基于無人測量船的人工魚礁投放空方量測量與評估

趙曉龍,夏 濤,張秋艷

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.青島福創環境科技有限公司,山東 青島266000)

人工魚礁作為放置在特定海域海底的人工構筑物[1],通過對海域環境實施調控與改造以及對生境的修復與改善[2],來實現改善海域生態環境、營造海洋生物的良好棲息環境[3]、恢復海洋生態系統等重要功能[4],是資源養護型海洋牧場建設的核心[5]。為進一步規范海洋牧場建設,更好地發揮其環境保護、資源養護、游釣漁業和景觀生態建設于一體的新業態功能[6],自2015年啟動國家級海洋牧場示范區創建工作以來,農業農村部就對申請國家級示范區的海洋牧場的宗海面積、人工魚礁投放量和分布區等提出了明確要求[7],并對工作基礎較好的海洋牧場給予中央財政專項支持。因此,欲申報國家級海洋牧場示范區的海洋牧場,需對所投放的人工魚礁分布區及其投放空方量進行探測、核算與評估。

無人船作為一種新型的水上環境測量監測平臺[8],可搭載多種測量傳感器,以遙控或自主航行等工作方式,在走航中進行連續性海洋監測調查,具有布放靈活、成本經濟、搭載方便、技術先進、安全性高等特點,可應用于湖泊、近岸淺海和海島周邊等復雜區域的多要素同步測量[9],在水域環境測量與監測中具有明顯技術優勢[10],應用前景廣泛[8,11-12]。

本文根據國家級海洋牧場示范區建設與管理的實際需求,系統介紹基于自主研發的“OPENUSV”號無人船測量實施的人工魚礁投放區調查及其投放量核算。該無人船平臺搭載多波束測深系統、側掃聲吶系統和導航定位系統等多種探測傳感器,開展目標海域自動巡航監測調查試驗,實施海域水下地形、地貌等外業測量。同時,利用ArcGIS 10.0軟件空間分析功能,對所獲數據進行分析、解譯與判讀,實現目標海域人工魚礁礁體投放空方量的快速探測、測量、核算與評估。以期通過該試驗證明無人測量船平臺系統在海洋牧場環境調查與監測中應用的可行性,為海洋牧場規范化建設提供一種安全、便捷和經濟的監測評估技術方案。

1 系統配置與工作原理

基于國家級海洋牧場建設與管理需求,采用自主研發的“OPENUSV”號無人船測量平臺系統,搭載多種海洋調查與探測儀器傳感器,開展目標海域水下地形測量與海底地貌探測,利用ArcGIS 10.0軟件平臺的空間分析功能,科學評估目標海域內人工魚礁投放空方量。

1.1 無人測量船平臺系統配置

“OPENUSV”號無人測量船平臺,可分為岸基控制單元和無人船測量單元兩部分[13](圖1)。岸基控制單元主要包括岸基天線、操控系統和驗潮單元等。通過無線電信號與海上的無人船測量平臺建立信息通訊,驗潮單元完成海洋潮位變化的同步測量,用于水深測量數據的水位改正[14]。無人船測量單元又可分為數據采集系統和無人船系統兩部分。數據采集系統是無人測量船平臺的核心單元,主要由導航定位系統、多波束測深系統和海底側掃聲吶探測系統等數據采集系統構成,通過船上的通信系統將數據傳輸到岸基控制單元。無人船系統主要包括船舶控制系統、船體和動力系統等部分。船舶控制系統主要包括通信系統、控制系統等系統,通信系統是實現無人船與陸基控制單元相互通信的重要部分,通過實施射頻點對點的通信方式,將無人船的工作狀態、航行姿態和任務狀態以及測量數據等信息傳輸到岸基控制單元;控制系統主要控制無人船的工作狀態與質量,通過岸基控制單元與無人船進行無線通信[15]。無人船船體采用雙體浮筒結構,配備自主研發的無刷電動推進器等動力系統,有力保障并提升了無人測量船平臺的操控安全性和適應性。

1.2 人工魚礁投放空方量核算與評估原理

人工魚礁投放空方量的核算與評估工作,關鍵在于精確獲取海底地形起伏情況及海底地貌實體單元分布等信息。通過對比人工魚礁投放工作前后的海底地形和地貌等特征變化,準確解算出人工魚礁投放空方量。在外業實施過程中,利用無人測量船平臺上搭載的GNSS RTK 定位系統來保證無人船探測的精確定位,運用搭載的高精度多波束測深系統實現目標海域海底地形的全覆蓋測量,利用海底側掃聲吶探測系統探測海底地貌實體單元及其分布特征。在此基礎上,綜合解譯多波束測深和海底側掃聲吶探測實測數據,基于ArcGIS 10.0軟件平臺,運用其空間分析等分析功能,構建目標海域海底數字模型DEM[16];在側掃聲吶探測系統對海底典型地貌實體單元辨識的配合下,圈劃出人工魚礁等典型海底地貌實體及其分布區,利用挖空方等空間分析方法計算人工魚礁體積[17],最終獲得目標海域內所有已識別出的人工魚礁總投放空方量(圖2)。

圖1 無人船測量平臺Fig.1 The unmanned surface vehicle platform

圖2 人工魚礁投放量核算過程Fig.2 Accounting process of the earthwork volume of artificial reefs

2 人工魚礁投放空方量核算與評估

為檢驗無人測量船平臺實施人工魚礁投放空方量核算與評估技術的可行性,基于自主研發的“OPENUSV”號無人測量船平臺,搭載多波束測深系統、側掃聲吶探測系統、慣性導航系統和GNSS RTK 定位系統等探測傳感器,實施某海洋牧場的實地海域測量。

2.1 測區概況

選取北黃海區某海洋牧場作為試驗海域,其宗海面積為77 hm2(圖3),其中人工魚礁重點投放區有A,B,C和D 四個區塊,總面積8.3 hm2,海底底質類型以泥沙質類型為主,海底地形較為平坦。根據國家主管機關批復的海洋牧場建設方案,該海洋牧場設計的人工魚礁投放量為5.75萬空方(m3),所選用的人工魚礁礁體類型有花崗巖開山石石塊礁、鋼筋混凝土預制構件方形礁和混凝土預制構件管狀礁三種礁體類型[5](圖4)。其中花崗巖開山石石塊礁選取重量W≥100 kg的大型石塊,鋼筋混凝土預制構件方形礁礁體尺寸為100 cm(長)×100 cm(寬)×100 cm(高),混凝土預制構件管狀礁礁體尺寸為50 cm(直徑)×100 cm(長)。本文無人測量船測試實驗重點對A,B,C和D 四個人工魚礁重點投放區實施監測調查與評估。

圖3 人工魚礁重點投放區分布Fig.3 The distribution of the key areas of the artificial reefs

圖4 投放礁體類型Fig.4 Types of the released artificial reefs

2.2 數據采集

海上試驗采集數據主要包括導航定位信息、多波束水深地形數據、側掃聲吶海底地貌探測數據以及測區內的潮位數據等?！癘PENUSV”號無人船實施數據采集過程中,利用搭載的海卓MS400多波束測深系統探測目標海域海底地形起伏情況,利用船載MRU 狀態改正系統實時對多波束測深系統進行船舶姿態等數據修正,采用中海達A12 GNSS RTK 定位系統提供測量定位信息,采用搭載的Shark-S450U 側掃聲吶探測系統采集海底地貌特征信息,利用海鷹HY1300潮位儀進行同步水位觀測,以支撐后續對多波束測深數據等進行水位改正處理。

2.2 數據處理與分析

2.2.1 多波束測深數據處理與海底地形特征

目前海底地形地貌特征信息主要采用單波束、多波束水深測量或側掃聲吶等精密海洋探測設備獲取[18],是海洋資源開發利用和海洋工程的基礎[19],也是人工魚礁投放空方量核算與評估的基礎。多波束測深技術可以獲得高精度和高密度的水下地形點云數據[20],精確地反映海底地形的細節特征。本文中多波束水深數據采用CARIS HIPS 7.1軟件進行后處理分析解譯,獲取目標海域海底地形起伏及投放人工魚礁分布的面域特征(圖5)。數據處理結果顯示,4片目標海域水深(Z)為4.5～15.0 m,海底密集可見人工魚礁礁體等凸起海底地貌實體片狀分布,礁體高度差異明顯,其中A 海區水深為7.2～15.0 m,礁體高度為0.9～7.7 m;B海區水深為4.8～13.9 m,礁體高度為1.5～7.6 m;C海區水深為5.4～14.7 m,礁體高度為0.9～9.3 m;D 海區水深為6.2～13.8 m,礁體高度為1.3～7.2 m。

圖5 人工魚礁投放區水深圖Fig.5 Bathymetric maps of the artificial reef areas

2.2.2 側掃聲吶探測數據處理與人工魚礁辨識

側掃聲吶探測系統作為一種高分辨率海底地貌探測設備,已被廣泛用于水下目標探測與識別工作[21]。雖然多波束測量系統可獲取定位精度較高的水深地形及地貌信息,但相對于側掃聲吶探測系統,多波束測深系統獲取的地貌圖像分辨率較低[22],而側掃聲吶探測系統雖能獲取高分辨率的海底地貌單元屬性信息[23],但位置精度較差。因此,采用多波束測深系統與側掃聲吶探測系統聯合作業,可有效提高海底人工魚礁等特征地貌實體單元的測量準確度[24]和礁體投放空方量的核算精度。

在對多波束水深地形起伏特征解譯的基礎上,本文對側掃聲吶探測系統獲取的海底地貌實體單元進行辨析分析(圖6),獲取目標海域海底地貌實體分布區及其分布面積等特征。通過對比所投放人工魚礁礁體類型(圖4),在4片目標海域內辨析、圈劃出75塊人工魚礁投放分布區(圖7),總面積為45 274.4 m2(表1),平均每片海區人工魚礁投放區面積為11 318.6 m2,其中A 海區海底有17塊人工魚礁分布區(A01～A17)、平均面積為765.5 m2/塊;B海區海底分布有20塊人工魚礁分布區(B01～B20)、平均面積為521.9 m2/塊;C海區海底分布有18塊人工魚礁分布區(C01～C18)、平均面積為590.6 m2/塊;D 海區海底分布有20塊人工魚礁分布區(D01～D20)、平均面積為559.5 m2/塊。

圖6 方形礁側掃聲吶圖像Fig.6 SSS images of the square artificial reefs

圖7 人工魚礁投放區分布Fig.7 Distributions of the released artificial reefs

2.2.3 人工魚礁投放空方量核算與評估

在進行人工魚礁投放空方量計算時,選取人工魚礁分布區的投影區邊界水深作為礁體理論海底底界面,構建人工魚礁投放分布區的理論海底DEM,對比多波束測深離散數據點構建的實測海底DEM[25],形成多個人工魚礁不規則棱柱體,運用Arc GIS 10.0軟件挖空方等三維空間分析功能[26],計算獲取人工魚礁投放礁體的空方量。

經統計,4片重點投放區內人工魚礁總投放空方量為51 667.3 m3(表1),平均每片海區人工魚礁投放空方量為12 916.9 m3,其中A海區總投放的人工魚礁有14 474.4 m3,其最小區塊體積僅為6.8 m3,最大區塊體積為5 946.8 m3;B海區總投放的人工魚礁有12 834.7 m3,其最小區塊體積為216.6 m3,最大區塊體積為2 486.5 m3;C海區總投放的人工魚礁有12 599.8 m3,其最小區塊體積為12.1 m3,最大區塊體積為4 302.3 m3;D 海區總投放的人工魚礁有11 759.3 m3,其最小區塊體積為71.7 m3,最大區塊體積為1 785.9 m3。

表1 人工魚礁分布面積與空方量核算Table 1 Statistics of the distribution area and earthwork volume of the released artificial reefs

此外,由于海底底質類型的不同,海底土體承載力也會不同,會造成其上覆構筑物在自身重力或水動力等作用下,出現不同程度的沉降等現象[27]。本試驗研究海域的底質類型主要為泥沙質類型,所投放的石塊礁、管狀礁和方形礁人工魚礁礁體,會在投放過程中和投放后一定時期內出現不同程度的沉降,造成人工魚礁測量評估量與實際投放量的差異。因此,為提高人工魚礁投放空方量核算準確度,既要考慮選用適宜測量精度和覆蓋范圍的調查儀器設備,還建議在測量和評估時,要配合海底底質類型調查和土體承載力評估等工作,對人工魚礁的沉降或覆蓋范圍有一定的核算考慮,以便更客觀地反映人工魚礁實際投放空方量,更科學地核算評估其相關投資。

3 結 語

基于國家級海洋牧場示范區建設實際需求,本文采用“OPENUSV”號無人測量船平臺,搭載多波束測深系統、側掃聲吶探測系統及導航定位系統等探測傳感器,對目標海域內人工魚礁投放區進行地形測量與地貌探測等,利用ArcGIS 10.0軟件空間分析功能,實現人工魚礁投放空方量的系統測量、核算與評估,取得了理想效果。本文研究結果充分說明無人測量船具有經濟運行成本低、可操作性高和搭載探測設備靈活等優點,可應用于近岸、島礁周邊等復雜海域[7-8],在海洋牧場運行環境監測、人工魚礁投放空方量評估與監測等領域具有很強的技術推廣價值,為海洋牧場建設及其運營、投資評估管理等開拓了一個新的技術服務手段和管理視角,市場應用前景廣泛。

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