輕型無人船水下三維地形測量方法研究

高得力

中國葛洲壩集團(tuán)第六工程有限公司 云南昆明 650000

水下地形測量是大壩工程測量的重要組成部分，是為壩工設(shè)計(jì)服務(wù)的一項(xiàng)重要技術(shù)工作。對保障大壩設(shè)計(jì)質(zhì)量具有不可替代的作用。

在水電工程建設(shè)中，大壩的設(shè)計(jì)階段需要對壩址區(qū)進(jìn)行水下河床地形測量，當(dāng)壩址處于河道不規(guī)則、水流急、流速快、落差大的河段時(shí)（河流條件見圖1），采用常規(guī)測量船進(jìn)行壩址水下地形測量的方法難以實(shí)施。測量船在復(fù)雜水情河面很難穩(wěn)定進(jìn)行水下地形測量數(shù)據(jù)采集，同時(shí)因此類河段一般暗礁遍布形成多個(gè)暗流漩渦以及水中氣泡水花等，影響測深儀超聲波的測深數(shù)據(jù)的真實(shí)性，也影響地形數(shù)據(jù)點(diǎn)采集分布密度的完整性；一般水深測量平面位置采用岸上測量儀器采集或采用GPS單點(diǎn)定位獲取，該類河段水下地形測量還存在水下地形數(shù)據(jù)平面位置與深度數(shù)據(jù)難以同步匹配的問題；同時(shí)在此類河段利用測量船進(jìn)行水下地形測量給船上的測量人員帶來較大安全風(fēng)險(xiǎn)，如采用無人搖控測量浮船進(jìn)行作業(yè)，在復(fù)雜水流條件河段將難以受控，將嚴(yán)重影響到測量數(shù)據(jù)的精度和完整性，必須研制一種輕型無人船通過岸上人員手動(dòng)牽引操控來實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)以及在急流水面上任一點(diǎn)能穩(wěn)定就位，數(shù)據(jù)采集過程中浮船不發(fā)生漂移和傾覆。

圖1 復(fù)雜水流條件的河流

為了解決上述問題，選用無人測量浮船并進(jìn)行改造使其在復(fù)雜水流條件下能平穩(wěn)作業(yè)，同時(shí)搭載先進(jìn)的高精度測量儀器進(jìn)行水下地形測量，并研究出可靠的浮船操控及測量方法，實(shí)現(xiàn)了急流大落差河段壩址水下精確測量，并在安哥拉卡古路卡巴薩水電站項(xiàng)目成功應(yīng)用，形成了一套成熟的急流大落差河段水下地形測量方法。為類似的水下地形測量提供了技術(shù)支持，具有一定的指導(dǎo)意義。

1 測量步驟、方法及原理

1.1 工藝流程

水下地形測量具體步驟是：準(zhǔn)備工作（現(xiàn)場踏勘、資料收集、觀測計(jì)劃、儀器人員組織、儀器配置與檢查）→技術(shù)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)依據(jù)、精度、基準(zhǔn)）→外業(yè)實(shí)施（布設(shè)斷面、現(xiàn)場施測）→外業(yè)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)預(yù)處理→數(shù)據(jù)處理→檢查、精度評(píng)定→資料整理與提交。

1.2 主要設(shè)備配置

（1）增設(shè)配重裝置的簡易浮船。浮船見圖2。

（2）GPS設(shè)備。GPS機(jī)器通過全球定位系統(tǒng)GPS工作?；驹硎切l(wèi)星不斷發(fā)送其星歷參數(shù)和時(shí)間信息，在接收到這些消息之后，用戶使用測距切除原理來計(jì)算接收。用于定位和導(dǎo)航的3D坐標(biāo)，運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間等信息。

（3）測深儀。測深儀是單光束發(fā)聲裝置，工作原理是使用換能器在水中發(fā)出聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物并被反射回?fù)Q能器時(shí)，聲波根據(jù)聲波的時(shí)間和測量水中的聲波傳播，速度可用于找到障礙物和換能器之間的距離。根據(jù)使用的聲波數(shù)量，可以分為單頻和雙頻，單頻發(fā)聲器僅用于一般水深測量，雙頻發(fā)聲器可以同時(shí)測量巖石的表面深度和深度。

圖2 牽引式浮船船圖

1.3 測量方法

水下地形測量是使用測量儀器確定水下地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)的過程。在“GPS +計(jì)算機(jī)（包括數(shù)據(jù)處理軟件）+數(shù)字測深儀”的測量模式中，GPS的RTK功能（Real TimeKinematic，實(shí)時(shí)載波相位差技術(shù)是兩點(diǎn)載波相位實(shí)時(shí)處理的差異）該方法可實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場厘米級(jí)定位精度，大大提高野外作業(yè)效率，獲得水面點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，通過發(fā)聲器獲取水深。 ，最后計(jì)算垂直對應(yīng)點(diǎn)的水。地形點(diǎn)的三維坐標(biāo)如下：

第一，在測量開始之前，將參考站設(shè)置在測量區(qū)域附近地形較高的位置，并相應(yīng)地設(shè)置相應(yīng)的局部投影和橢球參數(shù)，并使用較高級(jí)別的控制點(diǎn)進(jìn)行校正；第二，設(shè)置RTK后，選擇較窄的河道，用細(xì)線將對岸牽引鋼絲繩穿過河道，并將鋼絲繩固定在鋪設(shè)剖面線兩端附近的大石塊上；第三，用約5米長的尼龍繩的一端用鎖固定在船上，另一端用箍連接，箍放在穿過河的鋼絲繩上。環(huán)可以在鋼絲繩上移動(dòng)并用作安全繩，以防止水沖走船；第四，為了防止浮船向前或向后轉(zhuǎn)動(dòng)，可將扣環(huán)固定在船首或船尾，并用足夠厚的尼龍繩固定在浮船的兩側(cè)，以改變浮動(dòng)船的力點(diǎn)。浮船。浮橋可以在繩索的牽引下沿預(yù)先設(shè)置的剖面線平穩(wěn)地移動(dòng)，以進(jìn)行水下地形測量；第五，進(jìn)行水下地形測量時(shí)，左右兩側(cè)設(shè)有一名技師和兩名輔助測量員進(jìn)行操作；左右兩側(cè)使用對講機(jī)在拉繩和松繩的過程中進(jìn)行通信，并聽取專業(yè)技術(shù)人員的統(tǒng)一指揮。使船在鋪設(shè)的部分上平穩(wěn)移動(dòng)；第六，探測數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在儀器中，并通過無線信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨哆吂P記本電腦。實(shí)時(shí)顯示測量區(qū)域的水深曲線，及時(shí)發(fā)現(xiàn)儀器采集的數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)是否有異常，數(shù)據(jù)可以隨時(shí)重新測試。異常區(qū)域，數(shù)據(jù)故障排除和及時(shí)處理，大大提高了數(shù)據(jù)的可靠性；第七，字段數(shù)據(jù)收集完成后，字段收集的數(shù)據(jù)將被導(dǎo)出，并簡單地處理成．dat數(shù)據(jù)格式。商業(yè)軟件Southern CASS繪圖軟件將用于開發(fā)輪廓以生成輪廓線或輪廓線。在區(qū)域的實(shí)際情況下，應(yīng)對地形圖進(jìn)行編輯和修改，輪廓線或等深線應(yīng)平滑，符合自然變化規(guī)律，形成最終的水下地形測量結(jié)果。

具體操作如3示意圖所示：

圖3 牽引式浮船船工作平面示意圖

1.4 原理

（1）為便于人員在兩岸通過繩鎖對無人浮船進(jìn)行牽引，選用的浮船為輕小型無人船，在水流湍急且暗流漩渦遍布的河面該浮船難以操控和就位，為解決此問題，在浮船上部安裝了配重裝置，將船體重量適當(dāng)增加，配重裝置采用角鋼制作成型，安裝固定在船體上部，調(diào)整該配重裝置的位置，使船體的重心稍偏向前端，并將牽引繩掛點(diǎn)設(shè)置在配重裝置前端，浮船在運(yùn)行時(shí)，船體在水面為逆水方向牽引移動(dòng)，加之配重作用，船體可以穩(wěn)定受控。船體運(yùn)行情況見圖4。

圖4 測量浮船運(yùn)行圖

（2）通過岸上兩側(cè)由人工同時(shí)對浮船施加外力牽引，使有效控制測量浮船的移動(dòng)軌跡、使測點(diǎn)可以任意遍布水面各坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)測區(qū)水域的有效全覆蓋。同時(shí)船體的移動(dòng)速度和船體姿態(tài)易于控制，能獲取完整的水下地形數(shù)據(jù)。

（3）一般水深測量平面位置采用岸上測量儀器采集或采用GPS單點(diǎn)定位獲取，存在水下地形數(shù)據(jù)平面位置與深度數(shù)據(jù)不同步匹配的問題，通過在船體中搭載GPS儀，與測水深儀器同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取高精度三維坐標(biāo)。船體中搭載的GPS儀做好有效固定和防水措施，防水采用塑料膜包裹密封處理，同時(shí)為解決GPS儀器數(shù)據(jù)傳輸，在岸邊架設(shè)GPS基站獲取船上GPS儀傳遞的數(shù)據(jù)。

2 測量精度控制

水下地形測量的準(zhǔn)確性受測量參數(shù)精度，空間電磁環(huán)境，船體搖擺，測深儀采樣率，GPS和測深儀測量時(shí)間差等因素的影響，可以通過技術(shù)手段削弱或消除一些影響。一些效果一般不可以消除。

坐標(biāo)變換參數(shù)和高程擬合參數(shù)精度與RTK定位測量的精度直接相關(guān)。參數(shù)精度不僅與已知點(diǎn)的精度有關(guān)，而且與已知點(diǎn)的位置和數(shù)量有關(guān)。已知點(diǎn)的精度要求應(yīng)與調(diào)查區(qū)域和工程技術(shù)相適應(yīng)。一方面不可能追求高精度。水下地形測量的精度要求低于陸上地形，現(xiàn)有的控制測量結(jié)果用于確定參數(shù)?？梢詽M足要求。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)可以是4個(gè)參數(shù)；測量范圍約為1萬，不需要表面擬合，高程表面可以平移或加權(quán)平均擬合。

RTK定位的過程是基站和移動(dòng)臺(tái)之間的單個(gè)基線過程，并 且必須確?；竞鸵苿?dòng)臺(tái)之間的無線電信號(hào)傳輸是連續(xù)和平滑的。在整個(gè)調(diào)查區(qū)域應(yīng)考慮基站的位置。應(yīng)遠(yuǎn)離各種產(chǎn)生強(qiáng)電磁輻射的設(shè)施，如無線電發(fā)射設(shè)施，高壓線路，變電站等，并應(yīng)在廣闊的地形和高地形中豎立。

在測量過程中，GPS流動(dòng)站應(yīng)保持RTK的固定解決方案。當(dāng)鎖定的衛(wèi)星數(shù)量不足或衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量不好時(shí)，應(yīng)立即停止測量，當(dāng)鎖定的衛(wèi)星數(shù)量和衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量滿足要求時(shí)，應(yīng)繼續(xù)測量。

RTK接收天線和測深儀傳感器盡可能安裝在同一探測桿上，使傳感器吃水深度與RTK天線高度之和為固定值，便于測量吃水深度和天線高度，可以減少負(fù)荷由船舶的速度和航向的變化引起的船舶起伏搖擺造成的水深測量。為了防止水下障礙物刮擦測深儀傳感器，傳感器不應(yīng)低于船底。通常，在靠近岸邊測量時(shí)，水應(yīng)不小于 0．5 米。

應(yīng)該在每天工作前調(diào)整發(fā)聲器的聲速。由聲速引起的水深測量的絕對誤差與水深值成比例。淡水中的理論聲速為1500米閏秒，通常在1300到1650之間；海水中的聲速略大于淡水中的聲速。聲速隨著水溫的升高而增大，聲速的變化率隨著水溫的升高而降低。在0℃和35℃之間，聲速的變化率從5m/℃降低到2m/℃。當(dāng)聲速誤差為10米/秒時(shí)，當(dāng)水深為2米時(shí)，水深測量的絕對誤差約為14毫米，當(dāng)水深為10米時(shí)水深測量的絕對誤差達(dá)到約70毫米，水深50米時(shí)水深測量的絕對誤差達(dá)到340毫米左右。根據(jù)測量區(qū)域的水深，可以通過測量桿，鋼尺或發(fā)聲錘測量水深。在與發(fā)聲器測量的水深進(jìn)行比較之后，調(diào)整并重復(fù)發(fā)聲器的聲速，直到滿足水深測量精度。

船舶測量和深度測量在導(dǎo)航狀態(tài)下進(jìn)行。 RTK和發(fā)聲器不一定是同步的。 RTK采樣通常在水深采樣之后。在水下地形條件下，測量精度影響不大；當(dāng)?shù)氐臐摿艽蟆８臅r(shí)，測量引起的測量誤差很大，導(dǎo)致繪制的輪廓線呈波浪狀。測量時(shí)，速度應(yīng)穩(wěn)定。當(dāng)RTK測量頻率為1秒時(shí)，速度不應(yīng)大于每秒的采樣間隔，這樣每次水深采樣間隔都有RTK采樣數(shù)據(jù)，當(dāng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時(shí)，水深可以全面處理。船速校正功能得到糾正。

測量應(yīng)在小風(fēng)浪期間進(jìn)行。轉(zhuǎn)彎時(shí)，船體大大擺動(dòng)。不應(yīng)使用數(shù)據(jù)。嘗試轉(zhuǎn)到測試區(qū)域外。

由于水下漂浮物體的影響，在采集水深樣本時(shí)，或者在形成三維數(shù)據(jù)文件之后，可以消除水深測量數(shù)據(jù)中的誤差，根據(jù)等深線的平滑度和間距繪制等高線圖。找出后刪除錯(cuò)誤的水深數(shù)據(jù)。

為了確保可靠的測量結(jié)果，在測試之前和之后需要對GPS和測深儀進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查。對于GPS，流動(dòng)站可用于測量已知點(diǎn)并與已知坐標(biāo)進(jìn)行比較以滿足精度要求。對于測深儀，應(yīng)通過測量繩測量水深，并與測深儀面板上顯示的深度進(jìn)行比較。

另外，在不同時(shí)間段對相同水域進(jìn)行重復(fù)測量，并比較相鄰測量點(diǎn)的高度。如果差異不大，則在測量過程中始終保持相同的測量精度，并且通常在沒有事故的情況下執(zhí)行測量操作。測量結(jié)果也可以通過常規(guī)方法檢查，例如使用全站儀。全站在岸上豎立，統(tǒng)治者乘船到水中的垂直鏡桿。當(dāng)桿高度不夠時(shí)，繩索可用于輔助。映射后比較相鄰點(diǎn)的高程。

數(shù)據(jù)驗(yàn)證通常采用多種方法相結(jié)合，以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，提高測量結(jié)果的可靠性。

3 安全控制

根據(jù)施工安全規(guī)定，主要針對水下地形測量工作采取以下安全措施：第一，嚴(yán)格按照設(shè)備的使用說明操作設(shè)備，確保設(shè)備的安全性能，檢查浮船的密封性能，確保船體不滲透，并固定牽引尾端繩索到岸邊的樹木或巖石[1]。繩索保護(hù)用于沖洗儀器漏水，造成嚴(yán)重?fù)p壞；第二，水下地形測量人員必須配備合格的救生衣和防滑鞋。嚴(yán)禁在河邊玩耍，在河里游泳；河岸上密布著石塊，始終注意腳下的安全，防止瘀傷和跌落；在河岸上放置帶繩索的救生圈，以防止在發(fā)生事故時(shí)及時(shí)救援；雨天的石頭表面很滑，嚴(yán)禁水下地形。

4 環(huán)保措施

本方法充分考慮了環(huán)保要求，動(dòng)力為繩索牽引力，GPS和測深儀均為可充電鋰電池提供電源，對河流無污染，主要是岸上人員生活垃圾的收集處理，確保施工現(xiàn)場清潔。

5 結(jié)語

安哥拉卡古路卡巴薩水電站項(xiàng)目采用簡易浮船和高精度儀器相結(jié)合的方法即牽引式船載GPS測深儀一體化裝置進(jìn)行水下地形測量工作，操作簡單、方便、快捷、輕松、高效、經(jīng)濟(jì)，同時(shí)由于測船速度較慢，船體穩(wěn)定，容易控制，測量方法合理、測量質(zhì)量優(yōu)良、內(nèi)業(yè)采用科學(xué)嚴(yán)密的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，各項(xiàng)測量指標(biāo)及成果都達(dá)到測量規(guī)范要求的精度，成果精確可靠。