基于无人船测量系统的水下地形测量研究与应用研究

摘 要：水下地形测量是航道整治作业的重要内容，需要对水下地形测量相关内容展开深入研究。基于此，将水下地形测量作为研究对象，分析无人船测量系统，研究其应用优缺点，从架设基准站、规划航线、数据采集、数据处理、误差分析、精度评价等维度，系统性分析无人船测量系统在水下地形测量的应用，旨在为更多测量单位提供技术指导，提高水下地形测量质量，建立安全可靠的航道系统。

关键词：无人船测量系统；水下地形测量；技术应用

中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）07-0082-03

1 无人船测量系统结构组成

1.1 船体

为提升无人船移动的灵活性，在选择船体材质时，可以优先考虑聚酯碳纤维材质。船体质量相对较小，在抗风浪、防水防尘等均有较好表现。在实际应用中，还可以根据搭载仪器设备数量、规格，对无人船大小进行调节，增加无人船测量系统的适用性

1.2 定位系统

利用发送GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）信号的方式，让无人船在水域上实现精准定位。测量人员可以通过软件系统确认无人船当前所处位置，查看是否偏离航道，以便快速调整无人船运动轨迹，降低测量数据误差。

1.3 测深系统

根据水域测量的具体需求，设置测深系统的工作指标，精准获取水域深度信息。无人船测量系统本身不承担数据分析或处理工作，在获得测量数据后，会立刻传递给控制系统，由控制系统将数据转移到软件系统中，对测量数据做精细化处理，从源头上实现快速提高测量数据处理效率目标。

1.4 控制系统

测量人员在水域岸边搭建由基准站、通信设备等构成的控制系统。在实践当中，测量人员可以根据场地条件，选择自行架设用于通信、控制的基准站。对于无人船运动轨迹与姿态控制软件、测量数据处理软件，可以考虑直接引入相应的软件系统即可。

对于通信设备，则要确认水域是否存在信号干扰源，是否需要做信息保护处理，选择合适的通信设备，进行无人船与基准站的通信联络[1]。无人船测量系统可以应用于潜水物种监测、水下地质勘探、水下地形测量等领域，本文将从水下地形测量的角度开展相关研究。

2 无人船水下测深系统分析

作为无人船测量系统核心组成部分，现阶段应用的测深系统可以细化为单波束与多波束两类。两者工作原理均是通过安装在无人船上的换能器，以垂直向下的方式，向水域发射脉冲声波。在声波撞击到水下物体时发生反射，再获取回波，通过对比两种波形的方式，完成水下地形的测量任务。

2.1 单波束测深系统

单波束测深系统是采用若干换能器，系统构成相对简单，在实践中需要对无人船进行定位处理，调整吃水数据，不会产生复杂的内业数据。在面对水下环境较为接近的两个测量点位时，单波束测深系统无法获取微地形数据，即测量精度相对较低。如果提高测量精度，就要提高测线的密度，这在一定程度上提升了无人船测量系统的投资成本。

2.2 多波束测深系统

多波束测深系统是采用多个换能器单元，通过构成换能器阵列的方式，对水域发射若干波束，并接收不同方向的回波波束，以条带测量方式，确认水下地形的真实情况。多波束测深系统在应用中，可以极大提升测量范围，获取拥有较高精度的测量数据，测量效率较高。而且多波束测深系统成功打破单波束测深系统仅能处理点、线等测量技术壁垒，以面的方式开展高精度测量，现阶段可以达到对水下地形的三维立体化测量，强化水下地形的描述效果。

如果对接计算机系统，其还可以实现自动化成图。正因为多波束测深系统拥有这样的优点，所以被广泛应用在以海底为代表的大范围水下地形测量作业中。不过多波束测深系统的组成结构相对复杂，实践操作步骤多，内业数据处理相对较难。如果在无人船测量系统应用中，单波束与多波束测深系统均可以应用，优先选择单波束测深系统，不仅有利于提高使用便捷性，还可降低无人船测量系统的投资成本[2]。

3 无人船水下测绘的优缺点分析

在以往的水下测绘作业中，需要测量人员通过仪器设备，确认各个测量点位的深度数据，通过计算机完成数据的整理，确认水下地形。但这种方法对于测量人员的工作经验、仪器设备测量精度等有较高要求。而且搭乘测量人员的船只规模相对较大，不能移动到一些面积相对较小的水域中。如果遇到大雾、暴雨等天气，测量人员可能会面临较大的人身安全风险。

在应用无人船水下测绘后，测量人员在岸上控制无人船移动到指定测量点位，获取相应的深度数据即可。测量人员在获得由无人船搭载仪器设备传输的深度数据后，通过计算机进行自动验证与分析，极大降低对测量人员的专业能力依赖。相比于可以搭乘测量人员的船只，无人船体积更小，可以抵达湖泊、水库、河道等水域开展测量作业，极大提升水下测绘作业的可行性。

无人船水下测绘也存在一定的缺点，即测量单位需要采购无人船设备，为保障测量数据精度，需要购置更先进的仪器设备，对于测量单位的资金能力提出一定要求。以华微3号pro无人船为例，其采购价为20万元，如果对测量具有其他要求，还需要额外购置例如防水仓、防水涂料等。如果是传统的测量仪器，其采购价格在1 000元左右，租用船只价格为3 000～15 000元。通过数据分析可以发现，无人船测量系统的前期投入相对较大。

4 无人船测量系统在水下地形测量的应用

在2022年度石屏县异龙湖水下测量项目中，主要工作通过开展异龙湖界桩范围内水体的1：1 000水下地形测量，获取DEM成果，为异龙湖水环境调查评价提供基础，为信息化平台“一张图”奠定基础。2023年度个旧市金湖水下测量项目中，主要工作通过开展个旧金湖水体的1：500水下地形测量，获得DEM成果，为个旧金湖水环境调查评价提供基础。这就需要掌握该项目所在的水下地形真实情况。

在异龙湖水下测量项目中，需要测量面积为36 km²的水域，最大水深为8 m。因为本项目所处的水域面积较大，平均水深相对较浅，流态相对较乱，无法采用常规的水下地形测量技术，所以在综合分析后，决定使用无人船测量系统。

华微3号pro无人船的船身材料选择聚酯碳纤维，搭载单波束测深仪+三维激光扫描仪，对水下地形测量数据做实时化采集。根据测算，该无人船在搭载设备情况下，拥有6 m/s的最大航行速度。使用CORS基准站通信模式，有效控制距离可达2 000 m，探测深度在0.15～300 m。

4.1 架设基准站

通常情况下，在无人船测量系统的基准站架设作业中，可以考虑使用网络、CORS（Cross-Origin Resource Sharing，跨域资源共享）、电台等通信模式。本项目水域周边拥有较为开阔的地形条件，GNSS信号不会受到构筑物的过多遮挡，无大功率的信号干扰源，可以在水域周边建设CORS基准站。

对本项目开展平面定位，用于辅助水下地形测量作业。在视野开阔的位置选择一处控制点位，架设CORS基准站，连接用于发射控制信号等设备，通过调整信号频率，连接无人船搭载设备，进行数据校核处理。达到水下地形测量数据精度后，再进行无人船的组装、设备的安装作业。再次调整无人船定位数据与设备测量数据，确认控制台信息满足水下地形测量预测方案后，将无人船推入水域中，正式开始后续的水下地形测量作业[3]。

4.2 规划航线

在水下地形测量作业中，需要做好无人船的航线规划工作。通常情况下，增加测量点位的密度，就可以获得更为精准的水下地形数据，进而实现精准分析水下地形真实情况。

在设置测量点位密度时，需要根据航线间隔、测量点位间距两种因素综合分析。考虑在使用测深仪的基础上，综合应用GPS（Global Positioning System，全球定位系统）-RTK（Real - time kinematic，载波相位差分技术）技术，以适当控制航线上的测量点位间隔方式，匹配多种比例尺标准的水下地形测量需求。如果测量点位间隔过大，获取的水下地形可能会出现一定程度的误差；如果测量点位间隔过小，则会增加后续数据处理工作量。

在本项目中，水域形状狭长，测量单位将水域划分成5个测量区域，参考河道走向，以垂直方向设置各个测量区域的测线，并且在每个测量区域设置2～3条的重合测线。参考《水运工程测量规范》（JTS 131-2012），以垂直测线的方式，设置检查线。在本项目中，设置400条测线+10条检查线。

4.3 数据采集

在完成无人船的航线规划工作后，确认无人船是否连接牢固，仪器设备是否正常运行，做好无人船与设备的加固处理后，通过控制台，引导无人船沿着航线，根据距离进行测量，测量点位间距保持在5 m左右即可。在这个过程中，仪器设备获取的水下地形数据，会通过CORS基准站进行传输，完成远程无人船控制与精准数据获取。

4.4 数据处理

在数据处理过程中，需要根据仪器设备获取的各类数据，对无人船的水位、运动姿态等进行调整，提高数据获取精准。在本项目中，水域深度相对较浅，拥有较大的流速，在无人船航行过程中，无人船运动姿态不需要做过大调整，即可获取精度较高的水下地形数据。

在无人船测量系统中，搭载回声探测测深仪，通过发射声波-捕获回波的方式，确认水域水下地形的真实情况。但是，在声波发射过程中，可能会遇到水草、鱼群等障碍物，也会产生水下地形类似的回波。针对这种情况，可以通过数字滤波技术，将异常回波数据筛除，保留正常的水下地形回波数据即可。对于特殊的回波数据，则要依靠测量人员进行人工检查与筛除作业。

4.5 误差分析

将无人船测量系统应用到水下地形测量作业中，可能会出现数据误差，误差来源可以细化为无人船定位、运动等误差。为提高本文内容的参考价值，将对无人船运动过程中产生的平面位置误差与水下地形测量的声速误差进行详细分析。

对于平面位置误差，是在无人船运动过程中产生的船体姿态变化，造成GNSS的天线、换能器出现位置偏差，产生相应的平面位置误差问题。平面位置误差D可以通过公式（1）表示。

D=（H+L）sinδ （1）

其中，δ是无人船在横摇、纵摇期间发生的角度偏差；H是测深仪测量水下地形深度；L是GNSS天线与水面的距离。若想有效降低平面位置误差，测量人员在控制无人船时，需要保持匀速航行。如果遇到风浪，则要降低无人船的运动速度；在转弯位置，则要做到缓慢转弯，避免出现拐死角的运动姿态。

对于声速误差，则受水体温度、含盐度、浑浊度等多种因素影响，计算公式可以参考公式（2）。

C=1 450+4.206T2-0.0366+1.137×（S-35） （2）

其中，C为水体中的平均声速；T为水体温度；S为水体含盐度。在本项目中，水体含盐度相对稳定，需要关注水体温度问题。建议在清晨开展水下地形测量作业，避免阳光辐射提高局部水体的问题，影响声波传递与回波捕获效果。

在水下地形测量实践中，可能出现跳点现象，即测量数据出现大幅度波动。测量人员需要在数据处理过程中，将引起跳点现象的测量数据手动删除，避免影响后续数据分析，降低水下地形测量误差。

5 基于无人船测量系统的水下地形测量技术数据精度评价

基于无人船测量系统的水下地形测量作业，需要做好数据精度的评价工作，确认测量数据是否可以真实反映水下地形真实情况。一般情况下，会使用等精度观测方法检测水下地形深度测量数据的精度，即前期通过设置与测线垂直的检查线，后期处理测线数据与检查线数据，检查两者的重合点位数据差异，确认是否处于数据测量误差精度范围。在本项目中，设置400条测线+10条检查线，以随机选择的方式，抽取500个测量点位的数据，计算测线与检查线标准差等数据。

通过数据整理，可以确认测线与检查线标准差为0.09 m，小于0.4 m的标准限差。其中，误差＜0.1 m的数据占比约为97%；误差＞0.3 m的数据占比为0%，符合技术指标。可以证明，基于无人船测量系统的水下地形测量方案，可以反映该航道整治构筑物修复项目的水下地形真实情况。

6 结束语

将无人船测量系统应用到水下地形测量作业中，需要根据实际测量条件，选择合适的无人船型号及搭载设备，结合本文理论内容，设计出一套完善的水下地形测量方案。在方案执行过程中，需要做好前期数据采集、后期数据处理工作，合理控制数据误差，通过数据真实还原水下地形情况，方便后续对航道系统进行整治作业。希望更多测量单位可以对无人船测量系统进行多角度分析，加强系统相关应用。

参考文献

[1] 于南洋，董堰川，孔淋淋.水下地形测量中无人船测量系统的应用[J].中国水运，2023（9）：93-95.

[2] 乔晨辉，何小安.轻型无人船水下三维地形测量方法探讨[J].产业创新研究，2023（16）：123-125.

[3] 毛镇南.黄龙带水库库容曲线复核及淤积现状分析对策[J].云南水力发电，2023，39（8）：299-303.