無人船測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應用

賈治平

（山西省測繪地理信息院，山西 太原 030001）

0.引言

智能無人船是一套以無人船為載體，搭載GNSS、IMU、測深系統(tǒng)等設備，通過操控軟件進行航線規(guī)劃來實施水下測量的智能系統(tǒng)[1]。目前，自然資源部門為加強生態(tài)文明建設、推動河長制管理工作，在多地開展了湖泊水庫水下地形測量工作，為河道治導規(guī)劃、河道管理范圍定界等工作提供基礎數(shù)據(jù)和空間定位服務。

水下地形測量所需采集的水下地形要素主要包括：反映水下地表特定位置的高程、等高線、連續(xù)反映水下地面或地表特定形態(tài)或地貌特征的水下地形特征線要素、航行障礙物要素及助航標志要素等，與周邊陸地地形地貌要素經基準統(tǒng)一后可完整表達固體地球表面形態(tài)。

采用智能無人船進行水下測量，相比傳統(tǒng)的水下測量方法，具有快捷高效、投入成本少、施測精度高、外業(yè)測量安全等優(yōu)勢。本文根據(jù)智能無人船的技術特點詳細闡述其水下地形測量的技術流程，水下測量數(shù)據(jù)處理與流程化軟件研制，最后以山西某水庫為例，介紹其水下測量與數(shù)據(jù)處理流程。

1.智能無人船水下測量技術流程

水下測量作業(yè)流程主要包括準備工作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、質量檢查等幾方面工作，根據(jù)智能無人船工作特點，其主要技術流程如下：

（1）準備工作：制定工作方案，收集測區(qū)資料、編寫技術設計書、準備測量設備、人員培訓等；

（2）測區(qū)踏勘，了解測區(qū)工作環(huán)境，對測區(qū)控制點點位情況進行踏勘；

（3）基站架設（或網絡RTK）、設備聯(lián)通、按規(guī)劃測線進行測量；

（4）數(shù)據(jù)導出，將外業(yè)采集數(shù)據(jù)應用無人船自帶數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)噪點刪除處理，導出數(shù)據(jù)后并進行數(shù)據(jù)匯總，檢查所測區(qū)域數(shù)據(jù)是否完整；

（5）數(shù)據(jù)整理與處理，對所測數(shù)據(jù)進行合并整理、數(shù)據(jù)格式轉換等操作。如要將水下測量的WGS84坐標系大地高轉換為1985國家高程基準，需利用似大地水準面精化軟件進行轉換，則需對數(shù)據(jù)按照軟件要求格式進行編輯整理等；

（6）DEM生產，應用GIS軟件制作DEM成果；

（7）成果質量檢查、資料整理與成果提交。

水下地形測量施測技術流程圖（如圖1所示）：

圖1 水下測量工藝流程

1.1 資料收集

資料收集主要包括：水庫或湖泊地形圖、水庫正常蓄水位、壩頂壩尾高程、豐水期水位、枯水期水位、庫容量、高程系統(tǒng)信息、測區(qū)的自然、地理、人文信息，以及與測區(qū)測量相關的資料。

1.2 測區(qū)踏勘

為合理確定施測方案，需對測區(qū)實地情況有必要了解，因此，進行測區(qū)踏勘也是施測前的一個必要環(huán)節(jié)，一方面可以核實收集資料的準確性；另一方面可以收集缺失的資料數(shù)據(jù)。測區(qū)踏勘主要了解內容如下：

（1）調查測區(qū)的行政區(qū)劃、人文地理、交通情況、水文氣象，以及通信等情況[2]；

（2）實地勘察測區(qū)現(xiàn)有可利用的控制點情況；

（3）了解測區(qū)電磁場對無線電定位儀的干擾情況；

（4）了解測區(qū)無人船工作環(huán)境，合理確定施測方案。

1.3 測線布設

測線布設是水下測量前期的重要工作環(huán)節(jié)，測線布設過寬一方面不足以反映水下地形地貌變化；另一方面也會降低插值點精度，進而影響最后成果精度。測線布設過窄會降低工作效率[3]。因此，合理進行測線布設是保證最后測繪成果精度的一個重要因素，經綜合分析，本文采用的布設方法如下：

（1）測區(qū)主縱線確定。根據(jù)踏勘采集到的水域范圍線，以及收集到已有的影像、DEM等資料確定水流走向、河道走向、挖槽軸線等作為測區(qū)主縱線，若這些方向難以確定，也可選測區(qū)較長邊作為測區(qū)主縱線；

（2）主測線布設。單波束測深主測線宜垂直于主縱線方向進行布設，測深線間距可按水下地形測量成果的用途、比例尺大小、DEM精度要求等設置其間距大??；

（3）如果測區(qū)范圍較大，可進行多作業(yè)組測量，不同作業(yè)組鄰接處應布設一條重合測深線（參照《水運工程測量規(guī)范》（JTS131-2012）8.2.6節(jié)）；

（4）檢查線布設。檢查線布設宜垂直于主測線，布設條數(shù)視實際工程具體情況而定，一般檢查線布設間距不大于250m。

1.4 水下測量外業(yè)施測

利用單波束無人船測深系統(tǒng)進行水下地形測量，一般采用斷面法進行測量，通過在地面架設GNSS基站或利用網絡RTK測量模式，以及無人船測深系統(tǒng)實時獲取測深點的平面位置、水面高程和水深數(shù)據(jù)。

馬克思指出，“問題就是公開的、無畏的、左右一切個人的時代聲音。問題就是時代的口號，是它表現(xiàn)自己精神狀態(tài)的最實際的呼聲”。習近平總書記也指出，“每個時代總有屬于它自己的問題，只要科學地認識、準確地把握、正確地解決這些問題，就能夠把我們的社會不斷推向前進”。講好習近平新時代中國特色社會主義思想的課程，要堅持理論聯(lián)系實際的學風，堅持問題導向，注重解答黨員干部思想上的疙瘩。要旗幟鮮明，圍繞主業(yè)主課，提出好問題、真問題、新問題、深問題，通過分析問題傳遞正能量，信息觀點與時俱進，切中黨員干部急需回應的困惑，并啟發(fā)學員們的深層思考。

水下測量外業(yè)施測，在進入測區(qū)，首先需進行庫區(qū)水域的范圍線測量，范圍線測量主要服務于測線布設：范圍線測量可采用傳統(tǒng)的RTK測量、無人船+RTK測量、大船拖無人船+RTK的方法進行測量，實際作業(yè)中可根據(jù)庫區(qū)實際情況靈活選擇測量方式。

無人船開機航行時，需滿足一定的要求：（1）無人船航線盡量按設計線路保持勻速、直線航行，在轉彎處要緩慢轉彎；（2）在測量過程中，若遇大風天氣要立即停止作業(yè)；（3）實際測線與規(guī)劃航線偏移不宜過大，一般不超過測線間距的1/4[4]。

開始測量前，需首先將各設備進行規(guī)范連接，檢查所有的通訊接口是否正常；然后打開控制軟件，將設備與控制軟件進行通訊連接，設置定位參數(shù)、記錄參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲位置、航線布設等，所有設置經校對無誤后即可讓無人船下水開始按規(guī)劃航線測量[5]。

外業(yè)施測結束后，作業(yè)組需當場對測線數(shù)據(jù)的完整性進行檢查，檢查測量記錄是否完整、數(shù)據(jù)質量是否可靠，并進行數(shù)據(jù)傳輸與備份，檢查合格后方可收工進行內業(yè)數(shù)據(jù)處理。

1.5 水深測量數(shù)據(jù)處理流程

水深測量數(shù)據(jù)處理流程主要包括：

（1）將采集數(shù)據(jù)導入無人船配套軟件進行數(shù)據(jù)處理，主要是進行無人船吃水改正和數(shù)據(jù)的濾波處理；

（2）主測線與檢查線交叉點較差檢查；

（3）將處理后數(shù)據(jù)按照“點號、經度、緯度、水底大地高”格式導出為文本文件；

（4）坐標系統(tǒng)轉換。由于采集到的坐標數(shù)據(jù)，其高程為WGS84坐標系下的大地高，需要應用大地水準面精化模型將其轉換為1985國家高程基準正常高，并將WGS84坐標系的大地坐標轉換為CGCS2000坐標系下的平面坐標；

（5）應用GIS軟件導入坐標轉換后數(shù)據(jù)，進行展點操作、構建TIN、生成DEM。需要注意的是利用展點數(shù)據(jù)構建TIN時，即不規(guī)則三角網構建，首先需要在三維GIS軟件中根據(jù)地形的起伏變化情況勾畫出地形的坡腳線，避免在地形突變的溝、坎等處出現(xiàn)不合理的三角形，此外三角形盡量以銳角為宜，不宜出現(xiàn)鈍角或小于20°的銳角。若局部區(qū)域內數(shù)據(jù)點數(shù)稀疏需要進行合理內插，目前一般的GIS軟件或CAD中也可實現(xiàn)內插操作，在本文研制的數(shù)據(jù)處理軟件中也可實現(xiàn)內插功能。

1.6 DEM接邊處理

要實現(xiàn)水上水下地形一體化，首先需要進行水上水下DEM融合處理，將水下測量生成的DEM成果與水域周邊的DEM成果進行無縫拼接。在拼接之前首先需統(tǒng)一DEM分辨率。在實際拼接的過程中，可能水上DEM與水下DEM接邊處會存在“縫隙”，如果縫隙較小，可以用內插的方式進行處理，如果縫隙較大，則需要對空缺部分地形進行補測，補測方法可采用地面三維激光掃描儀或其他測量方法來完成。

1.7 成果質量檢查

水下測量成果質量檢查是衡量測量成果能否投入應用的一個重要環(huán)節(jié)，依據(jù)規(guī)范和技術設計書中規(guī)定的技術和質量要求，對成果的各質量元素所包括的檢查項進行檢查。檢查內容主要包括數(shù)據(jù)質量和文檔資料質量。

（1）數(shù)據(jù)質量，主要包括外業(yè)觀測數(shù)據(jù)的質量和最后DEM成果質量，具體來講，涉及數(shù)據(jù)的數(shù)學基礎是否正確、選擇的測量設備是否在有效期內、儀器標稱精度是否滿足工程項目要求、測線間距和測點間距是否滿足相應規(guī)范要求、數(shù)據(jù)成果精度是否滿足技術設計和規(guī)范要求[6]；

（2）文檔資料質量，主要包括電子數(shù)據(jù)文檔和紙質文檔，主要檢查其歸檔、文件命名、數(shù)據(jù)格式的正確與否；技術文檔編寫是否全面、規(guī)范；項目成果資料是否齊全；成果圖件資料是否繪制合理規(guī)范等。

2.水下測量自動化數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)

對于大型的水下測量工程項目，一般會由多個作業(yè)組同時作業(yè)，使用儀器設備也會略有差異，此外大區(qū)域的水域測量有時可能會采集上百萬個測點數(shù)據(jù)，因此需要對外業(yè)測量成果數(shù)據(jù)進行匯總整理、格式轉換、展點等操作，如果用人工方法，其工作量巨大，且易于出錯，本文基于AutoCAD強大的繪圖和二次開發(fā)功能，開發(fā)了水下測量自動化數(shù)據(jù)處理程序，大大減輕了人力、物力投入，有效提高了作業(yè)效率。圖2為開發(fā)的水下測量流程化數(shù)據(jù)處理軟件界面，其主要功能有：

圖2 水下測量流程化數(shù)據(jù)處理軟件

（1）庫區(qū)影像加載，基于影像繪制水岸線；

（2）不同廠家測量數(shù)據(jù)成果格式編輯與整理；

（3）不同坐標類型數(shù)據(jù)的展點功能；

（4）數(shù)據(jù)內插功能；

（5）數(shù)據(jù)高程點異常值過濾、重復點數(shù)據(jù)查找；

（6）三維坐標數(shù)據(jù)展點、DTM建立和等高線繪制等；

（7）質量檢查功能，主要包括檢核點數(shù)據(jù)自動提取和高程精度評定等。

3.工程實例

3.1 庫區(qū)水下測量概況

本文以山西省某水庫水下地形測量實際項目為例，介紹單波束無人船水下測量與數(shù)據(jù)處理過程，該水庫庫區(qū)影像圖（如圖3所示）：

圖3 水庫庫區(qū)影像圖

該水庫水下測量外業(yè)分兩個組共同完成，從2020年7月28日開始測量，至2020年8月11日測量結束，完成測量面積6.72km2。測量水下點數(shù)186034個。采用設備為華微三號單波束無人船測量系統(tǒng)，施測時設備均在檢驗合格的有效期內。

應用無人船測量系統(tǒng)施測時，導航定位系統(tǒng)聯(lián)測省級CORS站，測點間距設置為1m，測線間距設為20m；通過手動測量實測水庫邊界和水庫內水草范圍，自動航線區(qū)域共分16個區(qū)域（如圖4所示），該水庫實測航線圖（如圖5所示），生成的水下DEM成果圖（如圖6所示），從DEM成果圖中可以看出該水庫的水底地形情況，中間區(qū)域較平滑，說明該水庫水底較平坦。

圖4 水庫自動航線分區(qū)圖

圖5 水庫實測航線圖

圖6 水庫水下DEM成果

3.2 成果質量檢查

對該水庫水下測量成果依據(jù)成果質量檢查內容和質量元素進行檢查，其中，測量精度檢查是一項最受關注的檢查內容。在對該水庫水下測量的精度檢查時，采用測深檢查線與主測深線相交處重合點的高程較差進行比對檢查，設置測深檢查線與主測深線相交處重合點間距為1m，滿足條件的檢查點數(shù)為174個點，全部參與精度評定，計算高程中誤差為±0.079m，未有超限點，各項精度指標均滿足設計書及相應規(guī)范要求。

4.結束語

本文以實際水下測量工程項目為例，詳細闡述了水下測量的過程，研制了水下測量自動化多功能的數(shù)據(jù)處理軟件，為水下測量工作提供了極大便利。水下測量工作不同于傳統(tǒng)的陸地測量，水下測量就像在一個黑匣子里摸索，往往給人一種不確定的感覺，其實在水下DEM與陸地DEM進行接邊時，如果接邊區(qū)域的地形符合比較好，在一定程度上可以確定水下測量成果的正確性。此外，作者認為在水上水下一體化DEM生產時，陸地部分可以采用新型的無人機載LiDAR技術進行測量，通過獲取的點云數(shù)據(jù)與無人船水下測量的測點數(shù)據(jù)進行融合，然后統(tǒng)一生成DEM效果更好，待條件成熟將在這方面做進一步試驗研究。