无人船在水下地形测量中的应用与数据处理探讨

李冠军

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

目前广泛使用的传统水下地形测量方法是在载人船只上安装单波束测深仪和GNSS定位装置来获得相应点位的水下地形坐标信息[1]。由于载人船只体积大、吃水深，不能靠岸和勘测浅滩地区，而灵活轻便的皮划艇在水流湍急的水域又相对危险，因此水下地形测量就受到技术和地形限制而无法测绘出完整的水下地形图[2]。通过引入无人船水下测量技术，配合水质仪、多普勒流速剖面仪以及单波束测深仪等各种水下参数收集设备，就能够有效解决传统技术应用中遇到的精确度低和测量受限等问题，尽可能地满足水下测量项目的预期作业目标和工期时限[3]。

1 无人船水下测量技术概述

无人船的水下测量技术是指将无人船作为工作载具，以湖泊、海岸、河道、水库等水域为测量对象，利用GNSS高精度接收机来对平面方位进行定位，无人船体综合搭载各种光、电磁、声音传感设备，以无线操控的形式动态获得待测区域的水下地形、水质、地貌等水文数据。无人船测量系统包括无人船遥控测量子系统和岸上基站控制子系统[4]，其中无人船遥控测量子系统由电力系统、船体操控系统、单波或多波束测量仪、GNSS定位设备、陀螺仪、数据输送模块等部分组成，岸上基站控制子系统采以互动界面的方式来对船体发出的数据信息进行接收、处理、分析和绘图等操作，并操控测量模式的自动和手动切换，以及监控无人船只的自动回航情况。

本文运用的无人船单波束测量模式的工作原理与传统单波束测量原理一致，都是利用声呐的回声定位原理。设定换能器到水体底部的距离为h，换能器发射一束声波到接收器接收到反射的回波所需的时间为t，声波在水体中传播的速度为v，就可通过公式h=vt/2获得h的值。再结合GPS定位设备采集到的位置信息和高程信息，匹配得到水体底部的三维坐标信息。

无人船的测量工作流程分为以下5个步骤：

1）设置参数：参数的设置包括走线、偏航、遥控、通信等基础操作的预设，以及三维坐标的投影和编辑。

2）采集数据：采集数据要保证对采集开始到结束的整个流程进行把控。

3）控制船只：控制船只包括自动回航和控制走线。

4）处理数据：数据处理的流程包括数据的初步筛选、修订、以及数据格式和坐标信息的转化。

5）显示数据：目前比较通用的显示方式为实时信息显示、水下地形显示和轨迹图显示。

2 实例分析

2.1 项目背景

项目案例以上海横沙东滩圈围工程—护滩堤、保滩监测及分析为例。上海横沙东滩圈围位于长江口最东端岛屿上，测量任务为新建护滩堤及外侧围区的长期监测。其测量的主要难点包括：（1）测量海域位于长江口区域，未经申报的载人船只不准随意进入；（2）水深仅为1—5m，容易造成船只搁浅；（3）该海域受潮汐影响大且流向复杂多变，区域有人工抛石，载人船只通行的难度较高。考虑到这些测量的技术难点，本项目选择采取无人船进行水下地形的测量。

2.2 测量方法

基于测区手机信号较差，无法采用网络RTK的模式进行无人船测量，本次测量采用架设基站配合网桥传输控制无人船的方式进行测量。

现代木结构建筑设计应遵循模数协调原则，建立标准化结构体系，优化建筑空间尺寸[13]。项目建筑设计未严格遵循选材的模数要求，在项目围护体系制作过程中，材料出现多次裁剪，造成了一定的浪费。通过项目实践深切体会到，模数化是建筑工业化的基础，实现预制构件和内装部品的标准化、系列化和通用化[9]13，有利于组织生产、提高效率、降低成本。

无人船选择华测华微六号无人型海洋探测船，船体配备GNSS自动导航系统，航行平稳，续航时间长，最高航行速度可以达到5m/s。船体采用含纤维的高强度材质，具备抗腐蚀、重量轻、防碰撞等优点，是浅水海域水下测量的优秀设备。无人船由控制系统进行自动和智能控制，其具体水下测量流程及方法如下：

1）船体下水

船体的总重量大约为15kg，为保障船体安全装上浮体后只需要两个人就可以完成下水作业，轻便灵活的船体和低吃水也为下水作业环境提供了更多选择。船体下水完成后，可以自主选择手动操控或自动巡航的方式航行。本项目采取断面法实施测量，首先在Hydro Survey软件的帮助下，按照相关技术标准进行断面区域计划线的设置，计划线需要按照工程实际情况尽量设置为与防浪堤成90°垂直的方向，断面之间的间隔设置为100m。

2）巡航路径规划

由于待测区域被抛石划分为多个区域，无人船作业时每个需要单独规划航线，划分好待测区域，并为船只预设好巡航路径和工作目标之后，无人船就会开始自主巡航、障碍规避和完成工作，减少或完全排除了人力活动的参与。自动巡航的路径规划方法主要有两种：一种是根据电子地图来自动生成和规划航线，另一种是根据轨迹分析结果来自动生成和规划航线。

3）测量过程控制

无人船测量过程中应保证风力小于6级，如出现巨大风浪使得船体左右摇晃程度过高，则应立即暂停作业。无人船在进行水下测量时，应做到尽可能保持直线和匀速航行，在转换测线时切换手动，缓慢转动，按照规范要求，实际航行线路和原计划测线之间的偏移距离不应超过测线间隔的50%[5]，靠近抛石时也需要切换到手动控制，保障无人船安全。本次测量过程中实际航线与计划航线不超过5%。

4）数据记录与传输

工作过程中可能会因预先设定的测点选择不精确而导致出现漏测关键测点，因此需要导入模拟信号来对原始数据进行一定程度的补充和完善。完成记录后，无人船利用相距大约1km的2.4G网桥或相距大约5km的2W电台来进行水下的数据测量和三维坐标数据的回传，在实际工作中可按照实际需求和预算来选择可行的数据记录与回传方式。

2.3 数据处理分析

1）数据处理与产出

数据处理的过程主要流程为：首先，过滤无人船在非固定解的情况下收集到的数据信息；其次，由于无人船巡航时发出的声波可能在传入海底的途中碰到水草群和移动的大型鱼群就被反射回来，导致测量得到的水深数据出现异常，此时要根据原有资料和模拟数据对异常数值进行修正以保证水底的高程点数据得到展示；之后，考虑到无人船只在巡航过程中会受到海面波浪的影响导致船体发生摇摆，就要利用姿态传感设备对获取的测量数值进行自我纠正；此外，如果发现采集到的数据点数过于密集，就可以通过提前设置滤波模式和间隔来对其进行“抽稀”，方便之后的数据产出和绘图。

数据处理中使用到的软件是Hydro Survey，操作时要首先选择等待加工的水下测量数据文件，将需要加工的数据参数转换至适合的横纵轴坐标，观察测线的数据信息，如有异常数据将其平滑并返回到正常的区间内。待设定并测试好测线后，以5m为间隔设置数据的采集间隔，并完成数据的采集和处理。按照顺序将每一个测线的水深数据都选取样本后按日期分类保存到指定位置，在经过修改和编辑后产出数据成果，并绘制水下地形图。

2）精度检查

水下地形测量，一个很重要的质量控制环节是精度评定。一般采用“等精度观测”的方式对水深测量精度进行检测，即布设不少于5%主测线的检查线，且与主测线垂直[6]。水下地形测量完成后，分别对主测线和检查线的数据进行处理，检查主测线与检测线重合点的高程差异，是否在规范允许的误差范围内。项目主测线总长为8km，检测线总长为1.8km，检测线占主测线的22.5%，精度检查时要选择主要测线和检测线相交的高程点进行比较，分别从海域的上、中、下游区域平均选择50对点进行水下测量精度的检查统计，见表1。

表1 主测线和检测线重合点水深值比对统计表

经检测，合限点个数占总点数100%，水深中误差为0.08m。统计结果显示，无人船测量得到的海洋水下地形高程点数据精度高、结果可靠，满足《水运工程测量规范》[7]的技术标准要求。

3）成果分析

本次选用2020年7月至8月的2次测量数据进行对比分析，结果见图1。

如图1所示，本文选取连续四条断面数据进行两期对比，分别为7月份单波束测量数据和8月份无人船测量数据，纵轴为断面数据高程信息，横轴为断面长度信息。选取对比数据的区域地势比较平缓，两次测量数据平面位置差异较小，高程信息也能够反映出无人船测得数据与单波束测得数据比较一致，说明无人船测量数据精度可靠，能够满足本项目测量需求。

图1 两期测量数据断面对比图

3 结语

综上所述，案例表明无人船测量在实际生产中完全可以按照《水运工程测量规范》[7]的相关标准进行水下地形测量，测量结果同时具备准确性和可靠性。无人船最明显的优势就在于其可以在危险、浅谈、近岸等水域进行航行作业，可以补充载人船只在水下地形测量方面的空白区间，进而大幅度降低水下地形测量的工作周期，保障了测量工作的质量和效率。尽管无人船水下测量具有可以预见到的市场潜力和发展方向，但这种测量方式目前仍处于实验研究和推广改进的阶段，并不能做到大规模的投入使用。在进行正式的水下地形测量作业时，仍然存在各种技术难题，如数据接收存在时间差而导致其计算和传输的相互独立，并使得测点数据与水深不匹配等问题，这一问题可以通过采取特征点配对的算法来进行克服。总的来说，在不断地实验和推广改进的过程中，目前无人船水下测量技术存在的问题和不足会一一得到改进，并在未来以高机动性和高安全度等优点逐步取代传统的水下地形测量方式，进而在海洋的航道测量、海洋地质勘察和地貌绘制等领域得到广泛应用。□