探究無(wú)人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用前景

洪德玫，張子航

（長(zhǎng)江蕪湖航道處，安徽 蕪湖 241000）

水下地形測(cè)量是主要針對(duì)河流航道內(nèi)水深、是否存在淤泥出攤、是否存在礙航物等展開(kāi)測(cè)量，如水下礁石、沉船等可能阻礙航道暢通的因素。傳統(tǒng)水下地形測(cè)量中，主要依靠人工驅(qū)動(dòng)的船只搭載探測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)量，受技術(shù)、資金、氣候等多種條件限制，水下地形測(cè)量的局限性較強(qiáng)，同時(shí)需要多種設(shè)備儀器的搭配使用，才能得出相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果。無(wú)人測(cè)量船的應(yīng)用，具備了對(duì)水下地形實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量的方式，能有效突破傳統(tǒng)測(cè)量中存在的局限性，也可以避免在危險(xiǎn)區(qū)域開(kāi)展測(cè)量作業(yè)引發(fā)的安全事故，因此無(wú)人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中備受青睞。

1 無(wú)人測(cè)量船的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)主要由遙控?zé)o人船測(cè)量子系統(tǒng)、岸基控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。遙控?zé)o人測(cè)量船子系統(tǒng)主要包括力系統(tǒng)、陀螺儀、CCD 攝像頭、船上控制系統(tǒng)等多個(gè)部分；岸基控制子系統(tǒng)主要具備無(wú)線傳輸與交互界面控制等功能，可用于對(duì)船上數(shù)據(jù)的接收與處理，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人測(cè)量船的遠(yuǎn)程控制，驅(qū)動(dòng)無(wú)人測(cè)量船多角度展開(kāi)測(cè)量[1]。其主要構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)終端（筆記本電腦）、遙控器、無(wú)線電臺(tái)等，有助于在作業(yè)區(qū)域周邊開(kāi)闊位置實(shí)時(shí)對(duì)船只展開(kāi)控制，在岸基控制系統(tǒng)的幫助下，能有效提高船只控制的精度，便于船只更高效地完成作業(yè)。

在水下地形測(cè)量中，無(wú)人測(cè)量船屬于一種比較新穎的測(cè)量方式，在我國(guó)經(jīng)過(guò)多年應(yīng)用后，已逐漸實(shí)現(xiàn)與智能化探測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)等技術(shù)手段的融合應(yīng)用，也使得無(wú)人測(cè)量船的自動(dòng)化與智能化水平大幅提升，在實(shí)際作業(yè)中無(wú)人測(cè)量船體現(xiàn)出了顯著穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性、全面性等測(cè)量特性，目前已逐漸實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)載人船作業(yè)形式的替代，在水下地形測(cè)量中無(wú)人測(cè)量船的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。

無(wú)人測(cè)量船具有安全、可靠、低成本等優(yōu)勢(shì)，由于其具備遠(yuǎn)程控制功能和小型化等特性，所以可以在不載人的情況下開(kāi)展測(cè)量作業(yè)，能減少在危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)時(shí)發(fā)生安全事故的概率。無(wú)人測(cè)量船的船體偏小，具有攜帶便捷、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，船體搭載通信系統(tǒng)與傳感器系統(tǒng)，系統(tǒng)功能優(yōu)越性較強(qiáng)，能在精準(zhǔn)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)后實(shí)現(xiàn)高效地傳遞與處理，同時(shí)在傳感器的作用下還能自動(dòng)避開(kāi)水下障礙物，更靈活地展開(kāi)水下地形測(cè)量作業(yè)。

無(wú)人測(cè)量船的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搬運(yùn)十分便捷，在測(cè)量前準(zhǔn)備與實(shí)際測(cè)量中花費(fèi)的時(shí)間較少，可以根據(jù)斷面數(shù)據(jù)間隔要求合理對(duì)采樣間隔進(jìn)行設(shè)置，且不容易受人為因素的干擾，同時(shí)在測(cè)量作業(yè)中需要的人員數(shù)量減少，能節(jié)省水下地形測(cè)量的成本支出。

2 無(wú)人測(cè)量船的主要功能

2.1 智能導(dǎo)航

無(wú)人測(cè)量船一般有兩種導(dǎo)航模式，分別為手動(dòng)與自動(dòng)，用戶(hù)可以通過(guò)工作需要靈活切換導(dǎo)航模式。自動(dòng)導(dǎo)航模式一般是水下地形測(cè)量的首選，切換該模式后，主要由用戶(hù)提前設(shè)計(jì)無(wú)人測(cè)量船的測(cè)量路線，實(shí)現(xiàn)船只自動(dòng)航行，能減少手動(dòng)操作帶來(lái)的麻煩，采用RTK 數(shù)據(jù)定位自主導(dǎo)航，能保證走線的精準(zhǔn)性，有效減少船只運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的航線誤差，更精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)水下地形地貌的測(cè)量。手動(dòng)模式主要通過(guò)操作遙控器的方式對(duì)船只航行進(jìn)行控制，手動(dòng)與自動(dòng)的結(jié)合更容易提高航向的準(zhǔn)確性，能有效避免無(wú)人測(cè)量船在航行時(shí)與各種障礙物發(fā)生碰撞。

2.2 數(shù)據(jù)采集

主要是在GPS 的幫助下，為無(wú)人測(cè)量船的航行及測(cè)量提供定位信息，采用RTK 技術(shù)提高對(duì)位置信息精度提供保障，通過(guò)在岸邊設(shè)置基準(zhǔn)站的方式快速獲取信息，并通過(guò)電臺(tái)將獲取的信號(hào)發(fā)射給船只搭載的GPS裝置，提高航行的精準(zhǔn)性，也可以不考慮架設(shè)基準(zhǔn)站，直接使用CORS 信號(hào)。

2.3 傳感器系統(tǒng)

無(wú)人測(cè)量船打造了多種傳感器裝置集成的傳感器系統(tǒng)，在水下地形測(cè)繪中，如側(cè)掃、水質(zhì)分析、測(cè)流、測(cè)深等功能的實(shí)現(xiàn)，主要得益于多種傳感器的幫助，能快速幫助用戶(hù)捕捉各種水下信息，傳感器系統(tǒng)的功能會(huì)直接給水下地形測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生影響[2]。

2.4 定位測(cè)深數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

利用無(wú)線電臺(tái)將測(cè)深、定位等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至岸基的客戶(hù)端，便于實(shí)時(shí)對(duì)定位、水深等數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，因此無(wú)人測(cè)量船還具有無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸與存儲(chǔ)的功能。還可以直接將測(cè)深、定位等數(shù)據(jù)記錄在測(cè)深儀器存儲(chǔ)器內(nèi)，便于后期對(duì)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和處理。

3 無(wú)人測(cè)量船的市場(chǎng)需求

傳統(tǒng)水下地形測(cè)量中，主要使用吃水較深、體積較大的船只，通過(guò)搭載GPS、測(cè)深設(shè)備等開(kāi)展作業(yè)，此類(lèi)載人船只難以到達(dá)障礙物較多、淺水、岸邊等區(qū)域進(jìn)行作業(yè)；而采用吃水較淺的橡皮艇、竹筏等開(kāi)展水下地形測(cè)量，或者直接采取人工蹚水的方式有較高危險(xiǎn)性，且測(cè)量精度、效率得不到保障，尤其是在危險(xiǎn)水域不適合采用上述兩種方法。所以在當(dāng)前的水下地形測(cè)量領(lǐng)域，迫切需要一種更安全、高效、便捷的工具彌補(bǔ)傳統(tǒng)載人船只在水下地形測(cè)量中的缺陷，無(wú)人測(cè)量船的出現(xiàn)，剛好能滿足水下地形測(cè)量的多種需求，有助于處理好水下地形測(cè)量安全隱患多、吃水淺、作業(yè)范圍狹窄、數(shù)據(jù)獲取難等多方面缺陷，因此無(wú)人測(cè)量船在當(dāng)前的市場(chǎng)中得到了有效推廣。

4 無(wú)人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

4.1 水下地形測(cè)量

水下地形測(cè)量開(kāi)始前需要做好充足準(zhǔn)備工作，工作人員需要提前做好對(duì)水下測(cè)量軟件的調(diào)試、坐標(biāo)系統(tǒng)精度校正、定位時(shí)間等準(zhǔn)備工作，盡量減少因系統(tǒng)問(wèn)題導(dǎo)致的水下地形測(cè)量誤差。在連接好GNSS 設(shè)備后正式開(kāi)始測(cè)量工作。首先可以切換自動(dòng)模式，在無(wú)人測(cè)量船進(jìn)入特定水域后開(kāi)展測(cè)量工作。水下地形測(cè)量中，可以采取智能控制技術(shù)手段，提前對(duì)無(wú)人測(cè)量船的航線進(jìn)行設(shè)置，提高水下地形測(cè)量的自動(dòng)化水平。工作人員要通過(guò)相關(guān)軟件對(duì)水面、水下情況進(jìn)行調(diào)查、分析，科學(xué)設(shè)置航線，盡量減少航線誤差。無(wú)人測(cè)量船在運(yùn)行過(guò)程中，船只需要保持勻速、直線的運(yùn)行狀態(tài)，在改變測(cè)線時(shí)，徐亞奧進(jìn)行精準(zhǔn)定位，盡量減少船只的浮動(dòng)、擺動(dòng)，科學(xué)進(jìn)行變速、專(zhuān)項(xiàng)[3]。整個(gè)過(guò)程中，要盡量減少風(fēng)浪給水下地形測(cè)量帶來(lái)的不良影響，所以在測(cè)量前還需要做好對(duì)風(fēng)浪高度的調(diào)查，選擇合適的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。在線測(cè)量中還可能面臨最淺點(diǎn)等測(cè)漏問(wèn)題，所以還需要做好對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的準(zhǔn)確控制，在前期準(zhǔn)備中進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，注重對(duì)測(cè)量位點(diǎn)及測(cè)量間距展開(kāi)控制。對(duì)無(wú)人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中可能存在的問(wèn)題，需要工作人員做好內(nèi)業(yè)整理工作，便于獲取準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯與校準(zhǔn)后，需要使用相應(yīng)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，在科學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上做好對(duì)水下地形的分析，對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行歸納整理。針對(duì)測(cè)量資料的分類(lèi)編排，可以與既往水下地形資料展開(kāi)對(duì)比，結(jié)合無(wú)人測(cè)量船獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行圖紙編制，為后續(xù)各項(xiàng)工作的開(kāi)展提供科學(xué)指導(dǎo)，同時(shí)形成準(zhǔn)確的技術(shù)對(duì)比報(bào)告。

4.2 布置檢查線

水下地形測(cè)量中，無(wú)人測(cè)量船在運(yùn)行過(guò)程中，需要提前在作業(yè)區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑所在位置的檢查線，保證其與主測(cè)深線保持垂直，長(zhǎng)度需要超過(guò)主測(cè)深線，同時(shí)要對(duì)主測(cè)深線與檢查線交叉位置的高度差進(jìn)行檢查，一般高度差不能超過(guò)0.2m[4]。在此期間，需要結(jié)合水下地形測(cè)量的相應(yīng)規(guī)范，嚴(yán)格控制好無(wú)人測(cè)量船的測(cè)量精度，盡量將測(cè)量誤差控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，這是水下地形策略的關(guān)鍵，也是保證測(cè)量作業(yè)有效性的一種手段，只有這樣才能將無(wú)人測(cè)量船的最大價(jià)值發(fā)揮出來(lái)。

4.3 嚴(yán)格管理無(wú)人測(cè)量船

為了在水下地形測(cè)量中，提高無(wú)人測(cè)量船運(yùn)行的自動(dòng)化與智能化水平，需要針對(duì)無(wú)人測(cè)量船的運(yùn)行搭建一個(gè)運(yùn)行管理體系，通過(guò)制度執(zhí)行嚴(yán)格規(guī)范無(wú)人測(cè)量船的運(yùn)行行為，便于更高效地完成水下地形測(cè)量工作，充分將無(wú)人測(cè)量船的智能化優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)。首先，需要重視通過(guò)技術(shù)的優(yōu)化與升級(jí)，提高無(wú)人測(cè)量船的工作效果，注重引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)手段與技術(shù)裝置，便于提高無(wú)人測(cè)量船在復(fù)雜環(huán)境下的工作能力，更好地發(fā)揮自身測(cè)量作用。具體進(jìn)行水下地形測(cè)量時(shí)，船只運(yùn)行視線可能會(huì)受到影響，包括系統(tǒng)判斷障礙物距離的效果，可能給無(wú)人測(cè)量船的運(yùn)行帶來(lái)安全隱患，所以無(wú)人測(cè)量船還需要打造具備防碰撞功能的探測(cè)元件，通過(guò)自動(dòng)對(duì)障礙物進(jìn)行識(shí)別，減少作業(yè)期間發(fā)生碰撞的概率。其次，要重視對(duì)岸基控制系統(tǒng)的優(yōu)化，注重岸基控制系統(tǒng)與無(wú)人測(cè)量船信息交流單元的準(zhǔn)確連接，以此強(qiáng)化對(duì)無(wú)人測(cè)量船運(yùn)行過(guò)程的管控，便于及時(shí)將水下地形測(cè)量中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳遞，如利用通信系統(tǒng)將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)信息快速傳回?cái)?shù)據(jù)控制中心，及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理、分析，確保無(wú)人測(cè)量船的使用能進(jìn)一步達(dá)到預(yù)期效果[5]。倘若無(wú)人測(cè)量船切換了手動(dòng)控制的模式，需要重視對(duì)視頻傳輸功能模型的優(yōu)化，利用無(wú)人測(cè)量船上搭載的攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需信息的實(shí)時(shí)采集，或者通過(guò)超聲波實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的識(shí)別和自動(dòng)避讓?zhuān)瑴?zhǔn)確對(duì)障礙物與無(wú)人測(cè)量船之間的距離進(jìn)行判斷，保證作業(yè)的安全性，提高水下地形測(cè)量整體效率。

4.4 完善水下地形測(cè)量流程

水下地形測(cè)量流程中，考慮到傳統(tǒng)載人船測(cè)量的方式在安全性上得不到保障，且測(cè)量范圍存在局限性，因此使用無(wú)人測(cè)量船有著巨大價(jià)值，不過(guò)在實(shí)際采用無(wú)人測(cè)量船時(shí)，需要對(duì)水下地形測(cè)量的工作流程進(jìn)行完善。首先，需要準(zhǔn)備適當(dāng)型號(hào)的無(wú)人測(cè)量船，做好對(duì)無(wú)人測(cè)量船參數(shù)的設(shè)置，重點(diǎn)檢查測(cè)深儀、計(jì)算機(jī)等設(shè)備，保證各項(xiàng)設(shè)備功能完整，并做好對(duì)作業(yè)區(qū)域的觀察，提前對(duì)無(wú)人測(cè)量船的航行路線進(jìn)行確定。其次，可以采用CORS 信號(hào)開(kāi)展測(cè)量作業(yè)，如本次作業(yè)缺少已知控制點(diǎn)，不具備對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行校檢的條件時(shí)，要對(duì)已知控制點(diǎn)進(jìn)行確定，保證高程、平面坐標(biāo)等均符合規(guī)定要求才能進(jìn)行測(cè)量作業(yè)[6]。實(shí)際測(cè)量中，需要靈活切換自動(dòng)與手動(dòng)兩種無(wú)人測(cè)量船操控模式，嚴(yán)格控制好模式切換的時(shí)間、間隔，如針對(duì)岸邊水深度較淺的區(qū)域，適合采用手動(dòng)控制的模式。最后，工作人員需要在視野比較開(kāi)闊的位置對(duì)無(wú)人測(cè)量船進(jìn)行操控，嚴(yán)格控制好采樣的時(shí)間與位置間距，在完成一系列操作后及時(shí)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并進(jìn)行內(nèi)業(yè)整理，為繪制地形圖做好充分準(zhǔn)備。

5 無(wú)人測(cè)量船的應(yīng)用前景

5.1 智能化

無(wú)人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中，最大優(yōu)勢(shì)在于支持獨(dú)立自主的測(cè)量作業(yè)，因此怎樣提高無(wú)人測(cè)量船的自主能力、智能化水平是未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵，只有這樣才能在未來(lái)的水下地形測(cè)量中，靈活應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，完成不同的測(cè)量任務(wù)，這也是目前無(wú)人測(cè)量船研究及應(yīng)用的重難點(diǎn)。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化發(fā)展

為進(jìn)一步提高無(wú)人測(cè)量船的質(zhì)量及整體性能，保證無(wú)人測(cè)量船運(yùn)行及控制的便捷性，有效降低船只運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，減少無(wú)人測(cè)量船的研制周期、研制成本，提高其與鄰近船只的協(xié)同作業(yè)能力，無(wú)人測(cè)量船將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，便于各船只系統(tǒng)間的準(zhǔn)確對(duì)接。無(wú)人測(cè)量船的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展需要提出有關(guān)軟件標(biāo)準(zhǔn)接口、數(shù)據(jù)格式等方面的概念，在設(shè)計(jì)與研制過(guò)程中，分模塊進(jìn)行布局，將進(jìn)一步提高無(wú)人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中的作業(yè)能力及整體性能。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中有著良好應(yīng)用前景，相比于傳統(tǒng)載人船的測(cè)量方式，無(wú)人測(cè)量船在實(shí)際作用中能體現(xiàn)出安全、靈活、便捷等特征，其無(wú)人測(cè)量船具有較強(qiáng)隱蔽性和更低的運(yùn)維成本，能進(jìn)一步提高工作人員執(zhí)行高強(qiáng)度、高風(fēng)險(xiǎn)的作業(yè)，減少工作人員重復(fù)性與長(zhǎng)周期的工作。面向未來(lái)，無(wú)人測(cè)量船的技術(shù)研發(fā)將更加成熟，其應(yīng)用范圍會(huì)得到不斷拓展，將逐漸實(shí)現(xiàn)從江河領(lǐng)域向深遠(yuǎn)海領(lǐng)域延伸，系統(tǒng)也將具備完全獨(dú)立、完整作業(yè)等方面的能力。