基于無人船技術(shù)的山區(qū)河流航道測量

盧自來，朱運(yùn)權(quán)

（四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，成都 610017）

1 引言

傳統(tǒng)的水下地形測量是將GPS 接收機(jī)和測深儀同時固定在船上，航行到指定位置，利用測深儀對水深進(jìn)行測量，同時，利用GPS 測定水深值位置坐標(biāo)信息。由于機(jī)動船是人為操作，經(jīng)常出現(xiàn)船只不能按照預(yù)設(shè)的航線進(jìn)行測量的問題，從而造成反復(fù)測量，作業(yè)時間長、成本高；在灘險的地方進(jìn)行測量時，測量過程中由于風(fēng)浪的干擾，常常造成船只不穩(wěn)定并且存在傾翻的危險，且工作效率低、危險性大，只適用于流速不大，且無大風(fēng)大浪的區(qū)域。

大至江河，小到內(nèi)流，不同環(huán)境，不同水情，流速流量監(jiān)測一直是水文測量比較頭痛的領(lǐng)域，直到聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）的出現(xiàn)，得到了水文學(xué)界的高度重視，它的應(yīng)用揭示了水流的時空分布特征，利用多普勒頻移原理，完美地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測流的局限性。從流速流量日常測報、養(yǎng)殖捕撈、防災(zāi)減災(zāi)到能源開發(fā)，凡與水文有關(guān)的事務(wù)均需河流環(huán)境要素的觀測與數(shù)據(jù)，而ADCP 能夠提供高分辨率、高精度、信息海量且完整的觀測與數(shù)據(jù)，在實(shí)時監(jiān)測河流流場的水文監(jiān)測、科學(xué)研究、水域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)等方面都具有重要意義。大斷面流量測量常用的方式是機(jī)動船走航測驗，而弊端也在應(yīng)用中逐步顯現(xiàn)出來，如人員、機(jī)械維護(hù)成本高、效率低下；船體姿態(tài)不穩(wěn)定，精度差；機(jī)動船在淺灘受限，岸邊測不到等。

2 無人船測量技術(shù)簡介

無人船集成了眾多先進(jìn)技術(shù)，主要包括無人船智能導(dǎo)航技術(shù)、自動避障技術(shù)流速感知全自動、一鍵懸停、測流全直線、GPS 定位技術(shù)、實(shí)時通信技術(shù)和聲吶測深技術(shù)等，可對行走區(qū)域的流速、位置、水深等參數(shù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測量采集，適合山區(qū)河流、內(nèi)河湖泊、水庫、城市中小型河流等。無人船測量是以無人船為載體，內(nèi)置4G 通信網(wǎng)絡(luò)、定位定向板卡、高清攝像頭，以及可搭載測深儀、GNSS、ADCP 走航儀等測量設(shè)備，實(shí)時獲取水下位置、水深、流量等信息。

3 項目概況

岷江（龍溪口樞紐至宜賓合江門）航道整治工程一期工程施工圖設(shè)計測量位于岷江龍溪口樞紐至屏山岷江大橋。為進(jìn)一步挖掘岷江航運(yùn)潛能，發(fā)展岷江航運(yùn)，根據(jù)國務(wù)院批復(fù)的《全國內(nèi)河航道與港口布局規(guī)劃》，結(jié)合岷江特點(diǎn)和特性，四川省人民政府確定樂山至新民81 km（簡稱“上段”）按照以航為主的老木孔、東風(fēng)巖、犍為、龍溪口四級梯級方案開發(fā)，工程完成后達(dá)到Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)，通航千噸級船舶；新民至宜賓合江門81 km（簡稱“下段”）河道，因受生態(tài)環(huán)境保護(hù)和達(dá)氏鱘（東方美人魚）、胭脂魚（水中熊貓）、白鱘（珍稀魚種）3 種魚類的繁衍生息的需要，該段航道采用整治措施，達(dá)到內(nèi)河Ⅲ級航道尺度標(biāo)準(zhǔn)，常年通行1 000 t 級船舶。岷江龍溪口樞紐至宜賓合江門81 km 航段，總落差44.3 m，平均比降0.55‰，其中，龍溪口樞紐至斑竹林灘為單一河槽與岔流相間的寬淺型河道，水流不甚集中，是灘險水深不足的根本原因，該段枯水河寬150～350 m。斑竹林灘以下河流進(jìn)入峽谷，河岸固定，水面窄、水流平順。但是，河口段的銅鑼灣灘群受無序采沙影響，原本較為穩(wěn)定的邊灘被破壞，導(dǎo)致水流分散、航槽易變，灘情明顯惡化。

4 無人船水深測量

對岷江（龍溪口樞紐至宜賓合江門）航道整治一期工程河段的水域進(jìn)行水深測量，測圖比例為1∶2 000。水深測量采用無人船及有模擬記錄的單波速回聲測深儀。單波速主測深線宜垂直于等深線總方向或岸線，也可布置成平行線、螺旋線或45°斜線，一個測區(qū)范圍內(nèi)至少布設(shè)2 條縱向測深檢查線[1]。測深時的平面定位采用GPS。用GPS 進(jìn)行水深測量平面定位時，要注意坐標(biāo)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換參數(shù)的設(shè)置是否正確，開工前和收工后均要進(jìn)行平面定位精度校核。

4.1 外業(yè)采集作業(yè)步驟

1）準(zhǔn)備設(shè)備，主要有無人船、電池、操控器、天線、GPS 設(shè)備、筆記本電腦、串口線。

2）現(xiàn)場勘查，需熟悉現(xiàn)場河流情況，例如，下水點(diǎn)、上岸點(diǎn)、水的流速、灘壩、水深、河岸道路、通視條件。

3）儀器調(diào)試，調(diào)試好GPS 接收機(jī)（RTK 和千尋cors 均可）；采集公共點(diǎn)；使用華測設(shè)置通信參數(shù)，在無人船上安裝好GPS接收機(jī)，等待固定。

4）水深數(shù)據(jù)采集，無人船下水，采用斷面法采集水深值。

5）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，采用華測無人船自研AutoPlanner 水下地形測繪數(shù)據(jù)采集及后處理軟件Hydro Surver 導(dǎo)出水深數(shù)據(jù)，使用公共點(diǎn)把經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)到岷江獨(dú)立坐標(biāo)系中。

4.2 水深測量注意事項

1）在水深測量前，首先測量水中的聲速，用聲速儀測量當(dāng)天本河段有代表性的水中聲速，并把聲速值等相關(guān)數(shù)據(jù)輸入測深儀中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。水深測量正式開始前還要通過用桿測的方式對測深儀水深進(jìn)行比對檢查，并做好比測記錄，確認(rèn)精度滿足要求后才能開始測量。

2）測深線布設(shè)：主測深線方向與水流方向大體垂直，布設(shè)成平行線，在河流轉(zhuǎn)彎處根據(jù)河道彎曲幅度適當(dāng)旋轉(zhuǎn)測深線，確保主測深線與等深線總方向基本垂直，主測深線間距按圖上1.0 cm 布置。另外，在不同作業(yè)組的相鄰測段布設(shè)1 條重合測深線，同一作業(yè)組不同時期測深的相鄰測深段布設(shè)2 條重合測深線。以便于分析重合段平面及高程的一致性。同時，根據(jù)河段的具體情況布置測深檢查線，測深檢查線垂直于主測深線布設(shè)，范圍為河段水深測量的上、下游范圍。檢查線長度不小于主測深線總長度的5%，計劃布置不少于2 條。

3）水深測量：無人船沿布設(shè)的測深計劃線勻速航行，其自帶測量軟件根據(jù)GPS 和測深儀采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時記錄各斷面水下測點(diǎn)的平面位置及相應(yīng)的水深數(shù)據(jù)，定位點(diǎn)距不大于圖上1.0 cm，并由計算機(jī)同時記錄存盤。測量過程中同時鎖定工作衛(wèi)星不低于5 顆，其幾何強(qiáng)度因子PDOP 值小于5，衛(wèi)星高度角大于10°[2]。測量過程中保證流動站定位模式處于固定解模式，當(dāng)RTK 定位模式為浮點(diǎn)解或單點(diǎn)定位時，則停止作業(yè)，重新初始化GPS 接收機(jī)。

4）每天測量結(jié)束前，作業(yè)組還需按規(guī)范要求進(jìn)行縱斷面測深檢查線測量，范圍為當(dāng)天的橫斷面水深測量范圍，檢查線垂直于主測深線，長度占主測深線總長度的5%以上。

4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

水深數(shù)據(jù)后處理：使用AutoPlanner 水下地形測繪數(shù)據(jù)采集及后處理軟件Hydro Surver 的后處理功能對野外采集數(shù)據(jù)中的位置坐標(biāo)和水深數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，在對水深量化值與模擬記錄器的記錄水深值進(jìn)行檢誤后，對比較明顯的水深變化特征點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)，以保證測深精度并如實(shí)反映水下地貌。當(dāng)發(fā)現(xiàn)水深異常而又無法判定其正確與否時，采取重測或補(bǔ)測。剔除粗差水深點(diǎn)后，使用軟件后處理功能生成水深改正文件和后處理文件。后處理軟件根據(jù)采集到的各點(diǎn)實(shí)時水面高程和水深，自動計算出相應(yīng)點(diǎn)的河底高程。

5 無人船大斷面流量測量

全河段布置水文斷面應(yīng)滿足施工圖設(shè)計要求，斷面流量開始測驗前，宜采用流速儀法與聲學(xué)多普勒流速剖面儀同垂線的流速、流量、流向等項目的比較檢測，其方法是用流速儀施測不同垂線位置、相對水深0.6h（h 為水深）處的點(diǎn)流速30點(diǎn)以上，每點(diǎn)歷時100 s；用聲學(xué)多普勒剖面儀在相同位置定點(diǎn)施測流速，記錄30 組數(shù)據(jù)以上（摘錄水深0.6h 處的流速）。然后進(jìn)行誤差統(tǒng)計，比測結(jié)果的相對系統(tǒng)差在±1%以內(nèi)，相對標(biāo)準(zhǔn)差不超過1.5%。

本項目大斷面流量測量采用華微4 號無人自動測量船搭載瑞江600ADCP 走航儀分別在多個灘段進(jìn)行測量。華微4 號無人船是華測自主研發(fā)的最新一款超輕便型水文測驗無人船，適配市面絕大多數(shù)ADCP。總長1.2 m，質(zhì)量只有9 kg 的船體使得運(yùn)輸更加方便，可輕易放入汽車后備廂，整體方案質(zhì)量約20 kg，可以輕松裝入轎車后備廂，運(yùn)輸方便。無人船下水后，首先手動操控?zé)o人船，將船開往江中央；此時停止控制，讓無人船順流漂3 s 獲取水流方向，之后手動開到距岸邊2 m 處懸停，使用ADCP 軟件配置基礎(chǔ)信息。配置完成后選擇解除懸停，無人船便自動沿垂直河流的方向向?qū)Π蹲詣玉側(cè)?，到達(dá)了預(yù)先設(shè)置好的對岸岸邊距距離后，無人船自動懸停，此時ADCP 軟件停止測驗，開始第二個斷面測驗。測流流程要求如下：

1）無人船在GPS 實(shí)時導(dǎo)航下按預(yù)置的斷面線進(jìn)行施測，測船始終保持慢車且盡量保持勻速運(yùn)動[3]；

2）兩岸測至岸邊ADCP 盲區(qū)水深處，以提高測量精度；

3）每次施測均從左岸→右岸、右岸→左岸，施測2 個來回，取所測斷面流量的平均值作為實(shí)測流量值，并對施測時間及斷面流量進(jìn)行現(xiàn)場記錄。

4）在走航過程中當(dāng)測船在GPS 實(shí)時導(dǎo)航下到達(dá)的垂線流速觀測點(diǎn)位區(qū)域后，無人船保持船位相對不動，此時ADCP 開始實(shí)施垂線流速和流向觀測，采集30 個觀測數(shù)據(jù)以上，取其平均值作為垂線實(shí)測流速流向值。

頂層、底層盲區(qū)處理：施測中對于ADCP 頂層、底層盲區(qū)的處理采用冪指數(shù)法進(jìn)行估算，冪指數(shù)均采用0.166 7（經(jīng)驗值，適用于大部分河流），對于岸邊流量的估算則根據(jù)實(shí)測的大斷面圖形分別采用0.5～0.9 系數(shù)進(jìn)行處理。

華微4 號無人船搭載瑞江600ADCP 在10 min 內(nèi)完成1 個斷面流量測驗，流量誤差最大為0.55%，遠(yuǎn)小于水文規(guī)范要求的5%[4]，可以在較短時間內(nèi)完成岷江一期工程的所有測流斷面，解決了岷江施工圖測量對水文測驗要求在同一流量級下的難點(diǎn)問題。

6 無人船測量的優(yōu)勢

相對于機(jī)動船測量來說，無人測量船具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）機(jī)動船由于吃水問題，在淺灘區(qū)域，機(jī)動船容易擱淺且無法到達(dá)，導(dǎo)致無法保證水域的全覆蓋測量；而無人船吃水只有約10 cm，可以實(shí)現(xiàn)山區(qū)河流水域的全覆蓋測量。

2）機(jī)動船只大多為漁船，每天要重復(fù)進(jìn)行測深儀及GPS的安裝固定，浪費(fèi)時間，而無人船船體輕便，搬運(yùn)方便下水即可輕松開展測量工作。

3）機(jī)動船測量為人工操作，航線不能完全按照規(guī)劃航線行駛，經(jīng)常出現(xiàn)反復(fù)測量，造成工期延長；而無人船可以嚴(yán)格按照規(guī)劃航線進(jìn)行測量，避免重復(fù)測量，從而提高工作效率。

4）機(jī)動船測量，測量人員必須實(shí)時在船上，在灘險及浪大區(qū)域測量，存在安全隱患；而無人船采用實(shí)時自動采集水深及測量數(shù)據(jù)，無須人員上船，無人員安全隱患。

5）無人船在單位時間內(nèi)，可以覆蓋的水域面積遠(yuǎn)大于機(jī)動船，無人船測量只需要1 名測量人員即可操作，測量所需要的人工成本遠(yuǎn)低于機(jī)動船測量。

6）無人船自帶測流絕對直線技術(shù)、自適應(yīng)流速技術(shù)、自動懸停技術(shù)，且無人船吃水只有10 cm，可以完全到達(dá)岸邊，使得測流數(shù)據(jù)更加精確。

7 結(jié)語

綜上所述，采用無人船測量系統(tǒng)對岷江局部區(qū)域進(jìn)行水下地形測量及斷面流量測量，并與機(jī)動船測量方法進(jìn)行比對，結(jié)果表明，無人船測量水深數(shù)據(jù)及斷面流量數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，無人船測量時間更短。無人測量船的引進(jìn)，真正做到了山區(qū)河流測量的安全性、高精度、高效率、自動一體化，大大減少了外業(yè)測量人員及工作時間，既保障了測量人員水上作業(yè)的人身安全，又提高了水上測量的作業(yè)效率，并在一定程度上填補(bǔ)了機(jī)動載人船在山區(qū)河流航道測量領(lǐng)域的空白。

本文介紹無人測量船系統(tǒng)這種新的測量手段在山區(qū)河流測量中起到了明顯的示范作用。無人測量船在山區(qū)河流的航道整治、搶險救災(zāi)、原型觀測等工作中必將得到更為廣泛的應(yīng)用，在山區(qū)河流水下地形及水文測驗中具有良好的發(fā)展前途。