無人船在水下地形測繪中的應(yīng)用實(shí)踐

楊昆侖

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院測繪分院,陜西 西安 710002）

0 引言

水下地形測量的主要內(nèi)容就是測量水下地形點(diǎn)（水深點(diǎn)）,目前經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段：測繩重錘測量（測深桿測量）、單頻單波束測深、雙頻單波束測深、多波束測深和機(jī)載激光測深等,多波束和機(jī)載測深是面狀測深,主要用作大面積水域地形測量。對于水利水電項(xiàng)目勘測階段水下地形測量,一般地形復(fù)雜,水域面積較小,且多為非靜止水面,測量難度較大。傳統(tǒng)的測量方法是,將全站儀架設(shè)在岸邊,人工在皮劃艇（或機(jī)動船）上立棱鏡,再采用測深桿或測深重錘測量對應(yīng)目標(biāo)棱鏡處的水深,流速過快區(qū)域,誤差較大；隨著RTK技術(shù)的普及,直接利用RTK在皮劃艇（或機(jī)動船）上測量點(diǎn)位,同樣使用測深桿或測深重錘測量RTK測點(diǎn)處的水深；再后來隨著單波束測深儀的出現(xiàn),使用RTK配合單波束測深儀直接測量水下地形點(diǎn)的坐標(biāo)和高程,這種方法提高了精度,也提升了效率,但仍然需要人工在皮劃艇或者操作船上作業(yè),對于風(fēng)浪較大,流速過快,水深區(qū)域,其危險(xiǎn)程度并未降低；近年來隨著無人測量船的出現(xiàn),使得水下地形測量提高了精度,提升了效率,又確保了測量人員的安全[1-2]。王合玲等人對無人船與有人船在水深測量作業(yè)保障體系、數(shù)據(jù)處理質(zhì)量保障體系、質(zhì)量檢查保障體系等方面進(jìn)行了描述,表明,無人船進(jìn)行水下地形測量具有作業(yè)效率高、作業(yè)范圍廣、安全性高、數(shù)據(jù)質(zhì)量好等優(yōu)勢[3]。

1 華微3號無人測量船簡介

華微3 號無人船是華測導(dǎo)航基于北斗高精度全球定位系統(tǒng)及無人船自動控制技術(shù),針對水文走航式ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）斷面水流測驗(yàn)用戶使用習(xí)慣,適用于市面90%的走航型ADCP。船長1.0 m,自重僅7 kg。裝載超速馬達(dá),速度可達(dá)8 m/s。華微3號無人船不僅具備自動航行功能,而且擁有自適應(yīng)水流直線技術(shù),懸停技術(shù),保證能夠垂直岸線走航。適用于水文站河流斷面流速測驗(yàn)、洪水應(yīng)急監(jiān)測、水下地形測量及科研調(diào)查等方面。主要參數(shù)見表1[4]。

表1 華微3 號無人測量船主要參數(shù)表

2 無人船水下地形測量

無人船水下地形測量的主要流程[5]包括：測繪范圍確定、測線規(guī)劃、自動測量（手動測量）、數(shù)據(jù)預(yù)處理、水下地形圖繪制等。

自動測量或者手動測量時(shí)需要根據(jù)測區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況選擇適用的基站通訊數(shù)據(jù),目前省級CORS和千尋CORS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)較為常用。水深數(shù)據(jù)測量完成后,需要使用華測自帶海洋測繪軟件HydroSurvey進(jìn)行水深數(shù)據(jù)預(yù)處理,剔除異常水深數(shù)據(jù)后按照成圖比例尺要求的點(diǎn)位密度進(jìn)行水深數(shù)據(jù)取樣。圖1 為水下地形測量流程圖。

圖1 無人船水下地形測量流程圖

3 案例1

葫蘆頭水電站壩址位于略陽縣西淮壩鎮(zhèn)下游11 km西漢水河上,樞紐主要建筑物由混凝土重力壩、泄水沖砂建筑物、發(fā)電引水建筑物、電站廠房、開關(guān)站等部分組成。葫蘆頭水庫運(yùn)行近20 年,庫區(qū)泥沙淤積嚴(yán)重,可調(diào)蓄庫容逐漸縮小。根據(jù)《陜西省漢中市略陽縣城區(qū)防洪規(guī)劃》,需要對葫蘆頭水庫進(jìn)行清淤擴(kuò)容,初估清淤量500 萬m3,以削減西漢水汛期洪峰流量,減輕超標(biāo)準(zhǔn)洪水對下游略陽縣城的危害。本次測繪內(nèi)容為庫區(qū)1∶1000 地形圖,水下部分尤為重要。在航測地形圖上按照水岸線繪制出水下測繪范圍,經(jīng)過現(xiàn)場巡視,發(fā)現(xiàn)庫區(qū)水域較為平緩,適合自動測量,較少部分可采用手動方式補(bǔ)測。

3.1 自動測繪測線規(guī)劃

根據(jù)測繪范圍,沿庫區(qū)橫向每隔25 m布設(shè)一條測線,在軟件中使用連續(xù)不間斷的多線段按照首尾相連的方式連通布設(shè)的每一條測線,組成完整的測線,將縱向的返航線或者行船線作為檢查線。圖2 中黑色多線段為測繪線,紅色虛線為檢查線。

圖2 測線和檢查線布設(shè)

3.2 水下地形點(diǎn)測量

本次測量采用華測華微3 號無人測量船作業(yè),采用“SHXBD-CORS”網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),調(diào)試無人船時(shí),讓無人船和一臺RTK同時(shí)連接CORS網(wǎng)絡(luò),將RTK點(diǎn)校正后的平面和高程轉(zhuǎn)換參數(shù)輸入到無人船手簿內(nèi),再對無人船內(nèi)置GNSS相位中心的坐標(biāo)和高程與RTK進(jìn)行校對,確認(rèn)無誤后,即可下水,為了對無人船測量水深值進(jìn)行檢校,一般在剛下水的岸邊淺水區(qū)采用測深桿校核測量,經(jīng)校核確認(rèn)水深測量數(shù)據(jù)正確后開始作業(yè)。該項(xiàng)目中采用手動配合自動操作,水下點(diǎn)測量間隔為1 s。作業(yè)過程中,電腦實(shí)時(shí)返回水深數(shù)據(jù)和測量航線。圖3 為無人船作業(yè)現(xiàn)場。

圖3 無人船作業(yè)現(xiàn)場圖

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和水下地形圖繪制,預(yù)處理是利用無人船自帶后處理軟件對水深測量點(diǎn)進(jìn)行粗差剔除和數(shù)據(jù)取樣。該項(xiàng)目中測量數(shù)據(jù)按照4 m~5 m間距提取。圖4 a為水深數(shù)據(jù)剔除粗差過程,4 b為剔除完按照4 m~5 m間距取樣的水下地形點(diǎn)。

圖4 水深點(diǎn)粗差剔除和水深數(shù)據(jù)取樣

水下地形圖繪制是在南方CASS軟件中利用水下點(diǎn)和水邊點(diǎn)聯(lián)合建立DTM（三角網(wǎng)）,部分三角網(wǎng)經(jīng)過修改重組后生成等高線,該項(xiàng)目測繪1∶1000地形圖,基本等高距為1 m。圖5 為繪制完成的地形圖。

圖5 水下地形圖

3.4 水下地形圖精度檢查

利用檢查線測量的水下地形點(diǎn)高程與地形圖上對應(yīng)點(diǎn)位的等高線內(nèi)插高程值之間的差值計(jì)算水下地形圖圖幅等高線高程中誤差[6]。在檢查線上將測量的水深點(diǎn)按照15 m間距取點(diǎn)（參與計(jì)算點(diǎn)數(shù)60 個(gè)）進(jìn)行高程差值計(jì)算。圖幅等高線高程中誤差參照觀測值中誤差計(jì)算公式[7]：

式中：σ為圖幅等高線高程中誤差；Δ為檢查點(diǎn)高程與等高線內(nèi)插高程值之間的差值；n為參與計(jì)算點(diǎn)數(shù)）,計(jì)算出σ=±0.19 m,小于限差值±0.33 m（取h,h為基本等高距）,表2 中列舉了檢查點(diǎn)與等高線內(nèi)插高程差值的最小值、最大值和平均值。

表2 基于檢查點(diǎn)的地形圖高程精度統(tǒng)計(jì)表

4 案例2

陜西省斗門水庫南池引水管道工程線路全長24 km。引水管道穿越灃河段需要修建倒虹一座,需測繪此處1∶500 地形圖。在航測地形圖上按照水岸線繪制出水下測繪范圍,經(jīng)過現(xiàn)場巡視,發(fā)現(xiàn)該段河道內(nèi)存在多處干灘,水邊水草多,且河道寬度變化較大,手動測量較為適合,因此采用手動測量方法測繪水下地形點(diǎn)。

4.1 無人船水下地形圖測量

根據(jù)測繪范圍,沿河道橫向每隔10 m布設(shè)一條測線,縱向布設(shè)檢查線,由于手動控制,對操作手操作水平和經(jīng)驗(yàn)要求較高。圖6 a為規(guī)劃的測線和檢查線。

本次測繪仍然采用華微3 號無人船,連接“SHXBD-CORS”網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),參數(shù)校正無誤后,下水作業(yè)。外業(yè)測量完成后對水深測量點(diǎn)進(jìn)行粗差剔除和數(shù)據(jù)取樣。該項(xiàng)目中測量數(shù)據(jù)按照2 m~3 m間距提取。圖6 b為提取的水深數(shù)據(jù)展點(diǎn)圖。

圖6 c為繪制完成的地形圖。該項(xiàng)目測圖比例尺為1∶500,基本等高距為0.5 m。

圖6 案例2項(xiàng)目水下地形測量過程圖

4.2 水下地形圖精度檢查

檢查線上按10 m間距取點(diǎn)（參與計(jì)算點(diǎn)數(shù)80 個(gè)）進(jìn)行高程差值計(jì)算,計(jì)算出圖幅等高線高程中誤差為±0.08 m,小于限差值±0.17 m,表3 為精度統(tǒng)計(jì)表。

表3 基于檢查點(diǎn)的地形圖高程精度統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)論

利用檢查點(diǎn)計(jì)算出葫蘆頭水電站水下地形圖圖幅等高線高程中誤差為±0.19 m,滿足該項(xiàng)目清淤對水下地形精度的要求；斗門水庫南池引水管道穿越灃河處地形圖圖幅等高線高程中誤差為±0.08 m,滿足該項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段的精度要求。兩個(gè)項(xiàng)目水下地形圖精度均滿足水利水電工程測量規(guī)范要求。

采用無人船測繪葫蘆頭水電站庫區(qū)及河道1∶1000 水下地形圖1.6 km2（河道及庫區(qū)總長12 km）,整個(gè)作業(yè)過程由2名技術(shù)人員3 天完成；斗門水庫南池引水管道穿越灃河處的1∶500 水下地形圖0.1 km2,由2 名技術(shù)人員0.5 天完成。相比傳統(tǒng)的作業(yè)方法無人船測量系統(tǒng)大幅度提高了效率,避免了不安全因素,成果精度也得到了保證。

無人測量船的優(yōu)勢在于安全、機(jī)動、靈活、高精度,適用范圍廣等方面。文中通過案例項(xiàng)目對無人船測繪水下地形圖進(jìn)行了概括性說明,對于更加復(fù)雜、系統(tǒng)性的項(xiàng)目仍需要進(jìn)一步探討。