浅析无人测量船在水下地形测量中的应用前景

宁新龙

(中国电建市政建设集团有限公司，天津 300392)

测量的对象是地球的形状、大小和地面上各种物体的集合形状及其空间位置。水下地形测量是工程测量中的一种特定测量方式，即测量江河、湖泊、水库、航道及近海水底的平面位置和高程，用以绘制水下地形图。传统的测量方式主要依赖船只搭载单频测深仪或多波速测深仪进行测量，在条件受限的情况下，也通常采用皮划艇、竹筏、GPS和测深杆、测深锤等器具配合完成。

传统的测量方法受船只吃水深度影响，浅水区域、近岸区域无法靠近，这些区域存在测量盲区，出现测量数据空白；尽管皮划艇、竹筏吃水较浅，但在一些水流比较急的区域，测量人员人身安全会受到威胁；还有一些河流航道被阻断不能通航跨越进行测量作业，使得水下地形测量工作受到很大的限制。

本文通过对无人测量船的定义、系统组成、工作原理、技术特点、应用案例等进行研究分析，探究无人测量船在水下地形测量方面的优势。

1 无人测量船技术简述

1.1 无人测量船定义

无人测量船是一种通过遥控方式或者自主航行方式，借助精确卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行，同步开展环境调查、水域测绘、人员搜救等活动的智能化水面机器人，英文缩写为USV。它融合了船体设计、动力与推进系统、船控、通信、人工智能、模式识别、计算机软硬件、软件与算法、远程监控、计算机网络等综合技术，可实现整个水上作业过程的“智能化”“网络化”与“无人化”。

1.2 无人测量船系统组成

无人测量船由岸基控制单元和测深船单元两大部分组成。岸基控制单元主要由平板电脑(或笔记本电脑)、遥控器、无线电台等组成。测深船单元主要由船体系统、动力系统、供电系统、船载主控系统、测深系统、定位系统等组成。

1.3 无人测量船作业原理

无人测量船由岸基控制单元和测深船单元通过无线网桥进行实时射频点对点通信(也可以进行4G/5G信号传输)。RTK测量信号由移动站与基准站通过GPS电台模式或手机卡网络模式提供，也可以直接连接CORS站获取通信信号，二者通信信号互不干扰。无人测量船既可以通过装在平板电脑里的控制软件对测深船发送参数设置、数据采集以及船体控制等指令，使其自主导航进行测量作业，也可以通过遥控器进行手动遥控进行测量。在测量过程中测深船自身的状态信息和姿态数据、导航信息、定位信息、水深数据以及航行轨迹在平板电脑上实时显示并存储。然后通过控制软件自带的数据处理功能进行数据后处理，然后通过CAD按要求进行成图。

1.4 无人测量船功能特点

1.4.1 智能导航系统

无人测量船有两种导航模式：手动模式和自动模式，用户可以根据具体使用需求灵活切换。在自动导航模式中，用户可以根据事先设计好的路线进行自主航行，免去了手动操作的麻烦，利用RTK数据定位自主导航，走线精准，误差厘米级，偏离航线误差最大10cm，对于水下地形地貌测量尤为重要；手动模式采用手工遥控器遥控船只进行航行，对于测量河流断面以及水下地形测绘非常实用。手动和自动导航可随时切换，航向准确，近似直角转弯，具有电子围栏功能，可避免船体航行时发生碰撞。

1.4.2 数据采集功能

GPS设备为无人测量船的自动航行与测量提供位置信息，使用RTK提高位置信息的精度，通过在岸边架设基准站的方式获得信号，再由电台发射给无人船上的GPS设备，使航行更为精准(也可不架设基准站，直接使用CORS信号)。

1.4.3 定位测深数据存储双保险

通过无线电台将定位数据、测深数据等实时传输到岸基电脑端，可以实时查看水深和定位数据，实现无线实时传输存储。

与此同时，也可以直接将定位数据、测深数据直接记录在测深仪器存储器中，后期可进行导出和后处理。

在测量过程中，如果通信受到外界频段干扰或岸基电脑故障，岸基电脑就无法记录实时测量的数据，而数据会安全记录在船体存储器里，后期可进行导出和处理。这种数据存储双保险可以有效防止测量作业时连接中断造成数据丢失。

1.4.4 可搭载多种测绘传感器

无人测量船专注测绘和水文领域的设计，可以搭载测深系统、测流系统、水质分析系统、侧扫系统。无人测量船默认搭载RTK和测深系统，客户可以根据需求，灵活搭载。

1.4.5 安全性高

无人测量船可设置多个返航点，一旦发生失联或者低电情况，可自动安全返航，自动驶向home点。

1.4.6 坚固轻便

无人船船体仅重15kg左右，小巧轻便，方便运输。普通轿车后备箱皆可存放运输，船体采用碳纤维、凯夫拉混纺复合材料，坚固耐用。

1.5 无人测量船市场需求分析

传统水下地形测量通常采用体积较大、吃水较深的船只搭载GPS和测深设备进行作业，但这类船只很难靠近岸边或抵达浅水区域作业。若采用吃水较浅的竹筏、橡皮艇等进行水下地形测量，或通过人工蹚水的方式进行测量作业，危险系数大、效率低下、精度不高、不环保，有些危险水域采用以上方法均不可行，无法获得水下地形数据。

因此，有必要采用一种更安全、更高效、吃水浅、环保的测量方式来弥补这些常规方式的不足。实时、无人、自动测量的无人测量船能够解决这些数据获取困难的水域水下地形测量问题。

2 无人测量船水下地形测量应用实例

2.1 测区概况

本次实验测区选在山西汾河水库下游，测区岸边周边芦苇丛生、水浅，无法采取船只搭载测深仪进行测量。若采用橡皮艇则安全性较低，水库岸边水浅处水深仅30cm左右，橡皮艇同样不合适。

2.2 常规测量方式

采用小船、GPS的RTK和可伸缩的5m测杆配合人工测量方法首先进行测量，水特别浅的地方采用人工蹚水进行数据采集(见图1)。

图1 人工蹚水测量

人工测量步骤如下：

a.准备小船，对测区整体进行观察，确定测量路线，对RTK的CORS信号进行连接调试。

b.划船师傅一人、测深杆一人、GPS一人。三人上船航行到指定地点进行坐标位置的测量和水深数据测量并记录。

c.水特别浅的地方采用人工蹚水进行数据采集。

d.全部测量完成后，将坐标数据导出，整理水深数据，并绘制地形图。

2.3 无人测量船测量方式

图2为采用无人船进行测量时的照片。

图2 无人测量船测量

无人测量船测量步骤如下：

a.设置无人测量船参数，对测深仪、平板电脑等设备进行检查，保证设备的完整性。对测区整体进行观察，确定航行路线。

b.利用CORS信号进行测量作业(因为本次实验没有已知控制点，无法进行控制点检校，通常情况下需要到已知控制点进行测量比对，平面坐标与高程符合规定要求，方可进行测量)。

c.本次实验采用自主导航和手动操控两种模式。岸宽大约70m，两侧岸边采用手动操控模式测量，中间部分采用自主导航模式进行测量。

d.测量作业人员站在视野宽阔的位置操控无人船，采样间隔设置10m自动测存。

e.全部完成后，将数据导出，内业整理，绘制地形图。

2.4 数据比对

采用人工测量和无人船测量的相关数据对比如表1所列。

表1 人工测量VS无人船测量相关数据比对

2.5 实验结论

经比对人工测量和无人船测量数据，测区内最低点高程差值为73mm，最高点高程差值为35mm。无人测量船精度可以满足测图要求。

无人船的结构简单，搬运方便，准备时间和作业时间较短，同时可以依照断面数据间隔要求设置采样间隔，不受人为因素影响，并且参与测量的作业人员较少，成本支出少。

船只在浅滩无法满足吃水要求时，只能人工蹚水测量，而无人船吃水较浅，因此不受吃水影响。

为了更好地适应复杂水域环境，不被水草、垃圾缠住影响水下测量作业，最好选用涵道式推进器的测深船，涵道式推进器有以下优点：

a.拆卸简单，便于检修、保养和更换。

b.与船底齐平，在浅水区域可正常作业。

c.底部的保护罩能有效避免水草、垃圾的缠绕。

3 结 语

通过对无人测量船技术原理的介绍和应用实例分析，可以得出以下结论：

a.与传统测量方式相比，无人测量船作业效率更高，人工成本更低，同时在作业过程中可降低测量人员登船涉水的危险性，保障人身安全。

b.无人测量船采用单兵作业模式，一人即可快速完成设备架设、调试和测量，应用在城市内河湖泊的测量中，可以实现快速测量，随测随走，节省大量人力、物力、财力，缩短整体项目测量周期。

c.无人测量船的高效、便捷、安全、测区覆盖面广等优点使水下测量作业变得更加高效、精准和智能化，其必将在水下地形测量领域得到更广泛的应用，具有良好的市场前景和发展趋势。