基于無(wú)人測(cè)量船的人工魚礁投放空方量測(cè)量與評(píng)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(chuàng)環(huán)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(gòu)筑物[1],通過(guò)對(duì)海域環(huán)境實(shí)施調(diào)控與改造以及對(duì)生境的修復(fù)與改善[2],來(lái)實(shí)現(xiàn)改善海域生態(tài)環(huán)境、營(yíng)造海洋生物的良好棲息環(huán)境[3]、恢復(fù)海洋生態(tài)系統(tǒng)等重要功能[4],是資源養(yǎng)護(hù)型海洋牧場(chǎng)建設(shè)的核心[5]。為進(jìn)一步規(guī)范海洋牧場(chǎng)建設(shè),更好地發(fā)揮其環(huán)境保護(hù)、資源養(yǎng)護(hù)、游釣漁業(yè)和景觀生態(tài)建設(shè)于一體的新業(yè)態(tài)功能[6],自2015年啟動(dòng)國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)創(chuàng)建工作以來(lái),農(nóng)業(yè)農(nóng)村部就對(duì)申請(qǐng)國(guó)家級(jí)示范區(qū)的海洋牧場(chǎng)的宗海面積、人工魚礁投放量和分布區(qū)等提出了明確要求[7],并對(duì)工作基礎(chǔ)較好的海洋牧場(chǎng)給予中央財(cái)政專項(xiàng)支持。因此,欲申報(bào)國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)的海洋牧場(chǎng),需對(duì)所投放的人工魚礁分布區(qū)及其投放空方量進(jìn)行探測(cè)、核算與評(píng)估。

無(wú)人船作為一種新型的水上環(huán)境測(cè)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)[8],可搭載多種測(cè)量傳感器,以遙控或自主航行等工作方式,在走航中進(jìn)行連續(xù)性海洋監(jiān)測(cè)調(diào)查,具有布放靈活、成本經(jīng)濟(jì)、搭載方便、技術(shù)先進(jìn)、安全性高等特點(diǎn),可應(yīng)用于湖泊、近岸淺海和海島周邊等復(fù)雜區(qū)域的多要素同步測(cè)量[9],在水域環(huán)境測(cè)量與監(jiān)測(cè)中具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)[10],應(yīng)用前景廣泛[8,11-12]。

本文根據(jù)國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)建設(shè)與管理的實(shí)際需求,系統(tǒng)介紹基于自主研發(fā)的“OPENUSV”號(hào)無(wú)人船測(cè)量實(shí)施的人工魚礁投放區(qū)調(diào)查及其投放量核算。該無(wú)人船平臺(tái)搭載多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)等多種探測(cè)傳感器,開(kāi)展目標(biāo)海域自動(dòng)巡航監(jiān)測(cè)調(diào)查試驗(yàn),實(shí)施海域水下地形、地貌等外業(yè)測(cè)量。同時(shí),利用ArcGIS 10.0軟件空間分析功能,對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、解譯與判讀,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)海域人工魚礁礁體投放空方量的快速探測(cè)、測(cè)量、核算與評(píng)估。以期通過(guò)該試驗(yàn)證明無(wú)人測(cè)量船平臺(tái)系統(tǒng)在海洋牧場(chǎng)環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性,為海洋牧場(chǎng)規(guī)范化建設(shè)提供一種安全、便捷和經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)方案。

1 系統(tǒng)配置與工作原理

基于國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)建設(shè)與管理需求,采用自主研發(fā)的“OPENUSV”號(hào)無(wú)人船測(cè)量平臺(tái)系統(tǒng),搭載多種海洋調(diào)查與探測(cè)儀器傳感器,開(kāi)展目標(biāo)海域水下地形測(cè)量與海底地貌探測(cè),利用ArcGIS 10.0軟件平臺(tái)的空間分析功能,科學(xué)評(píng)估目標(biāo)海域內(nèi)人工魚礁投放空方量。

1.1 無(wú)人測(cè)量船平臺(tái)系統(tǒng)配置

“OPENUSV”號(hào)無(wú)人測(cè)量船平臺(tái),可分為岸基控制單元和無(wú)人船測(cè)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(tǒng)和驗(yàn)潮單元等。通過(guò)無(wú)線電信號(hào)與海上的無(wú)人船測(cè)量平臺(tái)建立信息通訊,驗(yàn)潮單元完成海洋潮位變化的同步測(cè)量,用于水深測(cè)量數(shù)據(jù)的水位改正[14]。無(wú)人船測(cè)量單元又可分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和無(wú)人船系統(tǒng)兩部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是無(wú)人測(cè)量船平臺(tái)的核心單元,主要由導(dǎo)航定位系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)和海底側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成,通過(guò)船上的通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨痘刂茊卧?。無(wú)人船系統(tǒng)主要包括船舶控制系統(tǒng)、船體和動(dòng)力系統(tǒng)等部分。船舶控制系統(tǒng)主要包括通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等系統(tǒng),通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人船與陸基控制單元相互通信的重要部分,通過(guò)實(shí)施射頻點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式,將無(wú)人船的工作狀態(tài)、航行姿態(tài)和任務(wù)狀態(tài)以及測(cè)量數(shù)據(jù)等信息傳輸?shù)桨痘刂茊卧?控制系統(tǒng)主要控制無(wú)人船的工作狀態(tài)與質(zhì)量,通過(guò)岸基控制單元與無(wú)人船進(jìn)行無(wú)線通信[15]。無(wú)人船船體采用雙體浮筒結(jié)構(gòu),配備自主研發(fā)的無(wú)刷電動(dòng)推進(jìn)器等動(dòng)力系統(tǒng),有力保障并提升了無(wú)人測(cè)量船平臺(tái)的操控安全性和適應(yīng)性。

1.2 人工魚礁投放空方量核算與評(píng)估原理

人工魚礁投放空方量的核算與評(píng)估工作,關(guān)鍵在于精確獲取海底地形起伏情況及海底地貌實(shí)體單元分布等信息。通過(guò)對(duì)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(zhǔn)確解算出人工魚礁投放空方量。在外業(yè)實(shí)施過(guò)程中,利用無(wú)人測(cè)量船平臺(tái)上搭載的GNSS RTK 定位系統(tǒng)來(lái)保證無(wú)人船探測(cè)的精確定位,運(yùn)用搭載的高精度多波束測(cè)深系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)海域海底地形的全覆蓋測(cè)量,利用海底側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)海底地貌實(shí)體單元及其分布特征。在此基礎(chǔ)上,綜合解譯多波束測(cè)深和海底側(cè)掃聲吶探測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),基于ArcGIS 10.0軟件平臺(tái),運(yùn)用其空間分析等分析功能,構(gòu)建目標(biāo)海域海底數(shù)字模型DEM[16];在側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng)對(duì)海底典型地貌實(shí)體單元辨識(shí)的配合下,圈劃出人工魚礁等典型海底地貌實(shí)體及其分布區(qū),利用挖空方等空間分析方法計(jì)算人工魚礁體積[17],最終獲得目標(biāo)海域內(nèi)所有已識(shí)別出的人工魚礁總投放空方量(圖2)。

圖1 無(wú)人船測(cè)量平臺(tái)Fig.1 The unmanned surface vehicle platform

圖2 人工魚礁投放量核算過(guò)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(píng)估

為檢驗(yàn)無(wú)人測(cè)量船平臺(tái)實(shí)施人工魚礁投放空方量核算與評(píng)估技術(shù)的可行性,基于自主研發(fā)的“OPENUSV”號(hào)無(wú)人測(cè)量船平臺(tái),搭載多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GNSS RTK 定位系統(tǒng)等探測(cè)傳感器,實(shí)施某海洋牧場(chǎng)的實(shí)地海域測(cè)量。

2.1 測(cè)區(qū)概況

選取北黃海區(qū)某海洋牧場(chǎng)作為試驗(yàn)海域,其宗海面積為77 hm2(圖3),其中人工魚礁重點(diǎn)投放區(qū)有A,B,C和D 四個(gè)區(qū)塊,總面積8.3 hm2,海底底質(zhì)類型以泥沙質(zhì)類型為主,海底地形較為平坦。根據(jù)國(guó)家主管機(jī)關(guān)批復(fù)的海洋牧場(chǎng)建設(shè)方案,該海洋牧場(chǎng)設(shè)計(jì)的人工魚礁投放量為5.75萬(wàn)空方(m3),所選用的人工魚礁礁體類型有花崗巖開(kāi)山石石塊礁、鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件方形礁和混凝土預(yù)制構(gòu)件管狀礁三種礁體類型[5](圖4)。其中花崗巖開(kāi)山石石塊礁選取重量W≥100 kg的大型石塊,鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件方形礁礁體尺寸為100 cm(長(zhǎng))×100 cm(寬)×100 cm(高),混凝土預(yù)制構(gòu)件管狀礁礁體尺寸為50 cm(直徑)×100 cm(長(zhǎng))。本文無(wú)人測(cè)量船測(cè)試實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)A,B,C和D 四個(gè)人工魚礁重點(diǎn)投放區(qū)實(shí)施監(jiān)測(cè)調(diào)查與評(píng)估。

圖3 人工魚礁重點(diǎn)投放區(qū)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(shù)據(jù)采集

海上試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)主要包括導(dǎo)航定位信息、多波束水深地形數(shù)據(jù)、側(cè)掃聲吶海底地貌探測(cè)數(shù)據(jù)以及測(cè)區(qū)內(nèi)的潮位數(shù)據(jù)等?！癘PENUSV”號(hào)無(wú)人船實(shí)施數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,利用搭載的海卓MS400多波束測(cè)深系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)海域海底地形起伏情況,利用船載MRU 狀態(tài)改正系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行船舶姿態(tài)等數(shù)據(jù)修正,采用中海達(dá)A12 GNSS RTK 定位系統(tǒng)提供測(cè)量定位信息,采用搭載的Shark-S450U 側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng)采集海底地貌特征信息,利用海鷹HY1300潮位儀進(jìn)行同步水位觀測(cè),以支撐后續(xù)對(duì)多波束測(cè)深數(shù)據(jù)等進(jìn)行水位改正處理。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.2.1 多波束測(cè)深數(shù)據(jù)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(cè)量或側(cè)掃聲吶等精密海洋探測(cè)設(shè)備獲取[18],是海洋資源開(kāi)發(fā)利用和海洋工程的基礎(chǔ)[19],也是人工魚礁投放空方量核算與評(píng)估的基礎(chǔ)。多波束測(cè)深技術(shù)可以獲得高精度和高密度的水下地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)[20],精確地反映海底地形的細(xì)節(jié)特征。本文中多波束水深數(shù)據(jù)采用CARIS HIPS 7.1軟件進(jìn)行后處理分析解譯,獲取目標(biāo)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(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示,4片目標(biāo)海域水深(Z)為4.5～15.0 m,海底密集可見(jiàn)人工魚礁礁體等凸起海底地貌實(shí)體片狀分布,礁體高度差異明顯,其中A 海區(qū)水深為7.2～15.0 m,礁體高度為0.9～7.7 m;B海區(qū)水深為4.8～13.9 m,礁體高度為1.5～7.6 m;C海區(qū)水深為5.4～14.7 m,礁體高度為0.9～9.3 m;D 海區(qū)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(qū)水深圖Fig.5 Bathymetric maps of the artificial reef areas

2.2.2 側(cè)掃聲吶探測(cè)數(shù)據(jù)處理與人工魚礁辨識(shí)

側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng)作為一種高分辨率海底地貌探測(cè)設(shè)備,已被廣泛用于水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別工作[21]。雖然多波束測(cè)量系統(tǒng)可獲取定位精度較高的水深地形及地貌信息,但相對(duì)于側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng),多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取的地貌圖像分辨率較低[22],而側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng)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(cè)深系統(tǒng)與側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè),可有效提高海底人工魚礁等特征地貌實(shí)體單元的測(cè)量準(zhǔn)確度[24]和礁體投放空方量的核算精度。

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

圖6 方形礁?jìng)?cè)掃聲吶圖像Fig.6 SSS images of the square artificial reefs

圖7 人工魚礁投放區(qū)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(píng)估

在進(jìn)行人工魚礁投放空方量計(jì)算時(shí),選取人工魚礁分布區(qū)的投影區(qū)邊界水深作為礁體理論海底底界面,構(gòu)建人工魚礁投放分布區(qū)的理論海底DEM,對(duì)比多波束測(cè)深離散數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建的實(shí)測(cè)海底DEM[25],形成多個(gè)人工魚礁不規(guī)則棱柱體,運(yùn)用Arc GIS 10.0軟件挖空方等三維空間分析功能[26],計(jì)算獲取人工魚礁投放礁體的空方量。

經(jīng)統(tǒng)計(jì),4片重點(diǎn)投放區(qū)內(nèi)人工魚礁總投放空方量為51 667.3 m3(表1),平均每片海區(qū)人工魚礁投放空方量為12 916.9 m3,其中A海區(qū)總投放的人工魚礁有14 474.4 m3,其最小區(qū)塊體積僅為6.8 m3,最大區(qū)塊體積為5 946.8 m3;B海區(qū)總投放的人工魚礁有12 834.7 m3,其最小區(qū)塊體積為216.6 m3,最大區(qū)塊體積為2 486.5 m3;C海區(qū)總投放的人工魚礁有12 599.8 m3,其最小區(qū)塊體積為12.1 m3,最大區(qū)塊體積為4 302.3 m3;D 海區(qū)總投放的人工魚礁有11 759.3 m3,其最小區(qū)塊體積為71.7 m3,最大區(qū)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(zhì)類型的不同,海底土體承載力也會(huì)不同,會(huì)造成其上覆構(gòu)筑物在自身重力或水動(dòng)力等作用下,出現(xiàn)不同程度的沉降等現(xiàn)象[27]。本試驗(yàn)研究海域的底質(zhì)類型主要為泥沙質(zhì)類型,所投放的石塊礁、管狀礁和方形礁人工魚礁礁體,會(huì)在投放過(guò)程中和投放后一定時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)不同程度的沉降,造成人工魚礁測(cè)量評(píng)估量與實(shí)際投放量的差異。因此,為提高人工魚礁投放空方量核算準(zhǔn)確度,既要考慮選用適宜測(cè)量精度和覆蓋范圍的調(diào)查儀器設(shè)備,還建議在測(cè)量和評(píng)估時(shí),要配合海底底質(zhì)類型調(diào)查和土體承載力評(píng)估等工作,對(duì)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(shí)際投放空方量,更科學(xué)地核算評(píng)估其相關(guān)投資。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)建設(shè)實(shí)際需求,本文采用“OPENUSV”號(hào)無(wú)人測(cè)量船平臺(tái),搭載多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶探測(cè)系統(tǒng)及導(dǎo)航定位系統(tǒng)等探測(cè)傳感器,對(duì)目標(biāo)海域內(nèi)人工魚礁投放區(qū)進(jìn)行地形測(cè)量與地貌探測(cè)等,利用ArcGIS 10.0軟件空間分析功能,實(shí)現(xiàn)人工魚礁投放空方量的系統(tǒng)測(cè)量、核算與評(píng)估,取得了理想效果。本文研究結(jié)果充分說(shuō)明無(wú)人測(cè)量船具有經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本低、可操作性高和搭載探測(cè)設(shè)備靈活等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于近岸、島礁周邊等復(fù)雜海域[7-8],在海洋牧場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、人工魚礁投放空方量評(píng)估與監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有很強(qiáng)的技術(shù)推廣價(jià)值,為海洋牧場(chǎng)建設(shè)及其運(yùn)營(yíng)、投資評(píng)估管理等開(kāi)拓了一個(gè)新的技術(shù)服務(wù)手段和管理視角,市場(chǎng)應(yīng)用前景廣泛。

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