無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)在山塘測(cè)量中的應(yīng)用*

楊敬華，高 飛，黃安碩，王 曉*，張博宇，周海波

（1.江蘇海洋大學(xué) 海洋技術(shù)與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 連云港222005；2.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島266032）

引言

山塘主要是指由于自然形成后，經(jīng)過(guò)人工改造的積水區(qū)域；主要位于農(nóng)村人口集聚地的上游，承擔(dān)著農(nóng)業(yè)用水、居民消防、農(nóng)村壞境等綜合功能，是山區(qū)農(nóng)民生存的依賴。我國(guó)山塘數(shù)量眾多，但是由于缺少有效的管理，存在著諸多隱患；隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的大力實(shí)施，農(nóng)村的安全保障被重點(diǎn)關(guān)注。厘清山塘水深和庫(kù)容對(duì)維護(hù)農(nóng)村居民的日常生活和安全具有重要意義。無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)具有精度高，測(cè)量速度快，成本低，安全性高的特點(diǎn)。因此，利用無(wú)人船攜帶測(cè)深儀、RTK 對(duì)山塘進(jìn)行測(cè)量，一方面可以節(jié)約成本，另一方面也可以為后續(xù)的山塘研究提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)原理

1.1 無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)基本原理

無(wú)人船是一種新型的水上測(cè)量設(shè)備，可集成定位、導(dǎo)航、視頻監(jiān)控，裝載多種傳感器；能夠借助自身精準(zhǔn)的定位與自身的傳感就能夠完成設(shè)定任務(wù)的全自動(dòng)水面機(jī)器人[1]。無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)采用無(wú)人船攜帶RTK 的方式對(duì)山塘的水深、庫(kù)容進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)GPS-RTK 接收信號(hào)，然后對(duì)無(wú)人船進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)的定位。然后通過(guò)南方cass 軟件對(duì)采集的點(diǎn)進(jìn)行繪圖，按照無(wú)人船行進(jìn)路徑對(duì)山塘的水深進(jìn)行規(guī)劃，而后按照最大陡坎以及壩體高程、山塘深水計(jì)算出山塘的最大庫(kù)容。

回聲測(cè)深儀的工作原理是利用換能器在水中發(fā)出聲波，當(dāng)聲波遇到障礙物而反射回?fù)Q能器時(shí)，根據(jù)聲波往返的時(shí)間和所測(cè)水域中聲波傳播的速度，就可以求得障礙物與換能器之間的距離[2]。

發(fā)射脈沖聲波的瞬間起，到換能器收到水底回波時(shí)間t，換能器的吃水深度為D，則水深H 為：

測(cè)深系統(tǒng)采用CORS RTK 模式，無(wú)人船與RTK 進(jìn)行連接并將RTK 上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)天線連接完成，無(wú)人船上RTK 的數(shù)據(jù)天線與CORS 站同時(shí)接收衛(wèi)星的載波相位值，并接收來(lái)自連續(xù)運(yùn)行參考站的改正值以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)GORS 單元將這些數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸給地面上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，再通過(guò)Eagle 軟件差分解算出該位置的具體坐標(biāo)（圖1）。

1.2 水深計(jì)算

（1）吃水深度計(jì)算

無(wú)人船的吃水體積所排出的水的質(zhì)量等于船的總重量。無(wú)人船總的重為G，排出來(lái)的水體積V=G/ρg，無(wú)人船船體的橫截面固定為s，則吃水h=V/s。

（2）水下高程計(jì)算

由于山塘內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，水域面積不定，大船根本無(wú)法進(jìn)入，考慮到人員安全與測(cè)量效率，無(wú)人測(cè)量船無(wú)疑是最好的選擇。通過(guò)無(wú)人船搭載RTK 與測(cè)深儀，利用RTK獲取位置信息，利用測(cè)深儀獲水深信息，公式如下：

水下高程=RTK 所測(cè)相位中心高程-天線直高-換能器吃水值-水深

圖1 RTK 運(yùn)行示意圖

2 研究區(qū)概況

玉環(huán)縣位于中國(guó)浙江省臺(tái)州市，地理位置優(yōu)越，東經(jīng)121°北緯28°?？h域總面積為2300 平方千米，其中陸域面積為378 平方千米，水域面積為1922 平方千米。玉環(huán)縣大概存在60 多座山塘，實(shí)驗(yàn)選取大岙里山塘進(jìn)行作業(yè)，大岙里山塘面積適中為3.24 平方千米，隸屬玉環(huán)縣龍溪鎮(zhèn)地勢(shì)較為平坦，能夠提高作業(yè)效率；山塘水面情況較好，水質(zhì)清澈，適合無(wú)人船作業(yè)。

(4)Under the new international and national circumstances,transformation of economic growth model is a must for us.

3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

水下數(shù)據(jù)采集采用無(wú)人船+回聲測(cè)深儀+RTK 的一整套測(cè)深系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行外業(yè)采集；主要按照《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的測(cè)量原則、精度要求和作業(yè)方法[3]。內(nèi)業(yè)利用南方測(cè)繪公司的“自由行2016”測(cè)量軟件來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以滿足該測(cè)區(qū)水下地形測(cè)量的需要（表1）。

表1 設(shè)備名稱及型號(hào)

進(jìn)行水下數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先連接浙江省CORS 網(wǎng)獲取大地坐標(biāo)系，流動(dòng)站系統(tǒng)以CORS 網(wǎng)獲得坐標(biāo)來(lái)解算所測(cè)水下點(diǎn)位的坐標(biāo)[4]。

無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)包括無(wú)人船、回聲測(cè)深儀、RTK 和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；硬件部分進(jìn)行安裝調(diào)整。測(cè)深儀安裝在無(wú)人船底部，全部沒(méi)入水中不能產(chǎn)生偏移誤差；首先設(shè)置儀器為移動(dòng)站模式，然后設(shè)置儀器為網(wǎng)絡(luò)模式并且確認(rèn)連接到CORS 網(wǎng)中，設(shè)置成功之后將RTK 連接到無(wú)人船頂部連接桿上，RTK 與測(cè)深儀安裝在同一直線上，確保采集數(shù)據(jù)是有效的；最后將無(wú)人船的電源連接，遙控測(cè)試看無(wú)人船是否可以穩(wěn)定移動(dòng)[5]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用南方測(cè)繪公司自行開發(fā)的“自由行”軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理；將采集到的水下數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，開始水深采集取樣處理。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，很明顯的假水深，無(wú)效水深點(diǎn)將會(huì)被整合。自動(dòng)水深處理結(jié)束就需要手動(dòng)再檢查一遍，修改高頻水深。造成這種誤差可能是水下魚群反射，或是水中介質(zhì)的折射結(jié)果；遇到這樣的情況要修改，保障后期圖紙繪制的精準(zhǔn)度。接下來(lái)進(jìn)行綜合改正輸出，將處理完成的水下數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)深儀改正、動(dòng)態(tài)吃水改正、坐標(biāo)系統(tǒng)誤差改正、水深系統(tǒng)誤差改正。

RTK 數(shù)據(jù)導(dǎo)出的具體流程如下：打開數(shù)據(jù)采集儀器-點(diǎn)擊工程-文件導(dǎo)入導(dǎo)出-選擇文件導(dǎo)出類型-點(diǎn)擊測(cè)量文件-點(diǎn)擊成果文件（后綴為.dat）-點(diǎn)擊導(dǎo)出。然后再將SD 卡插入電腦復(fù)制出來(lái)即可。此時(shí)數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，處理后的表格為：輸入點(diǎn)號(hào)、經(jīng)度、緯度、橢球高、編碼、天線高、解狀態(tài)、HRMS、VRMS、衛(wèi)星數(shù)、PDOP，如表2 所示。

4 山塘庫(kù)容計(jì)算

4.1 山塘地形圖繪制

數(shù)據(jù)分類匯總完成后，使用南方CASS7.0 軟件進(jìn)行相應(yīng)的成圖處理。

（1）展開高程點(diǎn)及地物編碼并進(jìn)行檢查。

（2）生成等高線，根據(jù)壩頂高程沿等高線勾畫出山塘的岸線部分。

（3）勾畫出山塘內(nèi)特征地物：壩體、迎水坡、背水坡、溢洪道、管理房、陡坎、道路等，具體如圖2 所示。

4.2 山塘庫(kù)容計(jì)算

山塘的庫(kù)容計(jì)算采用的是計(jì)算土方的方案來(lái)實(shí)施，將采集到的山塘數(shù)據(jù)保存導(dǎo)入南方CASS 軟件中計(jì)算，具體步驟如下：

第一步：展點(diǎn)，將數(shù)據(jù)全部展入軟件；

第二步：建立DTM 模型，繪制等高線；

第三步：刪除三角網(wǎng)，并按照壩體數(shù)據(jù)繪制范圍線；

第四步：采用方格網(wǎng)法來(lái)對(duì)山塘進(jìn)行庫(kù)容計(jì)算，設(shè)置高程為99.9 米（壩體的平均高度），方格寬度為20 米。

第五步：生成土方網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

方格網(wǎng)計(jì)算土方量的公式如下所示：

a：指方格的邊長(zhǎng)本次采用的是20*20 的方格網(wǎng)；h1、h2、h3值的三角形的各點(diǎn)的高程；V：指每個(gè)方格網(wǎng)的總挖方量。

圖3 計(jì)算出來(lái)的山塘總面積，橫向?yàn)樯教恋奶罘搅繑?shù)據(jù)，縱向?yàn)樯教恋耐诜搅繑?shù)據(jù)，同時(shí)圖上繪出山塘的方格網(wǎng)與填挖方的分界線，圖中還會(huì)列舉出每個(gè)方格的填挖方，每行的挖方量和每列的填方量。山塘的地形是向下凹陷，所以我們只需要總的挖方量，從圖3 中可以看出大岙里山塘的總體庫(kù)容為26532.4 立方米。

表2 處理后的RTK 數(shù)據(jù)

圖2 山塘地形圖

圖3 土方網(wǎng)格數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)際的案例分析，結(jié)合測(cè)區(qū)情況，運(yùn)用無(wú)人船山塘測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，采用成圖軟件進(jìn)行山塘地圖的編繪與山塘庫(kù)容的計(jì)算，最終得出成果。無(wú)人船山塘測(cè)量將廣泛應(yīng)用于山塘、水庫(kù)、湖泊的測(cè)繪；有助于山塘數(shù)據(jù)采集與安全隱患評(píng)估，為后續(xù)的工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐。