無人船測(cè)量技術(shù)在河道采砂可行性論證工作中的應(yīng)用

王懷沖，李彩琴，王凱

（淮河工程集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221008）

1 項(xiàng)目背景

為切實(shí)承擔(dān)采砂管理職責(zé)，沂沭泗局緊跟國(guó)家政策變化和新形勢(shì)下采砂管理工作新要求，認(rèn)真思考、積極探索采砂許可、監(jiān)督、管理工作的新舉措。在采砂許可前期工作中，嚴(yán)格按照水利部頒布的《河道采砂規(guī)劃編制與實(shí)施監(jiān)督管理技術(shù)規(guī)范》（SL/T423-2021）的要求進(jìn)行可行性論證工作。為更好地開展采砂可行性論證工作，進(jìn)一步提高論證的深度，在規(guī)劃可采區(qū)的水下地形測(cè)量應(yīng)用了無人船測(cè)量技術(shù)。

2 項(xiàng)目可采區(qū)概況

沭河發(fā)源于沂山南麓，南流經(jīng)莒縣、臨沭、新沂于口頭入新沂河，全長(zhǎng)300km，流域面積5970km2。沭河部分河段沉積有較厚的礫質(zhì)粗砂、中粗砂層，局部河流和兩側(cè)沖溝、支岔交互處，?；旌铣练e有細(xì)砂、粗砂、細(xì)礫和卵石層，以及含土砂層。2021 年，水利部批復(fù)的《淮河流域重要河段河道采砂管理規(guī)劃（2021—2025）》將沭河部分河段劃定為可采區(qū)。

本次沭河某規(guī)劃可采區(qū)開采河段總長(zhǎng)約760m，平均寬度120～260m，開采區(qū)域總面積約13.77 萬m2。該可采區(qū)主要位于主河槽范圍內(nèi)，勘察期間水位略有變動(dòng)，水面高程約為63.8m，深泓點(diǎn)高程51.56～55.95m，水深一般在8.0～11.0m。本次無人船應(yīng)用的主要任務(wù)是對(duì)可采區(qū)范圍內(nèi)的水下地形情況進(jìn)行全面測(cè)量，為采砂許可和監(jiān)管提供依據(jù)。

3 無人船測(cè)量作業(yè)原理

無人船的水深測(cè)量系統(tǒng)承擔(dān)著水深測(cè)量和定位導(dǎo)航的主要任務(wù)，是其核心部分。水深測(cè)量系統(tǒng)由GPS 接收機(jī)、一體化數(shù)字測(cè)深儀、全角度攝像頭姿態(tài)傳感器以及距離傳感器等各種高精密傳感設(shè)備共同組成。

3.1 無人船技術(shù)

無人船是通過利用導(dǎo)航、自動(dòng)控制和軟件通訊等設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)GPS 基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)接收、處理和分析無人船系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)信息?？梢酝ㄟ^手控式和自動(dòng)式兩種操控的方式對(duì)無人測(cè)量船上的各傳感系統(tǒng)進(jìn)行操控。

3.2 RTK 技術(shù)原理

目前RTK-GPS 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種工程測(cè)量中，該技術(shù)具備效率高、精度高、作用距離遠(yuǎn)、應(yīng)用范圍廣等的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比有著巨大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在水下地形的測(cè)量和水上施工的定位等方面也得到了廣泛應(yīng)用。將RTK-GPS 技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于不需要人工涉水操作的無人船上，取得了很好的效果。

3.3 水下地形測(cè)量無驗(yàn)潮原理

水深地形測(cè)量采用RTK無驗(yàn)潮測(cè)量的方式作業(yè)。RTK 取得固定解之后，可以通過設(shè)置輸出GPGGA定位信息數(shù)據(jù)，測(cè)深儀通過串口接收到含有WGS84經(jīng)緯度的位置信息，再通過坐標(biāo)系參數(shù)轉(zhuǎn)化成當(dāng)?shù)仄矫孀鴺?biāo)下X，Y，h 組成的三維坐標(biāo)。此時(shí)獲得的三維坐標(biāo)是無人船載接收機(jī)相位中心的位置，通過設(shè)置天線至水面高可得到接收機(jī)正下方水面的坐標(biāo)。而根據(jù)工作要求，需要水下地形圖即水底的各點(diǎn)位三維坐標(biāo)，測(cè)深儀連接超聲換能器可以測(cè)得儀器所在位置的水深數(shù)據(jù)，由水面三維坐標(biāo)與水深值相疊加，從而得到水下點(diǎn)位坐標(biāo)。

4 測(cè)量過程

4.1 測(cè)量前的準(zhǔn)備

無人船在使用前，要對(duì)船體、儀表及附屬軟硬件進(jìn)行檢查、校正；其次要選擇水深變化較大的區(qū)域進(jìn)行不同深度和不同航速下對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.2 設(shè)備聯(lián)通及測(cè)試

先把RTK 基準(zhǔn)站定位準(zhǔn)備好，在完成點(diǎn)位的校正之后，把無人船基站網(wǎng)橋等架設(shè)好；然后進(jìn)行設(shè)備調(diào)試；待設(shè)備正常運(yùn)行后，根據(jù)實(shí)際情況選擇背包移動(dòng)式測(cè)量或者定點(diǎn)搬站測(cè)量。

4.3 測(cè)線布設(shè)規(guī)劃

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境情況和具體測(cè)量要求，來確定測(cè)區(qū)的范圍，并通過規(guī)劃擬測(cè)量區(qū)域的測(cè)線方案。測(cè)量線路設(shè)計(jì)需將測(cè)量的要求與測(cè)區(qū)實(shí)際相結(jié)合起來，確定選擇合適的測(cè)點(diǎn)與測(cè)線間距。

4.4 自動(dòng)巡航測(cè)量

無人船在測(cè)量過程中，將操作模式設(shè)定為自動(dòng)航行模式，基本全程采用自動(dòng)航行測(cè)量的方式進(jìn)行。如果航線布設(shè)過程中沒有完成覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，或者測(cè)區(qū)輪廓不規(guī)則、部分區(qū)域岸邊障礙物較多等導(dǎo)致無法自動(dòng)測(cè)量，需要采用手動(dòng)控制測(cè)量的方式對(duì)航行未覆蓋的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，需要將操作模式切換至手動(dòng)控制模式。

5 數(shù)據(jù)處理及成果繪制

5.1 水深取樣

在無人船測(cè)量外業(yè)工作完成以后，需要對(duì)采集到的原始測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出并做進(jìn)一步的處理。無人船在測(cè)量過程中，由于水下情況復(fù)雜，可能存在魚群經(jīng)過和水草及其他障礙物影響測(cè)量，從而導(dǎo)致測(cè)深儀回波數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此，在處理過程中要對(duì)部分失真的數(shù)據(jù)做剔除處理。

單波束測(cè)深的水深取樣是按照一定距離取樣原則進(jìn)行。按照測(cè)量成果要求，設(shè)置好取樣間隔，數(shù)據(jù)處理軟件就會(huì)根據(jù)設(shè)置的距離間隔進(jìn)行自動(dòng)取樣所需數(shù)據(jù)。在采樣前，應(yīng)該將數(shù)據(jù)做平滑處理或參考波形圖文件來做參考處理。經(jīng)過處理的測(cè)量成果可以導(dǎo)出。

5.2 成果繪制

實(shí)測(cè)水深值和水下地形圖根據(jù)項(xiàng)目需求選擇合適的采樣間隔形成離散點(diǎn)數(shù)據(jù)文件，采用計(jì)算機(jī)輔助制圖方法繪制測(cè)量成果。

6 無人船測(cè)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

通過本項(xiàng)目的實(shí)踐應(yīng)用，無人船測(cè)量技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是測(cè)量效率高。通過估算，本采區(qū)若按照常規(guī)水下測(cè)量方式，則需要6～8 天才能完成；而應(yīng)用無人船測(cè)量技術(shù)后，該采區(qū)僅用了不到2 天的時(shí)間就完成了采區(qū)的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理工作，因此，工作效率相比傳統(tǒng)水下測(cè)量得到大幅提高。二是較為安全可靠。與傳統(tǒng)水下地形測(cè)量技術(shù)相比，無人船測(cè)量技術(shù)無需測(cè)量人員涉水操作，降低了涉水的危險(xiǎn)。三是解決了部分區(qū)域無法測(cè)量的問題。對(duì)于人工測(cè)量困難或難以到達(dá)的區(qū)域，可以使用無人船進(jìn)行測(cè)量。四是操作簡(jiǎn)單、便捷。無人船十分輕便，船身重量?jī)H僅10kg 左右，單人即可搬運(yùn)操作，攜帶運(yùn)輸十分方便；基本全程采用自動(dòng)航行測(cè)量的方式進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單。

無人船測(cè)量技術(shù)雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用范圍具有一定的限制。一方面是在一些深度小于50cm 的較淺水域，由于船體吃水的問題，無人船無法進(jìn)行作業(yè)，則需要人工輔助測(cè)量；另一方面是在一些水草，蘆葦較多的水域，其船槳容易被纏繞，無法進(jìn)行測(cè)量作業(yè)。最后是受到網(wǎng)橋數(shù)據(jù)傳輸距離僅有2km 的限制，無人船與電腦端距離不能超過2km。在大面積水域測(cè)量時(shí)，需要把電腦控制端放在有人船上，實(shí)時(shí)跟隨無人船，保證數(shù)據(jù)的傳輸。

7 結(jié)論

本次無人船測(cè)量技術(shù)成功應(yīng)用于河道采砂可行性論證工作中，順利完成了可采區(qū)水下地形測(cè)量任務(wù)，測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果能夠很好地反映了水下地形情況，為采砂許可、監(jiān)督、管理工作提供了有力的技術(shù)支撐。同時(shí)，該技術(shù)的應(yīng)用大大提高了工作效率和測(cè)量精度，取得了良好的效果。

該技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐表明，無人船水下測(cè)量技術(shù)能夠適用于復(fù)雜的水上測(cè)量環(huán)境，具有高度的自動(dòng)化和智能化，且無需人員涉水作業(yè)，可以很好地避免人員涉水危險(xiǎn)，能夠安全高效完成水下地形測(cè)量。相比于傳統(tǒng)水下地形測(cè)量，無人船測(cè)量在水下地形測(cè)量技術(shù)上向前邁進(jìn)了一大步，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值■