以滴水湖景觀帶水深測量為例介紹一套遙控測深船系統(tǒng)

孫濤

摘 要：通過介紹遙控測深船的構(gòu)成和運(yùn)行原理，結(jié)合部分理想環(huán)境下檢測實(shí)驗(yàn)和滴水湖景觀帶水深測量工程的實(shí)例，闡述遙控測深船的工作原理和適用環(huán)境，論述其測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性和在相關(guān)水深測量工程中應(yīng)用的可行性，說明此方法相比于傳統(tǒng)人工水深測量的優(yōu)勢所在。

關(guān)鍵詞：海綿城市；水深測量；遙控測深船；NMEA0183；單波束聲吶

中圖分類號：P208 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0088-02

1 概述

當(dāng)下，很多城市都出現(xiàn)過這樣的情況，每當(dāng)下大雨的時候整座城市就會變成一片“汪洋”，給人們的生活帶來了諸多不利。在這樣的背景下，“海綿城市”的概念就應(yīng)運(yùn)而生。然而，“海綿城市”的建設(shè)是一個長期的過程，我們首先需要掌握城市水體的具體情況。水深測量就是掌握城市自然水體和河道情況的具體方法、手段。水深測量作為海綿城市建設(shè)中不可或缺的重要手段，其應(yīng)用正在不斷得到深化和擴(kuò)大。不論是在河道疏浚、港口設(shè)計選址、內(nèi)陸防洪還是人工湖泊、圍海造田等工程，都需要進(jìn)行大面積的水深測量。通過水深測量可以得知某位置水面以下的深度，從而衍生得出水下地形地貌、航道上障礙物或水體體積等相關(guān)信息。

傳統(tǒng)的水深測量一般是人工利用測深錘或測深儀對個別點(diǎn)位進(jìn)行水深測量，這種測量方式費(fèi)時費(fèi)力，而且獲取的水深數(shù)據(jù)極其有限，無法滿足大面積水域測量的要求。從傳統(tǒng)的水深測量逐步發(fā)展到超聲波測深，但依然需要船只進(jìn)行拖拽，定位方式也只有精度較低的微波定位。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，尤其針對水上、水下作業(yè)等特殊環(huán)境下的測量，遙控、遙測技術(shù)已經(jīng)成為一種必然的趨勢，它不僅把測量人員從繁重、危險的工作中解放出來，而且還可以自動化采集大量數(shù)據(jù)。本文即以滴水湖景觀帶水深測量工程為例介紹一套遙控測深船系統(tǒng)。

2 遙控測深船系統(tǒng)構(gòu)造

遙控測深船由四個部分組合而成，它們分別為船體模塊、聲納測深模塊、平面定位模塊和無線遙控模塊。

2.1 船體模塊

船體模塊由船體、動力、主控和船體回歸單元構(gòu)成。其中船體單元是工程塑料制作的密閉、穩(wěn)定的船體，船艙中承載了動力單元、聲納測深模塊和平面定位模塊，各個系統(tǒng)合理的分布在船體中。經(jīng)過調(diào)整和測試，船體的吃水深度為0.15m。

動力單元由兩塊高容量鋰電池作為船體的動力來源，兩個馬達(dá)配套螺旋槳作為船體的動力輸出系統(tǒng)，螺旋槳后設(shè)置兩個舵來控制船體行進(jìn)方向。

主控單元是船體的中樞神經(jīng)。它包含通訊單元、船體回歸單元。通訊單元將各個傳感器采集的數(shù)據(jù)匯總起來，統(tǒng)一處理后再將數(shù)據(jù)分發(fā)給各個系統(tǒng)。它主要起到各個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和指令傳輸?shù)墓δ?，其中包含對無線遙控模塊發(fā)出指令的接收，同時將該指令處理后傳達(dá)給動力控制單元從而控制船體動作；也包含將各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)存儲在主控單元的SD卡上，然后將這些處理后的數(shù)據(jù)傳送給無線遙控模塊。

船體回歸單元是此測深船中比較特殊的單元。它是記錄本次船體運(yùn)行的起點(diǎn)，然后監(jiān)測電源剩余電量是否不夠返程或無線遙控模塊對船體失去無線鏈路控制時，主動發(fā)出指令使船體返回起點(diǎn)的單元。這個單元保證了船體在發(fā)生一些異常狀態(tài)的情況下可以自動回歸的行為。

2.2 聲納測深模塊

聲納測深模塊包含了回聲測深儀、水溫計和電子羅盤。回聲測深儀可以根據(jù)水體的深度、渾濁程度和淤泥厚度通過無線遙控模塊調(diào)整其信號強(qiáng)度，從而達(dá)到測量真實(shí)水深的目的。本回聲探測儀的測量范圍為0.5～80m。水溫計是通過測量水體溫度對不同溫度的水體中聲速進(jìn)行改正，其改正關(guān)系是：

校正水深=測定水深-（測定水深×0.0033）×（15-水溫）

即當(dāng)水溫為15℃時，聲音在水中傳播速度為1500m/s。

電子羅盤的作用是記錄船體在運(yùn)行期間的方位和姿態(tài)等信息。風(fēng)浪或船體轉(zhuǎn)彎時會給船體帶來一定的橫向和前后搖擺，這就使得測深儀測定的水深并非為垂直水深。因此，需要考慮到對船體姿態(tài)引起測深誤差的改正。

2.3 平面定位模塊

平面定位模塊是通過安裝在船體頂部，與測深儀同軸位置的GPS接收機(jī)組成。GPS采用美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式NMEA0183。該協(xié)議采用ASCII碼，其中包含$GPGGA、$GPGSA和$GPRMC三類信息，這三類信息分別對應(yīng)全球定位數(shù)據(jù)、衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)和運(yùn)輸定位數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)中包含了WGS84坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)、觀測衛(wèi)星數(shù)、PDOP值、測位是否為差分解等，它們都存儲在船體主控單元的SD卡上。

2.4 無線遙控模塊

無線遙控模塊由一臺安裝控制程序便攜機(jī)，由一個無線路由器連接便攜機(jī)和船體組成數(shù)據(jù)、指令的鏈路。其中便攜機(jī)既是人工控制船體的載體，又是測深船采集、處理數(shù)據(jù)后顯示、存儲數(shù)據(jù)的單元。即作業(yè)人員通過鍵盤或者手柄發(fā)出指令控制船體的行進(jìn)方向、速度和測深儀信號的強(qiáng)度，同時主控程序同步顯示船體采集處理后的實(shí)時數(shù)據(jù)，如船體的行進(jìn)路徑、速度、電門大小、舵方位、起點(diǎn)位置、當(dāng)前位置和水深、水溫，當(dāng)前電源的剩余電量等各類信息。

3 工作原理

3.1 平面定位原理

平面定位采用雙頻水上GPS接收機(jī)，設(shè)置為采樣間隔為1秒，采用廣域差分定位技術(shù)（SBAS），從而得到能夠滿足水深測量并且有較高精度的平面定位。其中廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)是由大量分布極廣的差分站（位置已知）對導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測，獲得原始定位數(shù)據(jù)（偽距、載波相位觀測值等）并送至中央處理設(shè)施（主控站），后者通過計算得到各衛(wèi)星的各種定位修正信息，通過上行注入站發(fā)給GEO衛(wèi)星，最后將修正信息播發(fā)給廣大用戶，從而達(dá)到提高定位精度的目的。GPS的觀測定位原理是通過GPS接收機(jī)觀測多顆衛(wèi)星，通過后方交會的原理確定接收機(jī)位置。所不同的是廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)將電離層延遲、衛(wèi)星鐘差等改正信息一同發(fā)送給用戶進(jìn)行改正，從而得到改正后的GPS觀測值。

3.2 水深測量原理

水深測量即測量測深儀從發(fā)出一束超聲波脈沖到其到達(dá)水體底部后返回測深儀的時間間隔，從而確定超聲波脈沖在這段時間內(nèi)行進(jìn)的距離。在水溫為15℃，不考慮含鹽水體和水深對聲速影響的情況下，聲音在水中的傳播速度為1500m/s，得出水深h=1/2×1500×t[1]。通過測定水溫，可以進(jìn)行水深測量的溫度改正。對于水體鹽度和水壓等其他影響測量精度的因素，通過經(jīng)驗(yàn)公式可以看出在一定的精度范圍內(nèi)可以忽略。

4 實(shí)驗(yàn)檢測

4.1 平面定位檢測

為初步檢測測深船平面定位精度是否滿足日常水深測量的需要，特制定了檢測方案如下：選取周邊地形開闊的若干地點(diǎn)，分別將船體開機(jī)后靜置十分鐘，然后在對應(yīng)船體GPS接收機(jī)的位置利用上海市CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行平面位置測量，最終取得若干組船體和RTK對若干點(diǎn)位測量的平面位置。具體數(shù)據(jù)見表1。

通過表1我們可以看到三個點(diǎn)位中，船體GPS測量值和RTK測量值緯度最大差值為-0.0134秒，初步估計對應(yīng)城市平面坐標(biāo)約為36cm；經(jīng)度最大差值為-0.0129秒，初步估計對應(yīng)城市平面坐標(biāo)約為40cm?？紤]到平面定位精度，暫參考《JTJ203-2001水運(yùn)工程測量規(guī)范》中要求，在大于1：5000比例尺的工程中，測深定位點(diǎn)點(diǎn)位中誤差限制要小于圖上1.5mm，對于1：1000比例尺地形圖，點(diǎn)位誤差要小于1.5m[2]，可見測深船的平面定位精度完全滿足水運(yùn)工程測量的要求。

4.2 水深檢測

水深檢測選取一個蓄滿水的標(biāo)準(zhǔn)游泳池，在其水面靜止時將測深船分別放置在三個不同深度的區(qū)域進(jìn)行水深測量。同時，使用測深桿或金屬水準(zhǔn)尺進(jìn)行水深校核。最終在三個不同位置測得的水深見表2：

通過表2，我們可以看到在常規(guī)理想情況下，兩種方式測得的水深最大差值僅為2cm?！禞TJ203-2001水運(yùn)工程測量規(guī)范》中要求在水深小于20m時，深度誤差限差為±0.2m；在水深大于20m時，深度誤差限差為±0.01×深度。由此可見，測深船的水深測量精度也完全滿足水運(yùn)測量的要求。

以上檢測均為理想環(huán)境中的初步檢測，不考慮其他額外因素，僅從半理想狀態(tài)驗(yàn)證了測深船的平面和水深測量精度。因此，測深船的適用性、可用性等還需要進(jìn)一步在實(shí)際工程環(huán)境中檢驗(yàn)。

5 應(yīng)用實(shí)例

本工程為上海市浦東新區(qū)臨港地區(qū)滴水湖沿湖景觀帶改造工程。由于改造的需要，本工程需要測定湖區(qū)沿環(huán)湖一路長度約4公里，沿岸寬度80m范圍內(nèi)的水深。

圖1為本工程中局部地區(qū)的數(shù)據(jù)，圖中可見在兩條航跡交會地點(diǎn)，位置1中所測深度相差1cm，位置2中取0.85和0.87的平均數(shù)為0.86，故位置2所測深度相差1cm。其余數(shù)據(jù)中航跡交會的地方情況也大致如此。因此，在短時間不考慮水位變化影響的情況下，測深船深度測量的內(nèi)符合性可以得到驗(yàn)證。同時，在測深船采集數(shù)據(jù)的同時，為檢測測深船的可靠性，我們同時抽取測深船航行路徑上個別點(diǎn)位利用測深桿進(jìn)行數(shù)據(jù)校核。最終得到兩組水深數(shù)據(jù)的互差都在±10cm以內(nèi)，因此，可以確認(rèn)測深船的測量數(shù)據(jù)基本可靠。

6 結(jié)束語

通過介紹本遙控測深船系統(tǒng)的構(gòu)成和運(yùn)行原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)確定其滿足常規(guī)水深測量的要求。在實(shí)際使用過程中，無人遙控測深船可以滿足絕大多數(shù)野外情況的水深測量。相比于傳統(tǒng)的人工測量方法，測深船將作業(yè)人員從大量而危險的勞動中解放出來，更為難得的是將野外數(shù)據(jù)采集的密度由原來的散點(diǎn)方式變?yōu)楝F(xiàn)在的線性方式，使作業(yè)人員更容易發(fā)現(xiàn)水下地形變化的趨勢?？梢灶A(yù)見無人遙控測深船在今后的生產(chǎn)中將不斷發(fā)揮其難以替代的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]桑金.水深測量中的聲速改正問題研究[J].海洋測繪，2006，6（3）.

[2]JTJ203-2001.水運(yùn)工程測量規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2001.