基于無人船測量系統(tǒng)的水下地形測量研究與應(yīng)用

許成義 孫棟 張金營 陳建忠 孫如瑤 沈孝永

摘要： 隨著測深技術(shù)、GNSS技術(shù)、高精密傳感器集成化的發(fā)展，無人船測量系統(tǒng)為水下地形測量提供了新的思路。結(jié)合山東省高密市王吳水庫，探討了無人船水下地形測量的作業(yè)流程，通過對比分析，選擇最優(yōu)測線間距獲取數(shù)據(jù)，通過差值分析進行精度評價，數(shù)據(jù)處理后對成果進行展示。研究區(qū)結(jié)果表明，無人船測量系統(tǒng)基于單波束測深在中型水庫中的應(yīng)用是十分理想的，測深數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，能夠很好地反映庫區(qū)的水下地形情況，無人船測量系統(tǒng)在水下地形測量中起著重要作用。

關(guān)鍵詞： 無人船測量系統(tǒng)；水下地形測量；水庫；單波束測深；差值分析

中圖分類號： P66 ????文獻標識碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.02.007

引文格式： 許成義，孫棟，張金營，等.基于無人船測量系統(tǒng)的水下地形測量研究與應(yīng)用［J］.山東國土資源，2023，39（2）：50 55.XU Chengyi， SUN Dong， ZHANG Jinying， et al. Study and Application of Underwater Topographic Survey Based on Unmanned Ship Survey System［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（2）：50 55.

0 引言

傳統(tǒng)水下地形測量是通過測深儀和GNSS接收機固定在船體上，航行到確定方位進行測深，測量中受到自然因素和人為作業(yè)的影響，導致作業(yè)量大、工作效率低、危險性高等。隨著測繪科學技術(shù)水平的進步，人工智能技術(shù)、自動化技術(shù)的進步，水下測量集成化正在快速發(fā)展，其中GNSS RTK［1］和測深儀的組合是技術(shù)創(chuàng)新的重要窗口。無人船測量系統(tǒng)包含多種高精密傳感器設(shè)備，如單波束測深儀［2］、多波束測深儀［3］、姿態(tài)傳感器等，為水上環(huán)境紛繁復雜和高危險性等問題找到了答案，并實現(xiàn)自動化無人駕駛水上測繪，可以準確、快速獲取水下地形數(shù)據(jù)。水下地形測量數(shù)據(jù)的獲取相較于陸上測量數(shù)據(jù)有著局限性［4］，大部分水域的水下數(shù)據(jù)現(xiàn)在仍為空白，無人船測量系統(tǒng)的快速發(fā)展與應(yīng)用將會填補這個空白。

1 無人船測量系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

無人船測量系統(tǒng)由船體、動力系統(tǒng)、通訊控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、測深系統(tǒng)和岸邊控制系統(tǒng)組成［5］，可高效、準確地進行水下地形測量和數(shù)據(jù)獲取，廣泛應(yīng)用于多種水域測量工作。無人船測量系統(tǒng)構(gòu)成如下。

（1）船體。無人船船體采用高分子聚酯碳纖維材質(zhì)，具有自重小、吃水淺、抗風浪、防水防塵防腐等特點，主要承載各種設(shè)備和傳感器。

（2）通訊控制系統(tǒng)。能夠有效鏈接無人船和岸邊控制系統(tǒng)，實時傳輸無人船的工作狀態(tài)和采集的數(shù)據(jù)。作業(yè)人員可以通過人工遙控和自動航行兩種模式進行控制無人船航線。

（3）定位系統(tǒng)。通過GNSS接收機進行定位，可通過軟件實時監(jiān)控無人船的位置，查看無人船航行軌跡。

（4）測深系統(tǒng)。按照作業(yè)要求進行水深數(shù)據(jù)的采集，并通過軟件進行水深數(shù)據(jù)的處理。

（5）岸邊控制系統(tǒng)。由基準站、控制軟件、通訊設(shè)備組成?；鶞收究勺孕屑茉O(shè)，也可連接衛(wèi)星定位連續(xù)運行綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)（CORS）；控制軟件包括船體控制軟件和數(shù)據(jù)采集處理軟件；通訊設(shè)備為接收顯示無人船的動態(tài)信息提供4G信號。

實驗采用華微6號無人船，華微6號是一款大空間、多搭載、超輕便的全碳身自動無人船平臺，標配單波束測深儀，標準搭載多波束測深系統(tǒng)，集成搭載iLiDAR三維激光掃描儀完成點云數(shù)據(jù)采集。具體無人船參數(shù)如表1所示。

1.2 測量系統(tǒng)基本原理

整個系統(tǒng)的導航定位采用GNSS RTK動態(tài)差分定位原理（圖1）［6］，通過架設(shè)基準站傳輸差分數(shù)據(jù)到無人船上的接收機，或直接連接省級衛(wèi)星定位連續(xù)運行綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)（CORS），實現(xiàn)實時定位和導航功能。水深測量由安置在船上的單波束測深儀完成，利用回聲定位原理。假設(shè)船上的GNSS接收機的高程為 HG，測深儀測得換能器到水底面的水深為Hv ，測量時實際獲得GNSS接收機至水面高度及水面至換能器底部高度分別為 Hg、Hd，那么在無人船航行時任意時刻位置的對應(yīng)水底點的高程H 可通過式（1）計算得到：

H=HG-Hg-Hd-（Hv+△H1+△H2） （1）

式中： HG是接收機測得的高程，△H1是無人船的姿態(tài)改正，△H2 是聲速改正。在實際航行作業(yè)過程中，受到自然因素的影響，無人船會產(chǎn)生橫搖和縱搖［5］，造成水深數(shù)據(jù)的位置與實際無人船的位置有誤差，同時水深數(shù)據(jù)也存在誤差，此項誤差會隨著水深的增加而增大，導致結(jié)果不準確。聲速改正是水下測量誤差的主要因素之一，水溫、水質(zhì)、渾濁度等都會影響聲波在水中的傳播速度，進而直接影響測深的精度。因此，使用姿態(tài)傳感器對水深數(shù)據(jù)進行改正，確保了無人船測得的水深數(shù)據(jù)的可靠性［7］，姿態(tài)改正由系統(tǒng)軟件自動完成，每次作業(yè)前利用聲速剖面儀進行聲速測量，以反映測區(qū)實際的聲速變化規(guī)律，測得聲速值后由系統(tǒng)軟件進行聲速改正。

2 中型水庫水下地形測量的應(yīng)用

研究區(qū)為王吳水庫，水庫興建于1958年，流域面積344km2，為國家2A級優(yōu)質(zhì)水源地，是一座以防洪為主，兼顧供水、灌溉等綜合利用的中型水庫。其水域面積約5.07km2，是中型水庫中較大的（圖2）。王吳水庫的水下地形數(shù)據(jù)獲取為山東省“十四五”基礎(chǔ)測繪規(guī)劃重點工程內(nèi)容［8］，采用華測華微6號無人測量船搭載D230測深儀，配套AutoPlanner、HydroSurvey軟件［9］。

2.1 王吳水庫無人船測深

王吳水庫位于丘陵地區(qū)，周圍無高山環(huán)繞，高差不大，導航定位選擇CORS模式。無人船測量與作業(yè)流程見圖3，正式測量前，利用華測E91RTK對近岸水域進行測量，將人工測深數(shù)據(jù)與無人船測量數(shù)據(jù)進行比對，通過10對位置重疊或位置相近的點比較，得出高程值差值在0.04～0.08m之間，說明無人船測深精度符合要求。

王吳水庫北側(cè)日常管理和維護較好，無垂釣、漁網(wǎng)等障礙，測量過程中除近岸淺水區(qū)域和個別死角需要人工控制測量，其余大部分水面用無人船自動航行。測線布設(shè)分別采用了垂直測線方向間距10m、20m和30m，平行測線方向間距1m，通過比對10m測線間距滿足精度但是工作量大，30m的測線間距工作量小，但是精度不甚符合，20m的測線間距既符合精度工作量又小，所以最終采用了20m的測線間距。為采集數(shù)據(jù)豐富完整，充分利用無人船測深的優(yōu)勢，在記錄控制設(shè)置中將采樣方式設(shè)置為0.2s的采樣間隔。王吳水庫南側(cè)水面深度較淺，水草、漁網(wǎng)較多，整體需要人工操控進行測量。整個水庫確定范圍內(nèi)，北側(cè)作業(yè)環(huán)境良好，每日完成測區(qū)任務(wù)約為0.7km2，南側(cè)作業(yè)環(huán)境較差，需要多次尋找下船地點，為保障無人船安全，人工控制測量船速較慢約為1m/s，每日完成測區(qū)任務(wù)約為0.15km2。為保證水上水下數(shù)據(jù)無縫銜接，水庫周邊范圍和無人船無法作業(yè)的區(qū)域需要人工利用RTK進行測量。通過無人船水下測量得到的數(shù)據(jù)約為63萬個（圖4）。

2.2 數(shù)據(jù)處理

完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后需要對水深數(shù)據(jù)進行初步處理。外業(yè)測量時，無人船航行測量過程中經(jīng)過水下障礙物時，會導致測深儀測量的數(shù)據(jù)不正確，原始數(shù)據(jù)會有跳點的現(xiàn)象，點位明顯不合理，要對失真的數(shù)據(jù)進行修正。按照規(guī)范要求測深數(shù)據(jù)要以測深模擬信號為依據(jù)，如果僅僅得到水深數(shù)據(jù)是不滿足規(guī)范要求的，需要通過將測深模擬信號和水深數(shù)字數(shù)據(jù)進行疊加，判斷水深數(shù)據(jù)的準確性［10 11］。通過信號和數(shù)據(jù)的疊加對部分失真數(shù)據(jù)進行修正后，軟件會根據(jù)設(shè)置距離進行自動取樣，生成htt文件，最后將htt文件合并導出csv格式文件進行內(nèi)業(yè)編輯處理。

2.3 精度檢測

精度檢測是質(zhì)量控制的一個重要過程。本文研究區(qū)采用“等精度觀測”的方式進行精度檢測［12］，在測區(qū)布設(shè)一定數(shù)量的檢測線，檢測線與主測線相垂直，檢測線的定位點保證與主測線的測深點有重合（圖上1mm范圍）。等精度水深測量完成后，對主測線和檢測線的數(shù)據(jù)分別進行預處理，要求檢查線與主測線的所有規(guī)定范圍內(nèi)的交點都進行比較，對無法比較的離散測點，要根據(jù)繪制的水下等高線進行圖解［13］，通過差異進行對比分析，是否在誤差精度允許的范圍內(nèi)。

本次實驗水下地形測量檢測線共采集約3萬個點，其中交匯重合點1114個，通過對主測線與檢測線交匯點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析［10］，計算標準差。從統(tǒng)計結(jié)果可知，交匯點最大差值0.30m，最小差值為0m（圖5），主測線與檢測線之間的數(shù)據(jù)偏差小于0.1m的占74.13%，小于0.2m的占95%，小于0.30m達到100%（圖6），其標準差為0.09m，遠小于標準限差0.4m。由于交匯點數(shù)據(jù)量較大，只列舉20對交匯點數(shù)據(jù)（表2）。

2.4 無人船水下測量成果

內(nèi)業(yè)處理中，應(yīng)用EPS軟件或者ArcGis軟件生成水下等高線，通過編輯、修改、圓滑等工序完成水下地形圖繪制和相關(guān)測繪成果的制作［14 18］，并從細部展現(xiàn)無人船水下測量成果（圖7）。

3 結(jié)論

本文通過無人船測量系統(tǒng)基于單波束測深儀對高密市王吳水庫進行水下地形測量，測量數(shù)據(jù)能真實有效的呈現(xiàn)水庫的水下地形情況。根據(jù)本次實際測量成果，無人船測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）無人船可以實現(xiàn)作業(yè)無人化，自主航行、自動避障等，避免了作業(yè)人員在船只上作業(yè)，規(guī)避了涉水安全隱患［16］。

（2）集成化程度高，導航定位裝置和測深儀于一體，解決了設(shè)備繁多，連接復雜的問題，讓作業(yè)更加輕松、高效；機動性強，可以測量一些特殊的區(qū)域，像淺水區(qū)、狹窄水域等［14］。

（3）降低了作業(yè)成本，無人船船體小，攜帶方便，減少了租用船只、設(shè)備維護、人員使用等方面的費用。

無人船測量作為一種新技術(shù)，目前處于推廣階段，在使用過程中也出現(xiàn)了一些問題［17］。無人船的操控范圍需進一步提升，遙控器的控制距離大概在800 m左右，在山丘地形、水庫岸邊參差不平等環(huán)境因素阻斷信號后，控制距離會進一步縮??；無人船動力系統(tǒng)馬達保護措施需要改進，馬達若是被纏繞住，在水中停滯，需要作業(yè)人員進入水中處理，增加風險，在水草多的區(qū)域，馬達會受到阻塞，航行測量效率嚴重受到影響；無人船電池續(xù)航能力需要提高，在中型水庫測量中，電量基本能夠滿足要求，若是對大型水庫或者湖泊進行作業(yè)，則很難滿足需求。隨著技術(shù)的不斷改進和更新，無人船測量系統(tǒng)將在水下地形測量中發(fā)揮更大作用［18］。

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Study and Application of Underwater Topographic ??Survey Based on Unmanned Ship Survey System

XU Chengyi， SUN Dong， ZHANG Jinying， CHEN Jianzhong， SUN Ruyao， SHEN Xiaoyong

（Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract： ?Accompanying with the development of sounding technology， GNSS technology and high precision sensor integration， unmanned ship survey system provides new ideas for underwater topographic survey. Combining with Wangwu reservoir in Gaomi city in Shandong province， unmanned ship underwater topographic survey process has been studied. Through comparison and analysis， selecting the optimal survey line spacing to obtain data， evaluate the accuracy through difference analysis， and display the results after data processing. It is showed that the application of the unmanned vessel survey system based on single beam bathymetry in medium sized reservoirs is very ideal， the quality of bathymetric data is good. It can well reflect the underwater topography of the reservoir area. The unmanned vessel survey system plays an important role in underwater topographic survey.

Key words： ?Unmanned ship survey system; underwater topographic survey; reservoir; single beam sounding; difference analysis