深海矿产资源地质调查与矿产勘查的无人船探测技术应用及数据处理优化

一、引言

全球深海领域有丰富矿产资源，多金属结核、海底热液硫化物、富钴结壳储量巨大，经济开发价值高。但深海环境极端，传统载人科考船勘查模式问题多，难以满足需求。无人船技术可在无人值守下完成长周期、大范围探测，降低成本与风险。当前无人船探测面临多源数据同步性差等问题，需开展技术应用与数据处理优化研究。

二、深海矿产资源特征与无人船勘查需求

2.1 主要深海矿产资源特征

不同类型深海矿产分布与赋存特征独特，决定勘查技术需求。多金属结核分布与海底地形起伏有关；海底热液硫化物与洋中脊热液活动相关，伴有特殊信号；富钴结壳受海山坡度等因素控制。三类矿产分布广、埋深大、赋存条件复杂，需高精度测绘、物探及环境监测定位评估。

2.2 无人船勘查的核心需求

无人船需满足四大核心需求：一是大范围高效覆盖，具备长续航与自主路径规划功能；二是多参数协同探测，搭载多类型设备获取综合数据；三是高精度数据获取，各方面测量精度有要求；四是抗干扰能力，适应复杂环境确保数据稳定。

三、无人船探测技术在深海矿产勘查中的应用场景

3.1 海底地形地貌精细测绘

无人船搭载测深仪、侧扫声呐等设备实现高精度测绘。多波束测深仪可获取大量测深点数据，生成三维地形模型；侧扫声呐生成地貌影像，区分不同物质声学特征。如在多金属结核勘查中可圈定潜在富集区。

3.2 深海地球物理探测

无人船搭载物探设备获取异常数据辅助判断矿产分布。重力仪识别高密度异常；磁力仪圈定矿化带范围；拖曳式电磁探测器反演矿体规模与埋深。在富钴结壳勘查中可推断结壳覆盖厚度。

3.3 水文与环境参数监测

无人船搭载设备监测水文环境参数。在热液硫化物勘查中，通过捕捉温度、浊度、溶解氧等异常信号指示潜在分布区域，引导精准定位。

四、无人船探测数据处理优化方法

4.1 多源数据同步融合优化

针对无人船搭载设备多、数据类型差异大的问题，采用 “ 时间 - 空间 - 属性” 三维同步融合方法。时间同步方面，通过船载高精度时钟（误差 <1ms ）统一各设备的时间戳，解决测深、物探、水文数据的时间错位问题；空间同步方面，基于惯性导航系统的位置与姿态数据（航向、横摇、纵摇），对不同设备的探测数据进行坐标转换，将其统一到 WGS-84 坐标系下；属性融合方面，采用加权平均算法融合多波束与侧扫声呐的地形数据，结合物探异常与水文参数，构建 “ 地形 - 物探 - 水文” 一体化数据集，提升数据完整性。

4.2 复杂环境噪声智能降噪

针对深海探测中的环境噪声（如流场干扰、设备自噪声、船舶干扰），构建基于深度学习的智能降噪模型。对重力、磁力数据，采用 LSTM 神经网络学习噪声的时序特征，自动分离矿化异常与流场干扰信号；对声学数据（多波束、侧扫声呐），通过 U-Net 卷积神经网络识别并剔除船舶螺旋桨噪声、生物噪声引起的异常点；对水文数据，采用小波变换分解信号频段，保留与矿化相关的特征频段（如热液温度异常的低频信号），滤除高频干扰。经优化后，数据信噪比可提升 30%-50% ，异常识别准确率显著提高。

4.3 探测数据实时反演与可视化

开发基于边缘计算的实时反演系统，实现探测数据的现场处理与快速反演。在无人船航行过程中，边缘计算模块对采集的多波束数据实时反演海底地形，对磁力数据实时计算磁异常值，生成初步异常分布图；通过船载卫星通信系统，将处理结果实时传输至岸基指挥中心，指挥中心通过三维可视化平台动态展示海底地形、物探异常与水文参数的空间分布，及时调整无人船的探测航线。例如，在发现磁异常与温度异常叠加区域时，可指令无人船加密探测，提高靶区勘查精度。

五、实践应用案例分析

5.1 案例概况

2023 年，在太平洋克拉里昂 - 克利珀顿断裂带（多金属结核勘查区）开展无人船探测实践，采用 3 艘 12m 级自主航行无人船，搭载多波束测深仪、侧扫声呐、重力仪、CTD 等设备，完成 10000km² 海域的勘查任务，作业周期 60 天，对比传统载人科考船，勘查成本降低 40%. 。

5.2 技术应用与数据处理过程

无人船按 “ 网格状” 路径自主航行，同步获取多源探测数据。通过多源数据融合，生成分辨率 2m 的三维海底地形模型，识别出 3 处面积超 100km² 的平坦区域；采用智能降噪模型处理重力数据，剔除流场干扰，圈定 5 处高密度异常区；结合侧扫声呐的声学特征，确定异常区为多金属结核富集带。通过实时反演系统，将异常区数据实时传输至岸基中心，指令无人船对异常区进行加密探测，获取结核分布密度与粒径数据。

5.3 应用效果

经钻探验证，5 处异常区均为多金属结核富集区，结核平均密度15kg/m² ，平均粒径 8cm，与无人船探测结果误差小于 10%_c 。此次实践实现三大突破：一是勘查效率提升，单位面积勘查时间从传统的 0.5 天 /km² 缩短至 0.1 天 /km² ；二是数据精度提高，地形测绘误差小于 0.2m ，物探异常定位误差小于 50m；三是成本降低，总勘查成本较载人科考船节省600 万元。同时，建立的多源数据处理流程为后续深海矿产勘查提供了标准化范式。

六、结论与建议

无人船探测技术通过多场景应用与数据处理优化，有效突破了深海矿产勘查的技术瓶颈，实现了高效、精准、低成本的勘查目标。结合实践经验，提出以下建议：一是加强无人船平台升级，研发续航时间超 90 天、可搭载深拖探测设备的大型无人船，拓展勘查深度与范围；二是完善数据处理算法，融合人工智能与大数据技术，实现矿化异常的自动识别与资源量快速估算；三是构建无人船协同勘查网络，通过多船编队作业，实现大范围海域的立体探测。未来，随着无人船技术与深海探测设备的不断进步，将进一步推动深海矿产资源勘查向智能化、规模化方向发展，为全球资源安全提供重要支撑。

参考文献

[1]张涛,蒋成竹. 深海矿产资源潜力与全球治理探析[J].中国矿业,2017,26(11):14-18.

[2]林振宏,王德文. 日本海底矿产资源开发的现状[J].海洋湖沼通报,1980,(03):73-75.DOI:10.13984/j.cnki.cn37-1141.1980.03.013.