智能無人船在水下地形測量中的應用

趙美玲，鄭亞運，曹 慧

（江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇 揚州 225000）

水下地形測量由于無法看到實際狀況以及水上作業(yè)風險高等因素，一直是水利工程測量難度較大的部分[1]。水下地形測量的方法主要有測深錘、測深桿、單波束測深系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)及機載激光測深系統(tǒng)等[2]，其中船基單波束測深系統(tǒng)是進行內河、湖泊水下地形測量最為常見的一種測深裝置。船基水下地形測量的自動化和無人化充分體現(xiàn)在無人船水下地形測量技術中，在無法使用載人船的水域，無人測量船能夠充分發(fā)揮機動性強的特點，且能提供高水下地形數(shù)據(jù)精度。無人船載單波束探測儀是一種可以自主或遙控作業(yè)的新型船基測量平臺，國內外已有多個研究機構設計和建造此類無人船[3-4]，廣泛應用于河流、水庫、港灣等區(qū)域水下地形測量[5-6]、水質采檢[7-8]、環(huán)境監(jiān)測[9]等。

本文擬綜合運用高精度導航定位、數(shù)字化傳感器及通信等技術，采用定量和定性相結合的方法，分析南京市鄭紅水庫主要特征指標及水下地形特點，探討無人船載單波束測深平臺在水利工程中的應用，擬為該區(qū)水利資源合理利用、水生態(tài)環(huán)境保護及無人船測深技術進一步發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究設備及施測過程

1.1 無人船測深系統(tǒng)

本研究采用的無人船測深系統(tǒng)主要由無人船部分和岸基部分組成，船只與地面基站采用無線射頻點對點數(shù)據(jù)傳輸進行實時通訊。無人船部分的動力裝置為涵道式，由一個主推器和兩個輔助推進器組成。船體尺寸（長×寬×高）：1 800 mm×840 mm×480 mm，該體積便于長距離運輸、搬運。船只集成的GPS和測深儀等設備可以支持地理坐標與水深同步采集，視頻實時傳輸和自動返航功能可以從安全性角度保證無人船的航行安全，無人船測深系統(tǒng)的船體部分結構如圖1所示。

圖1 無人船測深系統(tǒng)的船體部分

岸基部分主要是系統(tǒng)軟件、智能遙控器及基站，其中岸基控制軟件實現(xiàn)測量任務下達、實時視頻傳輸、測量數(shù)據(jù)顯示和測量數(shù)據(jù)存儲等功能。而智能遙控器可以顯示無人船基本信息、實時切換工作模式及控制船速等。岸基基站通過GNSS差分改正數(shù)據(jù)使得船只實現(xiàn)實時坐標精確定位。目前該無人船測深系統(tǒng)具備了全自動無人化作業(yè)、自主導航、定點自主返航等功能，該系統(tǒng)主要參數(shù)指標見表1。

表1 無人船測深系統(tǒng)主要技術參數(shù)表

1.2 施測過程

將無人船測深系統(tǒng)應用于南京市六合區(qū)馬集鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)以南約4 km的鄭紅水庫，該工程位置大致為東經(jīng)118.82°，北緯32.49°，測區(qū)范圍約0.14 km2。作業(yè)要求是按1∶1000比例尺測量水下地形，等深距為1 m。本研究包括外業(yè)測量及內業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個主要環(huán)節(jié)，具體作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 無人船測深系統(tǒng)作業(yè)流程圖

1.2.1 航線設計

無人船測量航線通常利用測區(qū)最新遙感影像進行初始布設，結合現(xiàn)場踏勘情況，如遇有漁柵欄、漁網(wǎng)、孤島等阻隔，再對航線進行相應的微調以完成最終的布設。本研究區(qū)自然條件較好，無大面積障礙物及水生植物，為無人船自主作業(yè)提供良好的外部環(huán)境。

按照JTS 131—2012《水運工程測量規(guī)范》及作業(yè)要求為研究區(qū)設計如圖3所示的航線，該航線由主測深線和檢查線兩個部分組成：其中主測深線總長度約為9 km，相鄰測線間距為20 m，測線點間距為6 m；而3條檢查線總長度約為1.04 km（檢查線長度不小于主測線總長度的5%），均與測深線垂直，且都集中在水庫幾何中心區(qū)域，具有較好的代表性。

圖3 研究區(qū)航線設計示意圖

1.2.2 水下數(shù)據(jù)獲取

本研究采用的無人船測深系統(tǒng)工作原理是通過GNSS技術中的RTK（Real-Time Kinematics）來獲取高精度定位，結合單波束測深技術獲得的高精度水深，以獲得高精度水下測點三維坐標數(shù)據(jù)[10]。由于無人船在轉換航線時有轉彎半徑，需要在航線的端點與岸邊間設置安全距離，因此本次數(shù)據(jù)獲取采用自動模式和手動模式相結合的方法。

在測深開始前，作業(yè)員通過岸基測深軟件測量狀態(tài)欄查看船只?？刻幍乃钭x數(shù)及水面高程讀數(shù)并與人工實測數(shù)據(jù)進行對比確保無誤。測深過程中通過岸基船控軟件實時視頻傳輸功能對航行過程中可能出現(xiàn)的障礙物等風險進行跟蹤，同時對測深軟件中的測深功率、增益和門檻等設置進行及時調整，保證航行安全和數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定。所有測深任務完成后，再對水深讀數(shù)及水面高程讀數(shù)進行比對以確保測深數(shù)據(jù)可靠。本次航行共采集1 690個水下特征點坐標以及200個檢查點坐標。

2 成果檢驗及分析

2.1 數(shù)據(jù)處理及成果檢驗

在所有測量完成后，需要通過測深軟件對采集數(shù)據(jù)進行后處理，處理過程主要包括數(shù)據(jù)改正和水深取樣。數(shù)據(jù)改正是對前期設置的如吃水值、坐標參數(shù)等進行后期添加和修改。水深取樣主要是由于單波束測深儀在運行過程中易受到魚群、水草等因素影響，需要通過疊加數(shù)字信號與模擬信號來判讀真假水深，本研究選擇中值濾波法對回波數(shù)據(jù)進行自動濾波，并對噪點進行手動改正，使輸出成果更貼合實際。

根據(jù)JTS 131—2012《水運工程測量規(guī)范》對水深測量精度的要求，本研究通過對比主測線與檢測線重疊點水深數(shù)據(jù)，即在檢查點數(shù)據(jù)中隨機抽取50個特征點進行測深數(shù)據(jù)精度檢驗以保證測深數(shù)據(jù)精度達標。由表2可知，測深數(shù)據(jù)與檢測數(shù)據(jù)的差值有3個超過0.1 m，其余差值均小于0.1 m，本次樣本數(shù)據(jù)中誤差0.08 m，測量精度滿足JTS 131—2012《水運工程測量規(guī)范》的精度要求。

表2 研究區(qū)水深測量數(shù)據(jù)精度對比表

2.2 水下地形成果分析

在水深采樣及數(shù)據(jù)改正完成后，根據(jù)導出的水下高程成果計算得到水庫基本特征數(shù)據(jù)（平均水深、庫容等）。本次外業(yè)測量時鄭紅水庫水面面積為0.143 km2，平均水深為3.13 m，水庫庫容為5.3×105m3，最大庫容為5.9×105m3。

同時，由高程數(shù)據(jù)成果可生成DEM成果（如圖4所示），從模型中我們可以看出：鄭紅水庫水下地形總體地勢平緩，起伏變化不大；等高線在水域西側較為密集，水深變化較大；水庫的深水區(qū)集中在西側，最大水深為6.02 m。

圖4 研究區(qū)DEM成果圖

3 結論與展望

本文主要基于GPS和水聲技術基礎上，運用水下地形測量相關原理，采用無人船測深系統(tǒng)對南京市鄭紅水庫進行水下地形測量，并對采集數(shù)據(jù)進行精度檢驗和分析。得出以下結論與展望：

（1）由庫容大小可知鄭紅水庫是一座小型水庫，水庫深水區(qū)分布在西側攔水壩附近，整個水底地形較為平緩，水下地形特點為高程由西向東逐漸抬升。

（2）無人船測深系統(tǒng)在水利工程測量中應用是可行的，尤其是在無法獲取載人船的小型水庫、湖泊等區(qū)域更能突顯其“小快靈”的特點，既保證數(shù)據(jù)真實可靠也為生產(chǎn)單位節(jié)省不必要經(jīng)濟開支。本研究為無人船測深技術在水利工程的進一步應用打下堅實基礎。

（3）本研究所用無人船測深系統(tǒng)仍然存在一些不足，在安全避障、避免水生植物纏繞推進器等方面尚需進一步完善，以提高其航行安全性及工作效率。

（4）水下地形測量技術已走向智能化、自動化、高精度、高效率，仍然呈現(xiàn)立體測量的態(tài)勢，無人船測深系統(tǒng)有著廣闊的應用前景，但現(xiàn)有設備在全自動化、復雜環(huán)境高效作業(yè)等方面研究還需進一步深入[11]。