无人船在水利建设工程水下地形测量中的运用
2023-01-19杨宗泽
杨宗泽
广西壮族自治区百色水利电力设计院有限责任公司 广西 百色 533000
引言
在水利建设中,水下工程是一个至关重要的施工环节,而水下地形测量则是水下工程建设必不可少的前期作业,相对于陆地测量来说,水下地形测量局限性更大,运用以往的水下地形测量方法,往往会有测量数据精准性不足现象的出现,而且测量工作效率也比较低下,所以亟须通过改进测量手段,提高水下地形测量工作效率,并优化测量成果,有效分析和掌握无人船测量原理及其优势,并针对无人船测量在水利工程水下地形测量数据获取、地形图绘制等作业中的实际应用进行深入研究,有助于促进水利工程水下测量作业的高效开展。
1 无人船测量原理
水下地形无人测量是综合了全球定位,测深仪,实时动态监测,单片机以及计算机等多种先进设备,充分发挥全球定位载波相位差分,无线遥控和数据传输,测深以及单片机等高端科学技术的各自优势,让便携式无人测量船通过自动导航和无线遥控沿着预先设计好的航线开展水下地形测量,通过全球定位和载波相位差分得出测量位置的平面坐标,信号接收机需要两台安装于基准站与流动站的设备,公共开放服务协议也可以实现这一功能,船体设置流动站,预先设置好波特率和串口输出,再与工控主板实现连接,以HY1500型号的数字测深仪为测量设备,它的作业流程需要有测深探头并开通电源来实现,此外,无人船还通过自身搭载的电子罗盘通过得到与北方向的实时角度完成自动导航功能,工控主板接收串口传输过来的数据信息,无人船还搭载了控制模块,它通过无线模块的方式与岸基控制模块交换数据,搭载于船体的软件不只限于发送数据,它还负责对岸基信号进行接收的持续检测并向控制设备转发,若技术规定时间内出现岸基信号中断,系统就会有返航指令发出,全球定位在接收数据的过程中隔一个数据就会有定点返航指令发出[1]。
2 无人船测量优势
由无人船实施水下测量技术优势很多,它的水面航行可人工遥控也可设置为自主导航,把水下地形测量作业过程实现了无人智能化作业,最大限度弱化了人工因素,改变了传统水下地形测量高强度作业模式,模块化的先进设计提高了作业质量和效率,功能覆盖全面。
2.1 区域测量优势
当水下地形测量任务遭遇坎下或陡岸及水域面积太小的情况时,由于水下地形测量需要船载大量配套设备,还要由技术人员对计算机实施操控,为安全起见,通常需要超大载重的测量船完成作业,但是上述水域无法提供作业条件,让测量作业面临难以为继的局面,而水域宽阔的测量作业通常需要很长的作业周期,无法适应水下地形测量作业快捷高效的要求,无人船测量完美规避了上述问题,以陡岸测量为例,它可在近岸水域行驶,水下地形图纸的绘制更精确,危险水域的测量由于可无人操作实现,最大限度保障了作业安全[2]。
2.2 携带运输优势
相较于常规测量船,无人船的船身设计更小巧,自重更轻,便携式的携带方式更方便,作业过程中船体运动更灵活,作业人员执行外出测量任务时,一辆车的后备厢就可以把全部作业设备运走。
2.3 智能避障
由于无人船的测量作业环境复杂且有很多不确定性因素,对此船体设计加装了智能避障功能,遇到航行障碍时可自动避让,航行安全得到有效保障。
3 无人船水利建筑工程水下地形测量的具体应用
3.1 数据获取
以百色市冬笋水厂取水口迁移工程建设勘察的水下地形测量为例。由岸基操作系统,船体测量系统共同组成无人船操作系统,在测量作业水域选择下水条件较好区域泊船并平衡固定,实施发电机和平衡翼的安装,以固定扣固定发电机,输出接头全部连接好,再进行天线,摄像设备和全球定位的安装,尤其要注意全球定位和摄像的安装须全程双手操作,确保不会落水。
安装完成后便可在岸边电脑上安装好外置天线,启动电脑,架设好GPS基准站,在岸基电脑打开控制软件,点击屏幕工具栏选择已知点校正,利用测量水域的坐标数据结合全球定位测量所得的坐标数据向系统输入,由系统自动生成坐标转换的匹配参数,再把计算机辅助设计文件导进来,岸基控制软件导入测量作业范围,点击绘图工具进行全局布线,完成无人船的航线设置,以人工遥控方式对无人船实施功能测试,确保全部功能正常后启动无人船发动机,准备开始按预设航线行驶。
经人工遥控测试无人船功能正常,船头摆成朝向作业区域,对这一状态进行标定,此时无人船会开始水中的自转,持续两三周自行停止,再在电脑上选择校正选项,由无人船自主完成电子罗盘校正过程,这种对电子罗盘实施的标定和校正,结合载波相位差分技术对无人船实现航线的确定,定位数据由此获取,再结合船头实际航向数据对位置和方向的偏移数据进行快速准确的计算,动作指令的发布即以偏移量计算结果为准,进而完成对无人船航行自主导航功能的设定。
传统测量作业对电子罗盘的使用,是通过只让电子罗盘实施一周的旋转来确定朝北方向,无人测量船对电子罗盘的使用则是通过标定让电子罗盘对正北方向的确定更精准,这样可确保无人船按预设航线航行过程中航线保持更高的精确度,航程接近尾声时以人工遥控把无人船精准送入指定测量作业区域,选择电脑上的记录设置选项,把载波相位差分设置成载波相位差分固定解,对采样间隔实施重新设置,使其保持按距离采样设置,此时即可实施无人船沿航线走向的测量作业,通过岸基控制软件,陆上人员可实时监测无人船实施测量作业的实况,无人船完成沿航线走向的测量作业即自动返回启航点位置,再通过人工遥控让无人船安全回到靠岸位置。
对无人船测量作业进行航线路径的保存设置,一旦测量作业完成即由文件夹对航线路径进行保存,可实现载波相位差分三维坐标的获取,由测深仪对水深进行数据测量,结合之前的校正,所有坐标数据均为准确校正数据,鉴于无人船测量作业过程具有很大不确定性因素,外部因素影响较大,水深数据在后期实际应用过程中还要结合实际情况进行调整[3]。
打开岸基软件,选择工具栏中的修改水深数据,导入测量时保存的航迹线文件,由水深数据推算水深范围,据此设置水深纵向坐标,进而得到水深线的大致情况,由此发现水深线图形显示的水深数据的错误之处,可由人工操作对其进行拖动,使其回归准确水深线,对图形中粗差过大的点位进行删除,对粗差进行最大值和最小值允许范围的设定,最后完成粗差剔除,也可由自动修改按钮点击实施,缺陷是会错漏需要纠正的数据,水深数据处理完毕予以保存,系统会对航迹线进行自动生成,由文本格式文件依据X或Y以及点号和水底高程的样本格式存储于文件夹内。
3.2 地形图绘制
结合外出测量作业所得到的数据结果,利用对测深点平面位置进行展绘,做好高程标记,对等高和等深线进行勾勒,最后绘制完成完整的水下地形图纸,这是由无人船测量作业获取水下三维坐标的最有效应用,水下地形无人测量无法可视化看到地形变化,也无法有效选取地形特征测量点位,水下地形测量图形绘制过程如下[4]:①通过谷歌地图对即将开始水下地形测量作业区域进行卫星影像图的下载,由于下载影像图与测量比例不符,还要再次进行影像图的纠正。②目前用于影像纠正的软件以CASS软件技术最先进,市场占有率最大,在此软件中进行展高程点的绘图处理选择,所有处理完毕的点都导入软件,使其呈后置显示,此时会看出影像图与测量数据不匹配情况,可通过由旋转到缩放再到平移的方式对影像图进行纠正,最后得到与实际测量区域完全匹配的影像图。③由CASS软件对水边线进行绘制,鉴于无人船可以实现水面高程的测量,可据此赋值水边线高程,使测量点位与水边线有机融入统一的整体系统。④要进行等高线的生成,首先必须对数字地面模型进行构建,也就是三角网的构建,剔除回车和坎高因素,系统会给出三角网过程或结果的显示提示选项,径直勾选结果显示即可,勾选后由系统自动生成三角网,进而完成等高线的生成,再对等高线生成菜单进行删除三角网的勾选,把先前构建的三角网全部删除。⑤等高线的生成是不完美的,其中包含一些不合理的位置部分,要对此进行修订,找出等高线菜单,勾选局部替换功能,实施重新画线作业,计算机辅助设计软件会提示进行等高线选择,对等高线位置进行勾选实施画线作业,画出合理的等高线位置,再把原等高线位置调到新画位置,水下测量等高线绘制有很多不可视因素,导致等高线修改幅度较大,有时会面临等高线的突变,这是由于前期水深的后处理没有全部完成,这些等高线位置需要剪断,由人工进行修改。
3.3 精度评价
实际上,对无人船水下地形测量是有很高的精确度要求的,这个质量控制过程的重点环节就是精度评定,水深测量检测的常用方法是等精度观测,就是设置适量数据的检查线,使其和主测线呈垂直布设,检测完成分别处理检查线和主测线数据,汇集综合分析比对数据的重合点和差异性,检测其误差范围是否符合精度误差的允许波动值范围[5]。
以某浅滩水域水下地形测量为例,设置80多个测量点位进行数据采集,对其中40个测量点位数据进行随机抽查和分析,对检查线和主测线进行各自统计量和标准差的计算,由计算结果可以看到,两种检测线数据偏差不到0.1m有94%的占比,不到0.2m的有98%的占比,不到0.3m的全部达到,计算标准差数据是0.09m,符合标准数据限额0.4m的范围。
4 误差分析
无人船实施水下地形测量作业,载波相位差分技术是定位的关键依靠,这种技术虽然先进,但是载波相位差分技术也有自身的缺陷[6]。
①受电离层影响较大,如果测量作业赶在了正午时分,此时共用卫星数量不够,容易造成载波相位差分固定解无法实现,给测量结果带来误差影响;②干扰因素太多,容易导致卫星信号接收不良;③岸基和船载数据交换有误差现象;④受外界因素影响,测量作业在精确度和稳定性方面都有待提高。
无人船实施水下地形测量出现误差是很正常的现象,须在实际作业过程中加以逐步克服,具体到本篇论文,影像图都是由网络下载使用的,实际操作中应由无人机航拍完成影像拍摄再交由数据分析处理,以最终生成正射影像图为准,再把准确的正射影像图向CASS软件导入,从而绘制出可信度较高的线画图,再结合水下地形测量实地数据完成整体水下地形图的绘制。
5 结束语
在具体实践中发现,水利工程水下地形测量具备测量难度大、局限性强等实际特点,运用传统的水下地形测量方法,很难保证测量数据的精准性与可靠性,为了有效弥补这一短板,相关人员应重点加强无人船测量技术研究,并针对该项技术在水利工程水下地形测量中的合理应用进行更深层次发研究与探索,以便为我国的水利工程建设提供助力。