无人船在水库库容复核中的应用

2020-03-30周伟

工程建设与设计 2020年2期

周伟

（山东省临沂市水利勘测设计院，山东临沂276000）

1 引言

随着科学技术水平的不断提升，测量技术得到了进一步的完善和优化，诞生了一系列高端的技术，如无人机、无人船等。相对比传统的测量技术，无人机和无人船等技术十分灵活且快捷，同时该类技术不受地形和环境等因素的限制，可以应用于一些特殊地形区域的测量中，特别是在水库库容复核中应用更加广泛。对于无人船技术而言，其还具备稳定、精准、智能以及高效等优势，所以可以很好地克服传统测量技术在实际测量中存在的一些弊端和不足，将其应用到水库地形测量以及库容计算中具有巨大的优势和价值，相关业内人士需要给予足够的重视。

2 中海达i Boat无人船系统概述

本次研究中所使用的i Boat无人船系统主要包括以下几部分，即无人船平台、通信系统、控制系统、定位系统以及测深系统等。相对比传统的测量技术，i Boat无人船技术具备灵活、安全、高效等优势和特点，所以将其应用于水库地形测量和库容复核计算中具有理想的效果。本次研究中无人船系统除了安装支持网络RTK的GPS模块以外，还可以通过地面工作站对无人船进行自动定位、自动巡航（也可以使用遥控器手动操控）、自动数据采集和后期数据检查改正等操作，可以进一步提升测量的自动化水平，有效降低人工劳动力，其工作原理如下。

2.1 深度测量原理

对于水库深度的测量，主要是通过无人船底部的声波发射装置发射声波，然后利计算机系统对声波信号进行处理[1]。在实际的测量中，无人船底部的发射装置主要是换能器，使其垂直向下发射声波，声波传达至水底后折回，此时由接收器采集信号，然后通过微电脑系统进行水库深度的测量计算，公式如下：

式中，D为水库深度；ν为声波传播的速度；驻t为声波发射和接收的时间差。

2.2 高程计算

水库水底高程计算公式如下：

式中，G为水库水底高程值；h为GPS天线相位中心到测深仪零点的高度；H为GPS天线相位中心高程；D为探测仪测量的水深。

3 无人船在水库库容复核中的应用

3.1 水库地形测量

水库地形测量是水库库容复核中十分重要的一项工作内容，其主要可细分为水上地形测量和水下地形测量2部分。通常情况下，为了提高水库库容复核精准度，需要在水库枯水期和丰水期分别进行2次测量，以满足实际的测量需求。

3.1.1 水上地形测量

对于水库水上区域的地形测量，可直接采用基于网络RTK的GPS测量和全站仪无棱镜测量水上地形特征点的高程值。一般为了达到理想的测量效果，需要在冬季枯水期且无杂草的时间进行水上地形测量，而对于有杂草的区域，为测量特征点高程值需要将全站仪无棱镜测量切换为有棱镜或GPS人工跑点测量，以确保水上地形测量的全面性和准确性。

3.1.2 水下地形测量

对于水库水下地形的测量，传统的测量方法显然无法满足需求，此时需要应用无人船系统进行实地测量。为了提高测量精准度，最好选择在夏季丰水期且风力小于3级（中海达i Boat标注抗风等级为5~6级）的时间进行测量，详细步骤如下：

1）设备安装调试。在实际的安装完成后，需要相关人员对网络RTK的稳定性、数据传输系统、测深仪的系统集成情况进行测试，确保设备性能符合既定标准。

2）水深测量精度检定。利用基于山东CORS的网络RTK模式，设定好参数，随后用i Boat无人船的GPS模块和测深仪模块（采集的平面坐标系统为2000国家坐标，高程基准为1985国家高程）分别对水面高程和水深进行记录，并利用天宝R10 GPS和测深杆分别对水面高程和水深数据进行采集，检查点一般不少于3个，考虑无人船吃水误差后2次测量较差不大于0.1m的情况下，才能进行下一步的测量工作。

3）水域范围划定。在完成设备安装和测试后，需要对水库水域测量范围进行划定，i Boat无人船可以调取影像划定测量区域，也可以利用遥控器远程操控无人船进行水库边缘环绕，并实时记录位置，合理地进行水域区域的划定。

4）测线布设。根据上述划定的水域范围，按照规范的比例尺要求进行无人船航线的布设，相关设置主要通过数据通信模块进行微电脑上传。

5）实施测量。在完成所有参数设置及信息上传后，立即实施测量工作，对无人船进行远程遥控操作，实施自动化的测量和数据采集。

6）数据处理。在进行数据处理作业时，采取无验潮数据处理方式，利用无人船测量系统中相关的计算机软件进行各个测点高程值的处理，其中对于不符合要求的数值进行剔除，最终得到高精度的测量数据。

7）数据接边融合。在完成测量作业后，需要将无人船水下地形测量与全站仪水上地形测量的数据进行接边融合处理，生成南方测绘CASS展点格式的数据文件，导入CASS软件中，生成闭合的等深线/等高线，提取出各条等高线所对应的面积并用于水库库容计算。