多种智能测量设备在水库水下地形测量中的联合运用探究

卓镇权

广东省有色地质环境中心 广东 广州 510080

水库自身的地形环境相当复杂，加上水位会不断发生变化，这使得浅滩、沼泽等地形不断形成，这对于获得水库下方的三维地形数据来说是非常困难的。由于水库水下地形测量需要借助船只，而大船的吃水量较大，难以让测量人员携带相应的仪器和设备到达浅水沼泽区域附近，此外，使用人工测量的精度也比较低，效率差，还伴随着很多的危险，面对小区域内的泥泞区域还可以采用人工插值的方式，但是想要获得大范围内的水下地形数据，就需要进行一定密度的实测，这样工作量非常大，并且伴随了很多的危险。使用记载蓝绿光雷达能够快速高效的完成浅水地区的数据采集，但是由于成本过高，难以大范围普及仪器的应用，并且浅水区和沼泽区的面积只占水库的一小部分，投入和回报不成正比。

随着近些年基础科学技术的发展，无人测量船以及无人机技术得到了更广泛的应用，通过使用无人机无人船配合的方式，能够有效解决大船吃水深的问题，并且无人机成本很低，操作非常方便，能够很好地对空间进行分辨，在测量沼泽区的时候，能够提高测量的精度，降低测量人员的危险。

1 水库水下地形测量仪器准备

完成水库中浅滩水域以及沼泽区域的测量工作，需要准备多波束测深仪、智能无人测量船以及旋翼无人机。多波束测深仪是一种集成设备，它能够发射和接受信号，同时还搭载了姿态仪和表面声速仪，具有体积小、操作方便、安装快捷的优势，能够快速的将水下地形的三维点云数据进行收集，该仪器最大工作深度可以达到300m，有效工作深度达到75m，能够很好地满足浅水区域的测量。智能无人测量船以测量船为载体，搭载了测深系统、导航定位系统、无线通信系统、推进系统，能够快速自动的将水下三维数据进行汇总，并且由于船体尺寸较少，重量轻，操作和运输都非常方便，在浅水区测量能够发挥出很大的作用。无人机中具有控制系统、动力系统以及数据链路系统，能够实现辅助测量的作用。

2 水下地形测量

2.1 技术路线

库区测量范围的最外围范围线是水库大坝顶部，高程所在的等高线，测量主要分为陆域地形测量以及水下地形测量。

进行陆域测量的时候使用，丰水期时候可以采用无人机航空拍摄完成摄影工作，实现对测量数据的采集，在枯水期的时候就需要把水位下降形成的陆域空白区域以及沼泽区域使用旋翼无人机再次进行测量。

对于水域地形测量，可以采用多波束测深系统完成对深水区的测量，对于浅水区则使用无人测量船进行测量，二者测量完成后将数据进行结合，将深水测量和浅水测量的边界进行拼接得出完整的测量数据，整个技术流程如图1所示。

图1 技术流程

2.2 采用无人机对陆域沼泽区域进行测量

水库高水位地区在枯水期会形成沼泽滩涂，测量人员很难进入该区域，通常区域内还会生长低矮的灌木和草地。规定测图比例尺为1:2000，无人机飞行过程中应该始终保持飞行高度一致，控制高度在200m，同时还应该对航拍路线进行规划设计，使得航线重叠率能够保持在65%以上，旁向重叠率保证在50%以上。无人机飞行路线应该根据沼泽滩涂区域的地势地形来决定，飞行路径应该和水流流域相垂直，采用折线矩形的“己”字型飞行方式，保证测区能够被完全覆盖[1]。利用RTK连接上LNCORS系统，将测区内的像控点和检查点进行均匀的散布。在水涯线区域进行航拍的时候，应该使用RTK对水涯线的高程进行实时测量。

在测量之前应该做好仪器设备的准备工作。首先应该保证无人机的电池电量能够满足测量需求，其次是检查地面站的系统电量是否充足，做好地面站所使用的软件的检查。无人机飞行尽可能选择地势相对平坦，具有平坦铺装材料的场地作为无人机的起降场，保证起降场地和任务区之间距离不超过一公里。

在地面站和无人机组装调试结束后就可以开始进行航摄工作，如果电台设置在地形较高的位置，应该根据沼泽滩涂区的实际情况，确定起飞路线以及测量路线，在无人机起飞之后，将地面站的系统启动，通过通信连接和GPS连接，让无人机能够实现信号传输，实施无误后即可开始沿线飞行完成拍摄工作。

2.3 多波束测深系统测量深水区水下地形

在使用多波束测深系统之前，需要先完成对系统的校准和测量，同时还应该选择合适的测量时间，以风力较小、水面流速较慢的时间测量为宜。校准仪器有规定的顺序，首先应该完成对横摇偏差和纵摇偏差的校正，随后完成艏向偏差，在校正下一个参数之前，应该先完成对上一项参数的输入工作，排除校正时候被其他因素所干扰[2]。时间延迟偏差由生产商制定，直接输入数据即可。按照规范的要求，每一组数据都需要进行三遍以上的校准，多次校准的结果误差都应该满足规范的要求。

在天气情况良好的时间进行水下地形的测量工作，能够保证船速平稳，控制在合理的范围内。主测线方向应该和水流方向一致，测量路线依然采用“己”字形测量方式，每一条主航线都应该至少覆盖上一条航线15%以上的区域，这样能够确保水下地形能够被全覆盖的测量，还能够让边缘波束测量的精度提升。在使用多波束测量系统进行测量的过程中，还应该配合应用水砣，实时检测水库的深度，同时还要均匀的布设不小于测绘面积5%的检测线路，检测线的方向应该和水流方向相垂直，通过检测能够确保水下地形检测的精度得到保障。

2.4 无人测量船测量浅水区域水下地形

无人船测量浅水区域的时候对天气也有要求，尽可能在水面波动小，风力较小的天气下完成测量工作，理论上测量时当地风力不应该大于四级，如果超过了四级风，应该立即停止作业，将无人船进行回收。无人船测量浅水区域的时候，主测线应该和河岸的方向保持垂直，测线间的间距控制为15m，定位点之间的间距设置为5m。使用无人测量船进行测量的测区需要和多波束测深系统的测量区内至少有两个重合点，保证测量更加准确[3]。无人测量船的检测线长度不得小于测量总长度的5%，方向和主测线相互垂直。

在测量开始之前，应该将无人测量船上的通信系统和基站进行连接，把GPS系统和LNCORS系统连接起来，在确定通信系统和GPS系统连接正常之后，就可以开始测量工作。这时候需要把已经设置好的测深线导入软件之中，使用自动导航测量和手动遥控测量相结合的方式，完成对浅水区域的水下地形测量。

3 水下地形测量过程中遇到的困难与解决办法

3.1 水下勘测定位不准，航线易偏

水下测量最常遇到的问题就是勘测船难以在水面上找到适当的参照物，这时就需要使用RTK完成对勘测船只的全程实时定位导航。在水面非常广阔的时候，如果没有导航技术，就非常容易出现勘测船偏移航线的情况，难以保证航线始终是一条直线。想要解决这一问题就应该在勘测之前，在水库岸边设置可见的参照物，让勘测船能够按照向着参照物进行前进，这能够有效的保证勘测船检测的有效性。同时如果发现了勘测船偏离了航线，不应该大幅度的猛烈校准，应该保持小幅度的修正，使得航行路线能够平滑，达到测量的目标。

3.2 RTK实测数据和测深仪测深数据难以匹配

在实际进行操作的时候，水库的水面不会是平静的，而是会上下起伏，这就会让测量水深和真实值之间存在着误差，因此在测量水深的同时，还应该使用辅助测量设备进行同时测量，例如水砣、测深尺和探测杆等。可以将其和GPS连接在一起，保证二者相对位置不变，当出现风浪的时候，测深仪获得的水深数据就会发生变化，GPS的高程数值也会同步发生变化。

4 结束语

在大比例尺下进行水下地形的测量，需要灵活的应用多种智能测量设备，这样才能保证测量的准确性、易用性和安全性。使用多波束测深系统检测深水区域的效率较高，精确度得到了保证，使用无人测量船进行浅水区域的测量解决了浅水区域测量船只难以进入的问题，还提高了测量的安全性，使用无人机航拍可以将水库边缘的沼泽地形进行测量，三种方式相结合即可完成对水库水下地形的全覆盖测量，并且测量精度能够得到保障。