無人船在水下地形測量中的應(yīng)用與探討

李寧

摘要：在社會經(jīng)濟動態(tài)發(fā)展中，地理信息數(shù)據(jù)日漸扮演關(guān)鍵性角色。由于水下地形信息數(shù)據(jù)遠不如陸地豐富，無人測量船系統(tǒng)優(yōu)勢較多，已被持續(xù)應(yīng)用到水下地形測量中，極大地提高了水下地形測量工作效率與質(zhì)量。因此，本文從多個角度客觀的闡述了無人船在水下地形測量中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人船;水下地形測量;試驗

1無人船測量系統(tǒng)和工作原理

1.1無人船定義

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設(shè)任務(wù)在水面航行的全自動水面機器人，英文縮寫為USA。

1.2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，承擔著水深測量和導航定位任務(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。整個系統(tǒng)的導航定位采用GNSS-RTK動態(tài)差分定位原理，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)實時定位和導航功能。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。

1.3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。

1.4無人船的優(yōu)點

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。

2無人船在水下地形測量中的應(yīng)用

2.1測量實例

以某地區(qū)河道為例，測量人員利用無人測量船測量了河道清污前后水下地形情況，并根據(jù)具體規(guī)定，準確計算出清污方量。該河道測量水下地形面積大約4.85km2，坐標系統(tǒng)為該市獨立坐標系，Cass9.1地形地籍成圖軟件等被應(yīng)用其中。作用其中的無人測量船有著較強的抗風浪性能，航行比較平穩(wěn)，航行速度每秒可達到4m，吃水為40cm，適合淺水測量，搭載重量為18kg。

2.2水下地形測量中無人測量船的具體應(yīng)用

2.2.1水下地形測量

在河道水下地形測量之前，測量人員需要做好各方面準備工作，仔細校對設(shè)備定位時間、啟動水下地形測量軟件、合理設(shè)置坐標系統(tǒng)等，避免無人測量船應(yīng)用中出現(xiàn)反復測量問題。GNSS設(shè)備連接好之后，便可以開始測量，開啟自動巡航模式，讓無人船進入需要測量的水域，定位測點和測深。在該地區(qū)河道水下地形測量中，由于機器人智能控制技術(shù)作用到該無人測量船中，無人測量船可以根據(jù)之前測量人員設(shè)定好的航線，自動化走線或者換線測量水下地形。在應(yīng)用無人測量船中，測量人員借助斷面法測量該地區(qū)河道水下地形。這需要測量人員根據(jù)相關(guān)導航軟件，結(jié)合該清污河道河段以及湖面具體情況，科學設(shè)置斷面的計劃線，垂直于水流方向，斷面間距大于為21m。同時，在無人測量船在線測量過程中，測量船只必須處于直線以及勻速航行狀態(tài)。如果需要改變河道測線，測量人員要控制好轉(zhuǎn)彎速度，根據(jù)轉(zhuǎn)向以及變速具體情況，恰當定位，每分鐘的航向變化不能超過5°，擺動幅度不能太大。此外，在線測量過程中，測量人員要隨時觀察河道風浪高度，如果風浪不小于0.6m或者探測儀所記錄的回聲波形起伏數(shù)值比較大，必須及時停止在線測量，也包括無人測量船應(yīng)用中出現(xiàn)的特殊狀況，避免河道水下地形測量數(shù)據(jù)精確度受到影響。在線測量過程中，河道水下地形最淺點等漏測問題極易出現(xiàn)，這是因為在應(yīng)用無人測量船過程中，河道測點間距都是測量之前設(shè)定好的。針對這種情況，在應(yīng)用無人測量船中，測量人員需要高度重視內(nèi)業(yè)整理環(huán)節(jié)，全方位準確把握測深儀探測記錄的相關(guān)信號，明確特征點水深以及對應(yīng)的三維坐標數(shù)據(jù)。

2.2.2處理水下地形測量數(shù)據(jù)和繪圖

在編輯、校正外業(yè)測量數(shù)據(jù)之后，測量人員要借助專業(yè)測量軟件，在合理計算的基礎(chǔ)上修正水位，以日期為切入點，分類編排測繪的資料，整理并檢校外業(yè)河道清污前后水下地形數(shù)據(jù)。隨后，測量人員巧妙利用Cass9.1軟件，根據(jù)河道水下地形繪制要求以及繪制方法，結(jié)合無人測量船作用下獲取的信息數(shù)據(jù)，科學繪制該地區(qū)河道水下地形圖，控制好等深線間距。繪制中的河道地形物符號要滿足《水運工程測量規(guī)范》等要求，進行合理化繪制，科學編輯對應(yīng)的技術(shù)報告。

2.2.3布置檢查線和檢查精準度

在應(yīng)用無人測量船中，測量人員要把控好河道水上構(gòu)筑物所處位置的檢查線，要和主測深線垂直，長度不能小于主測深線，二者要在某位置相交，高程差值不能超過0.2m。同時，測量人員要根據(jù)《水運工程測量規(guī)范》，從不同方面入手仔細檢查河道水下地形測量精準度，確保測量誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，為后續(xù)相關(guān)工作有序開展提供有力保障。

3結(jié)束語

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。

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（作者單位：西安中緯地理信息技術(shù)有限公司）