无人船搭载多波束在水下地形测量中的应用

李杰方

（广东邦鑫数据科技股份有限公司，广东 广州 510335）

在水下地形测量中，传统作业主要以人工使用RTK、测量船、皮划艇等方式完成。浅滩区域常常采用人工带着RTK的作业方式进行，但是水下作业较为危险，而且效率低，皮划艇难以固定，测量精度难以满足要求。在测量船上，由于船体较大，吃水较深，一些浅水区域无法进入，从而无法获取高精度的海底地形地貌数据。为解决这一问题，采用无人船搭载测深仪的作业模式施测，可有效解决传统测量作业效率低、受地形因素限制较大的问题。

1 无人船平台应用背景及设备技术参数

无人机测量技术已广泛应用于陆域地形测量、土地调查、应急测量等测绘领域，作业效率和精度已得到业界的普遍认可。探讨无人船测量技术是海洋测绘与时俱进的必然要求。

无人船测量技术是近年兴起的海底数据获取的自动化船基作业模式，可搭载单波束、多波束、ADCP、侧扫声呐、水质仪等，根据测量范围、设计测线开展长程走航式测量，在水上安防救助、海洋调查测量、水上环境采样监测等方面发挥了重要的作用。广东邦鑫数据科技股份有限公司采用M40无人船搭载Reson Seabat T20-P多波束在近岸浅滩、江河湖泊进行测量，在保证数据精度的前提下，大大降低了人工成本，提高了作业效率，有效解决了浅滩水域难以获得一定密度水深数据的难点。M40测量无人船示意图如图1所示，Reson Seabat T20-P多波束设备如图2所示。

图1 M40测量无人船

图2 Reson Seabat T20-P多波束

M40测量无人船标称参数：尺寸为3.3m×1.9m（长×宽），排水量为450kg；工作海况2级，生存海况4级，最大航速8节，满载2级海况时工作航速6节，续航力为8h，最大载荷60kg；无线射频数据通信距离不小于5km；任务载荷供电500W；水面探测距离50m（毫米波雷达）。拥有先进的自主航行控制系统和智能避障技术，主航行的测绘贴线精度可控制在1m以下，实现测量数据同步实时传输。

Reson Seabat T20-P多波束标称参数：工作主频为200～400kHz，波束数目为512个，波束角为（1.1±0.05）°，波束开角范围为165°；可进行等角和等距的测量模式转换，测深范围为0.5～450m，最高频率为50Hz。

2 无人船搭载多波束的作业模式

无人船搭载多波束的作业模式如图3所示。测量前，换能器固定安装在无人船底中部，主机固定在船舱内，架设并调试好无线电通信设备，确保设备与岸上工作站之间的通信顺畅。在岸边架设GPS基准站，设置相关测量参数，使无人船按照事先设定好的航线航行，并启动测量。测量数据经专业后处理软件处理并检查后，形成最终成果。

3 测量实施过程及数据分析

采用人工验潮的方式测量测区的潮位变化情况，生成潮位文件，供内业数据处理使用。多波束测深系统安装完毕之后，现场采用显控软件和导航采集软件进行显控声呐控制和数据采集。

多波束后处理主要采用CARIS软件对数据进行处理，主要流程包括数据导入、数据转换、潮位加载、声波加载、安装偏差校准、条带编辑、子区编辑，成果输出等。经过以上数据处理工作，可以输出测区的水深数据，同时为后续的工作提供数据依据。通过CARIS的外业图板功能模块，获取测区的三维曲面模型，测区的三维曲面图如图4所示。

图4 水下三维图

在数据经传感器数据改正和校准后，查看数据断面吻合情况，总体吻合情况良好。

利用CARIS软件自带的质量控制功能模块以IHO特级精度标准对数据的重叠区域数据进行精度分析。由于水下地形较为复杂，地形起伏较大，为更真实反映测量的效果，采用0.1m×0.1m的曲面数据，进行精度统计分析，具体统计结果如表1所示。由表1可知，在一个Sigma或68%置信度上，无人船搭载多波束水深测量的精度满足IHO特级精度标准。

表1 0.1m网格曲面精度分析统计结果（区域1）

4 无人船搭载多波束的优点

（1）节省了作业时间。有人船搭载多波束在设备安装及校准环节需要3～4h，安装也较费时费力。无人船搭载多波束可免安装校准，节约了测前的准备时间。

（2）节约了成本。有人测量船需要的燃油费、维护保养费较高，至少需要4个作业人员。而无人船只需一些简单的维护保养费，只需在地面站派遣1人观看系统即可，大大节约了生产成本。

（3）提高了浅水区域的作业效率。一般情况下，浅水区域采用人工使用RTK的作业模式，1min只能测点3～5个，而且水下测量危险。采用无人船搭载多波束在1min能完成上万个测点，并且能达到全覆盖测量，大大提高了单位时间内完成的测量面积。

（4）提高了浅水区域测量精度。浅水区域通常采用人工使用RTK的作业模式，测量过程中容易造成棱镜杆倾斜或下陷的情况，影响数据的准确性。采用无人船搭载多波束，测量船本身安装有姿态传感器，有效避免因船体姿态引起的误差，输出的水深点密度也足够大，提高了浅水区域的水深精度。

5 结束语

无人船测量技术是近年兴起的海洋测绘领域自动化船基作业模式，搭载多波束设备可以对海底进行全覆盖测量，每个条带的覆盖宽度可达到水深的数倍，获得高精度的水下地形点云数据，是港口航道检测、通航验收、疏浚工程量计算等的主要依据。同时，有效解决了浅水、低海况时海底地形数据的获取问题，提高了作业效率，显著降低了作业成本。