無人船在水下地形測量中的應(yīng)用與數(shù)據(jù)處理探討

李冠軍

（上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

目前廣泛使用的傳統(tǒng)水下地形測量方法是在載人船只上安裝單波束測深儀和GNSS定位裝置來獲得相應(yīng)點(diǎn)位的水下地形坐標(biāo)信息[1]。由于載人船只體積大、吃水深，不能靠岸和勘測淺灘地區(qū)，而靈活輕便的皮劃艇在水流湍急的水域又相對危險(xiǎn)，因此水下地形測量就受到技術(shù)和地形限制而無法測繪出完整的水下地形圖[2]。通過引入無人船水下測量技術(shù)，配合水質(zhì)儀、多普勒流速剖面儀以及單波束測深儀等各種水下參數(shù)收集設(shè)備，就能夠有效解決傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中遇到的精確度低和測量受限等問題，盡可能地滿足水下測量項(xiàng)目的預(yù)期作業(yè)目標(biāo)和工期時(shí)限[3]。

1 無人船水下測量技術(shù)概述

無人船的水下測量技術(shù)是指將無人船作為工作載具，以湖泊、海岸、河道、水庫等水域?yàn)闇y量對象，利用GNSS高精度接收機(jī)來對平面方位進(jìn)行定位，無人船體綜合搭載各種光、電磁、聲音傳感設(shè)備，以無線操控的形式動(dòng)態(tài)獲得待測區(qū)域的水下地形、水質(zhì)、地貌等水文數(shù)據(jù)。無人船測量系統(tǒng)包括無人船遙控測量子系統(tǒng)和岸上基站控制子系統(tǒng)[4]，其中無人船遙控測量子系統(tǒng)由電力系統(tǒng)、船體操控系統(tǒng)、單波或多波束測量儀、GNSS定位設(shè)備、陀螺儀、數(shù)據(jù)輸送模塊等部分組成，岸上基站控制子系統(tǒng)采以互動(dòng)界面的方式來對船體發(fā)出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行接收、處理、分析和繪圖等操作，并操控測量模式的自動(dòng)和手動(dòng)切換，以及監(jiān)控?zé)o人船只的自動(dòng)回航情況。

本文運(yùn)用的無人船單波束測量模式的工作原理與傳統(tǒng)單波束測量原理一致，都是利用聲吶的回聲定位原理。設(shè)定換能器到水體底部的距離為h，換能器發(fā)射一束聲波到接收器接收到反射的回波所需的時(shí)間為t，聲波在水體中傳播的速度為v，就可通過公式h=vt/2獲得h的值。再結(jié)合GPS定位設(shè)備采集到的位置信息和高程信息，匹配得到水體底部的三維坐標(biāo)信息。

無人船的測量工作流程分為以下5個(gè)步驟：

1）設(shè)置參數(shù)：參數(shù)的設(shè)置包括走線、偏航、遙控、通信等基礎(chǔ)操作的預(yù)設(shè)，以及三維坐標(biāo)的投影和編輯。

2）采集數(shù)據(jù)：采集數(shù)據(jù)要保證對采集開始到結(jié)束的整個(gè)流程進(jìn)行把控。

3）控制船只：控制船只包括自動(dòng)回航和控制走線。

4）處理數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)處理的流程包括數(shù)據(jù)的初步篩選、修訂、以及數(shù)據(jù)格式和坐標(biāo)信息的轉(zhuǎn)化。

5）顯示數(shù)據(jù)：目前比較通用的顯示方式為實(shí)時(shí)信息顯示、水下地形顯示和軌跡圖顯示。

2 實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目背景

項(xiàng)目案例以上海橫沙東灘圈圍工程—護(hù)灘堤、保灘監(jiān)測及分析為例。上海橫沙東灘圈圍位于長江口最東端島嶼上，測量任務(wù)為新建護(hù)灘堤及外側(cè)圍區(qū)的長期監(jiān)測。其測量的主要難點(diǎn)包括：（1）測量海域位于長江口區(qū)域，未經(jīng)申報(bào)的載人船只不準(zhǔn)隨意進(jìn)入；（2）水深僅為1—5m，容易造成船只擱淺；（3）該海域受潮汐影響大且流向復(fù)雜多變，區(qū)域有人工拋石，載人船只通行的難度較高?？紤]到這些測量的技術(shù)難點(diǎn)，本項(xiàng)目選擇采取無人船進(jìn)行水下地形的測量。

2.2 測量方法

基于測區(qū)手機(jī)信號(hào)較差，無法采用網(wǎng)絡(luò)RTK的模式進(jìn)行無人船測量，本次測量采用架設(shè)基站配合網(wǎng)橋傳輸控制無人船的方式進(jìn)行測量。

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)應(yīng)遵循模數(shù)協(xié)調(diào)原則，建立標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)化建筑空間尺寸[13]。項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)未嚴(yán)格遵循選材的模數(shù)要求，在項(xiàng)目圍護(hù)體系制作過程中，材料出現(xiàn)多次裁剪，造成了一定的浪費(fèi)。通過項(xiàng)目實(shí)踐深切體會(huì)到，模數(shù)化是建筑工業(yè)化的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件和內(nèi)裝部品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化[9]13，有利于組織生產(chǎn)、提高效率、降低成本。

無人船選擇華測華微六號(hào)無人型海洋探測船，船體配備GNSS自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，航行平穩(wěn)，續(xù)航時(shí)間長，最高航行速度可以達(dá)到5m/s。船體采用含纖維的高強(qiáng)度材質(zhì)，具備抗腐蝕、重量輕、防碰撞等優(yōu)點(diǎn)，是淺水海域水下測量的優(yōu)秀設(shè)備。無人船由控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)和智能控制，其具體水下測量流程及方法如下：

1）船體下水

船體的總重量大約為15kg，為保障船體安全裝上浮體后只需要兩個(gè)人就可以完成下水作業(yè)，輕便靈活的船體和低吃水也為下水作業(yè)環(huán)境提供了更多選擇。船體下水完成后，可以自主選擇手動(dòng)操控或自動(dòng)巡航的方式航行。本項(xiàng)目采取斷面法實(shí)施測量，首先在Hydro Survey軟件的幫助下，按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行斷面區(qū)域計(jì)劃線的設(shè)置，計(jì)劃線需要按照工程實(shí)際情況盡量設(shè)置為與防浪堤成90°垂直的方向，斷面之間的間隔設(shè)置為100m。

2）巡航路徑規(guī)劃

由于待測區(qū)域被拋石劃分為多個(gè)區(qū)域，無人船作業(yè)時(shí)每個(gè)需要單獨(dú)規(guī)劃航線，劃分好待測區(qū)域，并為船只預(yù)設(shè)好巡航路徑和工作目標(biāo)之后，無人船就會(huì)開始自主巡航、障礙規(guī)避和完成工作，減少或完全排除了人力活動(dòng)的參與。自動(dòng)巡航的路徑規(guī)劃方法主要有兩種：一種是根據(jù)電子地圖來自動(dòng)生成和規(guī)劃航線，另一種是根據(jù)軌跡分析結(jié)果來自動(dòng)生成和規(guī)劃航線。

3）測量過程控制

無人船測量過程中應(yīng)保證風(fēng)力小于6級，如出現(xiàn)巨大風(fēng)浪使得船體左右搖晃程度過高，則應(yīng)立即暫停作業(yè)。無人船在進(jìn)行水下測量時(shí)，應(yīng)做到盡可能保持直線和勻速航行，在轉(zhuǎn)換測線時(shí)切換手動(dòng)，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，按照規(guī)范要求，實(shí)際航行線路和原計(jì)劃測線之間的偏移距離不應(yīng)超過測線間隔的50%[5]，靠近拋石時(shí)也需要切換到手動(dòng)控制，保障無人船安全。本次測量過程中實(shí)際航線與計(jì)劃航線不超過5%。

4）數(shù)據(jù)記錄與傳輸

工作過程中可能會(huì)因預(yù)先設(shè)定的測點(diǎn)選擇不精確而導(dǎo)致出現(xiàn)漏測關(guān)鍵測點(diǎn)，因此需要導(dǎo)入模擬信號(hào)來對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的補(bǔ)充和完善。完成記錄后，無人船利用相距大約1km的2.4G網(wǎng)橋或相距大約5km的2W電臺(tái)來進(jìn)行水下的數(shù)據(jù)測量和三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的回傳，在實(shí)際工作中可按照實(shí)際需求和預(yù)算來選擇可行的數(shù)據(jù)記錄與回傳方式。

2.3 數(shù)據(jù)處理分析

1）數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)出

數(shù)據(jù)處理的過程主要流程為：首先，過濾無人船在非固定解的情況下收集到的數(shù)據(jù)信息；其次，由于無人船巡航時(shí)發(fā)出的聲波可能在傳入海底的途中碰到水草群和移動(dòng)的大型魚群就被反射回來，導(dǎo)致測量得到的水深數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，此時(shí)要根據(jù)原有資料和模擬數(shù)據(jù)對異常數(shù)值進(jìn)行修正以保證水底的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)得到展示；之后，考慮到無人船只在巡航過程中會(huì)受到海面波浪的影響導(dǎo)致船體發(fā)生搖擺，就要利用姿態(tài)傳感設(shè)備對獲取的測量數(shù)值進(jìn)行自我糾正；此外，如果發(fā)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)過于密集，就可以通過提前設(shè)置濾波模式和間隔來對其進(jìn)行“抽稀”，方便之后的數(shù)據(jù)產(chǎn)出和繪圖。

數(shù)據(jù)處理中使用到的軟件是Hydro Survey，操作時(shí)要首先選擇等待加工的水下測量數(shù)據(jù)文件，將需要加工的數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)換至適合的橫縱軸坐標(biāo)，觀察測線的數(shù)據(jù)信息，如有異常數(shù)據(jù)將其平滑并返回到正常的區(qū)間內(nèi)。待設(shè)定并測試好測線后，以5m為間隔設(shè)置數(shù)據(jù)的采集間隔，并完成數(shù)據(jù)的采集和處理。按照順序?qū)⒚恳粋€(gè)測線的水深數(shù)據(jù)都選取樣本后按日期分類保存到指定位置，在經(jīng)過修改和編輯后產(chǎn)出數(shù)據(jù)成果，并繪制水下地形圖。

2）精度檢查

水下地形測量，一個(gè)很重要的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)是精度評定。一般采用“等精度觀測”的方式對水深測量精度進(jìn)行檢測，即布設(shè)不少于5%主測線的檢查線，且與主測線垂直[6]。水下地形測量完成后，分別對主測線和檢查線的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，檢查主測線與檢測線重合點(diǎn)的高程差異，是否在規(guī)范允許的誤差范圍內(nèi)。項(xiàng)目主測線總長為8km，檢測線總長為1.8km，檢測線占主測線的22.5%，精度檢查時(shí)要選擇主要測線和檢測線相交的高程點(diǎn)進(jìn)行比較，分別從海域的上、中、下游區(qū)域平均選擇50對點(diǎn)進(jìn)行水下測量精度的檢查統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 主測線和檢測線重合點(diǎn)水深值比對統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)檢測，合限點(diǎn)個(gè)數(shù)占總點(diǎn)數(shù)100%，水深中誤差為0.08m。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，無人船測量得到的海洋水下地形高程點(diǎn)數(shù)據(jù)精度高、結(jié)果可靠，滿足《水運(yùn)工程測量規(guī)范》[7]的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）成果分析

本次選用2020年7月至8月的2次測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖1。

如圖1所示，本文選取連續(xù)四條斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行兩期對比，分別為7月份單波束測量數(shù)據(jù)和8月份無人船測量數(shù)據(jù)，縱軸為斷面數(shù)據(jù)高程信息，橫軸為斷面長度信息。選取對比數(shù)據(jù)的區(qū)域地勢比較平緩，兩次測量數(shù)據(jù)平面位置差異較小，高程信息也能夠反映出無人船測得數(shù)據(jù)與單波束測得數(shù)據(jù)比較一致，說明無人船測量數(shù)據(jù)精度可靠，能夠滿足本項(xiàng)目測量需求。

圖1 兩期測量數(shù)據(jù)斷面對比圖

3 結(jié)語

綜上所述，案例表明無人船測量在實(shí)際生產(chǎn)中完全可以按照《水運(yùn)工程測量規(guī)范》[7]的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行水下地形測量，測量結(jié)果同時(shí)具備準(zhǔn)確性和可靠性。無人船最明顯的優(yōu)勢就在于其可以在危險(xiǎn)、淺談、近岸等水域進(jìn)行航行作業(yè)，可以補(bǔ)充載人船只在水下地形測量方面的空白區(qū)間，進(jìn)而大幅度降低水下地形測量的工作周期，保障了測量工作的質(zhì)量和效率。盡管無人船水下測量具有可以預(yù)見到的市場潛力和發(fā)展方向，但這種測量方式目前仍處于實(shí)驗(yàn)研究和推廣改進(jìn)的階段，并不能做到大規(guī)模的投入使用。在進(jìn)行正式的水下地形測量作業(yè)時(shí)，仍然存在各種技術(shù)難題，如數(shù)據(jù)接收存在時(shí)間差而導(dǎo)致其計(jì)算和傳輸?shù)南嗷オ?dú)立，并使得測點(diǎn)數(shù)據(jù)與水深不匹配等問題，這一問題可以通過采取特征點(diǎn)配對的算法來進(jìn)行克服?？偟膩碚f，在不斷地實(shí)驗(yàn)和推廣改進(jìn)的過程中，目前無人船水下測量技術(shù)存在的問題和不足會(huì)一一得到改進(jìn)，并在未來以高機(jī)動(dòng)性和高安全度等優(yōu)點(diǎn)逐步取代傳統(tǒng)的水下地形測量方式，進(jìn)而在海洋的航道測量、海洋地質(zhì)勘察和地貌繪制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?！?/p>