無人船在水下地形測量中的應用

鄧友發(fā)

（大慶油田設計院有限公司，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

近年來隨著社會的發(fā)展，地理信息數(shù)據(jù)在國民經(jīng)濟發(fā)展、政府規(guī)劃決策、人們日常出行中扮演越來越重要的角色。陸地地理信息數(shù)據(jù)的采集獲取，隨著科學技術的發(fā)展已經(jīng)獲得了長足的進步，涌現(xiàn)出了無人機攝影測量、三維激光掃描技術、GNSS衛(wèi)星定位技術等新型高效測量技術，定位精度也越來越精確。水下地形數(shù)據(jù)的獲取，卻發(fā)展略顯緩慢。水下地形測量傳統(tǒng)的測量方式是利用有人船搭載測深儀和RTK進行測量或是直接人工下水測量，測量人員安全得不到保證，作業(yè)效率有待提高。針對上述情況，無人船測量系統(tǒng)在這種背景下應運而生，文章以某市所屬泡澤治理工程為例，采用華測公司生產(chǎn)的新型華微3號無人測量船，結合基礎地理信息數(shù)據(jù)（電子地圖數(shù)據(jù)、地理實體數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)等），生產(chǎn)出符合規(guī)范的全要素地形圖。

1 無人船測量系統(tǒng)

新型華微3號無人船測量系統(tǒng)，是基于無人駕駛遙控船為載體，集成了控制系統(tǒng)，動力推進系統(tǒng)，無線通訊系統(tǒng)，衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，測深系統(tǒng)等，采用新一代物聯(lián)網(wǎng)主控，采用4 G模塊通訊，徹底擺脫網(wǎng)橋基站、傳輸距離的限制，外業(yè)更輕松。船體采用雙定位天線設計，船體姿態(tài)穩(wěn)定可靠，結合IMU模塊，可輕松穿越橋涵。

2 測區(qū)概況

測區(qū)位于大慶市薩爾圖區(qū)，長約1.0 km，寬約0.7 km，水域面積較大，利于無人測量船作業(yè)，測區(qū)內分布有四個鉆井平臺，水深處約2～3米，靠近岸邊地區(qū)水深約0.3米；如果使用有人測量船，水淺區(qū)域無法測量，使用簡易橡皮筏子，測量效率低，作業(yè)人員人生安全也難以得到保證。新型華微3號無人測量船，體積小、重量輕、吃水淺，攜帶運輸方便，結合RTK可進行無驗潮水下地形測量，為本次測區(qū)水下地形成果交付發(fā)揮了至關重要作用[1]。

3 水下地形測量

3.1 獲取測區(qū)轉換參數(shù)

（1）已有資料：經(jīng)現(xiàn)場調查勘驗，本項目測區(qū)周邊有保存完好的C級GPS控制點，利用測區(qū)周邊的C008、CB11、C005、C004四個等級GPS控制點構建測區(qū)控制系統(tǒng)，并計算相應轉換參數(shù)。計算結果如圖1所示。

圖1 轉換參數(shù)計算結果

（2）將轉換參數(shù)輸入地面工作站手簿，并對轉換參數(shù)精度的可靠性采用已知GPS控制點進行平面、高程校正并檢查。精度統(tǒng)計結果如表1所示。

表1 精度統(tǒng)計結果表

3.2 邊界獲取及航線規(guī)劃

從OpenstreetMap官網(wǎng)中提取該水面的輪廓線，將其文件導入奧維軟件中，再通過坐標數(shù)據(jù)提取，獲取水面的拐角坐標；地面工作站人員，根據(jù)拐角坐標規(guī)劃無人船自動測量的航線。

3.3 無人船按照規(guī)劃航線自動航行測量

無人船按設定航線測量如圖2所示。無人船自動航行工作模式如圖3所示。

圖2 無人船按設定航線測量

圖3 無人船自動航行工作模式

3.4 數(shù)據(jù)傳輸及處理

將測量完的數(shù)據(jù)按照實際需求進行采樣。采樣前，將數(shù)據(jù)做平滑處理或者參考波形圖文件做參考處理。最后根據(jù)項目需求，選擇合適的采樣間隔。經(jīng)過后處理，測量成果可以導出為需要的格式。

3.5 成果檢查校對

將無人船自動測量的數(shù)據(jù)與人工RTK測量的數(shù)據(jù)進行3個以上重合點比對，殘差滿足規(guī)范要求，方可使用（比對情況如表2所示）。

表2 數(shù)據(jù)比對情況表 單位：米

3.6 成果展示

將測量成果數(shù)據(jù)導入CAD軟件中，查看采集點的空間分布情況（如圖4所示）。

圖4 采集點的空間分布情況

4 無人測量船發(fā)展方向概述

（1）新型華微3號無人測量船采用的是單波束測深系統(tǒng)，獲得的點數(shù)據(jù)，構建的水下數(shù)字地面模型，不能全息的反應水下地形情況。隨著無人船在測繪領域的廣泛應用，多波束測深系統(tǒng)與無人船的有機集成，將徹底改變這一情況。（2）無人船環(huán)境感知主要包括3個方面：風、水浪、靜態(tài)物體和動態(tài)物體的感知，靜態(tài)和動態(tài)目標的感知則主要用于路徑規(guī)劃及自主避障。目前應用于上述環(huán)境感知的設備包括風速風向儀和ADCP、電子地圖、雷達、可見光與紅外設備等。每種設備具有特定的使用場合，僅憑一種傳感器是無法滿足水上復雜目標的探測需要，多傳感器使用及信息融合已成為解決探測水上多樣障礙物目標的一種有效途徑。在用于避障的環(huán)境探測方面，可依據(jù)不同傳感器的探測距離，使用分層避障模型，在遠、中、近距離選擇合適的傳感器探測結果作為避障信息[2]。（3）針對于無人船無線通信的最根本挑戰(zhàn)是無線電波的多徑干擾。因為無人船天線高度一般不高，貼近水面，發(fā)射的無線電波通過水浪、船舶障礙物之間，其接收信號的強度，將由各直射波和反射波疊加合成。多路徑效應會引起信號衰減。隨著無人船的發(fā)展及在測繪領域的廣泛應用，必要時需要遠程實施多波束三維地形圖像傳輸，對通信帶寬提出更高要求。因此，在無人船的通信中重點解決高寬帶傳輸以及超高頻擴頻通信信號的水上傳輸抗衰耗技術、抗多普勒頻移技術和抗多種干擾技術問題。

5 結語

文章通過對某市泡澤治理工程中采用新型華微3號無人船水下地形測量的應用實例，經(jīng)過實測數(shù)據(jù)對比分析，驗證了水下地形測量可采用無人船快速獲取水下地形數(shù)據(jù)，大大縮短了工期；解決了：（1）一些淺灘、灘涂無法到達的測量區(qū)域，實現(xiàn)了水域全覆蓋測量；（2）有人船測量時，很難保證船體穩(wěn)定，易產(chǎn)生晃動移位，導致測量精度降低和位置偏移；（3）某些復雜環(huán)境，對船和人有危險，安全性得不到保證；（4）有人船測量或人工測量，容易造成測量區(qū)域漏測、少測等情況。通過測量成果展示可以看出，無人船橫向和航線的穩(wěn)定性及抗干擾能力比較強，能夠在較小風浪條件下保持平穩(wěn)，同時對無人船需要改進的地方及未來發(fā)展方向作了闡述，具有一定的指導意義，實例的成功實施對其他相似水域水下地形測量的實施具有一定的參考價值。