無人船在水庫庫容復(fù)核中的應(yīng)用

周偉

（山東省臨沂市水利勘測設(shè)計院，山東臨沂276000）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，測量技術(shù)得到了進一步的完善和優(yōu)化，誕生了一系列高端的技術(shù)，如無人機、無人船等。相對比傳統(tǒng)的測量技術(shù)，無人機和無人船等技術(shù)十分靈活且快捷，同時該類技術(shù)不受地形和環(huán)境等因素的限制，可以應(yīng)用于一些特殊地形區(qū)域的測量中，特別是在水庫庫容復(fù)核中應(yīng)用更加廣泛。對于無人船技術(shù)而言，其還具備穩(wěn)定、精準、智能以及高效等優(yōu)勢，所以可以很好地克服傳統(tǒng)測量技術(shù)在實際測量中存在的一些弊端和不足，將其應(yīng)用到水庫地形測量以及庫容計算中具有巨大的優(yōu)勢和價值，相關(guān)業(yè)內(nèi)人士需要給予足夠的重視。

2 中海達i Boat無人船系統(tǒng)概述

本次研究中所使用的i Boat無人船系統(tǒng)主要包括以下幾部分，即無人船平臺、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)以及測深系統(tǒng)等。相對比傳統(tǒng)的測量技術(shù)，i Boat無人船技術(shù)具備靈活、安全、高效等優(yōu)勢和特點，所以將其應(yīng)用于水庫地形測量和庫容復(fù)核計算中具有理想的效果。本次研究中無人船系統(tǒng)除了安裝支持網(wǎng)絡(luò)RTK的GPS模塊以外，還可以通過地面工作站對無人船進行自動定位、自動巡航（也可以使用遙控器手動操控）、自動數(shù)據(jù)采集和后期數(shù)據(jù)檢查改正等操作，可以進一步提升測量的自動化水平，有效降低人工勞動力，其工作原理如下。

2.1 深度測量原理

對于水庫深度的測量，主要是通過無人船底部的聲波發(fā)射裝置發(fā)射聲波，然后利計算機系統(tǒng)對聲波信號進行處理[1]。在實際的測量中，無人船底部的發(fā)射裝置主要是換能器，使其垂直向下發(fā)射聲波，聲波傳達至水底后折回，此時由接收器采集信號，然后通過微電腦系統(tǒng)進行水庫深度的測量計算，公式如下：

式中，D為水庫深度；ν為聲波傳播的速度；駐t為聲波發(fā)射和接收的時間差。

2.2 高程計算

水庫水底高程計算公式如下：

式中，G為水庫水底高程值；h為GPS天線相位中心到測深儀零點的高度；H為GPS天線相位中心高程；D為探測儀測量的水深。

3 無人船在水庫庫容復(fù)核中的應(yīng)用

3.1 水庫地形測量

水庫地形測量是水庫庫容復(fù)核中十分重要的一項工作內(nèi)容，其主要可細分為水上地形測量和水下地形測量2部分。通常情況下，為了提高水庫庫容復(fù)核精準度，需要在水庫枯水期和豐水期分別進行2次測量，以滿足實際的測量需求。

3.1.1 水上地形測量

對于水庫水上區(qū)域的地形測量，可直接采用基于網(wǎng)絡(luò)RTK的GPS測量和全站儀無棱鏡測量水上地形特征點的高程值。一般為了達到理想的測量效果，需要在冬季枯水期且無雜草的時間進行水上地形測量，而對于有雜草的區(qū)域，為測量特征點高程值需要將全站儀無棱鏡測量切換為有棱鏡或GPS人工跑點測量，以確保水上地形測量的全面性和準確性。

3.1.2 水下地形測量

對于水庫水下地形的測量，傳統(tǒng)的測量方法顯然無法滿足需求，此時需要應(yīng)用無人船系統(tǒng)進行實地測量。為了提高測量精準度，最好選擇在夏季豐水期且風(fēng)力小于3級（中海達i Boat標注抗風(fēng)等級為5~6級）的時間進行測量，詳細步驟如下：

1）設(shè)備安裝調(diào)試。在實際的安裝完成后，需要相關(guān)人員對網(wǎng)絡(luò)RTK的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、測深儀的系統(tǒng)集成情況進行測試，確保設(shè)備性能符合既定標準。

2）水深測量精度檢定。利用基于山東CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK模式，設(shè)定好參數(shù)，隨后用i Boat無人船的GPS模塊和測深儀模塊（采集的平面坐標系統(tǒng)為2000國家坐標，高程基準為1985國家高程）分別對水面高程和水深進行記錄，并利用天寶R10 GPS和測深桿分別對水面高程和水深數(shù)據(jù)進行采集，檢查點一般不少于3個，考慮無人船吃水誤差后2次測量較差不大于0.1m的情況下，才能進行下一步的測量工作。

3）水域范圍劃定。在完成設(shè)備安裝和測試后，需要對水庫水域測量范圍進行劃定，i Boat無人船可以調(diào)取影像劃定測量區(qū)域，也可以利用遙控器遠程操控?zé)o人船進行水庫邊緣環(huán)繞，并實時記錄位置，合理地進行水域區(qū)域的劃定。

4）測線布設(shè)。根據(jù)上述劃定的水域范圍，按照規(guī)范的比例尺要求進行無人船航線的布設(shè)，相關(guān)設(shè)置主要通過數(shù)據(jù)通信模塊進行微電腦上傳。

5）實施測量。在完成所有參數(shù)設(shè)置及信息上傳后，立即實施測量工作，對無人船進行遠程遙控操作，實施自動化的測量和數(shù)據(jù)采集。

6）數(shù)據(jù)處理。在進行數(shù)據(jù)處理作業(yè)時，采取無驗潮數(shù)據(jù)處理方式，利用無人船測量系統(tǒng)中相關(guān)的計算機軟件進行各個測點高程值的處理，其中對于不符合要求的數(shù)值進行剔除，最終得到高精度的測量數(shù)據(jù)。

7）數(shù)據(jù)接邊融合。在完成測量作業(yè)后，需要將無人船水下地形測量與全站儀水上地形測量的數(shù)據(jù)進行接邊融合處理，生成南方測繪CASS展點格式的數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入CASS軟件中，生成閉合的等深線/等高線，提取出各條等高線所對應(yīng)的面積并用于水庫庫容計算。

3.2 水庫庫容復(fù)核計算

通常情況下，對于水庫庫容的計算方法有以下幾種，即水位-面積法、DEM法、不規(guī)則三角網(wǎng)法和斷面法等，本次研究中對水庫庫容計算所使用的是水位～面積法，庫容計算公式如下：

式中，V為相應(yīng)水位為h的庫容，104m3；駐V為相鄰高程間隔間的容積，104m3；S1、S2為相鄰水位的水庫水面面積，104m2；駐h 為相鄰水位間水層深度或等高距，m；h0為庫底高程，m。

實驗中利用CASS軟件對不同等高線的閉合面積進行提取，并利用庫容計算公式對濟寧市泗水縣賀莊水庫的庫容進行計算，繪制水位-面積、水位-庫容的曲線圖，如圖1所示。

圖1 水位-面積、水位-庫容曲線圖

由圖1分析可知，水庫水位越高，水庫淹沒面積就越大，此時水庫庫容量的增加越快。

4 結(jié)語

綜上所述，無人船技術(shù)在水庫庫容復(fù)核計算中具有巨大的優(yōu)勢和應(yīng)用價值，所以被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域。通過本次研究更是證明了這一點。但本文沒有給出各種不同庫容計算方法的對比分析結(jié)果，同時沒有對庫容做進一步的應(yīng)用分析，在后續(xù)的研究中還需要對水庫的應(yīng)用價值，如防洪、調(diào)度，水庫清淤、飲水安全等方面進行進一步的研究。