无人船在水下地形测量中的应用与探讨
2021-08-20毋益萌田浩
毋益萌 田浩
中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西西安 710100
1 无人船测量系统及其基本原理
1.1 系统简介
无人测量船是将先进的智能导航水面机器人技术与测量监测技术相结合的一种无人驾驶水上测量设备，系统主要组成包括高精度定位系统、动力推进系统、实时数据通信系统、数据采集系统等，可快速、精确地获取水下地形数据，实现了智能化、集成化、网络化的水上测量，广泛应用于小河流、湖泊、港湾、近海区域测量或者测速工作。无人船测量可以分为手动和自动2种方式。这2种测量方式根据工作环境不同可以任意切换，当水域环境较好无障碍物时，可切换为自动测量方式；当水域环境比较复杂，障碍物比较多或者自动测量方式无法正常运行时，可以切换为手动测量方式[1]。
1.2 单波束与多波束测深原理及优缺点
测深系统是无人船测量系统的核心组成部分，目前应用比较广泛的有单波束和多波束测深系统。单波束与多波束测深的工作原理，在本质上都是利用换能器垂直向下发射出的脉冲声波，遇到水下地物发生反射这一原理进行水下地形测量。但是，多波束测深系统在换能器上与单波束有区别，多波束利用多个换能器单元组成阵列，在测深过程中可以同时发射和接收多个波束，并对水下地形进行条带式测量。
单波束测深系统的优点是设备组成及安装简单，在外业测量过程中通常只需要进行定位和动吃水改正，内业数据处理也比较简单，能输出不同数据格式的成果；缺点是水下相邻两点间的微地形不能探测到，若要提高作业区水下地形测量的精度，只有加密测线，这无形中增加了生产成本。
多波束测深系统在测量范围、速度、精度和效率上优于单波束测深系统。多波束将测深技术从点、线扩展到面，并逐步发展到三维立体测深及自动化成图，广泛应用于大面积海底地形测量，但多波束设备组成及安装较复杂，外业操作较烦琐且内业处理耗时较长。因此，在实际生产中，若单波束测深和多波束测深都满足作业要求，则优先选择单波束更为便捷[2]。
1.3 无人船测量系统基本原理
GNSS 系统和测深仪组成了一套完整的水下地形测量系统。无人船的测量数据由无人船传输天线通过网桥传输到地面工作站中，无人船在工作中可以通过地面工作站和遥控器进行控制。无人船系统的核心是测深系统，其工作原理与传统单波束的原理相同，都是利用回声定位原理，
根据无人船水下地形测量原理，设由无人船上GNSS获得的高程值为HG，换能器至水底的深度为H3，在实际测量过程中，GNSS接收机到水面的高度为H1，换能器底部至水面的高度为H2，则无人船任意位置对应水底点的高程
式中，HG是GNSS接收机获取的高程值，ΔH则是船体的姿态改正。
2 无人船水下地形测量
无人船测量时要选择合适的天气，尽量选择风浪小、能见度高的天气。将无人船的RTK、电池、螺旋桨、遥控天线等设备按正确方式连接到无人船船体上，使用手簿登录省CORS，输入参数后，检查船体是否正常，若正常，无人船就可下水进行测量。在下水之前，首先要观察测量区域的周边地理环境，综合考察周边环境以后，选择合适的地点将无人船放下水，以确保无人船无碰撞，保证测量项目顺利进展。
2.1 数据采集
测量之前需要进行航线布设。航线布设有2种方法：一种是事先设计好计划线，直接导入到无人船操作电脑端，这种方法比较方便，但是不能根据实测环境进行布设，会导致测线过短或者过长，影响测量效果；另一种是根据实测地理环境现场布设测线，这样做虽然比较麻烦，但是却能布设适合测区的计划线，保证测量效果[3]。
计划线布设好，检查船体仪器连接正常无误后，操控电脑端或遥控器进行数据采集。
2.2 无人船测量误差分析及精度评价
2.2.1 误差分析
水下地形测量误差来源主要包括天气影响、仪器设备本身影响以及人为操作影响，根据误差来源可以分为定位误差、运动误差、测深误差、环境误差、声速误差等。本文着重分析定位误差中的无人船姿态产生的平面位置误差和测深误差中的声速误差。
（1）平面位置误差。采用无人船测量系统进行水下地形测量时，由于船体姿态的变化，在一定程度上会引起 GNSS 接收天线和换能器发生变化，产生中心偏差，进而对平面位置误差产生影响。
（2）声速误差。水体的含盐度、水温以及浑浊度都会影响声波在水中的传播速度，不同的水质，声波速度不同，声速随水质变化而变化。
2.2.2 精度评价
质量控制环节。通常情况下，采用“等精度观测”的方式对水深测量精度进行检测，即布设一定数量的检查线，这些检查线与主测线相垂直。等精度水深测量完成后，对主测线和检查线的数据分别进行处理，并对主测线和检查重合点的差异进行对比分析，是否在误差精度允许的范围内。
3 结语
目前，无人船测量技术尚未成熟，仍处于发展阶段，但是，无人船测量技术无疑为传统水上测量方式提供了一个新的发展方向。随着水下动力推进技术、复合材料技术以及测绘技术的发展，无人船的水下地形测量技术应用将更加普遍和广泛。
