無人船在水庫庫容監(jiān)測中的應(yīng)用

王智明，張文峰，白艷超

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

寧波市的城市供水基本依靠分布于寧波市范圍內(nèi)的飲用水源水庫，寧波市的水庫系統(tǒng)不僅承載著整個城市的供水安全，還具有防洪、蓄水以及灌溉農(nóng)田等功能，具有非常重要的民生保障意義。水庫的實時容量直接顯示水庫的實時承載量，是大壩安全、降水再承載能力、供水及灌溉能力的直接依據(jù)，是水庫運營管理的重要參考數(shù)據(jù)。水庫庫容不是一個直觀的觀測量，而是一個由觀測水位和水下地形計算出來的值。本文通過寧波市測繪設(shè)計研究院引進(jìn)的方洲號無人船測量水庫水下地形并結(jié)合全站儀測量的水面以上地形精確計算出水庫庫容量V與瞬時水位h的一一對應(yīng)關(guān)系：

V=f(h)

這樣可以使水庫庫容直接通過讀取水位查表得到，讓庫容實時監(jiān)測變得更加直觀。

傳統(tǒng)的水庫庫容測算方法是在水庫建設(shè)過程中實施的，一般在水庫建成還未正式蓄水前采用全站儀或GPS對水庫進(jìn)行一次全面的地形測繪，根據(jù)所測地形計算水庫庫容。由于水庫上游河流的沖刷、泥沙淤積沉淀，當(dāng)初的地形已不能滿足水庫精細(xì)化管理運營的需求。例如，寧波某水庫已投入運營三十多年，水下地形淤積逐年累積，原來的庫容與水位的函數(shù)關(guān)系發(fā)生了一定的變化，需要重新進(jìn)行測量和計算。

2 無人船系統(tǒng)簡介

本文采用的無人船測量系統(tǒng)主要由玻璃鋼三體無人船平臺、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、岸基控制系統(tǒng)，定位與導(dǎo)航系統(tǒng)和測深系統(tǒng)組成。無人船系統(tǒng)所具有的高效、安全、輕便等特點使其成為水庫、池塘等水下地形測量的新趨勢。無人船系統(tǒng)除了裝備有正常的航行設(shè)備外，還配置了自主導(dǎo)航、智能壁障、VHF無線電通信以及自動數(shù)據(jù)采集等功能。在一定條件下可以實現(xiàn)全自動測量，減少了人工干預(yù)，能更加客觀地展示水下地形的樣貌[1～3]。

(1)測深工作原理

水深的測量是依靠集成于無人船船底的負(fù)責(zé)聲波發(fā)射與接收的換能器和負(fù)責(zé)聲波信號處理的微電腦組成。換能器垂直向下發(fā)射一束聲波，聲波在水底發(fā)生反射折回并由測深儀換能器接收，微電腦根據(jù)聲波的發(fā)射和接收的時間差△t以及聲波在水中的傳播速度V自動計算出測點的水深D，原理公式如下[4～6]：

D=(V×△t)/2

(2)水底高程計算

如圖1所示為無驗潮模式水深測量原理圖，途中標(biāo)示出了GPS天線相位中心高程H、GPS天線相位中心到測深儀吃水零點高度h測深儀測量的水深D以及水底高程G之間的幾何關(guān)系。水底高程計算公式如下：

G=H-h-D

圖1 測深原理圖

采用無驗潮模式計算水庫水下地形點的高程有諸多優(yōu)點：①不用測量水面高程；②由于GPS隨無人船同升同落，無驗潮模式可以有效消除波浪上下起伏的影響，提高測量精度；③無驗潮模式可以不用準(zhǔn)確測量換能器吃水，可以有效消除水深測量中動態(tài)吃水的影響。

3 庫區(qū)地形測量

庫區(qū)地形測量分水面以上地形測量和水面以下地形測量兩個部分，水上地形和水下地形可以同時進(jìn)行，也可以在枯水期和豐水期分別施測讓兩次測量有一部分重疊以提高庫容計算的精度。

(1)水上地形測量采用全站儀無棱鏡測量模式，直接測定水上地形特征點的高程，一般選擇冬季枯水期且雜草較少的季節(jié)施測，有雜草的重要地形特征點需要切換為有棱鏡模式人工跑點測繪，確保水庫水面以上地形準(zhǔn)確、全面采集到位。

(2)水下地形測量

水下地形測量采用智能無人船一體化測量系統(tǒng)，一般選擇夏秋季豐水的季節(jié)、風(fēng)平浪靜的天氣施測。施測步驟如下：

①設(shè)備安裝與測試。在施測前需對GPS的一致性和穩(wěn)定性、測深儀的一致性和穩(wěn)定性以及系統(tǒng)集成情況進(jìn)行測試。

②聲速剖面測量。聲波在水介質(zhì)中的傳播速度并不是一成不變的 1 500 m/s，而是隨著水體溫度、無機鹽含量、水深等因素的變化而變化的，少部分的測量單位未配備聲速剖面測量設(shè)備，這無疑增加了測量的誤差。經(jīng)計算，當(dāng)水庫水深5 m的時候，因聲速而造成的誤差可能在 10 cm左右。聲速剖面測量采用聲速剖面儀，每 0.5 m水深記錄一次聲速值，記錄如表1所示：

聲速剖面記錄表 表1

③水域范圍劃定。用遙控器指導(dǎo)無人船圍繞水庫邊緣一圈，并實時記錄位置，劃定需要測量的水域面。

④測線自動布設(shè)并上傳數(shù)據(jù)。根據(jù)步驟③繪制的水域范圍線和測圖比例尺，岸基控制系統(tǒng)軟件會根據(jù)設(shè)置的測量水域范圍和測線間隔自動布設(shè)測線，自動設(shè)計包括返航的無人船航行路徑。測線和路徑等設(shè)置信息通過VHF無線電通信上傳到無人船的微電腦。

⑤開始測量。所有參數(shù)設(shè)置完畢并上傳信息成功后，無人船遙控器撥到自動測量模式，鼠標(biāo)點擊岸基控制系統(tǒng)軟件的自動測量按鈕，即可開始自動進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)采集。

⑥聲速改正。由于本文所使用的智能無人船尚不支持聲速剖面數(shù)據(jù)改正，所以首先需對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正。測量時聲速設(shè)置為 1 500 m/s。聲速改正原理公式如下：

式中，D為改正后的水深，D′為原始水深，v為平均聲速。

該過程可以通過VC++編程來實現(xiàn)，每一處的平均聲速v都會因為D′的不同而不同，所以每一次循環(huán)都會根據(jù)聲速剖面重新計算一次平均聲速。程序界面如圖2所示：

圖2 聲速改正程序界面

⑦數(shù)據(jù)處理。采用無驗潮數(shù)據(jù)處理方法，根據(jù)圖1的幾何關(guān)系，使用智能無人測量船自帶軟件處理各測量點的高程值，統(tǒng)計主測線與檢查線的不符值，并對粗差進(jìn)行剔除，水深圖如圖3所示。

圖3 水深圖

⑧數(shù)據(jù)接邊融合。將無人船測量的水下地形和全站儀測量的水上地形進(jìn)行接邊融合。數(shù)據(jù)重合部分一般取全站儀和GPS測量的高程。將融合后的數(shù)據(jù)生成符合南方測繪CASS展點格式的數(shù)據(jù)文件。若在豐水期和枯水期分別測量了水下地形和水面以上地形，可以對重合區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，以全站儀和GPS測量的高程為真值，計算同名點水下地形測量高程值的中誤差，可以評定水下地形測量的精度。

4 各水位庫容計算

庫容的計算方法一般有DEM法、不規(guī)則三角網(wǎng)法、斷面法、等高線法等。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就各方法的優(yōu)缺點、適用性、計算精度等進(jìn)行了大量研究。目前市面上有很多成熟的商業(yè)軟件，因此本文未對庫容計算進(jìn)行編程，而是使用成熟的ArcGIS DEM法。利用ArcGIS的模型構(gòu)建器建立批量庫容計算模型迭代，計算各水位下的庫容量[7～9]。水位庫容對應(yīng)關(guān)系如表2所示：

水庫水位庫容對應(yīng)表(部分) 表2

5 水位-庫容關(guān)系圖繪制

以水位為橫軸，以庫容量為縱軸，根據(jù)ArcGIS中計算的水位庫容對應(yīng)表格繪制水位與庫容的曲線圖，如圖4所示(為方便顯示，橫縱坐標(biāo)比例設(shè)置不同)。水位越高，水庫淹沒面積越大，庫容量的增加越快。

圖4 水深圖

6 結(jié)論與建議

小型無人船在水庫、池塘等水深測量中有很大的優(yōu)勢，本文應(yīng)用無人船在水庫地形測量中得到了很好的效果。

由于本項技術(shù)投入運行時間較短，缺乏大量的集成測試，所以尚有需要改進(jìn)的方面。第一，VHF無線電通訊具有視線盲區(qū)，一旦進(jìn)入盲區(qū)將不能繼續(xù)測量，建議測量與岸基通訊分離，自主測量過程中由船載存儲保存數(shù)據(jù)。第二，增加聲速剖面輸入功能。第三，無人船遙控和無線電通訊存在信號干擾，建議調(diào)整通訊波段。