多種智能測量設(shè)備在水庫水下地形測量中的聯(lián)合運用探究

卓鎮(zhèn)權(quán)

廣東省有色地質(zhì)環(huán)境中心 廣東 廣州 510080

水庫自身的地形環(huán)境相當復(fù)雜，加上水位會不斷發(fā)生變化，這使得淺灘、沼澤等地形不斷形成，這對于獲得水庫下方的三維地形數(shù)據(jù)來說是非常困難的。由于水庫水下地形測量需要借助船只，而大船的吃水量較大，難以讓測量人員攜帶相應(yīng)的儀器和設(shè)備到達淺水沼澤區(qū)域附近，此外，使用人工測量的精度也比較低，效率差，還伴隨著很多的危險，面對小區(qū)域內(nèi)的泥濘區(qū)域還可以采用人工插值的方式，但是想要獲得大范圍內(nèi)的水下地形數(shù)據(jù)，就需要進行一定密度的實測，這樣工作量非常大，并且伴隨了很多的危險。使用記載藍綠光雷達能夠快速高效的完成淺水地區(qū)的數(shù)據(jù)采集，但是由于成本過高，難以大范圍普及儀器的應(yīng)用，并且淺水區(qū)和沼澤區(qū)的面積只占水庫的一小部分，投入和回報不成正比。

隨著近些年基礎(chǔ)科學技術(shù)的發(fā)展，無人測量船以及無人機技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，通過使用無人機無人船配合的方式，能夠有效解決大船吃水深的問題，并且無人機成本很低，操作非常方便，能夠很好地對空間進行分辨，在測量沼澤區(qū)的時候，能夠提高測量的精度，降低測量人員的危險。

1 水庫水下地形測量儀器準備

完成水庫中淺灘水域以及沼澤區(qū)域的測量工作，需要準備多波束測深儀、智能無人測量船以及旋翼無人機。多波束測深儀是一種集成設(shè)備，它能夠發(fā)射和接受信號，同時還搭載了姿態(tài)儀和表面聲速儀，具有體積小、操作方便、安裝快捷的優(yōu)勢，能夠快速的將水下地形的三維點云數(shù)據(jù)進行收集，該儀器最大工作深度可以達到300m，有效工作深度達到75m，能夠很好地滿足淺水區(qū)域的測量。智能無人測量船以測量船為載體，搭載了測深系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、推進系統(tǒng)，能夠快速自動的將水下三維數(shù)據(jù)進行匯總，并且由于船體尺寸較少，重量輕，操作和運輸都非常方便，在淺水區(qū)測量能夠發(fā)揮出很大的作用。無人機中具有控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)輔助測量的作用。

2 水下地形測量

2.1 技術(shù)路線

庫區(qū)測量范圍的最外圍范圍線是水庫大壩頂部，高程所在的等高線，測量主要分為陸域地形測量以及水下地形測量。

進行陸域測量的時候使用，豐水期時候可以采用無人機航空拍攝完成攝影工作，實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的采集，在枯水期的時候就需要把水位下降形成的陸域空白區(qū)域以及沼澤區(qū)域使用旋翼無人機再次進行測量。

對于水域地形測量，可以采用多波束測深系統(tǒng)完成對深水區(qū)的測量，對于淺水區(qū)則使用無人測量船進行測量，二者測量完成后將數(shù)據(jù)進行結(jié)合，將深水測量和淺水測量的邊界進行拼接得出完整的測量數(shù)據(jù)，整個技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

2.2 采用無人機對陸域沼澤區(qū)域進行測量

水庫高水位地區(qū)在枯水期會形成沼澤灘涂，測量人員很難進入該區(qū)域，通常區(qū)域內(nèi)還會生長低矮的灌木和草地。規(guī)定測圖比例尺為1:2000，無人機飛行過程中應(yīng)該始終保持飛行高度一致，控制高度在200m，同時還應(yīng)該對航拍路線進行規(guī)劃設(shè)計，使得航線重疊率能夠保持在65%以上，旁向重疊率保證在50%以上。無人機飛行路線應(yīng)該根據(jù)沼澤灘涂區(qū)域的地勢地形來決定，飛行路徑應(yīng)該和水流流域相垂直，采用折線矩形的“己”字型飛行方式，保證測區(qū)能夠被完全覆蓋[1]。利用RTK連接上LNCORS系統(tǒng)，將測區(qū)內(nèi)的像控點和檢查點進行均勻的散布。在水涯線區(qū)域進行航拍的時候，應(yīng)該使用RTK對水涯線的高程進行實時測量。

在測量之前應(yīng)該做好儀器設(shè)備的準備工作。首先應(yīng)該保證無人機的電池電量能夠滿足測量需求，其次是檢查地面站的系統(tǒng)電量是否充足，做好地面站所使用的軟件的檢查。無人機飛行盡可能選擇地勢相對平坦，具有平坦鋪裝材料的場地作為無人機的起降場，保證起降場地和任務(wù)區(qū)之間距離不超過一公里。

在地面站和無人機組裝調(diào)試結(jié)束后就可以開始進行航攝工作，如果電臺設(shè)置在地形較高的位置，應(yīng)該根據(jù)沼澤灘涂區(qū)的實際情況，確定起飛路線以及測量路線，在無人機起飛之后，將地面站的系統(tǒng)啟動，通過通信連接和GPS連接，讓無人機能夠?qū)崿F(xiàn)信號傳輸，實施無誤后即可開始沿線飛行完成拍攝工作。

2.3 多波束測深系統(tǒng)測量深水區(qū)水下地形

在使用多波束測深系統(tǒng)之前，需要先完成對系統(tǒng)的校準和測量，同時還應(yīng)該選擇合適的測量時間，以風力較小、水面流速較慢的時間測量為宜。校準儀器有規(guī)定的順序，首先應(yīng)該完成對橫搖偏差和縱搖偏差的校正，隨后完成艏向偏差，在校正下一個參數(shù)之前，應(yīng)該先完成對上一項參數(shù)的輸入工作，排除校正時候被其他因素所干擾[2]。時間延遲偏差由生產(chǎn)商制定，直接輸入數(shù)據(jù)即可。按照規(guī)范的要求，每一組數(shù)據(jù)都需要進行三遍以上的校準，多次校準的結(jié)果誤差都應(yīng)該滿足規(guī)范的要求。

在天氣情況良好的時間進行水下地形的測量工作，能夠保證船速平穩(wěn)，控制在合理的范圍內(nèi)。主測線方向應(yīng)該和水流方向一致，測量路線依然采用“己”字形測量方式，每一條主航線都應(yīng)該至少覆蓋上一條航線15%以上的區(qū)域，這樣能夠確保水下地形能夠被全覆蓋的測量，還能夠讓邊緣波束測量的精度提升。在使用多波束測量系統(tǒng)進行測量的過程中，還應(yīng)該配合應(yīng)用水砣，實時檢測水庫的深度，同時還要均勻的布設(shè)不小于測繪面積5%的檢測線路，檢測線的方向應(yīng)該和水流方向相垂直，通過檢測能夠確保水下地形檢測的精度得到保障。

2.4 無人測量船測量淺水區(qū)域水下地形

無人船測量淺水區(qū)域的時候?qū)μ鞖庖灿幸?，盡可能在水面波動小，風力較小的天氣下完成測量工作，理論上測量時當?shù)仫L力不應(yīng)該大于四級，如果超過了四級風，應(yīng)該立即停止作業(yè)，將無人船進行回收。無人船測量淺水區(qū)域的時候，主測線應(yīng)該和河岸的方向保持垂直，測線間的間距控制為15m，定位點之間的間距設(shè)置為5m。使用無人測量船進行測量的測區(qū)需要和多波束測深系統(tǒng)的測量區(qū)內(nèi)至少有兩個重合點，保證測量更加準確[3]。無人測量船的檢測線長度不得小于測量總長度的5%，方向和主測線相互垂直。

在測量開始之前，應(yīng)該將無人測量船上的通信系統(tǒng)和基站進行連接，把GPS系統(tǒng)和LNCORS系統(tǒng)連接起來，在確定通信系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)連接正常之后，就可以開始測量工作。這時候需要把已經(jīng)設(shè)置好的測深線導(dǎo)入軟件之中，使用自動導(dǎo)航測量和手動遙控測量相結(jié)合的方式，完成對淺水區(qū)域的水下地形測量。

3 水下地形測量過程中遇到的困難與解決辦法

3.1 水下勘測定位不準，航線易偏

水下測量最常遇到的問題就是勘測船難以在水面上找到適當?shù)膮⒄瘴?，這時就需要使用RTK完成對勘測船只的全程實時定位導(dǎo)航。在水面非常廣闊的時候，如果沒有導(dǎo)航技術(shù)，就非常容易出現(xiàn)勘測船偏移航線的情況，難以保證航線始終是一條直線。想要解決這一問題就應(yīng)該在勘測之前，在水庫岸邊設(shè)置可見的參照物，讓勘測船能夠按照向著參照物進行前進，這能夠有效的保證勘測船檢測的有效性。同時如果發(fā)現(xiàn)了勘測船偏離了航線，不應(yīng)該大幅度的猛烈校準，應(yīng)該保持小幅度的修正，使得航行路線能夠平滑，達到測量的目標。

3.2 RTK實測數(shù)據(jù)和測深儀測深數(shù)據(jù)難以匹配

在實際進行操作的時候，水庫的水面不會是平靜的，而是會上下起伏，這就會讓測量水深和真實值之間存在著誤差，因此在測量水深的同時，還應(yīng)該使用輔助測量設(shè)備進行同時測量，例如水砣、測深尺和探測桿等?？梢詫⑵浜虶PS連接在一起，保證二者相對位置不變，當出現(xiàn)風浪的時候，測深儀獲得的水深數(shù)據(jù)就會發(fā)生變化，GPS的高程數(shù)值也會同步發(fā)生變化。

4 結(jié)束語

在大比例尺下進行水下地形的測量，需要靈活的應(yīng)用多種智能測量設(shè)備，這樣才能保證測量的準確性、易用性和安全性。使用多波束測深系統(tǒng)檢測深水區(qū)域的效率較高，精確度得到了保證，使用無人測量船進行淺水區(qū)域的測量解決了淺水區(qū)域測量船只難以進入的問題，還提高了測量的安全性，使用無人機航拍可以將水庫邊緣的沼澤地形進行測量，三種方式相結(jié)合即可完成對水庫水下地形的全覆蓋測量，并且測量精度能夠得到保障。