iBoat BM1型无人测量船在松花江哈尔滨段浅水区水下地形测量中的应用

史 磊

(哈尔滨市水文水资源勘测总站，哈尔滨 150010)

0 引 言

在江河湖泊等水域中，水下地形测量为河道疏浚工程提供基础数据，在抗洪抢险中可以预判险情的危险程度，同时水下地形测量的数据信息也是智慧城市在水务基础信息建设方面的重要组成部分。水下地形测量原理是在测量船上实时进行记录点的位置定位和水深值的数据叠加。测量船上搭载GNSS-RTK与单波束测深仪的组合是当前内河水域应用最为广泛的水下地形测量技术。GNSS-RTK定位可以实时获得厘米级的平面和高程数据，配合数据采集、导航、后处理软件得到相应点的三维坐标，实现水下地形测量的数字化。在过去的较长一段时间，水下地形测量所搭载的水上交通工具，主要以冲锋舟和小型船只为主, 橡皮艇有时也会采用。这些水上交通工具在多数情况下测量起来是高效且安全的，但在藻类茂盛、地形复杂的小湖泊、池塘和小型水库等浅水水域进行水下地形勘测工作时，利用上述水上交通工具来完成测区任务就会遇到许多困难。例如水域独立封闭时，船只无法进入测区，冲锋舟的螺旋桨很容易被水藻缠绕或是碰撞到水下障碍物导致螺旋桨损坏，同时也给船上工作人员带来一定安全风险。因此，在浅水水域下能够得到实时、高效、安全、精准、完整的水下地形数据，是水下勘测工作人员面临的新课题。

1 iBoat BM1型无人测量船概述

构成智能无人船测量系统的框架体系包括岸基操控部分、GNSS基准站定位解算部分和测深船水上勘测三大部分，其中主要核心系统有船载平台、船载操控、定位与测深、无线传输、岸基控制、智能避障、视频可视系统等。运用无线电通讯实现岸基控制与测深船之间的交互。岸基操控部分可以通过控制软件对船体姿态参数进行实时控制，结合水深数据实时显示地形变化。而GNSS-RTK基站与流动站的通讯，与常规RTK工程测量一致，可选主基站为电台模式UHF或者CORS网模式。

本次性能试验选用的iBoat BM1型智能无人测量船，船体尺寸为1.8 m×0.84 m×0.48 m(长×宽×高)，静水吃水深度为0.2 m，遥控距离约为2 km。船速在4节状态下航行其续航时间可达到6 h左右，续航里程可达30 km；航行平稳，可以抗5级风，3级浪，三体船型设计，船身流线型可以使水流对船体产生的阻力减小。碳纤维材料使整船重量更轻，采用凯夫拉防弹布高强度玻璃钢材质可以使船体抗碰撞能力更好，尾部螺旋桨和船底齐平设计，适应浅水区域，底部水刀可以防止水草、垃圾残留物缠绕；可实时多角度视频传输当前测量船视野内的高清图像；无人船内置的HD-MAX测深模块量程范围为0.15～300 m；基站通讯5 km，遥控器2 km，视频传输5 km；超声波避障。

2 松花江浅水水域实测案例概况及需求分析

本次进行水下地形测量测区选在松花江哈尔滨段中的支流水域，该段水域位于阳明滩大桥东侧，属于水源保护区范围。水下地形图的获得是通过需要的测图比例尺，按照相应的河道断面测量要求进行带状河道断面测量而得到水底高程，经过数据后处理得到最终的水下地形图。本次试验可能遇到以下几种困难情况发生：

1) 测区的浅水区浅水处水深不足1 m。

2) 水域周边及河底淤泥较厚，测区没有可供测量用的船只。

3) 水下藻类大量繁殖，螺旋桨容易被缠绕。

4) 实测期间处于低水位，江面高度低于过水坝无法将测量船只驶入测区。

根据以上分析，无人测量船能够较好地克服水深过浅、水草藻类大量繁殖、近岸淤泥较深的恶劣测区环境，且能够在保障人员安全的情况下获取到完整的水下高程数据。无人船配备的HD-MAX后处理软件能够进行数据修正，从而得到精度较高的水下数据，满足水下地形测量的规范要求。

3 无人船试航数据采集方法及难点解决

1) 通过实地踏勘以及软件自带功能，可以加载测区卫星影像地图，见图1。对无人船测量航线进行路线规划设计。根据实地情况设定测量比例尺为1∶2 000，垂直于河道中心线布设测深线，测深线间距40 m，拐弯处加密断面，断面间距为20 m，河道中心线记为测深检测线，测深定位点间距为10 m。

图1 iBoat无人船卫星影像地图

2) 水域条件复杂。地形规整的区段选择自动航线进行测量，而对障碍物多且贴岸水边线不规整区段以手动控制无人船行走路线的方式补测完整。见图2。

3) 岸基架设位置选址。河道多数为带状地形，考虑到通讯要求，本次试航基站选在岸边位置相对较高且距上下游适中的地方，目的是让岸基通讯装置接收无人船信号的覆盖范围更大，避免重复调整角度，增加搬站时间，从而提高作业效率。

图2 无人船数据采集自动与手动操控记录

4) 在测区直道断面和弯道断面处各测一个来回，校核水深数据采集是否正确；水面与陆地相接的水涯线采用GNSS-RTK由测量员人工实测采集。

5) 在数据采集时，距岸基较远和有障碍物遮挡时有数据回传丢失，不能及时传回岸基电脑里。通过电脑里的测深数据实时显示，可将未记录的点重新进行补测。

在本次浅水水域水下地形测量试验中，野外数据采集耗时半天，内业数据后处理半天。

测深仪软件优点：

1) 测深点可进行颜色渐变设置，直观感受水域地势深浅变化。

2) 测深点取样分析，排除非正常值。

3) 内业处理人员可以根据模拟回波信号精确地进行数据改正。图3中蓝色的线是数字信号，红色带状是模拟信号，进行数据处理时，让两者进行匹配即可。在按距离采集数据时，遇有陡峭地形通过任意手动加点功能把漏掉的特征点进行处理，使后处理时更加方便地准确反映地貌特征。

图3 测深仪软件进行数据后处理

4) 可通过采集数据后处理软件进行多项改正。如转换参数改正、延迟改正、水面高程改正、吃水改正、声速改正，依次把需要改正的数值输入软件。同时，潮位改可以根据当前范围内测量时间段水位观测站的水位进行相应处理。

5) 整理完成的数据。根据需要的数据格式，可自定义输出数据并导出成果，还可在输出成果时预览，见图4。

图4 经过简单处理的带状河道地形预览

4 结 语

在对松花江阳明滩大桥东侧水域进行水下地形测量数据采集时，对于藻类水草丛生、正常船只容易搁浅的测区，采用智能无人船是非常好用的一种测量方式。无人船界面可以整体合理设计测区工作航线，作业时操作灵活，可自由切换手动与自动控制模式，数据采集界面直观反映地形起伏变化，所采集的数据满足测量精度要求。

本次试航的中海达iBoat智能无人测量船，其测深部件可拆卸替换。作为一种水上监测平台，根据任务需要可以搭载如侧扫声呐、水质采样设备等多种设备，可以灵活地完成多种水上监测任务。

5 建 议

iBoat无人测量船仍有许多功能有待加强并在以下方面提出了几点建议：

1) 无人船智能控制系统有待提高。在本次河道地形勘测试验中，仍出现了遇有障碍物没有及时躲避的情况发生，在障碍物露出水面很小时或障碍物被水淹没时，人工智能避障系统无法判断前方是否有障碍物，造成无人船与之发生碰撞。建议水上水下各加装一个能够实时监控障碍物的避障装置，以便为远距离时水下地形勘测提供安全保障，避免刮碰。

2) 无人船在与岸基进行数据通讯时，由于受岸基接收装置的覆盖范围所限，需要实时调整岸基接收装置的方向，当无人船不在岸基接收数据范围内时，岸基软件应及时提示操作人员数据中断或给出相应解决办法，避免漏测的情况发生。

3) 在无人船与船控人员距离较远时，对船控人员的操作水平要求很高。手动模式下加装一个可以在遥控器上实时显示当前无人船位置和视频画面的显示屏，使操控人员能够清楚监控到无人船的周边环境。在数据采集中遇到有死角的地方，能够运用超声波避障功能将前方障碍物与船体的距离进行实时播报，提高手动遥控的可操作性，更加准确地判断前方障碍。