基于無人船組合編隊的河口地區(qū)水下地形測繪技術(shù)及實踐

陳鼎豪，任 杰，孫玉超，張小波

（1.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519080；2.中山大學(xué)近岸海洋科學(xué)與技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510275；3.國家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院，廣東 廣州 510275）

對河口地區(qū)的水下地形測繪工作來說，其測繪效率和安全性目前都存在很大問題，其原因在于受徑流、潮汐、波浪等作用，河口地區(qū)的水下地形復(fù)雜，不僅有典型的潮流沖刷深槽、潮流沙脊等縱向地貌，還有不同尺度的水下沙丘、沙壩等橫向地貌[1]，水深變化較大，傳統(tǒng)的測量船只適用于一部分深水區(qū)作業(yè)，大量淺灘及潮間帶都需要乘坐橡皮艇和人工涉水等方式進(jìn)行測繪，其測繪效率較低，且對測量人員來說存在一定安全風(fēng)險。

隨著科技的發(fā)展，無人船的應(yīng)用越來越廣泛，也為水下地形測繪提供了新思路，國內(nèi)外使用無人船進(jìn)行水下地形測繪的應(yīng)用也越來越多[2-6]，但其主要的應(yīng)用范圍還在河道、湖泊等環(huán)境相對單一的水域，對于河口地區(qū)的應(yīng)用仍然較少，少量的應(yīng)用也僅僅停留在單船作業(yè)層面[7]，仍然無法滿足在河口復(fù)雜水環(huán)境條件下對效率和安全的要求。本文提出了一種基于無人船組合編隊的河口地區(qū)水下地形測繪技術(shù)，通過采用大、中、小3種不同型號的無人船，搭載多波束和單波束測深系統(tǒng)，針對河口地區(qū)進(jìn)行集群同步測量，全面獲取河口區(qū)域的水下地形數(shù)據(jù)，大大提高了作業(yè)的安全性和作業(yè)效率。

1 系統(tǒng)組成

無人船組合編隊測繪系統(tǒng)由無人船平臺子系統(tǒng)、測繪作業(yè)載荷子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)3大部分組成。

1.1 無人船平臺子系統(tǒng)

無人船平臺子系統(tǒng)主要是為測繪作業(yè)載荷子系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的搭載平臺，保障測繪作業(yè)載荷子系統(tǒng)有穩(wěn)定的電源電壓和數(shù)據(jù)通訊，主要由大、中、小不同型號尺寸的無人船編隊組成（圖1），大、中型無人船搭載組合慣導(dǎo)（Position and Orientation System for Marine Vessels，POS MV）和多波束測深系統(tǒng)，小型無人船搭載實時動態(tài)載波相位差分接收機(jī)（Real-Time Kinematic，RTK）和單波束測深系統(tǒng)。無人船平臺子系統(tǒng)具備路徑實時規(guī)劃、環(huán)境感知、目標(biāo)識別、智能避障等功能，不同船型吃水深度、動力模式及搭載設(shè)備均有一定差異，可分別適用于河口地區(qū)不同的測量環(huán)境，各船型如圖2所示。

圖1 無人船組合編隊測繪系統(tǒng)組成示意圖

圖2 無人船平臺子系統(tǒng)組成

1.1.1 大型無人船

大型無人船（云洲L25C）參數(shù)：船長7.5 m，總寬2.8 m，滿載吃水0.35 m，槽道間距1.00 m，設(shè)計排水量≤2.40 t，工作航速5~6 kn（靜水），最大航速10 kn（靜水），最大載荷總量200 kg，續(xù)航能力≥300 km（靜水條件工作航速），通訊距離10 km，遙控距離大于500 m，工作海況Ⅱ級，生存海況Ⅳ級。

大型無人船動力采用船尾外掛柴油掛機(jī)驅(qū)動，動力較強(qiáng)，能適用于水動力較強(qiáng)的深水環(huán)境測量。

1.1.2 中型無人船

中型無人船（云洲M40P）參數(shù)：船長4.67 m，總寬2.1 m，滿載吃水0.32 m，槽道間距0.7 m，工作航速4~6 kn（靜水），最大航速8 kn（靜水），最大載荷總量80 kg，續(xù)航能力8 h（靜水條件工作航速），通訊距離10 km，遙控距離大于500 m，工作海況Ⅱ級，生存海況Ⅳ級。

中型無人船采用純電推進(jìn)，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電增程的方式，續(xù)航時間長，能適用于水動力較弱的深水環(huán)境測量。

1.1.3 小型無人船

小型無人船（云洲SE40）參數(shù)：船長1.05 m，總寬0.55 m，滿載吃水0.15 m，最大載荷總量8 kg，續(xù)航能力8 h（1 m/s），通訊距離2 km，遙控距離在1 km內(nèi)，抗風(fēng)浪等級3級風(fēng)0.5 m浪。

小型無人船采用1個碳纖維+金屬噴泵噴水推進(jìn)動力，船體小、重量輕，能適用于水動力弱的淺水潮間帶或淺灘水域測量。

1.2 船載作業(yè)子系統(tǒng)

船載作業(yè)子系統(tǒng)在無人船組合編隊測繪系統(tǒng)中主要功能為采集地形數(shù)據(jù)，主要包括單波束、多波束、表面聲速儀、聲速剖面儀、姿態(tài)儀、導(dǎo)航和定位等設(shè)備。

大、中型無人船均搭載組合慣導(dǎo)（Applanix POS MV）和多波束測深系統(tǒng)（海卓MS8200），并配備表面聲速儀和聲速剖面儀，多波束提供水深探測數(shù)據(jù)，組合慣導(dǎo)為測量提供精確的定姿和定位信息，表面聲速儀和聲速剖面儀為多波束提供水體聲速數(shù)據(jù)。小型無人船搭載RTK和單波束測深系統(tǒng)，單波束提供水深探測數(shù)據(jù)，RTK提供導(dǎo)航定位信息。

1.3 數(shù)據(jù)采集處理與顯示子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集處理與顯示子系統(tǒng)主要功能為處理船載作業(yè)子系統(tǒng)所測量的地形數(shù)據(jù)，包括實時處理和后期處理，還支持現(xiàn)場測繪數(shù)據(jù)實時顯示。在無人船編隊數(shù)據(jù)采集處理與顯示子系統(tǒng)中針對單波束和多波束測深數(shù)據(jù)的獲取、處理、展示主要分為兩部分：一部分針對單波束，由于單波束測深數(shù)據(jù)量較小，數(shù)據(jù)可通過通信基站實時傳輸回船控電腦，數(shù)據(jù)的處理、展示也集成于船控軟件中；另一部分針對多波束測深數(shù)據(jù)，多波束在測量過程中產(chǎn)生數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)測量后儲存于船體主控電腦中，測量結(jié)束后采用多波束后處理軟件Qimera進(jìn)行后處理，多波束數(shù)據(jù)顯示可通過岸基電腦遠(yuǎn)程登錄無人船主控電腦實現(xiàn)。

2 無人船編隊測繪系統(tǒng)優(yōu)勢

無人船編隊測繪方式和傳統(tǒng)的有人操控船舶測量及單一無人船測量方式相比，其安全性、效率性、適用性、容錯性、經(jīng)濟(jì)性都具有較大優(yōu)勢，具體表現(xiàn)如下。

2.1 無人船編隊可同時獲取潮間帶、淺灘和深水區(qū)數(shù)據(jù)

在傳統(tǒng)的水下地形測繪作業(yè)中，河口地區(qū)深水區(qū)一般采用單波束或多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行測量，需要采用有人操控的船舶作為平臺，受限于船體體積大、吃水深，淺水區(qū)域無法測量。對于淺灘區(qū)域通常采用攜帶RTK、測深桿或測深錘等方法，結(jié)合橡皮艇、竹筏等運(yùn)載工具或工作人員涉水進(jìn)行測量，作業(yè)勞動強(qiáng)度大、工作效率低、安全隱患大[6]。在實際作業(yè)過程中需要按照深水、淺水和潮間帶分別采用上述不同方式進(jìn)行測繪，如需同時測量不同水深地形，則投入人力數(shù)量巨大。

對無人船組合編隊測量方式來說，通過其集群控制功能，在船體下水后1人便可控制整個船隊進(jìn)行工作。小型無人船可專門用于測量潮間帶和淺灘區(qū)域，小船吃水淺（大于等于0.15 m），可通過潮汐變化規(guī)律合理布置測線，自動控制測量船隨潮汐變化始終處于測量工作狀態(tài)。中、大型無人船則可依照航線按計劃進(jìn)行深水區(qū)測繪，從而保證對潮間帶、淺灘和深水水域進(jìn)行同步作業(yè)，這樣在人員配備和工作效率上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法。

2.2 不同型號無人船組合編隊可適用于多種水動力環(huán)境

河口區(qū)域受徑流、潮汐、波浪作用，水動力結(jié)構(gòu)復(fù)雜，漲落急時流速較大，如珠江河口落急最大平均流速約在1.2 m/s[8]，此時電機(jī)驅(qū)動的無人船容易出現(xiàn)功率過載而導(dǎo)致停機(jī)的現(xiàn)象。在河口攔門沙外無島嶼庇護(hù)直面外海，受波浪作用的影響強(qiáng)烈，小型無人船航行安全無法保障。因此在單一型號無人船測繪過程中，受船體平臺自身生存能力和動力所限，其水域環(huán)境適用性較差。電機(jī)驅(qū)動的無人船無法適用于急流水域，小型無人船生存能力較差不適用于高海況海域，大型無人船能適應(yīng)高海況環(huán)境但由于吃水較深無法測量淺水區(qū)域。

無人船組合編隊可根據(jù)河口水動力和地形結(jié)構(gòu)合理分配對應(yīng)船型，使之能更好地適應(yīng)河口近岸復(fù)雜的地形和水動力環(huán)境，提高測繪效率。

2.3 無人船編隊船體操控和數(shù)據(jù)采集模塊高度集成

在傳統(tǒng)有人船測繪過程中，設(shè)備操控和船體操控需要不同的作業(yè)人員負(fù)責(zé)。在設(shè)備校準(zhǔn)和測繪作業(yè)中，航線布置規(guī)劃需設(shè)備操作人員與船體操作人員時刻保持溝通，這中間存在一定的信息傳遞時間，不利于整體把控。而無人船組合編隊集群控制軟件集成了船控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在船控方面，可提前設(shè)置航線，船隊可按照預(yù)設(shè)航線自動航行，船體配有避障雷達(dá)，遇到障礙物可進(jìn)行自動避障；在數(shù)據(jù)采集方面，無人船的單波速數(shù)據(jù)可通過通訊模塊實時傳回岸基電腦，岸端軟件可實時成圖并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。上述所有操作均可單人完成，其船體的操控和數(shù)據(jù)采集處理也可在同一軟件進(jìn)行，大幅減少了測繪作業(yè)過程中的工作量。

3 河口地區(qū)水下地形測量實施

2021年11月，利用該觀測技術(shù)對位于廣東省珠海市磨刀門河口地區(qū)進(jìn)行了實地測量。此次測量配置小船2條、中船1條、大船1條。測繪前首先對測繪區(qū)域從水動力和水下地貌進(jìn)行分區(qū)，主要分為淺灘區(qū)域、強(qiáng)水動力深水區(qū)、弱水動力深水區(qū)3個區(qū)域，根據(jù)區(qū)域劃分匹配不同測量船型進(jìn)行測繪。本次測量的坐標(biāo)參考系為國家2000大地坐標(biāo)系，1985國家高程基準(zhǔn)，投影方式為高斯—克呂格3°帶投影。

3.1 測量地區(qū)地形特征

磨刀門河口為西江徑流的主要出?？陂T，口門區(qū)潮流活動強(qiáng)烈，是典型的河流作用為主的河口。受人類活動的作用，磨刀門河口演變已進(jìn)入后門時期，口門直面開暢海洋，攔門沙在沒有島嶼屏蔽的環(huán)境中，直接經(jīng)受波浪作用。目前磨刀門攔門沙劃分為3個部分，東、西汊之間的攔門沙中心，東汊東部的攔門沙東區(qū)，西汊西部的攔門沙西區(qū)[9]。

整體來看磨刀門攔門沙以內(nèi)除航道外，以淺灘地形為主，攔門沙內(nèi)水動力結(jié)構(gòu)較為單一，以徑流和潮流作用為主。攔門沙以外水深增加，潮流、波浪作用增強(qiáng)。

3.2 無人船編隊布置

無人船編隊配置大、中、小3種型號測量無人船，小型無人船適合測量海況較好的淺灘區(qū)域，中型無人船適合海況較好的深水區(qū)，大型無人船適合海況較差的深水區(qū)。根據(jù)不同型號無人船的適用范圍，結(jié)合磨刀門水域地形和水動力特征，小型無人船測量磨刀門河口淺灘區(qū)域，中型無人船測量攔門沙以內(nèi)航道深水區(qū)（大于5 m），型無人船測量攔門沙以外水動力較強(qiáng)的深水區(qū)，具體分布見圖3。

圖3 磨刀門河口無人船分配作業(yè)區(qū)域

3.3 無人船編隊作業(yè)

通過無人船基站軟件航線布置功能，依據(jù)不同船型選擇對應(yīng)的測繪區(qū)域進(jìn)行航線布置。小型無人船搭載RTK和單波束測量淺灘區(qū)域。在布設(shè)航線之前需根據(jù)潮汐變化規(guī)律進(jìn)行布設(shè)，確保小型無人船處于合適的水深條件中，不會因為落潮時退水造成無人船擱淺而影響測量任務(wù)。單波束數(shù)據(jù)通過船控軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)處理功能進(jìn)行處理。大、中無人船搭載POS MV、海卓MS8200多波束，根據(jù)實際測量要求布設(shè)航線測量水深。作業(yè)時需進(jìn)行同步驗潮，此次選用測量海域附近已有驗潮站數(shù)據(jù)進(jìn)行水深測量時的水位改正。

3.4 測量數(shù)據(jù)處理

3.4.1 單波束數(shù)據(jù)處理步驟

單波束數(shù)據(jù)采用Hydro Survey軟件進(jìn)行處理，主要處理步驟如下。

（1）水深采集取樣處理：剔除有問題的原始測量水深值。

（2）潮汐改正：導(dǎo)入驗潮站數(shù)據(jù)進(jìn)行水深數(shù)據(jù)改正。

（3）綜合改正：包括測深儀改正、動態(tài)吃水改正、坐標(biāo)系統(tǒng)誤差改正、水深系統(tǒng)誤差改正。

3.4.2 多波束數(shù)據(jù)處理步驟

多波束數(shù)據(jù)采用Qimera軟件進(jìn)行處理，處理步驟如下。

（1）參數(shù)校正：由于多波束安裝誤差、環(huán)境影響等客觀原因的存在，多波束換能器安裝不可能完全水平，從而導(dǎo)致?lián)Q能器與水平面存在夾角[10]。通過校準(zhǔn)側(cè)線計算出縱搖偏差、橫搖偏差、艏向偏差，輸入軟件中以校正安裝偏差。

（2）聲速改正：導(dǎo)入作業(yè)時使用聲速剖面儀測量的聲速剖面數(shù)據(jù)，校正聲速誤差。

（3）潮汐改正：根據(jù)GB 12327—1998《海道測量規(guī)范》要求，水深小于200 m的測深資料需進(jìn)行潮汐改正[11]。本次測量采用三灶實測潮位數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位改正。

（4）水深編輯：通過Qimera軟件的線編輯、面編輯、3D編輯功能對測區(qū)進(jìn)行線、面和三維視角的人工辨別誤差剔除。

3.4.3 精度評價

根據(jù)GB 12327—1998《海道測量規(guī)范》的要求，計算重復(fù)測點(diǎn)上的水深測量值的差值，即主檢不符值，作為水深測量準(zhǔn)確度綜合評估的依據(jù)，計算公式如下。

式中，σ為中誤差，單位為m；hi為不同測線條幅重復(fù)測點(diǎn)水深測量值的差值；n為重復(fù)測點(diǎn)組數(shù)，兩個重復(fù)測點(diǎn)為一組。

對多波束數(shù)據(jù)來說，通過提取分辨率為2 m×2 m的網(wǎng)格大小求取均值來代表重復(fù)測點(diǎn)，經(jīng)計算多波束測量數(shù)據(jù)重復(fù)點(diǎn)差值的中誤差范圍在0.10~0.20 m，平均中誤差為0.15 m。對單波束數(shù)據(jù)，提取5%檢查測線進(jìn)行誤差分析，經(jīng)計算平均中誤差為0.3 m。航道水域由小型無人船單波速和中型無人船多波束同時測量，在實際測量過程中受聲線彎曲的影響，多波束測深的邊緣波速數(shù)據(jù)質(zhì)量較低，而單波束測深受聲線彎曲的影響較小[11]，這其中存在單波束與多波束數(shù)據(jù)融合處理問題，為了評估二者數(shù)據(jù)質(zhì)量的一致性，在重疊區(qū)域多波束按照2 m×2 m的網(wǎng)格大小求取均值與單波束數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，經(jīng)計算二者重復(fù)測點(diǎn)差值的平均中誤差為0.23 m，這表明在后處理過程中通過聲速改正和剔除邊緣波速，多波束數(shù)據(jù)能與單波束保持較好的一致性。綜上，小型無人船單波束和中、大型無人船多波束測量數(shù)據(jù)滿足GB 12327—1998《海道測量規(guī)范》主檢不符限差0.5 m（水深0~20 m）的要求。

3.5 成果可視化

本次測量獲取了磨刀門河口水下地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，成果見圖4。

圖4 磨刀門河口水下地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 無人船組合編隊與傳統(tǒng)測繪的對比分析

經(jīng)過本次磨刀門河口地區(qū)的現(xiàn)場實測，無人船組合編隊的測繪模式在數(shù)據(jù)測量精度方面能滿足相關(guān)的測繪規(guī)范要求，與傳統(tǒng)測繪方式并無明顯差異。在工作效率方面，此次現(xiàn)場測繪時間總計7天，其中2條小船工作6天，中船工作3天，大船工作7天，在同等工作量的情況下，傳統(tǒng)人工單船作業(yè)需22天左右，如考慮淺灘測繪過程中人工涉水作業(yè)則需更多時間。如采用傳統(tǒng)人工多船作業(yè)方式，雖然能縮短測繪時間，但需要的人員數(shù)量約是無人船隊的4倍，其中還存在人員作業(yè)風(fēng)險。如采用傳統(tǒng)的單一型號無人船測繪，則因其無法完全滿足磨刀門河口復(fù)雜的地形環(huán)境，只能在適用范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，適用范圍外則需通過其他途徑補(bǔ)測。

無人船組合編隊在實際測繪過程中雖然較傳統(tǒng)有人船和單一型號無人船測繪有一定優(yōu)勢，但在實際使用過程中也存在一些新的問題，比如：①河口近岸航道繁忙，船只通行較為頻繁，無人船雖有主動避障功能，但實際操作過程中存在船只避障策略失誤等情況，仍需人工干預(yù)。②受通訊距離影響（開闊海域最大通訊距離10 km），單一控制基站無法滿足大范圍測繪，要大范圍同時測繪需建立多個岸端基站滿足不同區(qū)域通信要求。③在無人船編隊中，小型無人船可通過人工布放回收，但大、中型無人船需要吊機(jī)進(jìn)行操作，岸邊布放需尋找合適的布放場地，如在水域中進(jìn)行布放則需要大型船只提供平臺保障。

綜上，通過現(xiàn)場實測，無人船組合編隊測繪技術(shù)在效率上較傳統(tǒng)方法有著較大的優(yōu)勢，雖存在一些傳統(tǒng)測繪方法不存在的問題，但與其優(yōu)勢相比所存在的問題在可接受范圍之內(nèi)，且隨著技術(shù)的發(fā)展，部分問題也會得到解決。

5 結(jié) 論

本文探究了基于無人船組合編隊的河口地區(qū)水下地形測繪技術(shù)，通過配置不同規(guī)格無人船以適應(yīng)河口地區(qū)復(fù)雜的地形和水動力環(huán)境，使之能在河口地區(qū)同時對潮間帶、淺灘和強(qiáng)、弱水動力環(huán)境下的深水區(qū)進(jìn)行水下地形測繪，較傳統(tǒng)有人船測量和單一型號無人船測量都大大提高了測繪效率。此次無人船組合編隊在磨刀門河口的成功應(yīng)用，表明該測繪技術(shù)可在復(fù)雜環(huán)境的河口地區(qū)水下測繪工作中推廣應(yīng)用，為河口地區(qū)工程建設(shè)和數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支撐。

通過本次現(xiàn)場實測驗證，大、中、小無人船最大工作海況分別在2級、3級、3級，中、小船在河口作業(yè)過程中頂流作業(yè)需在流速小于1 m/s的條件下進(jìn)行，流速過大可能引起電機(jī)過載而導(dǎo)致停機(jī)。上述實際工作海況和水動力條件能滿足河口地區(qū)大部分水動力環(huán)境，其在推廣應(yīng)用上有很大的想象空間，如在島礁地形測繪方面，小型無人船可穿梭于礁石之間進(jìn)行測繪，礁石外圍可通過大、中型無人船進(jìn)行掃測。在海洋綜合調(diào)查方面，無人船編隊的觀測模式可通過加裝電動絞車、聲學(xué)多普勒剖面流速儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）、溫鹽深分析儀、小型氣象站、側(cè)掃等設(shè)備，再配合多波束可進(jìn)行大范圍的海洋水文、氣象和地質(zhì)地球物理等相關(guān)方面的海洋調(diào)查，其經(jīng)濟(jì)性和調(diào)查效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的海洋調(diào)查模式。

整體來看，無人船組合編隊測繪模式作為一種新型的觀測技術(shù)，雖然在應(yīng)用過程中存在些許不足，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域不僅僅限于水下地形測繪領(lǐng)域，還可推廣至水文、大氣和環(huán)境監(jiān)測等方向，具有良好的市場前景和發(fā)展趨勢。