無人船搭載多波束測量技術在水下地形測量中的應用

于剛

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230009）

1 概述

水下地形測量是掌握水下地理信息的重要手段，傳統(tǒng)的水下地形測量方法，主要是通過皮筏艇、人工手持RTK、機動船等方式來完成，這些手段效率低，危險性大，容易受地形限制，淺水區(qū)、水流湍急區(qū)域難以到達，無法獲取完整高精度的水下地形數據。

隨著科技的發(fā)展，新的測量手段也層出不窮。在水下地形測量中無人船和多波束應用越來越廣泛，以無人船為載體，搭載多波束進行水下地形測量成為了一種新的水下三維數據獲取技術，并且越來越多的應用在了河道測量、水庫測量、近海測繪等水利測繪領域。

2 無人船多波束測量技術

2.1 無人測量船的優(yōu)勢

①船體體積小、重量輕、吃水淺，隨車方便攜帶，深水淺水區(qū)均可使用，大大降低人力成本。②可根據任務需求搭載不同水下地形測量設備，結合RTK水下地形測繪，獲取更加精準的水下地形數據。③地形復雜的水域，無人船可以靈活控制，避免了測量人員的安全隱患。④無人船可以根據水域分布情況發(fā)布任務指令，根據地面站指令，無人船全自動完成測繪任務并實時傳輸數據，避免出現遺漏或少測情況出現。

2.2 多波束測量的優(yōu)勢

①精度高。多波束波束角一般0.50°～2°，單波束角大約為6°～8°，根據測量理論，波束角越小，所測水深值越接近真實值，對水下地形地貌的反映越準確，見圖1。在水流和涌浪較大的測區(qū)，會引起船體的傾斜和搖晃，導致測點位置的偏移和水深的誤差；而多波束的橫搖和縱搖改正可以有效的避免此類誤差。②分辨率高。單波束的測量原理是“由點到線”，通過單個測量點的累加得到線的效果，多波束則是“由線到面”的方式，一次測量即可得到大量的水深點，可獲得線的測量效果，再隨著搭載工具的移動，進而得到面狀的測量效果。③效率高。多波束以水深的8倍覆蓋寬度掃測，降低了作業(yè)時長，提升了測量效率。

圖1 單波束與多波束對比圖

3 項目實踐

為了驗證無人船搭載多波束技術的效果，選取皖南山區(qū)某水庫進行測量實踐。由于2020 年夏季連續(xù)暴雨引發(fā)山洪，使水庫環(huán)境及周邊景點受損嚴重，需要對水庫的淤堵狀態(tài)，靠近山體側石塊、樹木的散落情況以及周邊環(huán)境進行詳細勘查，及時進行修復。

經初步調查，水庫位置與景區(qū)重疊，且水下地形復雜，山洪過后，水域內存在大量漂浮物，靠近山體側水深低于1 m，并且樹木、碎石縱橫交錯，數據較難獲取?；谏鲜鰧嶋H狀況，經過對比，選擇無人船搭載多波束的測量方案作為最終選擇。

3.1 無人船的選擇

選擇吃水淺、重量輕、體積小的無人船，以保證在淺水流域和無船水域也能暢通無阻，并且在狹小空間內也能靈活調頭；船體應該具有一定的穩(wěn)定性，以保證搭載多波束時能平穩(wěn)航行和數據獲取的準確性。經過綜合對比，選擇華測公司華微6號無人船作為搭載工具。

其主要參數見表1。

表1 華微6號無人船主要參數表

3.2 多波束的選擇

傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)輔助設備多，結構復雜，無人船難以承載。此次選擇NORBIT 公司的iWBMS 系列多波束測深儀，多波束體積小、重量輕、系統(tǒng)高度集成、操作簡單、便于攜帶、功耗低，免安裝校準，省去了橫搖、縱搖檢測等繁瑣步驟，減少了測量前的準備時間。

其主要技術參數見表2。

表2 iWBMS多波束主要參數表

3.3 作業(yè)流程

無人船搭載多波束相對于傳統(tǒng)測量其過程更加復雜，具體的作業(yè)流程見圖2。

圖2 無人船搭載多波束的作業(yè)流程圖

3.4 實施方案

3.4.1 測區(qū)邊界采集

利用手動控制測量的方式采集水庫邊界，確定測量范圍，采集過程見圖3。

圖3 測區(qū)邊界采集圖

3.4.2 航線設置

在手動測量確定的邊界內布置測線，測線間隔為50 m 一條，軟件界面見圖4。測量過程中根據現場實際情況進行手動與自動的靈活切換。既能確保測量過程的安全性，又能保證關鍵部位的數據質量，還有效提高了測量效率。

圖4 部分測線布置圖

3.4.3 測量成果分析

經過外業(yè)采集和數據后處理，獲得了清晰的水下三維地形圖和斷面圖，見圖5、圖6。

圖5 水下三維地形圖和典型斷面圖

圖6 水庫入水口處水下三維地形圖

結合水下三維地形圖和斷面可以判斷出，水庫中最深的區(qū)域約15 m，最淺區(qū)域為約0.40 m。圖方框1、2、3標注的區(qū)域存在大量的樹木，靠近山體側的方框4 有石塊堆積，存在淤積現象，與周圍水域有約1.50 m的落差。

配合軟件從圖中可以看出水庫入水口部位長186 m，寬68 m，其中深水區(qū)域10.04 m，最淺區(qū)域0.80 m。其中入水口到下游的方向有175.36 m的范圍水深變化1～3 m，在現場入水口能清晰地看到有災后形成的堆積物（左側框選位置形成一片灘涂，無人船無法進入）。

結合水下三維地形圖和斷面圖可以直觀看出整個水庫的水下地形情況，可以為后續(xù)的水庫治理提供翔實全面的數據。

4 結論

此次對該水庫水下地形成果的分析，證明了無人船搭載多波束的技術在復雜的水域環(huán)境中也能高效可靠地完成水下地形勘測任務。既能滿足測量的精度要求，還大大減少了外業(yè)的工作量。提高了工作效率的同時，也避免了外業(yè)人員水上作業(yè)的危險性。真正做到了智能化、高精度、高效益，可以預見這種作業(yè)模式將成為水下地形測繪的重要發(fā)展趨勢，對測繪行業(yè)向智能化、數字化、精準化的轉型升級起到積極的推動作用。