基于时空多源数据融合的下潜式水生植物测绘与三维生态调控一体化系统及方法

本发明属于水利水生态环境测绘，具体地，涉及一种基于时空多源数据融合的下潜式水生植物测绘与三维生态调控一体化系统及方法。

背景技术：

1、在现代水利工程建设、流域水污染防治与水生态系统修复工程中，沉水植物对维持水体透明度、吸收固化底泥中的氮磷营养盐、抑制藻类暴发以及构建健康水下生态系统具有重要作用。然而，沉水植物完全或者主要隐没于水面以下，其空间分布、垂直生长高度、冠层形貌和单位生物量密度难以通过常规地面调查快速获得。

2、现有无人机多光谱遥感和卫星光学遥感更适用于挺水植物及浮叶植物识别。当目标为隐没性沉水植物时，光波在水体中受到浊度、悬浮颗粒物、藻类富集和水面折射等因素影响，难以稳定穿透至植物冠层和底泥界面，导致沉水植物精细测绘存在水下盲区。

3、现有生态修复治理通常依赖人工网格拖网抽样、经验式补种或者经验式收割。由于缺少厘米级时空地理坐标约束下的三维底图，作业区域、作业深度和作业强度难以定量控制，易出现过度收割损伤生态群落或者收割不足引起腐烂植物残体二次污染等问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于时空多源数据融合的下潜式水生植物测绘与三维生态调控一体化系统及方法，克服现有技术中沉水植物精细测绘困难的问题，实现对沉水植物的精确测绘，为植物补种和收割提供依据。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于时空多源数据融合的下潜式水生植物测绘与三维生态调控一体化系统，包括智能无人艇载体以及搭载于智能无人艇载体上的感知与测绘模块、定位与控制模块、动力与能源模块和生态作业模块；

3、感知与测绘模块包括水质多参数传感器集群、双频声呐换能器探头、下视多光谱扫描相机和多普勒流速剖面仪adcp，双频声呐换能器探头固定于智能无人艇载体，用于高频脉冲声学测距；

4、定位与控制模块包括gnss-rtk定位定向系统、九轴惯性导航系统ins、中央处理器/边缘计算单元和通信模组，中央处理器/边缘计算单元用于对多通道传感器数据进行统一时间戳配准和融合计算；

5、动力与能源模块包括电池组和无轴泵喷推进器，为智能无人艇载体的动力来源；

6、生态作业模块设置于智能无人艇载体尾部，用于执行生态空洞区播种或者过密暴发区定深收割。

7、本发明还提供一种基于时空多源数据融合的下潜式水生植物测绘与三维生态调控方法，基于上述系统进行水生植物测绘与三维生态调控，包括以下步骤：

8、s1、获取定位定向数据、ins姿态数据、水质参数数据、多光谱图像数据、双频声呐回波数据和流速剖面数据，并对所有数据进行统一时间戳配准；

9、s2、基于ins姿态数据中的姿态角构建三维空间旋转矩阵，将艇体坐标系下的声呐探测点坐标转换至绝对地理坐标系；

10、s3、利用双频声呐的高频波束回波识别沉水植物冠层顶端，利用双频声呐的低频波束回波识别硬质底泥界面，计算得到沉水植物绝对生长高度；

11、s4、融合沉水植物绝对生长高度、归一化植被指数、积分声能衰减率及水质参数，反演得到单位面积生物量密度，根据单位面积生物量密度生成目标作业网格；

12、s5、结合目标作业网格与实测流速剖面数据，执行生态种子播种作业，或者执行定深水下铰剪切割与植物体收集作业。

13、优选的方案中，所述步骤s1中，定位定向数据由gnss-rtk定位定向系统采集，ins姿态数据由九轴惯性导航系统ins采集，多光谱图像数据由下视多光谱扫描相机采集，双频声呐回波数据由双频声呐换能器探头采集，流速剖面数据由多普勒流速剖面仪adcp采集。

14、优选的方案中，所述步骤s2中，三维空间旋转矩阵由九轴惯性导航系统ins测得的横滚角、俯仰角和航向角对应的三个方向旋转矩阵相乘得到；声呐探测点的绝对地理坐标由三维空间旋转矩阵对艇体坐标转换后，与gnss-rtk定位定向系统解算的绝对坐标叠加获得。

15、优选的方案中，所述步骤s3中，双频声呐的高频波束频率为400khz，用于锁定柔性水生植物冠层顶端，双频声呐的低频波束频率为100khz，用于穿透水生植物层与浮泥松散界面并触及硬质底泥界面。

16、优选的方案中，所述步骤s3中，沉水植物绝对生长高度通过沉水植物冠层顶端高程与硬质底泥界面高程的差值计算得到，计算前先根据水体温度、盐度和双频声呐换能器探头所处的近似水深对水下声速进行修正，再基于双峰回波的往返时间差与修正后声速求解高度值。

17、优选的方案中，所述对水下声速进行修正的计算公式为：

18、；

19、其中，

c为修正后的实际声速，

t为水体温度，

s为盐度，

z为声呐探头当前所处的近似水深；

20、基于双峰回波的往返时间差与修正后声速求解高度值的计算公式为：

21、；

22、；

23、；

24、其中，

zcanopy代表沉水植物冠层顶端的绝对空间高程，

zmud代表硬质底泥界面的绝对空间高程，h代表沉水植物绝对生长高度，

tcanopy为高频波束用于识别水生植物冠层顶端产生的第一回波峰往返时间，

tmud为低频波束用于穿透水生植物层并识别硬质底泥界面产生的第二回波峰往返时间。

25、优选的方案中，所述步骤s4中，将沉水植物绝对生长高度、归一化植被指数、积分声能衰减率、水体浊度和水体温度组成特征向量，输入随机森林回归模型，输出当前网格的沉水植物单位面积生物量密度预测值。

26、优选的方案中，所述积分声能衰减率由无草清洁水体条件下的基准声呐回波能量包络，与当前网格实际回波能量包络之间的积分差异计算得到，积分区间对应声波由冠层顶端传播至底泥界面的往返时间范围。

27、优选的方案中，所述步骤s5中，通过安装在随动伺服云台上的气动式生态种子弹抛射枪进行种子播种作业，播种作业时，根据多普勒流速剖面仪adcp实测的剖面水流速度向量与流向，通过四阶龙格-库塔法对含流体阻力和浮力的弹道运动方程进行预计算，输出修正后的随动伺服云台目标偏航角与俯仰角。

28、本发明提供的一种基于时空多源数据融合的下潜式水生植物测绘与三维生态调控一体化系统及方法，具有以下有益效果：

29、1、本发明将水下精细测绘、三维空间配准、生物量定量反演和末端生态作业控制整合为同一闭环系统，能够为浅水湖泊、河流及库区沉水植物群落的监测、补种、收割和生态修复提供空间定量依据。

30、2、采用400khz/100khz双频共轴声呐搭配下视多光谱相机，克服高浊度水体光学探测盲区，实现沉水植物冠层、硬质底泥界面分层识别，水下三维植被结构探测精度大幅提升。

31、3、通过gnss-rtk与九轴ins构建三维旋转矩阵完成多源数据时空统一配准，结合温盐水深耦合声速校正算法，沉水植物高度、生物量密度测算误差显著降低。

32、4、以随机森林回归融合声学、光谱、水质多维特征实现生物量网格化定量反演，精准划分生态空洞、适宜群落、过密暴发三类作业区域。

33、5、艇底集成adcp实时获取剖面流速，通过四阶龙格-库塔法补偿水流对播种弹道的偏移影响，伺服云台动态调角实现厘米级精准水下播种。