多源數(shù)據(jù)檢驗(yàn)無人船技術(shù)在深圳河測量應(yīng)用中的精度評(píng)定

張小牛

摘? 要：為適應(yīng)當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展新常態(tài)的測繪科技轉(zhuǎn)型方向，提高測繪作業(yè)效率及科技創(chuàng)新能力，結(jié)合當(dāng)前市場測繪技術(shù)方面需求，分析既有測繪技術(shù)在提供服務(wù)保障方面存在的缺陷，創(chuàng)新性地提出國內(nèi)外測量性能領(lǐng)先的無人船技術(shù)應(yīng)用在深港界河深圳河水下地形測量中，并對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)、雙頻數(shù)字測深技術(shù)手段采集的多源數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)無人船測深技術(shù)的精度而進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：深圳河水下地形? 無人船技術(shù)? 檢查板? 雙頻數(shù)字測深儀? 三維激光掃描? MATLAB建模

中圖分類號(hào)：P715? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（b）-0020-03

Accuracy Evaluation of Unmanned Ship Technology in Shenzhen River Survey Application

ZHANG? Xiaoniu

（Shenzhen Geotechnical Investigation&Survey Institute （Group） Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Province， 518000? China）

Abstract： In order to adapt to the transformation direction of Surveying and mapping technology in the new normal of today's economic and social development， improve the efficiency of Surveying and mapping operation and the ability of scientific and technological innovation， combined with the current market demand for surveying and mapping technology， this paper analyzes the defects of existing surveying and mapping technology in providing service guarantee， and innovatively proposes The unmanned ship technology with leading internal and external measurement performance is applied in the underwater topographic survey of Shenzhen River， the boundary river between Shenzhen and Hong Kong. The obtained data are tested by using multi-source data collected by 3D laser scanning technology and dual frequency digital sounding technology.

Key Words： Shenzhen River underwater terrain; Unmanned ship technology; Inspection board; Dual-frequency digital depth sounder; Three-dimensional laser scanning; MATLAB modeling

近年來，測繪領(lǐng)域的水下地形測量無人船新技術(shù)開始在市場和生產(chǎn)單位大力推廣應(yīng)用，測繪數(shù)據(jù)的獲取逐漸從傳統(tǒng)測量手段測深桿、測深錘和回聲測深儀等設(shè)備投入大量人工外業(yè)采集轉(zhuǎn)向智能化、自動(dòng)化獲取，大量的人力作業(yè)由無人船設(shè)備新技術(shù)取代，大大提高了作業(yè)效率和獲取數(shù)據(jù)的安全性，降低作業(yè)成本，在水庫庫容、港池測量、河道回淤監(jiān)測及水下地形測量方面具備優(yōu)勢，同時(shí)較傳統(tǒng)設(shè)備，無人船在船控系統(tǒng)、通訊定位技術(shù)、場景可視化、數(shù)據(jù)后處理、續(xù)航方面做了大量優(yōu)化，采集的數(shù)據(jù)可在軟件中自動(dòng)剔除異常和失真情況，保障測繪數(shù)據(jù)獲取的精準(zhǔn)、直觀、豐富、應(yīng)用更廣泛。

1? 項(xiàng)目簡介

深圳河干流為深港界河，位于珠江口東側(cè)，深圳市南側(cè)，從羅芳自東向西流入深圳灣，其流域面積312.5km2，深港兩地政府于1995—2006年完成了3期工程的治理，全長13.5km（里程樁為：K0-850-K13+465.1）其中羅湖橋至新洲河口段長9.6km，堤防斷面為復(fù)合式和直立式，平原河口至羅湖橋段全長3.9km，全部為直立式斷面，河道防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。為了更全面、精準(zhǔn)、高效采集數(shù)據(jù)，在河道里程樁為8+500-6+900段作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，利用無人船技術(shù)在該區(qū)域進(jìn)行水下地形測量數(shù)據(jù)采集，并與船載測深儀采集數(shù)據(jù)+三維激光掃描灘涂數(shù)據(jù)進(jìn)行精度對(duì)比分析研究。

2? 具體技術(shù)實(shí)施

里程8+500-6+900段測量采用華微3號(hào)無人船技術(shù)進(jìn)行，它具備體積小、速度快、風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)勢，可有效地解決因測區(qū)條件和環(huán)境限制遇到的問題，降低成本高效測量，華微3號(hào)無人船由GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)、測深系統(tǒng)、船體控制系統(tǒng)和AutoPlanner、HydroSurvey軟件組成。

GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)采用單基站RTK模式，測前在已有等級(jí)點(diǎn)上架設(shè)基站，通過電臺(tái)發(fā)射RTCM3.0格式數(shù)據(jù)，移動(dòng)站通過相同頻率電臺(tái)接收高精度定位數(shù)據(jù)，為無人船自動(dòng)行駛和測量提供厘米級(jí)的位置信息，用同精度等級(jí)點(diǎn)做檢查，平面較差最大值為0.019m（限差0.050m），高程較差最大值為0.015m（限差±0.060m），滿足規(guī)范要求。

測深系統(tǒng)由搭載在無人船上的換能器發(fā)射頻率為200kHz的單波束聲波進(jìn)行水深測量，精度為：±1cm+0.1%×h（h為水深值），測深范圍：0.15～300m。結(jié)合GNSS系統(tǒng)提供的位置信息，由水深測量軟件解算出聲波發(fā)射瞬間的水下平面位置和高程。深圳河屬潮汐河，每天漲潮和落潮時(shí)水的溫度、含鹽度及水中壓強(qiáng)都有所不同，故聲波在水中的傳播速度也在變化。鑒于此原因，在水深測量前采用“檢查板”直接校對(duì)法對(duì)測深儀測深數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合改正，根據(jù)深度改正數(shù)與水中聲速的關(guān)系求解水中聲速，然后對(duì)聲速進(jìn)行修正后在進(jìn)行水深測量。

深度改正數(shù)與水中聲速的關(guān)系如下：

?hc=（c/c0-1）h

式中：

?hc—深度改正值（m）;

H—水深讀數(shù)（m）;

c0—水中標(biāo)準(zhǔn)聲速（m/s），其值為1500m/s;

c—水中聲速（m/s）。

水中聲速與水溫、含鹽度的關(guān)系式如下：

c=1450+4.206t-0.0366t2+1.137（s-35）

式中：c—水中聲速（m/s）;

t—水溫（℃）;

s—含鹽度（‰）。

改正后的測深儀測深數(shù)據(jù)與“檢查板”測量數(shù)據(jù)的比較，較差最大值為0.03m，符合規(guī)范要求（較差中誤差：±0.05m）。

船體控制系統(tǒng)控制無人船的航行方向和速度，在事先規(guī)劃的測線內(nèi)，設(shè)定好航行速度及數(shù)據(jù)記錄方式采用自主導(dǎo)航模式進(jìn)行水深測量，對(duì)河道邊緣區(qū)域?yàn)楸ＷC設(shè)備的安全性，由人工操作無人船遙控器，手動(dòng)遙控?zé)o人船進(jìn)行測量[1]。

3? 數(shù)據(jù)采集及處理

考慮到河道周邊靠近邊防管控區(qū)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)存在不穩(wěn)定情況，測量時(shí)采用網(wǎng)橋模式建立無人船與平板控制系統(tǒng)的通訊，在平板上打開控制軟件AutoPlanner，通過網(wǎng)橋連接無人船，打開水深測量軟件HydroSurvey設(shè)置好坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、通信端口、吃水、聲速、增益、量程等參數(shù)后加載規(guī)劃的測線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)定航行速度2.3m/s，每1m記錄一次數(shù)據(jù)。

最后將水深測量軟件HydroSurvey內(nèi)的成果進(jìn)行剔除異常和失真數(shù)據(jù)后，生成水深文件，根據(jù)導(dǎo)出的水深文件，按照點(diǎn)號(hào)、平面位置、水面高、水深數(shù)據(jù)的格式輸出成圖格式文件[2]。

4? HD-380雙頻數(shù)字測深儀測量

目前深圳河水下地形測量，主要以GPS RTK配合管養(yǎng)船搭載HD-380型雙頻數(shù)字測深儀（標(biāo)稱精度為±1cm+0.1%×D，D為所測之深度），采用無驗(yàn)潮測深法進(jìn)行作業(yè)。GPS RTK配合數(shù)字化測深儀無驗(yàn)潮測深法已在我國各測繪單位應(yīng)用多年，相關(guān)論述較多，測量精度與效率已得到公認(rèn)，GPS接收機(jī)與數(shù)字化測深儀連接后，以RTK測量模式實(shí)測接收機(jī)當(dāng)前平面坐標(biāo)與水面高程（1956年黃海高程系），并實(shí)時(shí)傳輸?shù)綔y深儀中，測深儀同時(shí)測量水深，內(nèi)置軟件計(jì)算出當(dāng)前水深點(diǎn)的平面坐標(biāo)與高程。

為了驗(yàn)證無人船技術(shù)采集數(shù)據(jù)的可靠性，在無人船測量區(qū)域，里程8+500-6+900段，采用GPS RTK配合測深儀進(jìn)行檢查數(shù)據(jù)采集，獲取對(duì)比分析數(shù)據(jù)，為保證此項(xiàng)對(duì)比數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，外業(yè)測量方面將測深儀探頭安裝在船身中部，以消除船開動(dòng)時(shí)因船身翹動(dòng)而產(chǎn)生的探頭吃水誤差，開測前、測后在河道不同區(qū)域，采用檢查板測水深與測深儀器讀數(shù)比對(duì)，以檢驗(yàn)測深儀的測深精度，由于深圳河道航務(wù)運(yùn)輸繁忙，行船較多，測線主要平行于航道。為彌補(bǔ)縱向數(shù)據(jù)采集不足，在河道沿“之”字形路線進(jìn)行加密采集。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完畢后，使用數(shù)據(jù)后處理軟件結(jié)合GPS坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)和測深數(shù)據(jù)，計(jì)算水下地形測量數(shù)據(jù)[3]。

5? Trimble SX10三維激光掃描儀測量

三維激光掃描技術(shù)是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革新[4]。它突破了傳統(tǒng)測量手段的單點(diǎn)測量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢，深圳河屬潮汐河流，退潮后河道灘涂地方會(huì)裸露在外，為驗(yàn)證無人船在該灘涂區(qū)域采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采用Trimble SX10三維激光掃描儀進(jìn)行作業(yè)，該儀器是影像及高速3D掃描一體化的設(shè)備，數(shù)據(jù)獲取速度為1000000點(diǎn)/s，集成內(nèi)置相機(jī)，可以獲取全景HDR圖像，生成彩色、可量測的高精度三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將外業(yè)掃描獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過移動(dòng)硬盤從掃描儀手簿拷貝，后導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件Trimble Business Center，依據(jù)外業(yè)掃描過程中同步獲取的照片對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行噪聲數(shù)據(jù)裁剪，得到真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，受水面反射的影響，掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取量有限，為保證比對(duì)數(shù)據(jù)可靠性，在點(diǎn)云密集區(qū)域進(jìn)行高程數(shù)據(jù)提取并與無人船采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析研究[5-6]。

6? MATLAB建模軟件進(jìn)行多源數(shù)據(jù)銜接檢查

MATLAB建模軟件，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及圖像處理，利用事先編輯好的程序，將無人船、雙頻數(shù)字測深儀、三維激光掃描儀獲取的多源數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB建模軟件，進(jìn)行對(duì)各數(shù)據(jù)異常變化及銜接性問題檢查，由于數(shù)據(jù)采集量密度大，導(dǎo)致人工檢查工作量增加，為提高效率通過建模軟件對(duì)存在異常變化數(shù)據(jù)分析剔除，而后將剔除異常點(diǎn)的數(shù)據(jù)再次融合分析檢查至無誤，通過此技術(shù)手段檢查，在提高效率的同時(shí)并能保障各級(jí)比對(duì)數(shù)據(jù)銜接的準(zhǔn)確可靠性。具體情況如圖1所示。

7? 基于多源數(shù)據(jù)，對(duì)無人船測量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析評(píng)定

（1）依據(jù)單波束測深儀數(shù)據(jù)，共選擇了406個(gè)水深點(diǎn)與無人船測量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度比對(duì)，互差最大值為0.13m（限差±0.4m），中誤差為0.06m（限差±0.2m）;

（2）依據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)，共選擇了182個(gè)灘涂標(biāo)高點(diǎn)與無人船測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)檢查，互差最大值為0.16m（限差±0.4m），中誤差為0.08m（限差±0.2m）。

上述實(shí)例檢驗(yàn)表明，無人船在深圳河水下地形測量獲取的數(shù)據(jù)精度可靠，滿足規(guī)范要求。

8? 結(jié)語

結(jié)合測深儀測深技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)獲得覆蓋面廣、精細(xì)高的多源數(shù)據(jù)對(duì)無人船獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析研究，證實(shí)無人船在深圳河水下地形測量應(yīng)用中，可達(dá)到高效、成本低、速度快、風(fēng)險(xiǎn)低不受環(huán)境因素限制等優(yōu)勢而采集數(shù)據(jù)，其精度是可行可靠的，后續(xù)并將運(yùn)用到我司各專項(xiàng)業(yè)務(wù)上，提高工作效率，提升技術(shù)實(shí)力，同時(shí)為深圳河水下定期測量項(xiàng)目，提供更加豐富、應(yīng)用更廣的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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