無人船在水下測量中的應用

趙暉

（黑龍江省地質測繪地理信息院，黑龍江 哈爾濱150030）

伴隨國家基礎建設不斷發(fā)展，我國提出了越來越高的需求，針對水域類測繪地理信息產業(yè)，國家目前需要解決的問題包括如下幾個方面：其一，海島（礁）測繪工程建設任務需要及時完成；其二，我國近海海域海底地形及灘涂測繪調查相關工作需要積極開展；其三，我國陸地水下地形測繪與監(jiān)測工作需要深入開展，提高水下測量的精度；其四，通過采取措施，使水下地形測量實現(xiàn)數(shù)字化、自動化等。

相對傳統(tǒng)測繪領域水下地形測量來說，往往需要有充足的人力資源和物力資源，而水下測量使用的設備繁雜而笨重，導致測量人員不方便攜帶，甚至測量水域缺乏船只，嚴重影響測量數(shù)據的精確度。自遙控測量船出現(xiàn)后，極大地提高了測量數(shù)據的精確度。如今，各大企業(yè)加大力度研制遙控測量船，無人測量船具有顯著的節(jié)省人力優(yōu)勢。目前，遙控測量船被廣泛使用在水域調查、航道測量、水域水下測量等領域當中。

1 無人船測量優(yōu)勢

無人船測量優(yōu)勢比較多，無人船在水面上航行可分遙控和自主模式。通過使用無人船，作業(yè)實現(xiàn)了無人化、智能化，極大地減輕了人的任務量，同時作業(yè)完成更加高，設計實現(xiàn)模塊化。無人船測量的優(yōu)勢包括如下幾個方面：

1.1 區(qū)域測量優(yōu)勢

目前一些區(qū)域的測量比較困難，例如小面積水域、陡岸、坎下的水下地形，以及大區(qū)域等。在測量小面積水域、陡岸、坎下的水下地形的時候，不僅需要配備大量設備，還需要人員去操作計算機，這就需要確保人員和設備的安全在測量的過程中，所以又配備載重較大的船來確保其安全，但是載重較大的船不方便接近區(qū)域。當測量大面積水域的時候，需要耗費大量時間去作業(yè)，且作業(yè)不高效。自從出現(xiàn)了無人船，這些問題得以解決。在測量陡岸區(qū)域的時候，相較于大船，無人船更容易靠近岸邊運行，同時提供更加準確的水下地形圖為拋石等施工設計；在測量激流險灘的時候，僅僅憑借無人船就可以順利完成測量。

1.2 攜帶運輸優(yōu)勢

無人船與普通的船只不同，無人船不僅小，使用起來非常靈活，質量也不重，便于攜帶。人們在外出勘測的時候往往把一些儀器帶在自己身邊，若使用無人船就可以把其放在后備箱即可。

1.3 智能避障

不論是普通船只還是無人船在水域作業(yè)的過程中會碰到大船、島礁、岸坡等不容易預測的環(huán)境。但是無人船功能很多，其中有一種功能，即智能避障，則這些障礙物能被及時繞開，使船只行駛更加安全。

1.4 強大的軟件功能

無人船除了具有智能避障之外，它還有很多功能，諸如：自動粗差檢測、水深自動修改、抽稀、采樣、斷面自動處理、電子羅盤自動標定和校正、船載自動導航等，基于以上功能，測量將越來越智能化。

2 無人船測量原理和應用

2.1 無人船測量原理

無人船測量系統(tǒng)包括以下部分，即GNSS 接收機、單波速測深儀、高清攝像頭、數(shù)據傳輸設備及每一種測量傳感器，所以無人船具有多種功能，比如，可以進行遠程遙控、自動測量與返航等。無人船作業(yè)流程為：首先，在岸上設置基站架，然后，憑借導航軟件來建立相關項目，同時對已知點進行校正，接著，在導航軟件中輸入已經校正的參數(shù)。對于作業(yè)人員來說，為了確定測區(qū)，以及布設測線需要借助遠程控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。在進行各類航道測量工作的時候，人們可以把多波束測深儀、ADCP、陀螺儀等航道測量儀器設備搭載到無人船上，確保無人船更加高效地完成任務，其測量模式如圖。

無人船測量模式

2.2 無人船在水下測量應用

在水下地形測量之前，需要測量人員先把一系列方面的準備工作做好：設備定位時間要進行校對；水下地形測量軟件開啟、坐標系統(tǒng)設置要合理等，這樣做的目的是為了減少無人船反復測量的次數(shù)在測量過程中。當連接好GNSS 設備的同時開啟自動巡航模式，無人船就可以進入需要測量的水域進行測量。在測量水下地形的過程中，無人船可借助測量人員設定好的航線來操作，利用機器人智能控制技術進行自動化（轉下頁）走線或者換線測量水下地形。在使用無人船測量過程中，測量人員往往采取斷面法對水下地形進行測量。這就給測量人員提出要求，即測量人員科學設置斷面的計劃線根據河道河段情況同時使用一些導航軟件。無人船需要進行在線測量，在這個過程中，測量船要保持勻速直線運行。但是河道水下地形最淺點等漏測問題會出現(xiàn)于在線測量過程中，為了避免這樣的問題困擾無人船的測量，需要測量人員對內業(yè)整理環(huán)節(jié)給予高度重視，尤其測深儀探測記錄的相關信號要準確把握，使特征點水深以及對應的三維坐標數(shù)據更加確定。

3 無人船測量存在的問題及展望

3.1 存在的問題

自從使用無人測量船以來，提高了航道測量的速度、效率，節(jié)省了大量人力物力，確保人員的安全。目前，無人測量船被積極使用在多個領域，但是在使用過程中，也存在一些問題，這就需要研究者積極研究及時解決問題：其一，抗流水能力較弱。無人測量船比較小、比較輕，因此當無人船運行的時候往往會產生一些涌浪、水流回旋水、泡水等，嚴重影響無人測量船的測量姿態(tài)。無人測量船在運行過程中能夠依據計劃線來進行，但是無人船不能及時有效地抵抗急流對船體的影響，導致無人船不能更加精確地測量水深。無人測量船也有一些不足，比如，沒有強的抗流水能力、自動駕駛功能弱等，使無人船不能更加安全高效地測量在流速較大水域。其二，數(shù)據自動識別較弱。無人測量船的船體產生的干擾不是很多，通過測深儀能能夠自己調節(jié)。但測量數(shù)據受到一些因素的干擾，比如，氣泡、雜物、懸浮物等，使測量數(shù)據不精確，這樣無法真實地反映出水底地形。

3.2 展望

伴隨著無人船的廣泛應用，將給水下測量帶來新的變革。未來憑借智能化設備，可節(jié)省大量人力，只需幾個人員就可以順利進行水下測量。目前，人們積極使用航標遙測遙控、電子航道圖等技術，使航道測量越來越數(shù)字化、越來越信息化，更利于無人船的測量。現(xiàn)如今，我國發(fā)展越來越快，尤其加快了物聯(lián)網、無人駕駛、智能制造的發(fā)展速度，所以可推動無人船的發(fā)展。將各類測量設備搭載到無人測量船中，能確保無人船及時完成水下測量多項測量任務，在不久的將來，無人船技術將會不斷成熟，在水下測量中得以更廣泛應用。