小型無人船搭載多波束在內(nèi)河淺區(qū)測量的應(yīng)用

鄭全平

（福建省港航勘察科技有限公司，福建 福州 350009）

0.引言

在傳統(tǒng)水深測量工程中，作業(yè)方式主要為測深儀+定位設(shè)備+動力船。淺灘區(qū)域大部分采用測量員隨身攜帶RTK蹚水作業(yè)，水下情況復(fù)雜多變，蹚水作業(yè)較為危險并且作業(yè)時間較長；對于皮劃艇，測深系統(tǒng)難以固定，而且會造成船舷一側(cè)偏重，無法平衡，不好操作，故淺灘區(qū)域作業(yè)往往使測量員感覺頭疼；而在租船上，每次測前的準(zhǔn)備時間通常會花費2—3小時之久，而且租的船往往吃水比較深，在淺區(qū)會打到螺旋槳，租船和養(yǎng)船的費用相對較高，有些特殊區(qū)域就連找船也是個問題。傳統(tǒng)作業(yè)方式已經(jīng)很難滿足項目工期要求和作業(yè)要求。

為了解決上述問題，無人船搭載測深設(shè)備應(yīng)運而生。最早無人船搭載小型的單波束，隨著小型多波束的不斷發(fā)展，無人船也搭載了小型多波束。

1.常規(guī)多波束的安裝及使用

目前常規(guī)的多波束主要是安裝在有人駕駛的動力船上，通過支架、桿子固定，駕駛員按照計劃測線行駛。

1.1 常規(guī)多波束的安裝

目前大部分測量單位都沒有自有大型船只，外業(yè)多波束作業(yè)時，通常是雇用當(dāng)?shù)亟煌ùO船等，幾乎是采用船舷外安裝，舷外安裝必須裝在船上牢固及不活動的部位，裝位置遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)等噪音源，安裝桿要在盡量靠近水線的地方設(shè)置固定點，多波束探頭要超出船底，使用支架后，還需借助鋼絲繩等固定收緊。要做必要的試驗以檢查回收和放下聲納頭后聲納頭校準(zhǔn)是否有改變，所以船舷外安裝具有非常容易受振動和噪音的影響，可能被其他船撞壞或觸底導(dǎo)致不容易維持多波束校正結(jié)果的缺點。安裝多波束時船上至少需要4名工作人員。

1.2 常規(guī)多波束的測量使用

多波束系統(tǒng)安裝完成以后，量取各設(shè)備之間的位置關(guān)系輸入采集系統(tǒng)，由于每個船安裝位置不同，每次進(jìn)場施測前均需準(zhǔn)確量取。各個參數(shù)設(shè)置好后，在導(dǎo)航界面導(dǎo)入計劃導(dǎo)入測線，駕駛員按照測線行駛，保證覆蓋。船上至少需要配備2名技術(shù)人員（負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集）和2名船員（負(fù)責(zé)駕駛及安全瞭望），且對駕駛員技術(shù)水平有較大要求，通常安裝桿吃水要達(dá)到1m左右，且本身雇用的船只吃水也要達(dá)到1m以上。每次設(shè)備安裝以后均需對橫搖（roll）、縱傾（pitch）、艏向（yaw）進(jìn)行校準(zhǔn)。主要適用于5 m以上水深。

2.無人船搭載多波束

無人船搭載多波束測深系統(tǒng)由無人船系統(tǒng)和多波束系統(tǒng)組成，無人船系統(tǒng)包含船體、動力、自動控制、遙控、視頻、雷達(dá)避障等，多波束系統(tǒng)包含測深系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)、運動傳感器（小型多波束基本是測深與姿態(tài)傳感器集成在一起）。無人船搭載多波束是船體根據(jù)配備的多波束按模型量身定制，將小型多波束無縫嵌入船體中，吃水僅為0.1 m至0.2 m。全套系統(tǒng)放入水中，可由2名工作人員協(xié)作完成。在船體配備電腦主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，操作人員在岸上通過船體控制系統(tǒng)在電腦或者手機(jī)、平板上通過無線傳輸操作無人船采集記錄數(shù)據(jù)。測線的行駛可通過遙控操作，轉(zhuǎn)向靈活方便，也可按計劃測線自動直線行駛。安裝后校準(zhǔn)參數(shù)一致，每次作業(yè)可直接使用該校準(zhǔn)參數(shù)，省去了大半天的安裝校準(zhǔn)時間[1]。

3.工程實例

某內(nèi)河航道設(shè)計全長約76.21 km，按滿足500噸級干貨-Ⅱ（吃水不超過1.6 m）干流標(biāo)準(zhǔn)船型通航要求建設(shè)；建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為航道水深取1.9 m，其中河床底質(zhì)為卵石和巖石航段航道水深取2.1 m；單線航道寬度取25.0 m，雙線航道寬度50.0 m，船閘門檻最小水深2.5 m，航道彎曲半徑取220 m。此航道經(jīng)施工后需進(jìn)行第三方交工掃測，按要求需要進(jìn)行多波束全覆蓋掃測。施工段水深非常淺，且底質(zhì)為礁石區(qū)，內(nèi)河小船較小寬度普遍都是1 m—2 m，測區(qū)條件比較惡劣。項目組測前商討了兩種方案：第一種方案是用常規(guī)的多波束搭載在兩條小船中間；第二方案是使用新引進(jìn)的無人船搭載多波束?？紤]到此航段有多處電站阻攔，需要頻繁換小船，且在兩條小船拼接安裝上很難做到非常牢固，因此選取了第二種方案。

3.1 無人船搭載多波束外業(yè)實施

3.1.1 無人船搭載安裝多波束

本工程項目組采用的是華微6號無人船搭載NORBIT小型多波束的組合方式，如圖1所示。整船自重15 Kg，搭載方案總重不超過40 Kg，現(xiàn)場僅需配備2名技術(shù)人員。華微6號無人船獨有的絕對直線技術(shù)、自適應(yīng)水流技術(shù)、定點懸停技術(shù)、淺灘倒車、慣導(dǎo)等新技術(shù)的應(yīng)用拓展了客戶的應(yīng)用場景。手動、自動模式自由切換。自動模式下，船體定位定姿配合精密算法，在船體遭遇水流的情況下，能夠根據(jù)船體受水流的推力大小及方向，控制螺旋槳進(jìn)行自動轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，保證繼續(xù)按照計劃航線進(jìn)行切流作業(yè)。轉(zhuǎn)彎時，船體自動降速，無人船航線與計劃線保持高度一致，確保作業(yè)過程中水下數(shù)據(jù)的完整性。對搭載的多波束也是采用嵌入式的安裝方式，最大限度保護(hù)換能器陣的同時還有吃水淺的優(yōu)勢，適合各類淺灘作業(yè)，船體前配備了防撞導(dǎo)流板，即使船體擱淺也能保證多波束換能器安全。

圖1 無人船搭載多波束示意圖

3.1.2 無人船搭載多波束的校準(zhǔn)

無人船搭載的多波束是姿態(tài)與聲吶基陣集成安裝，出廠姿態(tài)及聲吶零安裝偏差，無需外業(yè)找特殊地形水域跑校準(zhǔn)線，內(nèi)業(yè)軟件計算Roll、Pitch、Heading、Time偏差，減少外業(yè)及內(nèi)業(yè)工作量，使用更簡單，測量更高效。經(jīng)項目組按照常規(guī)多波束校準(zhǔn)方式多次驗證，校準(zhǔn)參數(shù)均一致。由于該航道窄、特殊地形較少，無法像海上一樣隨處可找校準(zhǔn)區(qū)，本系統(tǒng)的組成大大簡化了作業(yè)方式且解決了此難題。

3.1.3 航道水下地形信息采集

NORBIT內(nèi)置了Applanix研發(fā)的POS MV定位定向系統(tǒng)，能夠為多波束測量和海洋船只的高可靠性、高精度定位和姿態(tài)艏向提供完美的解決方案。POS MV作為工藝水平和精度超高的陀螺儀，同外部輔助的GPS相結(jié)合，可為工作船只和傳感器提供連續(xù)的、精確的位置和方向數(shù)據(jù)。在GPS信號被阻擋或者信號不連續(xù)的時間段內(nèi)，由于多路效應(yīng)導(dǎo)致GPS接收機(jī)無法有效接收衛(wèi)星信號的區(qū)域，希望在某個時間段內(nèi)位置漂移必須減小或者需要更快速重新獲取位置及方向信息的條件下，POS MV都能夠輸出可靠的位置和方向信息。本項目內(nèi)河航區(qū)跨江橋梁較多，橋下信號被擋，此設(shè)備很好地解決了這一問題。導(dǎo)航軟件采用QPS。QPS軟件包含多波束數(shù)據(jù)采集軟件Qinsy和多波束數(shù)據(jù)后處理軟件Qimera，現(xiàn)場通過調(diào)整多波束控制軟件參數(shù)使多波束探頭達(dá)到最佳狀態(tài)后，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及船控軟件。調(diào)試完成后，按當(dāng)日計劃工作量執(zhí)行。本項目在內(nèi)河水庫庫區(qū)，水位一般無變化，可采用無驗潮方式。在本航道掃測特別注重淺區(qū)及邊坡。

掃測過程中，測量員只需在岸邊操作平板，根據(jù)導(dǎo)入的計劃測線，無人船自動按計劃測線上線掃測，自動切換測線。若遇到重點區(qū)域需臨時手動操作可自由切換，小型無人船若不在視線內(nèi)，可開啟攝像頭，跟蹤測量。其余采集記錄和常規(guī)多波束流程一致?，F(xiàn)場作業(yè)照片如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場作業(yè)照片

采集完成后可采用QPS軟件中的Qimera模塊或者Caris軟件進(jìn)行處理，同樣是通過加載聲速、潮位進(jìn)行合并計算，對導(dǎo)航和姿態(tài)信息進(jìn)行檢查，對異常點進(jìn)行剔除，最后輸出為xyz格式的水深數(shù)據(jù)。通過處理后的掃測3D效果圖如圖3所示。

圖3 掃測效果圖

3.2 數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計

項目組在無人船搭載多波束測量的同時，也布設(shè)了一定的外符合檢查線（采用常規(guī)的單波束測量方式），通過精度比對，表明精度優(yōu)于《水運工程測量規(guī)范》（JTS131—2012）的要求。水深比對誤差分布圖如圖4所示。精度統(tǒng)計表如表1所示。

圖4 水深比對誤差分布圖

表1 精度統(tǒng)計表

比對點數(shù):82對；合格點數(shù)：77對；不合格點數(shù)：5對；差值平均值：0.061米；5cm以內(nèi)誤差占比：37.80%；5～10cm誤差占比：20.73%；10～20cm誤差占比：20.73%；20cm以上限差誤差占比：14.63%；合格率：93.90%。

10～20 cm誤差占比：20.73%；20 cm～限差誤差占比：14.63%；合格率：93.90%。

根據(jù)《水運工程測量規(guī)范》（JTS131—2012）要求測深檢查線與主測深線相交處、單波束測深不同作業(yè)組相鄰測段或同一作業(yè)組不同時期相鄰測深段的重復(fù)測深線的重合點處，圖上1 mm范圍內(nèi)水深點的深度比對互差均應(yīng)符合表8.4.6的規(guī)定。即水深H≤20 m時，比對互差≤0.4，H>20 m時，比對互差≤0.02 H，從表1統(tǒng)計可知：本項目采用小型無人船搭載多波束的測深精度滿足深度比對互差要求，質(zhì)量合格，可供使用。

4.結(jié)束語

本文采用無人船搭載多波束測深系統(tǒng)對內(nèi)河航道進(jìn)行交工掃測驗收，并通過與傳統(tǒng)測深技術(shù)比對分析，根據(jù)精度統(tǒng)計結(jié)果表明：無人船搭載多波束定位精度高，水深數(shù)據(jù)可靠，安全穩(wěn)定，節(jié)約了人工及成本，大大提高了效率及經(jīng)濟(jì)效益，為本項目內(nèi)河航道安全通航交工提供了基礎(chǔ)資料，可供決策者及相關(guān)部門全面、準(zhǔn)確地評判航道工程施工質(zhì)量提供了依據(jù)。無人船搭載多波束在內(nèi)河淺水區(qū)的優(yōu)勢在于安全性更高，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、運輸便攜性更好，吃水淺，不需要找船，外業(yè)作業(yè)人員少等；缺點是續(xù)航能力不足，抗流水能力較差等。小型無人船目前在海上應(yīng)用場景和效果較差。

隨著無人船技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，無人船搭載多波束水下檢測技術(shù)將廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)（城市河道及橋梁、岸坡、綠化、建筑數(shù)字三維點云數(shù)據(jù)采集）、港口應(yīng)用（港口、港池水下精細(xì)測量和礙航物、淺點檢測等）、航道應(yīng)用（數(shù)字化航道水下基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)采集、通航安全水域礙航物檢測、航標(biāo)水下測繪等）、水下工程應(yīng)用（疏浚、拋石等工程土石方量的精確計算；水下建筑物等形態(tài)精細(xì)測量；炸礁事后殘存物精細(xì)化測量等）、水文應(yīng)用（數(shù)字水文建設(shè)，如，水文信息化建設(shè)的數(shù)據(jù)清查和校核；江河湖泊水下基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)采集；水庫庫容的精細(xì)化測量；水下地形數(shù)據(jù)采集等）、海洋石油應(yīng)用（海洋平臺地基形態(tài)及周邊海底沖淤狀況精細(xì)化測量；海底管線鋪設(shè)、檢測等相關(guān)測量工作；海底管線路由精細(xì)化勘察等）、水下目標(biāo)探測應(yīng)用（水下危險目標(biāo)精細(xì)化測量、水下礙航物精細(xì)化測量、沉船打撈應(yīng)用等）。