无人船测深系统在水下地形测量中的应用

2022-11-24潘伦渊

大众标准化 2022年19期

潘伦渊

（广州市水务科学研究所（挂广州市二次供水技术咨询服务中心牌子），广东广州 510220）

水下地形测量是一项特殊的工程测量工作，它的工作内容主要分为两个方面，即：平面位置与深度的测定。单波束测深仪和GPS-RTK相结合是目前水下测量的主要技术，一般都是使用橡胶筏子或载人船作为载具，载人船可以有效进行大面积的水上测量，但如果遇到浅水区、浅滩区域等，就会出现空隙，特别是水流较大的情况，对操作人员的安全造成了极大的威胁。与常规的载人船舶相比，无人船具有投放迅速、运输方便、机动灵活等优点，并可保障船舶和船员的人身安全，适用于近海、海湾、河道、水库、码头等多种水域的测量工作，既可以大幅度提升水下地形测绘的工作速度，又可以很好的处理浅滩及险情的作业难题。

1 水下测量

水下测量是掌握水下地理信息的重要手段，它的工作内容是获取中小河流、湖泊、水库、港湾和近海等水域的平面位置和高程数据，为各部门在河流海域的规划阶段，水库水电站拦河坝工程、引调水工程、河道治理工程的可行性研究、初步设计、施工设计、运营管理阶段提供水下地形资料。

水下测量定位的方法有断面索法、经纬仪或平板仪前方交会法、六分仪后方交会法、全站式速测仪极坐标法、无线电定位法、水下声学定位和差分GPS定位法等。水深测量采用测深杆、测深锤和回声测深仪等器具。水底高程是根据水深测量和水位观测成果计算，最后用等深线（或称等高线）表示水底的地形情况。

水下测深通常采用在有人船上搭载一台单波束测深仪，并与GNSS-RTK组合在一起进行测量，以获取相应的三维空间位置。

2 无人船测深系统及工作原理

2.1 系统组成

无人船水下测深系统要达到全自动采集数据的目的，必须具有自主导航、智能避障、实时通讯、自动数据采集、稳定、长时间续航的功能，对各个子系统进行集成，实现各种水面测量工作的自动化。其各部分的主要功能如下：

船体。船体主要装载各种测深仪、测量设备、电源、通讯仪器，是运载测深系统的基本框架。一般情况下，船体都是由高强度的碳纤维和凯夫拉防弹布制成，具有耐腐蚀、轻量化、耐碰撞等特点。

通信系统。它是无人船与陆地上的控制器之间的一个关键的窗口，它能将无人船的工作状态实时传送给陆地上的系统。

控制系统。主要负责控制无人船的航行轨迹，该系统由PC机、手持遥控器和通信装置构成，可针对各个水域的不同特征，分别采用自动和远程两种控制模式。与此同时，岸基测深系统与无人船通过无线电通讯，把各个传感器的数据资料传送至控制中心，实现对无人船的状态及观测数据的即时监控，并能及时找到故障，修正航线和设备。

数据采集系统。作为整个测控体系的中心部分，其主要功能是完成各种数据资料的采集与录入，而这些工作则是在无人驾驶的船舶上进行。作为测控中心，它包括测深仪、姿态传感器、GPS接收机、超声波避碰声呐、全角度相机、距离传感器等高精度传感器。

2.2 工作原理

无人船的水深测定方法是：已知声波在水中的传播速率是v，在传感器发送和接收的过程中，通过t来算出传感器到水下的深度：h=1/2vt（1），而传感器的顶部到GPS的天线高是a，无人船的吃水深是一个固定值b，且不考虑动态吃水和静态吃水之差，若GPS-RTK接收机天线所测的高度为H，则可以得到以下公式：H水底=H-a-b-h（2），从（2）公式可知，H水位值是通过GPS-RTK即时测定的，H水位仅与a、b、h值相关，且与潮位无关，从而排除了水位落差、波浪、潮汐等各种影响，节省了常规的验潮程序，节省了人力物力并大大提高了水下地形测量的工作效率。

2.3 无人船的优点

传统测量方式存在很多安全隐患及测量数据遗漏和不精准等问题，无人船水下地形测量就能很好地解决这些问题，无人船水下地形测量存在以下几个优点：（1）无人船船身体重较轻，体积小、吃水浅，不仅可以随车携带，深水浅水区均可使用，大大降低人力成本；（2）可根据任务需求搭载不同水下地形测量设备及水质测量仪器，结合RTK水下地形测绘，获取更加精准的水下地形数据；（3）对于环境复杂的水域，使用无人船更加安全可靠，提升人员的安全性；（4）无人船可以根据水域分布情况发布任务指令，根据地面站指令，无人船全自动完成测绘任务并实时传输数据，避免出现遗漏或少测情况出现。

3 水下地形测量中无人船测深系统的具体应用

3.1 水下地形测量的准备工作

在进行水下地形测量前，测量员要做好各项准备工作，架设好基准站，认真连接好无人船的电源设备，安装好GNSS接收机，然后启动岸基控制测量软件，正确设置坐标系统、高程系统、中央子午线、静态吃水深度、测量航速、自动回归点等测量参数，无人船测深与比测板深度比对合格后才能开始测量。

3.2 布设主测深线和检查线

在使用无人船测深时，测量员必须按照相关的规范布设主测深线和检查线，使用单波束测深仪测深时，主测深线应垂直于等深线的总方向，当采用多波束测深仪测深时，原则上应平行于总等深线的总方向。测深线间隔的确定应顾及测区的重要性，水域的地形特征和河水的深度等因素来确定，使用单波束测深仪时主测深线间隔一般为图上1～2 cm，测点间距一般为图上0.8～1.5 cm。检查线的方向应尽量垂直于主测深线方向，能普遍检查主测深线，检查线的长度不应小于主测深线总长度的5%。检查线的定位点间距可以根据测量比例，加密至在规定范围内与测深保证有重合点，检查线在测区内应分布均匀合理。检查线测点点距应小于主测深线测点点距的0.5倍。检查线与主测深线相交处，图上1 mm范围内水深点的深度比对互差应符合以下规定：水深小于等于20 m时，深度比对互差不得大于0.4 m，水深大于20 m时，互差不大于0.02H。

3.3 无人船水深测量

启动控制系统中自动测量按钮，让无人船在指定的区域进行测量。无人船按照预定的航速沿着主测深线的方向航行，自动采集平面坐标和水深数据，并通过通讯设备把数据传输到岸基控制系统进行存储。测量过程中，测量员应实时监测测深设备的运行状态，发生故障时应停止作业。

现场监控的主要内容应包括如下几点：（1）观察航迹显示，监视定位数据是否出现异常；（2）随时查看测深线间距和测点间距是否达到要求，防止出现漏测现象；（3）观察硬盘数据记录设备的工作是否正常，确保测量数据的完整记录；（4）每天工作结束后，由专人负责及时备份全部原始数据及其归档数据管理，并对获取的原始数据和资料进行全面检查，对有疑议的数据和资料应查明原因并改正。

3.4 处理水下地形测量数据和绘图

对于连续记录水深数据的软件，应先根据连续测量数据进行测深数据滤波，剔除掉伪水深值，剔除数据率不应大于10%。如果发现水深曲线突变等不符合变化规律时，应查找原因，必要时应对水深突变区域进行补测；对于非连续记录测量数据的软件，应对照测深记录，确认每一个测深数据的正确性。最后把水深数据传输到电脑上，用专业的绘图软件进行数据处理，水下地形图的要素及其相关注记应符合GB/T13923的有关规定，图廓整饰要素具体内容应符合有关规范的规定。

4 应用实例

4.1 项目简介

2021年3月，受广州市流溪河灌区管理中心的委托，需要对李溪片区拦河坝上下游进行水下地形测量，其长度大约为2.3 km。该工程的目的是为了了解李溪拦河坝上下游一年来受洪水冲刷后河床的变化情况，为坝体的安全运营做监测。由于李溪拦河坝上下游河道较浅，测量比例尺又要求为1∶500，传统的有人船搭载测深仪难以测量，所以该工程采用了全自动无人船进行水下测量。

4.2 数据采集

本工程使用了楚航“踏浪者”CH-14号全自动智能无人测量船进行作业，“踏浪者”无人船是一款功能完备，轻巧便携的无人船，集成了GNSS、测深仪、电子罗盘、避障模块等多种传感，它的航向和航速都很稳定，能够承受5级的大风。测深精度为1cm±0.1%h（h为水深），测深范围为0.2～100 m。

在岸上架设好基准站，船体测量装置安装完成后便可在岸边电脑上安装好外置天线，启动电脑，打开电脑里的无人船岸基控制软件，进入无人船岸基控制系统，对岸基控制系统进行测量参数进行修改，修改的内容包括坐标系统、中央子午线、投影方式，用于坐标转换的七参数、声速、船体吃水深度、数据采样间隔等。将规划好的测深线文件输入到岸基控制系统的随机程序中并向无人船发布测线信息，在一切准备就绪之后启动无人船自动测量按钮。

本项目沿垂直河道方向一共布设主测深线462条，总长度达185 km，沿垂直于主测深线方向布设检查线布设5条，总长度为11.5 km，检查线占总测深线长度的6%，符合规范要求。测深线间距设置为5 m，测量点间距5 m，检查线测点间距为2 m。无人船根据设定好的航线按照断面法自主采集水深数据，数据采集完成后自动返回到预定的回归点，结束测量。检查线测量与测深线的测量方式一致。

4.3 数据处理与成果编绘

采用无人船自带的数据处理软件对水下地形的测量数据进行处理，主要是对水深数据进行回放，在数据回放过程中，对水深数据中出现的异常值进行检测和修正。本项目水深阀值设置为9，数据处理级别为3，点击自动滤波后得到的数据进行保存。本项目绘图采用南方CASS9.1数字化成图软件，数据输出采用南方CASS标准格式文本DAT文件，同时也输出带有水深值的XYZ格式的文本，用于水深值与水底高程的比对。每一次无人船采集数据完毕后都会自动生成一个数据文件，测量员把每个文件都输出后，都对数据进行了检查，确认无误后把文件传输到计算机，为绘图做好准备。

水下等高线的绘制：先建立DTM生成三角网，接着对三角网中不合理的三角形进行过滤、删除、重组等编辑，然后修改结果存盘，最后绘制成符合要求的等高线，水深注记采用水底高程值。按照规范要求对地物地貌进行必要的编辑和修饰后，再给地形图加上图名图廓，最终形成图形文件名为“李溪拦河坝水下地形图.DWG”的数字化成果。