智能无人船单波束测深系统在水下地形测量中的应用

肖 杰

(山西省测绘地理信息院，太原 030001)

近年来，我国全面推行河长制，加强河湖保护管理，多地积极开展水资源调查，对河湖及水库区域进行水上水下地形测量。在数据采集方面，主要有两种模式：一种是水上和水下部分分别进行数据采集，水上部分一般应用航空摄影测量方法，目前应用较多的是基于无人机载LiDAR系统的三维高精度点云数据采集，对于水下测量部分，主要基于船载模式搭载GNSS-RTK、IMU、水深测量系统完成数据采集；另一种是基于船载模式集成三维激光扫描仪、水下测量设备、GNSS和IMU等多传感器设备于一体的数据采集系统[1-3]。两种数据采集模式各有优缺点：前者数据采集航线布设自由、灵活，数据采集投入成本相对较高；后者数据采集投入成本较前者低，但航线布设要顾及三维激光扫描仪的拍摄范围，对于库区周边的地形地物有时会被遮挡[2]。因此，在实际作业中应根据测区情况选用合适的外业数据采集模式。

水深测量是水下地形测量最主要的内容，针对水深测量目前主要有两种方法，分别是水位减去水深的传统测量方法和GNSS-RTK减去水深测量方法[4-5]。根据使用的测量工具，测深方法主要有：测深杆、测深锤、单频单波束测深、双频单波束测深、多波束测深、机载激光雷达测深等[6]。测深杆、测深锤是早期的测深工具，尽管现在测深设备主要以测深声呐为主，但在水草密集区域，或在浅滩测量等声呐设备无法工作的地方仍在发挥重要作用[7]。单波束测深和多波束测深属于声呐测深，极大提高了水深测量的精度和效率，多波束测深仪相对单波束测深仪具有测量精度高、测量效率高的特点，但价格昂贵，因此在实际工作中，单波束测深仪的使用目前仍是主流[8]。本文根据智能无人船单波束测深特点，以某水库的水下地形测量为例，兼顾测量效率、成本经济以及成果质量，对其作业过程中的关键技术展开研究，确定更符合实际测量需求的最佳技术路线和方案。

1 无人船水下测深原理

1.1 无人船测量系统

目前，无人船测量系统以其轻便、高效、智能的特点在河湖及水库水下地形测量中得到了广泛应用，其工作原理为在无人船上搭载多种高精密传感设备并协同作业，其中搭载的GNSS设备，可以让无人船匀速行驶在设计好的航线上，搭载的测深系统可以在GNSS定位系统的协助下按照设定的间距或时间间隔进行水深测量，同时获取测点平面位置，搭载的姿态传感器用于获取测深时无人船的姿态，实时将定位数据、测深数据、姿态数据通过通讯设备传输到数据中心，技术员实时在操控平板上看到数据采集情况[4]。图1为无人船水下地形测量示意图。

图1 无人船水下地形测量示意图

1.2 单波束测深仪测深原理

单波束测深仪测深是一种由点到线的测量方法，通过安装在船底的换能器(探头)垂直向下发射短脉冲声波(声波入射角近似为零)，声波在水中传播到水底并反射被换能器接收[9-10]。因此，水深值即为声波在水中传播的双程距离的一半，通过声波在水中传播时间以及声波在水介质中的平均声速来确定[11]，水深算式为：

(1)

式中:S为换能器到水底的距离；C为声波在水介质传播的速度，可采用声速剖面仪进行声速测量；t为声波的双程传播时间[12]。

在实际水深测量中，需要换能器测水深的基础上增加换能器吃水深度改正和潮位改正，文中描述的是针对无人船测深系统在水库的水下测量，不考虑潮位改正。

2 无人船水下地形测量关键技术分析

2.1 技术流程

根据水下测量测区情况及无人船水下测量原理，拟定无人船水下地形测量技术流程，如图2所示。

图2 无人船水下地形测量技术流程

2.2 测深水域范围确定

在进行水底地形测量前，首先确定测深水域的范围线，其主要目的是为了设计施测航线，避免不合理的航线设计导致影响测量效率和测量安全事件的发生。通常确定方法为：

1)依据数字正射影像图(DOM)确定测深水域范围线。依据DOM绘制水域范围线，其关键是最新现势性的影像数据获取，只有水位及水域周边环境与实施水下测量时的水位及周边环境相一致的情况下，绘制的水域范围线才具有实用性。若条件不允许无法获取最新现势性的DOM数据，则可先在现势性不佳的影像上依据水域纹理绘制水域范围线，然后根据影像水域边界特征点，进行实地量测水域边界到图上绘制的水域边缘的最短距离，由此将DOM上绘制的水域范围线通过整体外扩或内缩的方法来获取满足施测要求的测深水域范围线。

2)常规陆地测量方法。确定测深水域范围的传统测量方法，利用GNSS接收机实地沿水域边缘进行常规RTK或网络RTK测量，只需在水域边缘走向变化的位置处测量即可。用此方法确定水域范围线其特点是精度高，但是只适合面积较小的水域测量，对于大面积的水域人工工作量较大，且对人员及设备有一定的安全隐患。

3)无人船测量系统测量水域范围线。利用搭载单波束测深系统、GNSS和IMU设备的无人船在水域边缘进行测量，测量时要求在岸边建立地面基站或连接CORS站，测量所得无人船航迹线即可作为测深水域的范围线。采用此方法进行水域范围线采集工作效率高，但要求作业人员对水域环境有一定了解，通常需要额外配备望远镜或具有无人船功能的以实时了解施测的周边环境，边踏勘边测量，若发现水域中有岛类地物或比较茂盛水草，则需将无人船未触及的地方也进行标定，避免造成无人船搁浅等事故发生。

根据具体情况采用合适的水域范围线采集方法，必要时可以多种方法结合使用，准确确定测深水域范围线是提高水下测量工作效率的一个重要因素。

2.3 测深线布设

测深线布设是实施水下测量的一个极为重要环节，其布设需顾及测深线方向、相邻测线间距、测线上测点间距、测深线布设的形状等，这些因素制约着水底地形地貌是否能被完整且较经济的勘测成果。

1)测深线方向确定。测深线方向应与所测区域水流方向一致，尽可能垂直于等深线的总方向，同时要综合考虑测量工作的便利性，避免布设过多的短测线。

2)测深线间距确定。需同时顾及所测水域的重要性、水底地貌特征表示的精细程度要求、水深度、地貌起伏状况、水底地质等因素。对单波束测深仪，主测线间距为图上1 cm，平坦水底可放宽为2 cm。需要详细探测地貌复杂的区域，测深线间距变换比例尺大小进行测量[13]。

3)测线上测点间距确定。测线上测点间距确定一般根据测线上水底地形起伏情况，尽可能捕捉到地形的细微变化为宜，也不适宜设置过于密集的点间距，以免影响数据处理效率。在实际作业中，点间距设定有3种方式，分别为等距离测量、等时间间隔测量和手动测量，一般顾及点位分布的均匀性等距离测量方式使用较多，设置为1 m。

4)测深线布设方法确定。测深线主要分为主测深线、补充测深线和检查测深线3类，其中补充测深线用于局部重要区域的加密测深，检查线主要用于检查测深与定位是否存在系统误差或粗差，并以此衡量测深成果精度[14]。

常见的主测深线布设方法有：垂直水流轴线布设、与水流轴线成45°角布设、平行水流轴线布设、扇形布设、螺旋形布设等，如图3所示。其中：图3(a)情况一般为利用单波束测深仪进行断面测量时的布设方法；图3(b)情况多为单波束测深仪测量检查线的布设方法或对狭窄航道进行测量时采用的布设方法；图3(c)一般为多波束水深测量的布线方式；图3(d)此种布设方法多用在河道拐弯处，即弯曲河段；图3(e)和图3(f)此两种布设方式一般适用岛形或较宽广的水面。实际施测时可根据测深仪的工作原理和河道形状的不同选用不同的布设方法。

图3 测深线布设方法

为了保证测深数据准确度，应在测前、测深期间及测后，进行深度比对检查。测深检查线布设要求：检查线的方向应尽可能与主测深线垂直，均匀分布测深垂线应在水位平缓地带检查主测深线，检查线总长应不少于主测深线总长的5%[13]。

2.4 单波束测深数据分析与处理

1)误差改正。无人船单波束水深测量数据是按等距离或等时间间隔采集数据，其精度主要由测点的测深精度和定位精度决定，影响其精度的因素主要有GNSS定位误差、GNSS-RTK时延引起的误差、受风浪及船体操纵等因素引起的船体姿态不稳定引起的倾斜误差、船体吃水误差、潮汐引起的误差等，因此要得到高精度的水下测量高程结果，需要进行相应的改正。针对无人船在湖泊、水库区域的测量，一般潮汐改正可忽略，满足要求测量条件时，吃水改正数是常数。

2)异常值探测与处理。在实际测量过程中，由于水中杂质、鱼群、水草等的影响，波束在碰到此类障碍物时会发射，致使测得的结果存在“假数据”，即产生异常值，也称为“噪声”数据，在进行下步测量前，必须剔除此类异常数值。目前有很多异常数据的探测方法，如多项式拟合法、差值法等，此类方法共同点均需设置阈值，以使水下测量数据均能取得良好的探测效果。

3)三维坐标系统转换。基于WGS84或CGCS2000坐标系统获取水下测量的数据，在实际工作中一般要求采用1985年国家高程基准坐标系，因此需要对数据进行坐标系统转换。通常在工程测量中，GNSS测量会联测当地的CORS系统，通常采用CGCS2000坐标系，若未联测CORS站，则需联测CGCS2000控制点，将WGS84坐标转换为CGCS2000坐标系。对于大地高程转换到1985高程基准坐标，可以采用高精度的似大地水准面精化模型。

2.5 水深数据精度检验

水深数据的精度直接关系水下DEM成果，必须进行精度检核，其检核方法为重复断面测量提取重合点或主测深线与检查线提取交叉点，通过计算重合点或交叉点之间的差值来评价其测量精度，此种方法是一种自检核查方法。水下地形测量不同于陆地测量，同一点同时进行两次观测的几率非常小，所谓的重合点或交叉点并不是绝对意义上的同一个点，需设定距离阈值，在阈值范围之内的点标定为重合点或交叉点，在实际计算时，可通过式(2)计算其内符合精度。

(2)

式中：M为内符合精度，m；Δ为重合点或交叉点高程差值；n为有效交叉点个数。

针对符合精度大于3倍中误差的交叉点，若该点是由于附近地形变化剧烈引起的，可不参与精度计算，但未参加计算的交叉点个数不得超过总交叉点个数的5%[15]。

2.6 水下DEM制作

单波束测深仪主要适用于河道断面测量，测深仪沿布设的测线采取单点连续的测量方法，由此种作业模式和方法获取的测深数据呈现出沿航迹数据十分密集，而在测线间没有数据的特点。在数据处理成图过程中，为解决测深数据分布不均问题，一般采用数据网格化内插方法来预测测线间数据空白区的水深变化情况和趋势[16-17]。在进行数据内插处理时，需分析地形变化趋势，对于地形变化平缓的区域可选择曲面拟合的方法，对于地形突变的地方，如河道的沟、坎处要沿沟坎方向进行线性拟合。

对数据经过内插处理后，即可利用软件构建不规则三角网。构建不规则三角网时，首先根据三维测点数据所呈现的地形走势勾划地形特征线。然后对三角网内地形突变处的沟坎区域、测区边界等合理性进行检查，检查原则是确保每一个三角形都是坡顶(角)线上相邻两点连接坡脚(顶)线上对应一点，避免由于三角网不合理产生的数字地形模型与实际地形不符；若不规则三角网构建合理后即可按照要求输出。

2.7 水下DEM精度评定

水下测量的特殊性，无法以人工测量的方式在水底进行RTK测量，借助搭载RTK设备和测深仪的无人船进行高程测量，完成水下DEM的精度评定。水下DEM精度评定包括内符合精度和外符合精度。内符合精度通过参与水下DEM制作的测点高程与DEM中该点的高程比较来统计DEM精度；外符合精度则需通过无人船完成点位测量，为了评定结果更加可靠，可在测区均匀选取多个区域，每平方千米应不少于15块面积为1 m2的区域，利用无人船在每一块区域进行定点测量，测量次数不少于10次，取平均值作为该区域的测量高程值，利用似大地水准面模型转换为1985年国家高程基准坐标系，然后与DEM区域的高程值做比较，进而可以统计其外符合精度。在相邻测线间选取的区域块，是DEM精度较弱的区域，其计算的精度更能反映DEM真实情况。

3 应用实例与分析

3.1 实例概况

以测量山西省某水库水下地形为例，采用华测华微3号无人测量船系统水下地形测绘，搭载单波束测深仪和GNSS-RTK设备，所有设备均在有效期内。图4为该水库库区的数字正射影像图，其中红线区域为施测水域，水库长度约5.8 km，最宽处约600 m，水深最深处约37 m。施测日期为2020年5月，实测天数10 d，施测水域面积约2 km2。

图4 水库库区DOM

3.2 精度指标

1)水深测量中，测图时定位点的平面位置中误差2 m。

2)在水深测量中，深度测量中误差按《无人船水下地形测量技术规程》(CH/T 7002-2018)要求执行，即测深范围Z∈(0,20] m时，极限误差为±0.2 m；测深范围Z∈(20,30] m时，极限误差为±0.3 m；测深范围Z∈(30,100] m时，极限误差为±Z×1% m。

3)测深检查线与主测深线相交处、单波束测深不同作业组相邻测段或同一作业组不同时期相邻测深段的重复测深线的重合点处，水深H≤10 m时，深度比对互查应不大于0.4 m；水深H>10 m时，深度比对互查应不大于0.04 m，重合点间距应在2 m内，且深度比对的超限点数应不超过参加比对点数的25%[18]。

3.3 测线水域范围确定

通过实地踏勘，该水库距离水域边界0.5 m处基本上满足无人船施测要求。因此，水域范围线最终采用无人船测量系统测量的方法确定该水库的水域施测范围。

3.4 测线布设与施测

观测点和插值点影响布设结果的准确度，测线间距选择过窄，虽然保证了测量数据精度，但会增加采集工作量、降低工作效率；测线间距选择过宽，插值点的精度会降低，难以保证测量数据精准性[19]。经综合分析，测区主纵线沿河道走向布设，测线间距布设为20 m，测点间距设置为1 m。检查线布设垂直于主测线，不少于2条。图5为该水库无人船水下测量航迹图，实测共采集点数107 920个点。

图5 水库库区无人船水下测量航迹

3.5 水深数据精度检核

首先将采集到的数据进行无人船吃水改正和数据的滤波处理，然后通过提取重复断面上的重合点以及检查线与主测深线的交叉点来进行精度检核。

本实例中重复测线上测点间距小于0.5 m的测点为重合点;测深检查线与主测深线相交处测点间距在1.0 m内的测点为重合点，经搜索得到满足条件的检查点数为7 990，参与精度评定的点数为7 228个，计算得高程中误差为0.116 m，超限点数762，超限比例为9.54%，满足超限点数不超过参加比对点数的25%的要求。

为了进一步检核水深数据的正确性，选择一条测线往返测了3次，即一条测线测了6次。测线长约185 m，测点间距1 m，每一次断面测量点数为185个点，为了比较测量精度，选择两次往返测量平面位置最近的两个点作为重合点比较。图6和图7分别为测线上重合点水平间距和垂直间距比较，从图6和图7中可以看出水平间距最大不超过0.35 m，垂直间距均在0.10 m以内，可见测深精度相对稳定，且精度较高。在实际测量过程中，会存在测点位置恰好将声波传到水中漂浮物后被反射的现象，这时测出的水深失真，测点数据突变，这时应根据该测点前后数据合理分析是否为噪点，若是噪点应剔除该测点数据;若为真实地形变化则应保留。

图6 测线重合点水平间距比较

另外，为了检验该无人船水深测量精度的稳定性也进行了相应的试验工作，即在该水库某一区域进行定点重复测量，设置等时间间隔为1 s的数据采集，共采集153个数据，如图8所示，由于测量时受水面微风以及水流的影像，无人船不可能完全静止不动，因此测点数据平面位置分布在边长为2 m的区域内，图8中的横纵坐标值进行常数平移处理。图9所示为每个测点的水深数据，从图8中可看出水深值分布在[1.37,1.71] m之间，经统计计算其平均水深值为1.57 m，中误差为0.09 m，由此可见该无人船在此水域的测量精度很稳定，可以保障测量结果的准确性。

3.6 水下DEM制作

水深数据精度满足规范和工程设计要求，然后按照“点号、经度、纬度、水底大地高”格式整理为文本文件。

由于采集到的坐标数据，为WGS84坐标系下的大地高程，转换为1985年国家高程基准坐标系下的数据，将WGS84坐标系的大地坐标转换为CGCS2000坐标系下的平面坐标。最后利用GIS软件导入坐标转换数据，进行展点操作、插值处理、构建TIN，最后生成DEM成果。

图7 测线重合点垂直间距比较

图8 定点重复测量平面位置分布

图9 定点重复测量水深数据分布

由于该水库水下测量设置测线间距为20 m，测点间距为1 m，测点数据分布极为不均匀，若直接进行TIN构建，其不规则三角网形状严重不满足三边近似相等的要求，因此需进行内插处理。常见的空间内插模型主要有样条函数法、反距离加权插值、普通克里金插值、自然邻域法等，通过对几种插值方法的比较分析，最终采用普通克里金插值法进行插值处理，然后构建TIN。在构建TIN时，根据所测三维水下测点数据分析其地形突变处，识别此类地貌后合理绘制地形特征线，作为约束条件限制不合理的TIN构建，TIN中存在不合理三角形，可修复TIN边线和处理长边，确保三角网中每一个三角形为近似等边三角形，避免出现钝角三角形或角度小于20°的锐角三角形。图10为插值处理后构建的TIN模型，图11为TIN模型局部放大图。最后利用GIS软件根据构建的合理的TIN模型生成本文试验区的水下DEM成果，DEM分辨率设为2.0 m，图12为DEM成果图，从图12中明显可以看出该水库水底地形情况，中间蓝色区域为水库最深处，且由北向南地势逐渐升高。

图10 构建TIN模型(全局图)

图11 插值处理后构建TIN(局部放大图)

4 结 论

文中详细阐述了智能无人船搭载单波束水下测量系统在河湖库区水下测量的过程，并详细分析了测量过程与数据处理各个环节的关键技术和注意事项。

1)根据无人船单波束测深系统的特性，主要适用于水下地形断面测量，该技术可以较完善地表现水底地形，但航线布设是难点，过宽的测线间距设计会忽略掉微地形的变化，而且在后续TIN构建时会增加数据处理的难度，同时也会影响最终DEM成果的精度；而过窄的测线间距又会极大地增加外业数据获取的工作量，降低工作效率，因此在实际测线布设中综合考虑成果精度和工作效率是一件较为困难的事情，条件允许情况下，要采集高精度的水下地形数据可使用多波束测深仪。

2)利用单波束测深仪进行水下地形数据采集时，测线间距与测点间距的严重不相符，导致构建的TIN形状不佳，必须进行空间插值处理，但空间插值又会引进插值误差，需根据原始采集数据预先分析水底地形走势，然后合理划分区域，采用插值模型，提高插值精度的同时地形走势更平滑、自然。

3)在水下测量中采用无人船测量方式，会出现无人船搁浅或被水草等障碍物阻挡无法施测问题，此种情况设计研发了避障功能的无人船，但是该技术还不是很成熟，会有判断失误的情况，因此最好的方式还是要在施测前进行测区踏勘，标注障碍区域以规避这一风险发生。