора образцов решена лишь отчасти. Так, ООО «Ровбилдер» для своих ТНПА предлагает модифицированную конструкцию со специальным расположением манипулятора [26]. Собранные с его помощью объекты они предлагают перемещать в расположенную на дне корзину. Следует признать, что подобная работа более трудоемка, чем водолазные сборы, но таким образом все-таки можно собрать достаточное для биологического анализа количество крупных донных животных. Сбор под водой иных образцов, например, прикрепленных крупных бурых водорослей или мидий при помощи ТНПА, по-видимому, невозможен. Впрочем, следует осознавать, что в данном случае речь идет не столько о недостатке, сколько о естественных ограничениях в использовании любого прибора. Сбор достаточно полных сведений о донной биоте не может ограничиваться единственным способом [2, 15], и использование ТНПА целесообразно сопровождать водолазными, дражными и дночерпатель-ными сборами в зависимости от особенностей изучаемых объектов, глубин и грунтов.
В исполнении обсуждаемого в работе ТНПА (как любого технического устройства) имеются недостатки. Они связаны, прежде всего, с мелкосерийным характером производства, влекущим за собой элементы кустарности изготовления, избыточную громоздкость, отсутствие влагозащи-ты блока управления, отсутствие возможности подключения штатных аккумуляторных батарей, и т. п. Телеуправляемый аппарат «Ровбилдер-150» показывает на мониторе, но не записывает телеметрические данные - глубину и курс. В аппаратах других ценовых категорий, упомянутых выше, и других производителей эти недостатки могут отсутствовать. Поэтому при выборе техники исследователь должен руководствоваться соображениями оптимальной функциональности и приемлемой цены.
Перспективные направления исследований. ТНПА идеально подходят для задач ландшафтного картирования морского дна [20]. Легкие ТНПА весьма удобны для промысловой разведки, оценки запасов и оконтуривания поселений промысловых макрофитов (сахарин, анфель-ции, морских трав) и эпибентосных беспозвоночных (морских гребешков, мидий, устриц, морских ежей, трепанга, кукумарии и т. п.). Кроме того, возможен учет массовых эндобентосных организмов, которые зарываются в грунт не полностью (двустворчастые моллюски рода Serripes), оставляют на поверхности сифоны (двустворчатые моллюски рода Spisula, Panopea), венчики (полихе-ты рода Pectinaria), характерные следы жизнедеятельности (полихета пескожил - Abarenicola pacifica) и т. п. В известной степени ТНПА пригодны для оценки видового состава и описания сообществ морских растений и животных. Их, кроме того, можно использовать для оценки численности видов, плотности их поселений, выявления характера миграций подвижных бентосных и нектонных организмов, образующих значительные концентрации (крабов, рыб, кальмаров и т. д.).
При проведении комплексных экосистемных исследований на протяженных участках побережья целесообразно использование разных методов сбора информации и проб гидробионтов. Именно это позволят получить наиболее полные данные об экологическом состоянии обследуемых районов и их биологических ресурсах. Изучение физиономического облика биоценозов имеет исключительную ценность для анализа их состава и структуры [27]. Проведение масштабных съемок с использованием ТНПА тем более целесообразно, что систематические сведения о внешнем облике сообществ макробентоса имеются только до глубин 12-20 м, на которых проводятся регулярные водолазные съемки. Что касается б0льших глубин, до сих пор имеются довольно отрывочные сведения об их физиономии и населении. Систематическое использование ТНПА позволит восполнить этот пробел. Во время таких исследований имеет смысл проводить сравнительную оценку эффективности сбора данных с использованием разных методов сбора информации и орудий отбора гидробиологических проб.
Заключение
В настоящее время ТНПА представляется оптимальным средством визуального исследования макроэпибентоса в прибрежной зоне. По сумме своих эксплуатационных характеристик ТНПА - «золотая середина» между водолазным способом и использованием привязных подводных видеокамер. Основными преимуществами их использования являются получение исследо-
вателем целостного представления о характере донных ландшафтов и распределении эпибентос-ных организмов, полная обратная связь с оператором, возможность документирования данных, высокая скорость проведения гидробиологических исследований, возможность обследований больших глубин, относительно низкая стоимость, отсутствие жестких требований к здоровью операторов этих аппаратов.
Основной недостаток ТНПА - неспособность выполнять систематический отбор проб. Наилучшие результаты в проведении гидробиологических съемок могут быть достигнуты при использовании наряду с ТНПА других способов сбора материала: дражного, дночерпательного, водолазного, восполняющих недостатки получения информации с помощью подводных аппаратов.
Использование ТНПА требует формирования специальных навыков, которые приобретаются по мере накопления у их операторов исследовательского опыта. В целом методические требования к использованию ТНПА для проведения гидробиологических исследований те же, что и при проведении водолазных съемок. Телеуправляемые аппараты - идеальные приборы для подводного ландшафтного картирования и промысловой разведки донных беспозвоночных, они вполне приемлемы для качественного и количественного учета гидробионтов.
Благодарности
Авторы выражают искреннюю благодарность сотрудникам лаборатории прибрежных экосистем ВНИРО, и особенно заведующему этой лабораторией к.б.н. М.В. Переладову, а также начальнику отдела глубоководного оборудования ННЦБМ В.А. Денисову за оказанные ими консультации по вопросам применения ТНПА для гидробиологических исследований.
Литература
1. Дуленин А.А. О применимости визуальных наблюдений для оценки обилия макрофитов на примере сахарины японской северо-западной части Татарского пролива // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: материалы VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Часть 1. -Петропавловск-Камчатский, 2016б. - С. 80-84.
2. Дуленин А.А. Некоторые методические проблемы водолазных гидробиологических учетных съемок и пути их разрешения // Известия ТИНРО. - 2017. - Т. 170. - С. 231-244.
3. Дуленин А.А. Комплексный подход к организации прибрежных рыбохозяйственных исследований в условиях сокращения их финансирования // Водные биологические ресурсы России: состояние, мониторинг, управление: сборник материалов Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 85-летию Камчатского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии. - Петропавловск-Камчатский: КамчатНИРО, 2017. - С. 112-118.
4. Переладов М.В. К вопросу об уловистости крабовых ловушек // Х Съезд Гидробиологического общества при РАН: тез. докл. / отв. ред. Алимов А.Ф., Адрианов А.В. -Владивосток: Дальнаука, 2009. - С. 307-308.
5. Жирков А.И. при участии Азовского А.И., Максимовой О.В. Жизнь на дне. Био-география и био-экология бентоса. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2010. - 453 с.
6. Волвенко И.В. Технические проблемы адекватной интерпретации результатов траловых съемок и пути их решения // Известия ТИНРО. - 2013. - Т. 172. - С. 282-293.
7. Эффективная площадь облова крабов ловушками в северо-западной части Татарского пролива / В.И. Островский, О.Б. Ткачева, А.В. Харитонов, В.Н. Шаленко // Известия ТИНРО. -2014. - Т. 178. - С. 1-10.
8. Sheehan E., Rodriguez-Rodriguez D., Foster N. et al. A comparative study of towed underwater video methodology to monitor benthic habitats in Marine Protected Areas. - Ifremer, Sussex IFCA and Marine Institute for the Protected Area Network Across the Channel Ecosystem (PANACHE) project. INTERREG programme. - 2014. - 46 p.
9. Ляхов Д.Г. Современные задачи подводной робототехники. // Подводные исследования и робототехника. - 2012. - № 1 (13). - С. 14-23.
10. Remotely operated underwater vehicle [Электронный ресурс]. - URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Remotely_operated_underwater_vehicle (дата обращения: 12.03.2018).
11. ГНОМ - телеуправляемый подводный аппарат [Электронный ресурс]. - URL: https://gnomrov.ru/ (дата обращения: 12.03.2019).
12. Rovbuilder [Электронный ресурс]. - URL: http://www.rovbuilder.com/index.html (дата обращения: 12.03.2018).
13. Sameoto J.A., Lawton P., StrongM.B. An approach to the development of a relational database and GIS applicable scheme for the analysis of video-based surveys of benthic habitats. - Fisheries and Oceans Canada Biological Station. - St. Andrews, 2008. - 40 p.
14. Kannappan P., Walker J.H., Trembanis A., Tanner H.J. Identifying sea scallops from benthic camera images // Limnology and Oceanography: Methods. - 2014. - № 12. - P. 680-693.
15. Методические рекомендации по учету запасов промысловых гидробионтов в прибрежной зоне / Е.И. Блинова, О.Ю. Вилкова, Д.М. Милютин, О.А. Пронина, В.А. Штрик. - М.: ВНИРО, 2005. - 80 с.
16. Дуленина П.А., Дуленин А.А. Обоснование вывода корбикулы японской (Corbicula japonica Prime, 1864) из Красной книги Хабаровского края // Известия ТИНРО. - Т. 165. -2011. - С. 65-73.
17. Дуленин А.А. Распределение сублиторальной растительности материкового побережья Охотского моря (в пределах Хабаровского края) // Известия ТИНРО. - 2015. - Т. 180. - С. 107-127.
18. Дуленин А.А., Гусарова И.С. Широтные изменения состава и структуры растительности в северо-западной части Татарского пролива // Биология моря. - 2016. - Т. 42, № 4. - С. 272-279.
19. Дуленина П.А. Фауна и распределение двустворчатых моллюсков северо-западной части Татарского пролива и Амурского лимана: автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Хабаровск: ХфТИНРО, 2018. - 25 с.
20. Арзамасцев И.С., Преображенский Б.В. Атлас подводных ландшафтов Японского моря. -М.: Наука, 1990. - С. 51-57.
21. Резник А.Д. Книга для тех, кто не любит статистику, но вынужден ею пользоваться. -СПб.: Речь, 2008. - 264 с.
22. Межотраслевые правила безопасности труда при проведении водолазных работ: приложение к приказу № 269 Минздравсоцразвития России от 13 апреля 2007 г. - М.: Минздравсоц-развития РФ, 2007. - 144 с.
23. Дуленин А.А., Сидяков Ю.В., Черниенко И.С. Сообщества макробентоса сублиторали северо-западной части Татарского пролива и Охотского моря (в границах Хабаровского края) // Сборник научных трудов Хабаровского филиала Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра. - Владивосток: ТИНРО-Центр, 2010. - С. 115-137.
24. Фадеев В.И., Лукин В.И. К методике подводных гидробиологических исследований верхней сублиторали в условиях подвижных морских экспедиций // Подводные гидробиологические исследования. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1982. - С. 21-34.
25. Popper K. The logic of scientific discovery. - London and New York: Routledge, 2002. - 513 p.
26. Аппарат для сбора морепродуктов [Электронный ресурс]. - URL: https://www.youtube.com/watch?v=dMol2wEp2Ys (дата обращения: 12.03.2019).
27. Миркин Б.М., Наумова Л.Г., Соломещ А.И. Современная наука о растительности. - М.: Логос, 2001. - 264 с.
Информация об авторах Information about the authors
Дуленин Александр Алексеевич - Хабаровский филиал Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (ХабаровскНИРО); 680028, Россия, Хабаровск; кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник; dulenin@mail.ru
Dulenin Alexander Alexeevich - Khabarovsk branch of the All-Russian Research Institute of Fisheries and Oceanography (KhabarovskNIRO), 680028, Russia, Khabarovsk; Candidate of Biological Sciences, Leading Researcher; dulenin@mail.ru
Кудревский Олег Александрович - Хабаровский филиал Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (ХабаровскНИРО); 680028, Россия, Хабаровск; ведущий инженер; seafrog@bk.ru
Kudrevskiy Oleg Alexandrovich - Khabarovsk branch of the All-Russian Research Institute of Fisheries and Oceanography (KhabarovskNIRO);680028, Russia, Khabarovsk; Leading Engineer; seafrog@bk.ru
