無人船在水下地形測量中的應(yīng)用與探討

高艷

(蚌埠市勘測設(shè)計研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

水下地形測量就是在水下應(yīng)用一定的測量儀器對地形進行的測量，一般通過確定三維坐標來實現(xiàn)測量。它一般包括海洋地形測量、河流水下地形測量和各種湖泊的水下地形測量。目前，水下地形測量方法主要有兩種，分別是水位減水深的傳統(tǒng)測量方法和GNSS-RTK減去水深測量方法。水下地形測量最常用的系統(tǒng)就是單波束測深系統(tǒng)，它由單波束測深儀(加換能器)、定位系統(tǒng)、采集軟件三部分組成。目前，無人船在水下地形測量中的應(yīng)用，極大提高了工作效率和質(zhì)量。

2 無人船測量系統(tǒng)和工作原理

無人船是一種可以遠程操控，也可以借助精確GNSS衛(wèi)星定位和自身傳感即可按照預(yù)設(shè)任務(wù)在水面航行的全自動水面機器人，英文縮寫為USV。

2.1 無人船測量系統(tǒng)基本原理

無人船系統(tǒng)分為船體系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)，船體系統(tǒng)包含避障、視頻系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船體構(gòu)造，作業(yè)系統(tǒng)包含測深系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)。

無人船測量系統(tǒng)是整個無人船系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著水深測量和導(dǎo)航定位任務(wù)，整個測量系統(tǒng)主要由數(shù)字測深儀、姿態(tài)傳感器、GNSS接收機、全角度攝像頭及距離傳感器等多種高精密傳感設(shè)備。其基本測量原理如圖1所示。

整個系統(tǒng)的導(dǎo)航定位采用GNSS-RTK動態(tài)差分定位原理(如圖1所示)，在岸基架設(shè)GNSS基準站接收GNSS衛(wèi)星信號并將差分數(shù)據(jù)發(fā)送給無人船上安置的GNSS接收機，實現(xiàn)實時定位和導(dǎo)航功能。

圖1 無人船測量系統(tǒng)基本原理示意圖

水深測量由安置在船上的數(shù)字測深儀完成，其基本原理是利用換能器將電能轉(zhuǎn)換成聲能并向水底發(fā)射。聲能以回波的形式從水底返回，再通過換能器檢測回波電能信號，從而計算出傳播時間，根據(jù)聲速和時間計算出水深，在屏幕顯示出來，并且顯示回波圖形。

2.2 無人船的特點

無人船用來進行水下地形測量作為水下地形測繪的一種方式，在很大程度上替代了傳統(tǒng)的作業(yè)方式。自無人船問世以來，經(jīng)過10多年技術(shù)的積累和發(fā)展，技術(shù)趨近成熟，船的航行已表現(xiàn)非常穩(wěn)定，現(xiàn)無人船的發(fā)展逐步往智能方向靠攏。無人測量船以其輕便、小巧和高效等特點，深受測繪單位的喜愛。

無人船測量的最大優(yōu)勢是更加安全可靠，事故減少、高效及運行成本低。遠程遙控和自動駕駛杜絕了人員傷亡事故，無人船特殊設(shè)計甚至可抵御海盜襲擊。

無人測量船具有船體小巧，攜帶方便，靈活性強和隱蔽性高，耐波性好，阻力小、速度快，航行穩(wěn)等優(yōu)點，可搭載先進的導(dǎo)航控制系統(tǒng)、可靠通信系統(tǒng)、高精度傳感器系統(tǒng)和武器系統(tǒng)等不同功能模塊，采用可拆卸模塊化涵道式推進器設(shè)計，在防漁網(wǎng)、水草等雜物纏繞的優(yōu)異性能之上，增添了維護方便，靈活更換的使用特性。螺旋槳采用直流無刷電機驅(qū)動，速度快，可靠性高?？纱钶d深測儀、ADCP、側(cè)掃聲吶等多種傳感器，廣泛使用于內(nèi)河航道、水庫、湖泊等區(qū)域的水下地形地貌以及水文測量。

3 無人船測深儀的作用

無人船測深儀結(jié)合GNSS、潮位和聲速信息提供相應(yīng)位置的水深或水底高程。

無人船可適用于部分水域無船可用、岸邊、淺灘等大船測不到的區(qū)域、影響人員安全性的地方、需要經(jīng)常換地測量等環(huán)境。

無人測量船搭載的GNSS全球定位系統(tǒng)，不僅能為水下地形測量提供高精度的定位坐標，還可以為無人船提供自主導(dǎo)航的位置信息，讓無人船真正脫離人的操作，根據(jù)規(guī)劃的線路到達指定位置完成相應(yīng)任務(wù)?，F(xiàn)在無人船除了在水下地形測繪行業(yè)成熟應(yīng)用，搭載側(cè)掃聲吶在水下考古、沉船打撈，搭載ADCP在河流流場測量，搭載水質(zhì)儀在水文、河長制中都得到廣泛應(yīng)用。

4 水下地形測繪簡介

和傳統(tǒng)地形測繪不同的是，水下地形測繪多一個水深的獲取步驟，水下地形測量包括測點的平面位置和水深測量。平面位置主要采用GNSS定位技術(shù)確定(可達到厘米級的實時定位)，水深主要通過各種類型的單波束回聲測深儀得到(一般高精度測深儀也可以達到厘米級的測量精度)，由水面高程(水位)減去水深可得測點的水底高程。通過無數(shù)個測點的平面位置和水深位置的獲取，水下地形即可被測量展現(xiàn)出來。水下地形測繪示意圖如圖2所示：

4.1 RTK簡單原理

高精度的定位測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，并達到厘米級精度。在RTK作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息

圖2 水下地形測繪示意圖

一起傳送給流動站。流動站不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，還要采集GNSS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不到一秒鐘。北斗衛(wèi)星的投入使用，使得GNSS接收機搜索到更多的共同解算衛(wèi)星(至少4顆)，甚至可以采用北斗單解算，更多的衛(wèi)星可以使GNSS接收機工作更穩(wěn)定。

4.2 單波束測深儀工作原理

20世紀20年代第一次出現(xiàn)了回聲探測儀，利用單波束回聲測深儀對水下地形進行測量的技術(shù)稱之為常規(guī)測深技術(shù)?；芈暅y深儀的出現(xiàn)是人類探測水下世界的重大突破。其原理是通過換能器向水下發(fā)射聲波，聲波在水中傳播，遇到水底后發(fā)生反射、透射和散射反射回來的回波，經(jīng)換能器接收。根據(jù)聲波在水中的傳播速度(C)及往返的時間(T)計算水深。這個水深值只是換能器到水底的距離，通常用H3來表示。而在實際測量過程中，換能器是在水下一定深度，我們稱這個深度為吃水深度改正值(吃水水深)，用H2表示。實際的水深值用H表示，那么實際水深H為：

H=H3+H2

H3=C*T/2

如圖2所示RTK達到固定解以后可以設(shè)置輸出包含位置信息的GPGGA數(shù)據(jù)，測深儀通過串口接收到含WGS84經(jīng)緯度的位置信息再由坐標系參數(shù)轉(zhuǎn)化成當(dāng)?shù)仄矫孀鴺讼?x，y，h)的三維坐標，此時儀器獲得的三維坐標是接收機相位中心的位置，通過設(shè)置天線至水面高(H1)和超聲回聲式測深儀測得水深值可以計算出RTK正下方水底的三維坐標(X，Y，Z)：

Z=h-H1-H

5 無人船水下地形測量實例

5.1 項目概況

項目位于長淮衛(wèi)鎮(zhèn)北側(cè)淮河上，南岸接淮上村，北岸銜信彎村。蚌埠長淮衛(wèi)淮河大橋全長 2.6 km，大橋?qū)?42.5 m，為雙向8車道。大橋采用的是鋼桁架結(jié)構(gòu)。蚌埠市長淮衛(wèi)淮河大橋是安徽省第一座鋼桁架拱橋，于2016年底建成通車。蚌埠長淮衛(wèi)淮河大橋是S101和蚌埠中環(huán)線工程的重要控制性節(jié)點工程，建成后與G206、S306等相連，將極大地緩解蚌埠市東部交通的通行壓力。

5.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

為提高水下測量的精度和效率，蚌埠市勘測設(shè)計研究院引用的無人船是中海達公司IBOAT BS2多功能智能無人船測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭載衛(wèi)星定位系統(tǒng)、波束測深儀、發(fā)射電臺、智能導(dǎo)航系統(tǒng)等軟硬件設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)自動設(shè)定航線，自動采集數(shù)據(jù)，自動導(dǎo)航及進行遠程操作等功能，具有智能化高、攜帶方便等優(yōu)點。蚌埠市勘測設(shè)計研究院積極組織開展無人船測量技術(shù)培訓(xùn)，在蚌埠市長淮衛(wèi)淮河大橋項目測量中，由于自動按航線導(dǎo)航作業(yè)時有一定的轉(zhuǎn)彎半徑，提前在障礙物周圍做好規(guī)避航線，實際外圍自動導(dǎo)航作業(yè)后還要手動遙控貼近障礙區(qū)域采集水深數(shù)據(jù)，盡可能采集完整。此次測量水面長約 1 370 m，寬 1 000 m，水域面積約 1.37 km2，水面來往船只比較多，水流比較急，水下地形因采砂變得比較復(fù)雜，南北兩部較深，中部較淺，本次作業(yè)要求是按 1∶1 000測量水下地形，航線間隔 50 m，航向數(shù)據(jù)采樣點間距 20 m，地形起伏較大處適當(dāng)加密。水下經(jīng)過約4個小時左右的作業(yè)，采集了所有的水深數(shù)據(jù)。

5.3 數(shù)據(jù)處理

在所有測量工作完成后，進行數(shù)據(jù)改正，數(shù)據(jù)后處理。無人測量船同樣是按一定的距離或時間間隔采集數(shù)據(jù)，對獲得的數(shù)據(jù)還不能直接使用，需要進行粗差剔除和數(shù)據(jù)抽稀，對處理的水底正高數(shù)據(jù)這里采用的是無驗潮模式，對實時獲得的水面高程和水深數(shù)據(jù)進行處理得到水底正高數(shù)據(jù)，根據(jù)水底高程，得出DEM，然后得出等高線和TIN成果，成果較直觀地反映了水下地形狀況。本次成功地利用了無人船技術(shù)獲取了待測水下區(qū)域的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理生成了水下地形圖。

5.4 精度檢核

本次作業(yè)區(qū)域在淮河某支流區(qū)段，測量環(huán)境晴朗無風(fēng)，水面相對平靜，適合無人船作業(yè)。在作業(yè)中通過遙控和自動操控中海達BM1無人船，按照設(shè)計的10條航線，共采集了327組數(shù)據(jù)，從中提取了40個特征點，通過人工測量的方式(漁船攜帶中海達HDmax測深儀)進行驗證數(shù)據(jù)的準確性，無人船所測的水深數(shù)據(jù)為H1，人工測量的水深數(shù)據(jù)為H2，檢查結(jié)果如表1所示。

精度檢核 表1

6 結(jié) 語

經(jīng)以上實例驗證，利用無人船水下測量技術(shù)獲取水下地形數(shù)據(jù)精度能夠滿足大比例尺地形圖水下地形測量的精度要求，且在復(fù)雜水域條件下，能夠大大降低測繪人員的勞動強度，成倍提高了外業(yè)測量效率，避免了外業(yè)人員水上作業(yè)的危險。隨著無人船測量技術(shù)的不斷成熟，將會得到更廣泛應(yīng)用。