無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)在水庫(kù)地形測(cè)量中的應(yīng)用

梁昭陽(yáng)

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007)

1 引 言

水下地形測(cè)量作為工程測(cè)量中的一項(xiàng)特殊測(cè)量，其主要任務(wù)是測(cè)量江河、湖泊、水庫(kù)、港灣和近海等水域的水底點(diǎn)平面位置和高程，用以繪制水下地形圖，為供相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)劃等部門(mén)提供基礎(chǔ)水下地形數(shù)據(jù)。水下測(cè)量由于被測(cè)物具有不可見(jiàn)性，受水面不穩(wěn)定、水流流速、水中障礙物等客觀因素的影響，使得精確定位并測(cè)得水下地形數(shù)據(jù)十分困難。水下測(cè)量發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷了六分儀后方交會(huì)法、經(jīng)緯儀或平板儀前方交會(huì)法、全站式速測(cè)儀極坐標(biāo)法、無(wú)線電定位法、水下聲學(xué)定位和差分GPS定位法四個(gè)階段，測(cè)深工具分別有測(cè)深桿、測(cè)深錘和回聲測(cè)深儀等器具。隨著測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水下測(cè)量也越來(lái)越集成化，其中GPS-RTK與測(cè)深儀的組合測(cè)量手段是現(xiàn)代水下地形測(cè)量的重要技術(shù)手段，它極大地降低了測(cè)量的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了測(cè)量自動(dòng)化程度和工作效率，但它需要依托母船進(jìn)行測(cè)量，且需要有人在船上操作，大大降低了其靈活性。無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)為困難區(qū)域水下地形測(cè)量提供了新的解決方案，利用該平臺(tái)搭載衛(wèi)星定位、通訊、水下測(cè)量等多種設(shè)備[1]，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人工干預(yù)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和航行，有效提高作業(yè)效率，減少測(cè)量人員的涉水風(fēng)險(xiǎn)。

2 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)不僅能夠解決傳統(tǒng)水上測(cè)繪過(guò)程中人員涉水問(wèn)題，還能夠超越傳統(tǒng)水上人工測(cè)量的作業(yè)范圍，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無(wú)人駕駛水上測(cè)繪。因此，無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)除了具備正常的航行設(shè)備外(如圖1所示)，還要同時(shí)具備自主導(dǎo)航功能、智能避障功能、實(shí)時(shí)通信功能、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集功能和平穩(wěn)持久的航行能力等，通過(guò)對(duì)各系統(tǒng)功能整合，從而自動(dòng)完成水上測(cè)繪各項(xiàng)任務(wù)。無(wú)人船是集高精度姿態(tài)定位、無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)字測(cè)深和遙控技術(shù)與一體的水上移動(dòng)測(cè)量設(shè)備，按照無(wú)人船的主要功能特點(diǎn)，可將整個(gè)系統(tǒng)分為船體、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其各部分的主要功能如下[2～4]：

圖1 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)示意圖

(1)船體。作為水上航行的工具，主要承載著各類的測(cè)量和通信設(shè)備，是各系統(tǒng)的基架。通常為了能夠適應(yīng)各類水質(zhì)和航行條件，船體材料采用含碳纖維、凱夫拉防彈布高強(qiáng)度玻璃鋼材質(zhì)，具有耐腐蝕、船體輕、耐碰撞特點(diǎn)。在船型設(shè)計(jì)上目前主流的設(shè)計(jì)為三體船和雙體船，可達(dá)到較高的抗風(fēng)浪等級(jí)，確保在3級(jí)～5級(jí)風(fēng)浪條件下能夠安全平穩(wěn)航行。

(2)通信系統(tǒng)。是實(shí)現(xiàn)無(wú)人船和岸基控制單元相互通信的重要窗口，無(wú)人船通過(guò)實(shí)時(shí)射頻點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式，可以實(shí)時(shí)將無(wú)人船的工作狀態(tài)、航行姿態(tài)及任務(wù)狀態(tài)傳輸?shù)桨痘到y(tǒng)。另外，還可以實(shí)時(shí)傳輸測(cè)深、流速、定位數(shù)據(jù)，也可以實(shí)時(shí)傳輸視屏數(shù)據(jù)，讓用戶在岸上就可實(shí)時(shí)獲取信息。通信方式上，除了用戶選擇電臺(tái)通訊外，還可選擇4G通訊方式，突破通訊距離的限制。

(3)控制系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)控制無(wú)人船的航行軌跡，由工控機(jī)(筆記本)或手持遙控器及通訊單元組成，根據(jù)各水上測(cè)繪不同區(qū)域的特點(diǎn)，可選擇自動(dòng)控制和遙控控制兩種控制方式，測(cè)量相關(guān)人員可在兩種控制方式中自由切換，以適應(yīng)復(fù)雜的水面狀況。同時(shí)岸基控制單元與測(cè)深船之間進(jìn)行無(wú)線通信，將船上各類傳感器數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)傳回給控制軟件，以供岸上操控人員實(shí)時(shí)掌握船體狀態(tài)和測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤信息，調(diào)整航行軌跡和儀器設(shè)置。

(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的核心系統(tǒng)，主要是負(fù)責(zé)完成各類數(shù)據(jù)的采集和記錄工作，具體采集工作由安裝在無(wú)人船上的各類測(cè)量設(shè)備進(jìn)行，如：數(shù)字測(cè)深儀、多普勒流速剖面儀(ADCP)、超聲波避碰聲吶、攝像系統(tǒng)等儀器設(shè)備。其中，測(cè)深數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)采集的重要內(nèi)容，在數(shù)據(jù)采集軟件上對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、編輯、改正和存儲(chǔ)，形成最終水深數(shù)據(jù)，為下一步地形圖成圖提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 測(cè)量系統(tǒng)基本原理

無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人船系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著水深測(cè)量和導(dǎo)航定位任務(wù)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)主要由數(shù)字測(cè)深儀、姿態(tài)傳感器、GPS接收機(jī)、全角度攝像頭及距離傳感器等多種高精密傳感設(shè)備。其基本測(cè)量原理如圖2所示：

圖2無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)原理示意圖

整個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位采用GPS-RTK動(dòng)態(tài)差分定位原理(圖2)，在岸基架設(shè)GPS基準(zhǔn)站接收GPS衛(wèi)星信號(hào)并將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)人船上安置的GPS接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航功能。水深測(cè)量由安置在船上的數(shù)字雙頻測(cè)深儀完成，其基本原理是利用超聲波穿透介質(zhì)并在不同介質(zhì)表面會(huì)產(chǎn)生反射的現(xiàn)象，由換能器(探頭)發(fā)射超聲波，測(cè)出發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行水深測(cè)量。假設(shè)裝載在船上的GPS接收機(jī)的高程為HG，數(shù)字測(cè)深儀測(cè)得換能器到水底面的水深為H3，測(cè)量時(shí)實(shí)際獲得GPS接收機(jī)至水面高度及水面至換能器底部高度分別為H1、H2，那么在無(wú)人船航行時(shí)任意時(shí)刻位置的對(duì)應(yīng)水底點(diǎn)的高程H就可通過(guò)式(1)計(jì)算得到[5～7]：

H=HG-H1-H2-(H3+△H)

(1)

其中，HG是GPS-RTK測(cè)得的高程，通常需要轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)鼗驀?guó)家高程基準(zhǔn)中，△H是船體的姿態(tài)改正。

通常無(wú)人船在實(shí)際航行過(guò)程中受風(fēng)和水流等因素的影響，會(huì)造成船體的左右和前后搖擺，即橫搖和縱搖，改變測(cè)量船的姿態(tài)。這樣會(huì)造成換能器采集的水深數(shù)據(jù)與GPS接收機(jī)的平面數(shù)據(jù)不匹配，產(chǎn)生離散現(xiàn)象，同時(shí)測(cè)深儀的水深數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確，此項(xiàng)誤差會(huì)隨著水深的增加而增大，不可忽略。因此，需要利用船體上的姿態(tài)傳感器，對(duì)采集的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，保證測(cè)量船測(cè)得的水深數(shù)據(jù)正確可靠，姿態(tài)改正由系統(tǒng)軟件自動(dòng)完成。

3 水庫(kù)水下地形測(cè)量應(yīng)用

英塘水庫(kù)位于海上絲綢之路起點(diǎn)城市福建泉州晉江市，已有50年左右歷史，為天然蓄水池，早年為灌溉農(nóng)田所用，是英塘村的生命之源，多年來(lái)為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。隨著當(dāng)?shù)亟陙?lái)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，按照晉江市英塘水庫(kù)項(xiàng)目發(fā)展總體思路報(bào)告要求，將圍在該地區(qū)重點(diǎn)打造CAPHOS城市建筑綜合體，其中以英塘水庫(kù)為主體建設(shè)配套水庫(kù)景觀節(jié)點(diǎn)，提升景水庫(kù)的景觀功能，豐富市民的文化生活。

整個(gè)水庫(kù)面積較大，水域面積達(dá)到2萬(wàn)多平方米，且由于長(zhǎng)期以來(lái)缺乏日常管理和維護(hù)，周邊的水草較多，大型的船只無(wú)法靠近。如果采用常規(guī)人工測(cè)量的方式，需要載人船只，吃水較深，在較淺水域會(huì)出現(xiàn)擱淺的情況，且經(jīng)過(guò)初步踏勘周邊沒(méi)有合適的船只入水和?？奎c(diǎn)，這給此次勘測(cè)任務(wù)帶來(lái)的極大的不便。因此，為了能夠順利完成前期勘測(cè)任務(wù)，獲得水庫(kù)的地形數(shù)據(jù)，決定采用新型無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)，它具有吃水淺，重量輕、運(yùn)輸方便、自動(dòng)化無(wú)人駕駛等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于野外大型天然水庫(kù)的水下地形勘測(cè)任務(wù)。

3.1 無(wú)人船測(cè)深

綜合考察測(cè)區(qū)周邊地形后，選擇合適的下水點(diǎn)和設(shè)備的運(yùn)輸路線，確保項(xiàng)目順利開(kāi)展。本次勘測(cè)采用的無(wú)人船設(shè)備為中海達(dá)iBoat BM1，GPS定位選用V60基站、H32移動(dòng)站，配合無(wú)人船完成平面和水深數(shù)據(jù)的采集工作。測(cè)量前需要進(jìn)行航線的布設(shè)工作，將事先準(zhǔn)備的好的庫(kù)區(qū)影像圖導(dǎo)入測(cè)深儀軟件中，按照均勻分布的原則，根據(jù)需要在測(cè)區(qū)范圍均勻布設(shè)了12條航線。測(cè)量當(dāng)天天氣較好，水面風(fēng)浪小，能見(jiàn)度高，在岸上開(kāi)闊處架設(shè)GPS基準(zhǔn)站系統(tǒng)，將無(wú)人船上的移動(dòng)站和通信設(shè)備啟動(dòng)連接，由專業(yè)人員測(cè)試設(shè)備之間的設(shè)置和連接是否完整。岸基端與無(wú)人船通信聯(lián)通后，即可在岸基端利用筆記本電腦操控?zé)o人船的航行和數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。

圖3 無(wú)人船外業(yè)工作實(shí)照

測(cè)量過(guò)程中，基本采用自動(dòng)航行測(cè)量的方式進(jìn)行，整個(gè)過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)。由于測(cè)區(qū)不規(guī)則，部分區(qū)域岸邊水草較多，航線布設(shè)時(shí)并沒(méi)有完成覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，因此需要采用手動(dòng)控制測(cè)量方式對(duì)航行未覆蓋和個(gè)別死角進(jìn)行手動(dòng)控制測(cè)量。大約用了1.5小時(shí)完成野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)，總共獲得了庫(kù)區(qū)水底特征點(diǎn) 3 500多個(gè)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

完成外業(yè)勘測(cè)后需要對(duì)采集到的水深數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，即數(shù)據(jù)后處理。因?yàn)?，外業(yè)測(cè)量時(shí)無(wú)人船航行過(guò)程中經(jīng)過(guò)魚(yú)群和水草等障礙物時(shí)，會(huì)造成測(cè)深儀回波數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，要對(duì)部分失真的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。按照規(guī)范要求測(cè)深數(shù)據(jù)要以測(cè)深模擬信號(hào)為依據(jù)，如果僅僅得到水深數(shù)據(jù)是不滿足規(guī)范要求的，需要通過(guò)將測(cè)深模擬信號(hào)和水深數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加，判斷水深數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)信號(hào)和數(shù)據(jù)的疊加對(duì)部分失真數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，然后對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣抽稀，因?yàn)橥鈽I(yè)測(cè)得的水深數(shù)據(jù)采樣間隔較短，數(shù)據(jù)的密度較大，冗余率大，后期二次利用和加工處理并不需要這些多余的數(shù)據(jù)。通常情況下，單波束測(cè)深的水深取樣按照距離取樣原則進(jìn)行，設(shè)置好取樣間隔(5 m)后，軟件會(huì)根據(jù)設(shè)置距離進(jìn)行自動(dòng)取樣，如圖4所示。

圖4 水下地形數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)無(wú)人船外業(yè)測(cè)深數(shù)據(jù)的處理，對(duì)庫(kù)區(qū)水深按照不同顏色進(jìn)行填充渲染，最后獲得了庫(kù)區(qū)最終的水下地形數(shù)據(jù)(圖4)，從數(shù)據(jù)結(jié)果上看，庫(kù)區(qū)大部分區(qū)域的水深在2 m～4 m之間，結(jié)合渲染圖分析可知，該庫(kù)區(qū)西南側(cè)水域較淺在2 m左右，東北側(cè)較深，深度達(dá)到了4 m以上，整個(gè)庫(kù)區(qū)水深呈現(xiàn)出由西南向東北逐漸加深的特點(diǎn)，反映了水庫(kù)整體地形走勢(shì)情況。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次利用無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)對(duì)水庫(kù)水底高程進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)結(jié)果很好地反映了庫(kù)區(qū)水下地形情況，順利完成了該庫(kù)區(qū)水下地形的勘測(cè)任務(wù)。通過(guò)本次實(shí)踐表明，無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的野外水上測(cè)量環(huán)境，具有高度的自動(dòng)化，能夠高效完成水下地形勘測(cè)任務(wù)。該系統(tǒng)可避免測(cè)量人員的涉水危險(xiǎn)，尤其適用于大面積水域、淺灘、水質(zhì)污染等人工測(cè)量困難或無(wú)法到達(dá)的區(qū)域。但同時(shí)，無(wú)人船測(cè)量技術(shù)作為近年來(lái)水下地形測(cè)量發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，目前尚未進(jìn)入大規(guī)模使用狀態(tài)，尚處在行業(yè)推廣階段。在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用當(dāng)中還存在一些問(wèn)題，如：測(cè)量死角、信號(hào)遮擋等問(wèn)題。如何能夠完全實(shí)現(xiàn)自主航行和測(cè)量，充分發(fā)揮無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，將是未來(lái)無(wú)人船測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。

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