C120S無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

董燕楓

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，合肥 230022）

目前水下地形測(cè)量主要以GNSS接收機(jī)為平面定位設(shè)備，以測(cè)深儀為測(cè)深設(shè)備，根據(jù)水面高程和水深數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算水下地形點(diǎn)高程[1]，所用船只多為燃油機(jī)動(dòng)船或橡皮船。近年來(lái)，儀器廠商通過(guò)將GNSS、測(cè)深儀與無(wú)人船集成，打造了無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)，同時(shí)還搭載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、操控系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了外業(yè)水下測(cè)繪的自動(dòng)化和可視化。無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)已逐漸應(yīng)用于水下地形測(cè)量和河道斷面測(cè)量、水文監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。本文以無(wú)為市花渡河、環(huán)城河治理工程為例，采用科微智能公司C120S型號(hào)無(wú)人船對(duì)某水域水下地形進(jìn)行測(cè)量，得到了較高精度的水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)，表明了無(wú)人船水下測(cè)量的可行性。

1 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

C120S無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)量系統(tǒng)和船體控制系統(tǒng)（見圖1）。測(cè)量系統(tǒng)集成了測(cè)量船、GNSS接收機(jī)、數(shù)字測(cè)深儀、供電系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和避障雷達(dá)、攝像頭等。采用RTK內(nèi)置電臺(tái)方式定位時(shí)，岸上還要架設(shè)基準(zhǔn)站。船體控制系統(tǒng)由通信基站、無(wú)人船遙控器以及安裝有導(dǎo)航測(cè)深軟件的筆記本電腦等組成。若采用4G 或5G 網(wǎng)絡(luò)模式與無(wú)人船連接，通信基站也可取消。

圖1 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)

1.2 工作原理

無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)采用GNSS-RTK 來(lái)獲取水下地形點(diǎn)的平面坐標(biāo)。水深測(cè)量由安置在船上的測(cè)深儀完成，換能器將電脈沖轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，并以聲波的形式垂直向水底發(fā)射。聲波到達(dá)水底后，部分會(huì)被反射回來(lái)。換能器接收后，可計(jì)算出聲波的傳播時(shí)間t。根據(jù)聲速v和傳播時(shí)間t可計(jì)算出水深h=（v×t）/2。

測(cè)深軟件顯示測(cè)量時(shí)刻的水深并顯示回波圖形。C120S型無(wú)人測(cè)量船靜態(tài)吃水為固定值0.2 m，GNSS 天線頂端到水面的距離為0.5 m。通過(guò)GNSRTK技術(shù)可獲得實(shí)時(shí)的水面高程H水面，進(jìn)而可以計(jì)算出水底高程H水底=H水面-h-0.2。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 測(cè)區(qū)概況

無(wú)為市花渡河、環(huán)城河治理工程內(nèi)部水系為環(huán)城河及花渡河故道，所涉外部水系為花渡河以及西河。為了解工程區(qū)的地形地貌情況，需對(duì)河道、堤岸以及建筑物進(jìn)行地形測(cè)量。工程區(qū)域總水域面積為2.0 km2，河寬200 ～300 m，環(huán)城河及花渡河故道，水深較淺，花渡河故道沿線圩堤較多，環(huán)城河兩岸已建成城市公園，河中水下噴泉較多，測(cè)區(qū)沿線有9座橋梁，2處涵洞，傳統(tǒng)載人燃油機(jī)動(dòng)船不易搬運(yùn)、而水域面積太大橡皮船效率太低。無(wú)人船體積小，重量輕，便于搬運(yùn)，非常適合在測(cè)區(qū)作業(yè)。

2.2 測(cè)量實(shí)施

使用云影C200 型電動(dòng)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)搭載RIEGL VUX-120 機(jī)載激光雷達(dá)獲取測(cè)區(qū)的數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型和地面點(diǎn)高程，完成岸上部分的地形圖繪制和水域水涯線的繪制。

以測(cè)區(qū)數(shù)字正射影像成果作為工作底圖，在CAD中進(jìn)行無(wú)人船自動(dòng)航行線路設(shè)計(jì)（見圖2）。由于正射影像分辨率高、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)，正射影像中水涯線、淺灘礁石、水下噴泉、水生植物等清晰可見，復(fù)雜水域無(wú)人船測(cè)深的測(cè)線布設(shè)問(wèn)題得到有效解決[2]。布線時(shí)應(yīng)考慮船體大小、船速、轉(zhuǎn)彎半徑等因素，不可使測(cè)線端點(diǎn)距離岸邊太近。根據(jù)測(cè)圖比例尺要求每10 m布置一條測(cè)線，線路設(shè)計(jì)完成后導(dǎo)入無(wú)人船導(dǎo)航軟件中。

圖2 自動(dòng)航行線路設(shè)計(jì)避開水下噴泉

在開始測(cè)量工作前，完成船上的GNSS-RTK 定位系統(tǒng)和遙控通信設(shè)備與岸上的控制系統(tǒng)的連接，設(shè)置安全的Home 點(diǎn)，保證無(wú)人船在電量不足或其他意外情況時(shí)能夠安全返航。在岸上利用電腦端導(dǎo)航軟件和遙控器控制無(wú)人船的航行和數(shù)據(jù)采集工作。密切觀察無(wú)人船航行，遙控切換自動(dòng)和手動(dòng)模式。在淺灘、近岸、礁石分布較多的水域切換手動(dòng)模式，使用遙控器控制無(wú)人船測(cè)量。在水生植物分布較多的區(qū)域，使用橡皮船和測(cè)桿人工測(cè)量。測(cè)深軟件為HiMAX軟件，完成一塊水域測(cè)量后可現(xiàn)場(chǎng)檢查成果質(zhì)量、剔除粗差等，在CASS繪圖軟件中生成水下地形等高線草圖來(lái)判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量。無(wú)人船水下測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)見圖3。

圖3 無(wú)人船水下測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

3 單波束水深數(shù)據(jù)處理

單波束水深數(shù)據(jù)處理采用HiMAX測(cè)深儀軟件，將每條測(cè)線按照“水深取樣—數(shù)據(jù)改正—潮位改正—數(shù)據(jù)預(yù)覽”4 個(gè)步驟處理得到水下地形的高程信息，外業(yè)采集的原始數(shù)據(jù)即轉(zhuǎn)換為CASS 制圖軟件可編輯數(shù)據(jù)。

圖4 水深數(shù)據(jù)取樣

水深測(cè)量不是在靜止的情況下完成的，在測(cè)量過(guò)程中會(huì)不可避免地受到魚群、水草、船尾流氣泡、回波二次反射等各種因素的干擾，這時(shí)水深會(huì)出現(xiàn)異常點(diǎn)[3]。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，按天依次對(duì)每個(gè)測(cè)線進(jìn)行處理。在水深取樣時(shí)，定位狀態(tài)過(guò)濾選擇固定解，水深處理方法選擇中值濾波法，按照回波趨勢(shì)修正水深，按距離采樣，采樣間隔選擇2 m（見圖4）。

采樣完成后再進(jìn)行回放檢查（見圖5），以保證水深數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖5 水深數(shù)據(jù)回放檢查

水深取樣完成后，再進(jìn)行各項(xiàng)改正，包括轉(zhuǎn)換參數(shù)改正、延遲改正、吃水改正、聲速改正等。數(shù)據(jù)處理時(shí)，使用實(shí)時(shí)水面高程，可不進(jìn)行潮位改正。各項(xiàng)改正完成后，導(dǎo)出CASS 繪圖軟件可直接編輯的數(shù)據(jù)格式，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)覽，查看水下地形點(diǎn)的分布情況，查缺補(bǔ)漏。

4 精度分析

每段區(qū)域測(cè)量完成后，即對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行檢查斷面測(cè)量。檢查斷面與測(cè)深斷面垂直相交。在剔除粗差后，共采集有效水下地形點(diǎn)97 963點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算本工程檢查線長(zhǎng)度占測(cè)深線長(zhǎng)度的7%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢查線與測(cè)深線相交處圖上1 mm范圍內(nèi)水深點(diǎn)的深度檢查互差情況如表1所示。

表1 深度檢查互差表 m

依據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL 197-2013），當(dāng)水深小于20 m時(shí)互差限差為±0.4 m[4]。測(cè)區(qū)最深處為7.11 m，水深重合點(diǎn)超限點(diǎn)為3 點(diǎn)，合格率為99.6%，平均互差為0.05 m，互差絕大部分集中在0～0.1區(qū)間，數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

影響無(wú)人船測(cè)量精度的主要因素是測(cè)量船的姿態(tài)測(cè)量引起的誤差、換能器相對(duì)位置變化引起的誤差、延遲誤差、聲速傳播誤差等[5]。無(wú)人船與載人船相比體積小、重量輕，當(dāng)風(fēng)浪較大，船速較快時(shí)，無(wú)人船的姿態(tài)、換能器相對(duì)位置變化較大，對(duì)水深測(cè)量精度影響較大。因此，要在風(fēng)浪較小，船速適當(dāng)?shù)那闆r下作業(yè)，使無(wú)人船保持良好的姿態(tài)。聲速傳播誤差與延遲誤差對(duì)無(wú)人船和載人船影響基本相同，只要船速適當(dāng)、水面波動(dòng)不大，無(wú)人船測(cè)量和載人船外業(yè)測(cè)量精度基本相當(dāng)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)人船測(cè)量技術(shù)，進(jìn)行了無(wú)為市花渡河、環(huán)城河水下地形測(cè)量并進(jìn)行了精度分析。誤差分析發(fā)現(xiàn)，主測(cè)線水深與檢測(cè)線水深互差具有較高的合格率，說(shuō)明無(wú)人船測(cè)量誤差已控制在合理范圍內(nèi)，是一種可靠的水下地形測(cè)量方法。與傳統(tǒng)載人船測(cè)深技術(shù)相比，無(wú)人船測(cè)量受水面波動(dòng)誤差、姿態(tài)誤差影響大于載人船。在水草、漁網(wǎng)較多的復(fù)雜水域環(huán)境局限性高，無(wú)人船水下地形測(cè)量受到一定限制，然而由于無(wú)人船測(cè)量具有機(jī)動(dòng)靈活、效率高、危險(xiǎn)性低等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看無(wú)人船測(cè)量仍然具有較廣的應(yīng)用前景。