智能无人船在水下地形测量中的应用

赵美玲，郑亚运，曹 慧

（江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225000）

水下地形测量由于无法看到实际状况以及水上作业风险高等因素，一直是水利工程测量难度较大的部分[1]。水下地形测量的方法主要有测深锤、测深杆、单波束测深系统、多波束测深系统及机载激光测深系统等[2]，其中船基单波束测深系统是进行内河、湖泊水下地形测量最为常见的一种测深装置。船基水下地形测量的自动化和无人化充分体现在无人船水下地形测量技术中，在无法使用载人船的水域，无人测量船能够充分发挥机动性强的特点，且能提供高水下地形数据精度。无人船载单波束探测仪是一种可以自主或遥控作业的新型船基测量平台，国内外已有多个研究机构设计和建造此类无人船[3-4]，广泛应用于河流、水库、港湾等区域水下地形测量[5-6]、水质采检[7-8]、环境监测[9]等。

本文拟综合运用高精度导航定位、数字化传感器及通信等技术，采用定量和定性相结合的方法，分析南京市郑红水库主要特征指标及水下地形特点，探讨无人船载单波束测深平台在水利工程中的应用，拟为该区水利资源合理利用、水生态环境保护及无人船测深技术进一步发展提供依据。

1 研究设备及施测过程

1.1 无人船测深系统

本研究采用的无人船测深系统主要由无人船部分和岸基部分组成，船只与地面基站采用无线射频点对点数据传输进行实时通讯。无人船部分的动力装置为涵道式，由一个主推器和两个辅助推进器组成。船体尺寸（长×宽×高）：1 800 mm×840 mm×480 mm，该体积便于长距离运输、搬运。船只集成的GPS和测深仪等设备可以支持地理坐标与水深同步采集，视频实时传输和自动返航功能可以从安全性角度保证无人船的航行安全，无人船测深系统的船体部分结构如图1所示。

图1 无人船测深系统的船体部分

岸基部分主要是系统软件、智能遥控器及基站，其中岸基控制软件实现测量任务下达、实时视频传输、测量数据显示和测量数据存储等功能。而智能遥控器可以显示无人船基本信息、实时切换工作模式及控制船速等。岸基基站通过GNSS差分改正数据使得船只实现实时坐标精确定位。目前该无人船测深系统具备了全自动无人化作业、自主导航、定点自主返航等功能，该系统主要参数指标见表1。

表1 无人船测深系统主要技术参数表

1.2 施测过程

将无人船测深系统应用于南京市六合区马集镇镇区以南约4 km的郑红水库，该工程位置大致为东经118.82°，北纬32.49°，测区范围约0.14 km2。作业要求是按1∶1000比例尺测量水下地形，等深距为1 m。本研究包括外业测量及内业数据处理两个主要环节，具体作业流程如图2所示。

图2 无人船测深系统作业流程图

1.2.1 航线设计

无人船测量航线通常利用测区最新遥感影像进行初始布设，结合现场踏勘情况，如遇有渔栅栏、渔网、孤岛等阻隔，再对航线进行相应的微调以完成最终的布设。本研究区自然条件较好，无大面积障碍物及水生植物，为无人船自主作业提供良好的外部环境。

按照JTS 131—2012《水运工程测量规范》及作业要求为研究区设计如图3所示的航线，该航线由主测深线和检查线两个部分组成：其中主测深线总长度约为9 km，相邻测线间距为20 m，测线点间距为6 m；而3条检查线总长度约为1.04 km（检查线长度不小于主测线总长度的5%），均与测深线垂直，且都集中在水库几何中心区域，具有较好的代表性。

图3 研究区航线设计示意图

1.2.2 水下数据获取

本研究采用的无人船测深系统工作原理是通过GNSS技术中的RTK（Real-Time Kinematics）来获取高精度定位，结合单波束测深技术获得的高精度水深，以获得高精度水下测点三维坐标数据[10]。由于无人船在转换航线时有转弯半径，需要在航线的端点与岸边间设置安全距离，因此本次数据获取采用自动模式和手动模式相结合的方法。

在测深开始前，作业员通过岸基测深软件测量状态栏查看船只停靠处的水深读数及水面高程读数并与人工实测数据进行对比确保无误。测深过程中通过岸基船控软件实时视频传输功能对航行过程中可能出现的障碍物等风险进行跟踪，同时对测深软件中的测深功率、增益和门槛等设置进行及时调整，保证航行安全和数据采集稳定。所有测深任务完成后，再对水深读数及水面高程读数进行比对以确保测深数据可靠。本次航行共采集1 690个水下特征点坐标以及200个检查点坐标。

2 成果检验及分析

2.1 数据处理及成果检验

在所有测量完成后，需要通过测深软件对采集数据进行后处理，处理过程主要包括数据改正和水深取样。数据改正是对前期设置的如吃水值、坐标参数等进行后期添加和修改。水深取样主要是由于单波束测深仪在运行过程中易受到鱼群、水草等因素影响，需要通过叠加数字信号与模拟信号来判读真假水深，本研究选择中值滤波法对回波数据进行自动滤波，并对噪点进行手动改正，使输出成果更贴合实际。

根据JTS 131—2012《水运工程测量规范》对水深测量精度的要求，本研究通过对比主测线与检测线重叠点水深数据，即在检查点数据中随机抽取50个特征点进行测深数据精度检验以保证测深数据精度达标。由表2可知，测深数据与检测数据的差值有3个超过0.1 m，其余差值均小于0.1 m，本次样本数据中误差0.08 m，测量精度满足JTS 131—2012《水运工程测量规范》的精度要求。

表2 研究区水深测量数据精度对比表

2.2 水下地形成果分析

在水深采样及数据改正完成后，根据导出的水下高程成果计算得到水库基本特征数据（平均水深、库容等）。本次外业测量时郑红水库水面面积为0.143 km2，平均水深为3.13 m，水库库容为5.3×105m3，最大库容为5.9×105m3。

同时，由高程数据成果可生成DEM成果（如图4所示），从模型中我们可以看出：郑红水库水下地形总体地势平缓，起伏变化不大；等高线在水域西侧较为密集，水深变化较大；水库的深水区集中在西侧，最大水深为6.02 m。

图4 研究区DEM成果图

3 结论与展望

本文主要基于GPS和水声技术基础上，运用水下地形测量相关原理，采用无人船测深系统对南京市郑红水库进行水下地形测量，并对采集数据进行精度检验和分析。得出以下结论与展望：

（1）由库容大小可知郑红水库是一座小型水库，水库深水区分布在西侧拦水坝附近，整个水底地形较为平缓，水下地形特点为高程由西向东逐渐抬升。

（2）无人船测深系统在水利工程测量中应用是可行的，尤其是在无法获取载人船的小型水库、湖泊等区域更能突显其“小快灵”的特点，既保证数据真实可靠也为生产单位节省不必要经济开支。本研究为无人船测深技术在水利工程的进一步应用打下坚实基础。

（3）本研究所用无人船测深系统仍然存在一些不足，在安全避障、避免水生植物缠绕推进器等方面尚需进一步完善，以提高其航行安全性及工作效率。

（4）水下地形测量技术已走向智能化、自动化、高精度、高效率，仍然呈现立体测量的态势，无人船测深系统有着广阔的应用前景，但现有设备在全自动化、复杂环境高效作业等方面研究还需进一步深入[11]。