無人船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用與探討

朱進(jìn)金

（福建省閩南地質(zhì)大隊(duì)，福建 三明363000）

水下地形測(cè)量主要分為兩種,一種是海洋地形測(cè)量,一種是淡水河流地形測(cè)量。無論是淡水測(cè)量還是海水測(cè)量的難度都比較大,如果利用人員進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量的準(zhǔn)確度又很難得到保障,所以無人船測(cè)量應(yīng)運(yùn)而生。但,很多人對(duì)無人船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用還不是很了解,影響了無人船測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

1 無人船相關(guān)概念及技術(shù)分析

1.1 無人船

無人船簡言之即無需載人的船只, 通過無人船對(duì)一些偏遠(yuǎn)水下測(cè)量意義重大。一般無人船的尺寸比較小, 大多無人船在105cmx40cmx35cm 左右,且無人船的重量大多在25kg 左右還不足一個(gè)成年人的體重,可續(xù)航6h 左右,且運(yùn)行的速度比較快,最快達(dá)2m/s。無人船一般具備自身導(dǎo)航功能,可以智能化躲避障礙物,對(duì)水下測(cè)量意義重大[1]。

1.2 無人船功能分析

無人船之所以運(yùn)用到水下地形測(cè)量與無人船自身的功能有很大的關(guān)系,一般無人船具備導(dǎo)航、續(xù)航、躲避、通訊等功能。導(dǎo)航功能主要指無人船具備導(dǎo)航功能, 通過芯片實(shí)現(xiàn)GPS 的路線規(guī)劃,且能通過之前設(shè)定的路線進(jìn)行形式,實(shí)現(xiàn)自我導(dǎo)航的目的。續(xù)航功能指無人船可以在儲(chǔ)電量充足的情況下, 無須隨時(shí)補(bǔ)電,便可以在水下進(jìn)行游走測(cè)量。躲避功能則主要指無人船通過攝像頭與傳感器,將行駛前方情況進(jìn)行測(cè)量,一旦發(fā)現(xiàn)前方出現(xiàn)障礙,無人船會(huì)重新策劃路線,再繼續(xù)行駛。通信功能主要指,相關(guān)人員可以與無人船實(shí)施通訊, 獲得無人船測(cè)量到的相關(guān)數(shù)據(jù),為測(cè)量提供可能。

1.3 測(cè)量原理

無人船在水下測(cè)量時(shí)一般是通過GPS 或者聲吶實(shí)現(xiàn)測(cè)量,測(cè)量原理主要是聲音傳播原理。無人船先發(fā)出聲波,之后無人船收集已經(jīng)傳輸出去的聲波, 之后根據(jù)發(fā)射回收時(shí)間間隔,與聲波在水下的傳播速度,科學(xué)計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)的具體位置,通過無數(shù)次的測(cè)量進(jìn)而測(cè)算出水下地形的具體情況。但此種水下測(cè)量的方式容易受到水下波浪的影響, 進(jìn)而對(duì)結(jié)果產(chǎn)生不良影響,使得測(cè)算精確度下降[2]。

2 無人船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用分析

2.1 無人船水下地形測(cè)量實(shí)例

受到某河道管理處的委托, 筆者參與到該河道污水地形測(cè)量工作之中,并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),計(jì)算相關(guān)污水量。本次污水河道測(cè)量的面積約4.8km2,測(cè)量中選擇常見的無人船,具體參數(shù)如下:

尺寸:105cmx35cmx35cm

重量:25kg

續(xù)航:6h

測(cè)試控制:本次測(cè)試采用無人船測(cè)量測(cè)繪,測(cè)繪當(dāng)天無風(fēng)浪十分適合做水下測(cè)量。無人船與水流方向一致,斷面間距為25m左右。整個(gè)測(cè)量過程中無人船勻速行駛,為保證盡可能勻速,船體轉(zhuǎn)角變化小于40/min,實(shí)際航向與測(cè)量間距小于20%。

測(cè)試操作: 無人船測(cè)試之前對(duì)無人船與其他設(shè)備進(jìn)行檢測(cè),調(diào)試設(shè)備參數(shù),確保設(shè)備之后可以正常應(yīng)用。將無人船測(cè)線間距設(shè)置成圖上10cm,并將計(jì)算機(jī)與相關(guān)設(shè)備進(jìn)行連接,開啟無人船開始實(shí)際測(cè)量。在操作過程中隨時(shí)對(duì)相關(guān)的模擬記錄信息進(jìn)行記錄,包括水深、三維坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)回傳分析測(cè)繪

待測(cè)量結(jié)束后對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理, 并在數(shù)據(jù)整理基礎(chǔ)上對(duì)河道水下地形情況進(jìn)行測(cè)繪。測(cè)繪中選擇采用南方Cass9.1測(cè)繪軟件對(duì)無人船回傳回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量, 等深線距離為0.5m,采用60cmx60cm,共計(jì)120 幅。測(cè)繪中采用《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》符號(hào),采取1:1000 與1:2000 另種測(cè)量圖式,采用WPS2019將測(cè)繪報(bào)告編輯。

2.3 精度檢查

為了保障無人船測(cè)量的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 對(duì)河道采取了隨即抽檢,提升測(cè)量精確度,確保測(cè)量可靠性。長度選取測(cè)量整體長度的6%,設(shè)置100 個(gè)隨即測(cè)試點(diǎn),高程差值在0.2m 以內(nèi),其中高度距離差在0.1m 以內(nèi)的有49 個(gè)測(cè)試點(diǎn), 在0.1m-0.2m 之間的有50 個(gè)測(cè)試點(diǎn),0.2m 有1 個(gè)測(cè)試點(diǎn),合格率100%。本次測(cè)量嚴(yán)格只想相關(guān)規(guī)范《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》進(jìn)行全程測(cè)量,整體測(cè)量符合相關(guān)部門要求,且操作人員、測(cè)繪人員、審核人員認(rèn)真負(fù)責(zé)具備相關(guān)資質(zhì),成果可靠可供參考使用[3]。

2.4 實(shí)驗(yàn)總結(jié)分析

通過上述無人船實(shí)際測(cè)量可知, 無人船在水下測(cè)量中的應(yīng)用具備強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義。通過上述測(cè)量實(shí)例可知無人船測(cè)量可以得到進(jìn)一步推廣, 一般無人船在水下測(cè)量可以做到水下測(cè)量的全程控制,且通過無人船進(jìn)行水下測(cè)量意義重大。

首先,通過無人船可以做水下測(cè)量。上述實(shí)測(cè)案例測(cè)量時(shí)某河道,且在全程測(cè)量結(jié)果通過100 測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn),測(cè)量精確度高值得信賴,為無人船水下測(cè)量提供了可能。通過無人船相關(guān)技術(shù)人員可以利用無人船相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)水下地形的測(cè)繪,對(duì)之后的無人海域測(cè)量意義深遠(yuǎn)。其次,相關(guān)測(cè)量人員通過無人船對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)量意義重大。無人船進(jìn)行水下測(cè)量所需要的勞動(dòng)力較少, 且在測(cè)量中即使測(cè)量比較危險(xiǎn)的海域也可以通過無人船實(shí)現(xiàn),確保地形獲取同時(shí)保護(hù)人身與財(cái)產(chǎn)安全。另外,通過對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)繪,方便相關(guān)部門及時(shí)獲取水下地形情況,及時(shí)預(yù)防自然災(zāi)害,確保水下安全。

2.4.1 無人船經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯著

無人船的出現(xiàn)是具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的。過去的水上測(cè)量,除了費(fèi)時(shí)費(fèi)力,還費(fèi)錢,不僅養(yǎng)人養(yǎng)船需要不菲的開支,船只等物資的維護(hù)費(fèi)用也不低。無人船的出現(xiàn),可以在保障更高效率作業(yè)的基礎(chǔ)上,減少人力和物力的投入,運(yùn)作成本更低,一舉兩得。多的時(shí)間去做更加專業(yè)更加有意義的事情。

2.4.2 無人船測(cè)繪精度更高

不論是一款新產(chǎn)品的誕生,還是一項(xiàng)新技術(shù)的研發(fā),都有其自身的終極使命,無人船的出現(xiàn)也一樣。一切拋開測(cè)繪精度談效率的案例都是扯淡!無人船不僅要為測(cè)繪領(lǐng)域創(chuàng)造更加寬泛、高效、經(jīng)濟(jì)的作業(yè)模式,最根本的還在于要為水上測(cè)繪提供更加高精度的測(cè)量水準(zhǔn)。由于無人船的作業(yè)全程均受計(jì)算機(jī)控制,可以讓作業(yè)過程嚴(yán)格按設(shè)定執(zhí)行,任務(wù)結(jié)果更準(zhǔn)確、更標(biāo)準(zhǔn)。加上無人船船體短小輕便, 具有更高的舵效(亦即舵對(duì)航向的控制能力),因此其貼線精度可由傳統(tǒng)的若干米提升至±0.5 米,大大增加了測(cè)繪的準(zhǔn)確度。

3 無人船測(cè)量推廣策略

3.1 加強(qiáng)宣傳

從上述測(cè)量可知無人船水下測(cè)量意義重大,所以相關(guān)部門需要加強(qiáng)宣傳,提升民眾意識(shí),提升無人船利用率,為水下測(cè)繪發(fā)展提供保障。相關(guān)部門在宣傳中要注重廣度與深度,將無人船水下測(cè)量應(yīng)用真正發(fā)揮應(yīng)有效用。首先,相關(guān)部門注重?zé)o人船測(cè)量宣傳的廣度。相關(guān)部門宣傳要注重各地區(qū)的宣傳,提升各地測(cè)量人員對(duì)無人船的理解, 為無人船下一步的應(yīng)用提供前提條件。其次, 在宣傳中需要注重宣傳深度。相關(guān)部門宣傳中需要注重深度,真正加深民眾對(duì)無人船應(yīng)用理解,提升民眾意識(shí),為應(yīng)用推廣貢獻(xiàn)力量。

3.2 人才培養(yǎng)

相關(guān)部門除了注重加強(qiáng)宣傳之外,還要注重人才培養(yǎng),為無人船測(cè)繪的應(yīng)用提供人力保障。首先,各高校要關(guān)注相關(guān)課程完善。各高校要完善無人船測(cè)繪課程, 加深學(xué)生對(duì)無人船的理解,從年青一代開始培養(yǎng)社會(huì)所需的無人船水下測(cè)量人才, 為技術(shù)的傳承與應(yīng)用提供有力支持。其次,相關(guān)部門注重技能培訓(xùn)。相關(guān)部門需要對(duì)其測(cè)量人員進(jìn)行培訓(xùn), 提升測(cè)繪人員的無人船測(cè)量專業(yè)技能,為無人船的應(yīng)用推廣,貢獻(xiàn)必要力量。再次,參與到無人船水下測(cè)量的人員需要及時(shí)做好自我總結(jié)。相關(guān)測(cè)量人員需要及時(shí)作總結(jié),方便及時(shí)總結(jié)自身在測(cè)量中存在的不足,及時(shí)提升自身測(cè)量能力,為測(cè)量精準(zhǔn)度的提升打下良好基礎(chǔ)。

結(jié)束語

綜上所述,無人船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用意義深遠(yuǎn),所以相關(guān)部門需要注重?zé)o人船應(yīng)用推廣,為水下測(cè)量工作貢獻(xiàn)力量。