無人船測深系統(tǒng)在水下地形測量中的應(yīng)用

潘倫淵

（廣州市水務(wù)科學(xué)研究所（掛廣州市二次供水技術(shù)咨詢服務(wù)中心牌子），廣東 廣州 510220）

水下地形測量是一項(xiàng)特殊的工程測量工作，它的工作內(nèi)容主要分為兩個(gè)方面，即：平面位置與深度的測定。單波束測深儀和GPS-RTK相結(jié)合是目前水下測量的主要技術(shù)，一般都是使用橡膠筏子或載人船作為載具，載人船可以有效進(jìn)行大面積的水上測量，但如果遇到淺水區(qū)、淺灘區(qū)域等，就會(huì)出現(xiàn)空隙，特別是水流較大的情況，對(duì)操作人員的安全造成了極大的威脅。與常規(guī)的載人船舶相比，無人船具有投放迅速、運(yùn)輸方便、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，并可保障船舶和船員的人身安全，適用于近海、海灣、河道、水庫、碼頭等多種水域的測量工作，既可以大幅度提升水下地形測繪的工作速度，又可以很好的處理淺灘及險(xiǎn)情的作業(yè)難題。

1 水下測量

水下測量是掌握水下地理信息的重要手段，它的工作內(nèi)容是獲取中小河流、湖泊、水庫、港灣和近海等水域的平面位置和高程數(shù)據(jù)，為各部門在河流海域的規(guī)劃階段，水庫水電站攔河壩工程、引調(diào)水工程、河道治理工程的可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、運(yùn)營管理階段提供水下地形資料。

水下測量定位的方法有斷面索法、經(jīng)緯儀或平板儀前方交會(huì)法、六分儀后方交會(huì)法、全站式速測儀極坐標(biāo)法、無線電定位法、水下聲學(xué)定位和差分GPS定位法等。水深測量采用測深桿、測深錘和回聲測深儀等器具。水底高程是根據(jù)水深測量和水位觀測成果計(jì)算，最后用等深線（或稱等高線）表示水底的地形情況。

水下測深通常采用在有人船上搭載一臺(tái)單波束測深儀，并與GNSS-RTK組合在一起進(jìn)行測量，以獲取相應(yīng)的三維空間位置。

2 無人船測深系統(tǒng)及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

無人船水下測深系統(tǒng)要達(dá)到全自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的目的，必須具有自主導(dǎo)航、智能避障、實(shí)時(shí)通訊、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、穩(wěn)定、長時(shí)間續(xù)航的功能，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)各種水面測量工作的自動(dòng)化。其各部分的主要功能如下：

船體。船體主要裝載各種測深儀、測量設(shè)備、電源、通訊儀器，是運(yùn)載測深系統(tǒng)的基本框架。一般情況下，船體都是由高強(qiáng)度的碳纖維和凱夫拉防彈布制成，具有耐腐蝕、輕量化、耐碰撞等特點(diǎn)。

通信系統(tǒng)。它是無人船與陸地上的控制器之間的一個(gè)關(guān)鍵的窗口，它能將無人船的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送給陸地上的系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)控制無人船的航行軌跡，該系統(tǒng)由PC機(jī)、手持遙控器和通信裝置構(gòu)成，可針對(duì)各個(gè)水域的不同特征，分別采用自動(dòng)和遠(yuǎn)程兩種控制模式。與此同時(shí)，岸基測深系統(tǒng)與無人船通過無線電通訊，把各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)資料傳送至控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人船的狀態(tài)及觀測數(shù)據(jù)的即時(shí)監(jiān)控，并能及時(shí)找到故障，修正航線和設(shè)備。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。作為整個(gè)測控體系的中心部分，其主要功能是完成各種數(shù)據(jù)資料的采集與錄入，而這些工作則是在無人駕駛的船舶上進(jìn)行。作為測控中心，它包括測深儀、姿態(tài)傳感器、GPS接收機(jī)、超聲波避碰聲吶、全角度相機(jī)、距離傳感器等高精度傳感器。

2.2 工作原理

無人船的水深測定方法是：已知聲波在水中的傳播速率是v，在傳感器發(fā)送和接收的過程中，通過t來算出傳感器到水下的深度：h=1/2vt（1），而傳感器的頂部到GPS的天線高是a，無人船的吃水深是一個(gè)固定值b，且不考慮動(dòng)態(tài)吃水和靜態(tài)吃水之差，若GPS-RTK接收機(jī)天線所測的高度為H，則可以得到以下公式：H水底=H-a-b-h（2），從（2）公式可知，H水位值是通過GPS-RTK即時(shí)測定的，H水位僅與a、b、h值相關(guān)，且與潮位無關(guān)，從而排除了水位落差、波浪、潮汐等各種影響，節(jié)省了常規(guī)的驗(yàn)潮程序，節(jié)省了人力物力并大大提高了水下地形測量的工作效率。

2.3 無人船的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)測量方式存在很多安全隱患及測量數(shù)據(jù)遺漏和不精準(zhǔn)等問題，無人船水下地形測量就能很好地解決這些問題，無人船水下地形測量存在以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）無人船船身體重較輕，體積小、吃水淺，不僅可以隨車攜帶，深水淺水區(qū)均可使用，大大降低人力成本；（2）可根據(jù)任務(wù)需求搭載不同水下地形測量設(shè)備及水質(zhì)測量儀器，結(jié)合RTK水下地形測繪，獲取更加精準(zhǔn)的水下地形數(shù)據(jù)；（3）對(duì)于環(huán)境復(fù)雜的水域，使用無人船更加安全可靠，提升人員的安全性；（4）無人船可以根據(jù)水域分布情況發(fā)布任務(wù)指令，根據(jù)地面站指令，無人船全自動(dòng)完成測繪任務(wù)并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)遺漏或少測情況出現(xiàn)。

3 水下地形測量中無人船測深系統(tǒng)的具體應(yīng)用

3.1 水下地形測量的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行水下地形測量前，測量員要做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，架設(shè)好基準(zhǔn)站，認(rèn)真連接好無人船的電源設(shè)備，安裝好GNSS接收機(jī)，然后啟動(dòng)岸基控制測量軟件，正確設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、中央子午線、靜態(tài)吃水深度、測量航速、自動(dòng)回歸點(diǎn)等測量參數(shù)，無人船測深與比測板深度比對(duì)合格后才能開始測量。

3.2 布設(shè)主測深線和檢查線

在使用無人船測深時(shí)，測量員必須按照相關(guān)的規(guī)范布設(shè)主測深線和檢查線，使用單波束測深儀測深時(shí)，主測深線應(yīng)垂直于等深線的總方向，當(dāng)采用多波束測深儀測深時(shí)，原則上應(yīng)平行于總等深線的總方向。測深線間隔的確定應(yīng)顧及測區(qū)的重要性，水域的地形特征和河水的深度等因素來確定，使用單波束測深儀時(shí)主測深線間隔一般為圖上1～2 cm，測點(diǎn)間距一般為圖上0.8～1.5 cm。檢查線的方向應(yīng)盡量垂直于主測深線方向，能普遍檢查主測深線，檢查線的長度不應(yīng)小于主測深線總長度的5%。檢查線的定位點(diǎn)間距可以根據(jù)測量比例，加密至在規(guī)定范圍內(nèi)與測深保證有重合點(diǎn)，檢查線在測區(qū)內(nèi)應(yīng)分布均勻合理。檢查線測點(diǎn)點(diǎn)距應(yīng)小于主測深線測點(diǎn)點(diǎn)距的0.5倍。檢查線與主測深線相交處，圖上1 mm范圍內(nèi)水深點(diǎn)的深度比對(duì)互差應(yīng)符合以下規(guī)定：水深小于等于20 m時(shí)，深度比對(duì)互差不得大于0.4 m，水深大于20 m時(shí)，互差不大于0.02H。

3.3 無人船水深測量

啟動(dòng)控制系統(tǒng)中自動(dòng)測量按鈕，讓無人船在指定的區(qū)域進(jìn)行測量。無人船按照預(yù)定的航速沿著主測深線的方向航行，自動(dòng)采集平面坐標(biāo)和水深數(shù)據(jù)，并通過通訊設(shè)備把數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨痘刂葡到y(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)。測量過程中，測量員應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測測深設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)應(yīng)停止作業(yè)。

現(xiàn)場監(jiān)控的主要內(nèi)容應(yīng)包括如下幾點(diǎn)：（1）觀察航跡顯示，監(jiān)視定位數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常；（2）隨時(shí)查看測深線間距和測點(diǎn)間距是否達(dá)到要求，防止出現(xiàn)漏測現(xiàn)象；（3）觀察硬盤數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的工作是否正常，確保測量數(shù)據(jù)的完整記錄；（4）每天工作結(jié)束后，由專人負(fù)責(zé)及時(shí)備份全部原始數(shù)據(jù)及其歸檔數(shù)據(jù)管理，并對(duì)獲取的原始數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行全面檢查，對(duì)有疑議的數(shù)據(jù)和資料應(yīng)查明原因并改正。

3.4 處理水下地形測量數(shù)據(jù)和繪圖

對(duì)于連續(xù)記錄水深數(shù)據(jù)的軟件，應(yīng)先根據(jù)連續(xù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行測深數(shù)據(jù)濾波，剔除掉偽水深值，剔除數(shù)據(jù)率不應(yīng)大于10%。如果發(fā)現(xiàn)水深曲線突變等不符合變化規(guī)律時(shí)，應(yīng)查找原因，必要時(shí)應(yīng)對(duì)水深突變區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測；對(duì)于非連續(xù)記錄測量數(shù)據(jù)的軟件，應(yīng)對(duì)照測深記錄，確認(rèn)每一個(gè)測深數(shù)據(jù)的正確性。最后把水深數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，用專業(yè)的繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，水下地形圖的要素及其相關(guān)注記應(yīng)符合GB/T13923的有關(guān)規(guī)定，圖廓整飾要素具體內(nèi)容應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目簡介

2021年3月，受廣州市流溪河灌區(qū)管理中心的委托，需要對(duì)李溪片區(qū)攔河壩上下游進(jìn)行水下地形測量，其長度大約為2.3 km。該工程的目的是為了了解李溪攔河壩上下游一年來受洪水沖刷后河床的變化情況，為壩體的安全運(yùn)營做監(jiān)測。由于李溪攔河壩上下游河道較淺，測量比例尺又要求為1∶500，傳統(tǒng)的有人船搭載測深儀難以測量，所以該工程采用了全自動(dòng)無人船進(jìn)行水下測量。

4.2 數(shù)據(jù)采集

本工程使用了楚航“踏浪者”CH-14號(hào)全自動(dòng)智能無人測量船進(jìn)行作業(yè)，“踏浪者”無人船是一款功能完備，輕巧便攜的無人船，集成了GNSS、測深儀、電子羅盤、避障模塊等多種傳感，它的航向和航速都很穩(wěn)定，能夠承受5級(jí)的大風(fēng)。測深精度為1cm±0.1%h（h為水深），測深范圍為0.2～100 m。

在岸上架設(shè)好基準(zhǔn)站，船體測量裝置安裝完成后便可在岸邊電腦上安裝好外置天線，啟動(dòng)電腦，打開電腦里的無人船岸基控制軟件，進(jìn)入無人船岸基控制系統(tǒng)，對(duì)岸基控制系統(tǒng)進(jìn)行測量參數(shù)進(jìn)行修改，修改的內(nèi)容包括坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線、投影方式，用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的七參數(shù)、聲速、船體吃水深度、數(shù)據(jù)采樣間隔等。將規(guī)劃好的測深線文件輸入到岸基控制系統(tǒng)的隨機(jī)程序中并向無人船發(fā)布測線信息，在一切準(zhǔn)備就緒之后啟動(dòng)無人船自動(dòng)測量按鈕。

本項(xiàng)目沿垂直河道方向一共布設(shè)主測深線462條，總長度達(dá)185 km，沿垂直于主測深線方向布設(shè)檢查線布設(shè)5條，總長度為11.5 km，檢查線占總測深線長度的6%，符合規(guī)范要求。測深線間距設(shè)置為5 m，測量點(diǎn)間距5 m，檢查線測點(diǎn)間距為2 m。無人船根據(jù)設(shè)定好的航線按照斷面法自主采集水深數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后自動(dòng)返回到預(yù)定的回歸點(diǎn)，結(jié)束測量。檢查線測量與測深線的測量方式一致。

4.3 數(shù)據(jù)處理與成果編繪

采用無人船自帶的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)水下地形的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要是對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，在數(shù)據(jù)回放過程中，對(duì)水深數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常值進(jìn)行檢測和修正。本項(xiàng)目水深閥值設(shè)置為9，數(shù)據(jù)處理級(jí)別為3，點(diǎn)擊自動(dòng)濾波后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。本項(xiàng)目繪圖采用南方CASS9.1數(shù)字化成圖軟件，數(shù)據(jù)輸出采用南方CASS標(biāo)準(zhǔn)格式文本DAT文件，同時(shí)也輸出帶有水深值的XYZ格式的文本，用于水深值與水底高程的比對(duì)。每一次無人船采集數(shù)據(jù)完畢后都會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件，測量員把每個(gè)文件都輸出后，都對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢查，確認(rèn)無誤后把文件傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，為繪圖做好準(zhǔn)備。

水下等高線的繪制：先建立DTM生成三角網(wǎng)，接著對(duì)三角網(wǎng)中不合理的三角形進(jìn)行過濾、刪除、重組等編輯，然后修改結(jié)果存盤，最后繪制成符合要求的等高線，水深注記采用水底高程值。按照規(guī)范要求對(duì)地物地貌進(jìn)行必要的編輯和修飾后，再給地形圖加上圖名圖廓，最終形成圖形文件名為“李溪攔河壩水下地形圖.DWG”的數(shù)字化成果。

4.4 精度檢查

在圖上提取檢查線與主測深線相交處1 mm范圍內(nèi)水深值進(jìn)行對(duì)比，以計(jì)算本次水深測量的中誤差。本次一共提取了對(duì)比點(diǎn)231個(gè)，符合小于0.4 m互差要求的點(diǎn)數(shù)一共有226個(gè)，合格率達(dá)到97.8%，經(jīng)過計(jì)算，本次水下地形測量中誤差為0.07 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求不大于0.2 m的要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，無人船測深系統(tǒng)無需驗(yàn)潮，機(jī)動(dòng)靈活，體積小巧，自動(dòng)化程度高，通過主、檢測線重合點(diǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，無人船測量數(shù)據(jù)精度可靠，滿足《水利水電工程測量規(guī)范》要求，既能有效提高水下地形測量的工作速度，又能很好地處理險(xiǎn)情及淺灘的地形測量問題，保證操作工人的人身安全。

在實(shí)際使用中，無人船測深系統(tǒng)的推進(jìn)器抗魚線和漁網(wǎng)的纏繞能力比較差，為了增強(qiáng)其在操作過程中的抗卷性，必須進(jìn)行軟硬件的改進(jìn)與更新。另外，可以在遙控上加裝影像傳送模組，使船體上的實(shí)時(shí)攝像視頻即時(shí)傳送至遙控裝置，配合超聲波避障裝置，使操控手可以對(duì)前方障礙物作出正確的預(yù)判。