智能無(wú)人船單波束測(cè)深系統(tǒng)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

肖 杰

(山西省測(cè)繪地理信息院，太原 030001)

近年來(lái)，我國(guó)全面推行河長(zhǎng)制，加強(qiáng)河湖保護(hù)管理，多地積極開(kāi)展水資源調(diào)查，對(duì)河湖及水庫(kù)區(qū)域進(jìn)行水上水下地形測(cè)量。在數(shù)據(jù)采集方面，主要有兩種模式：一種是水上和水下部分分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，水上部分一般應(yīng)用航空攝影測(cè)量方法，目前應(yīng)用較多的是基于無(wú)人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的三維高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，對(duì)于水下測(cè)量部分，主要基于船載模式搭載GNSS-RTK、IMU、水深測(cè)量系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集；另一種是基于船載模式集成三維激光掃描儀、水下測(cè)量設(shè)備、GNSS和IMU等多傳感器設(shè)備于一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1-3]。兩種數(shù)據(jù)采集模式各有優(yōu)缺點(diǎn)：前者數(shù)據(jù)采集航線布設(shè)自由、靈活，數(shù)據(jù)采集投入成本相對(duì)較高；后者數(shù)據(jù)采集投入成本較前者低，但航線布設(shè)要顧及三維激光掃描儀的拍攝范圍，對(duì)于庫(kù)區(qū)周邊的地形地物有時(shí)會(huì)被遮擋[2]。因此，在實(shí)際作業(yè)中應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)情況選用合適的外業(yè)數(shù)據(jù)采集模式。

水深測(cè)量是水下地形測(cè)量最主要的內(nèi)容，針對(duì)水深測(cè)量目前主要有兩種方法，分別是水位減去水深的傳統(tǒng)測(cè)量方法和GNSS-RTK減去水深測(cè)量方法[4-5]。根據(jù)使用的測(cè)量工具，測(cè)深方法主要有：測(cè)深桿、測(cè)深錘、單頻單波束測(cè)深、雙頻單波束測(cè)深、多波束測(cè)深、機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深等[6]。測(cè)深桿、測(cè)深錘是早期的測(cè)深工具，盡管現(xiàn)在測(cè)深設(shè)備主要以測(cè)深聲吶為主，但在水草密集區(qū)域，或在淺灘測(cè)量等聲吶設(shè)備無(wú)法工作的地方仍在發(fā)揮重要作用[7]。單波束測(cè)深和多波束測(cè)深屬于聲吶測(cè)深，極大提高了水深測(cè)量的精度和效率，多波束測(cè)深儀相對(duì)單波束測(cè)深儀具有測(cè)量精度高、測(cè)量效率高的特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，因此在實(shí)際工作中，單波束測(cè)深儀的使用目前仍是主流[8]。本文根據(jù)智能無(wú)人船單波束測(cè)深特點(diǎn)，以某水庫(kù)的水下地形測(cè)量為例，兼顧測(cè)量效率、成本經(jīng)濟(jì)以及成果質(zhì)量，對(duì)其作業(yè)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，確定更符合實(shí)際測(cè)量需求的最佳技術(shù)路線和方案。

1 無(wú)人船水下測(cè)深原理

1.1 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)

目前，無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)以其輕便、高效、智能的特點(diǎn)在河湖及水庫(kù)水下地形測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用，其工作原理為在無(wú)人船上搭載多種高精密傳感設(shè)備并協(xié)同作業(yè)，其中搭載的GNSS設(shè)備，可以讓無(wú)人船勻速行駛在設(shè)計(jì)好的航線上，搭載的測(cè)深系統(tǒng)可以在GNSS定位系統(tǒng)的協(xié)助下按照設(shè)定的間距或時(shí)間間隔進(jìn)行水深測(cè)量，同時(shí)獲取測(cè)點(diǎn)平面位置，搭載的姿態(tài)傳感器用于獲取測(cè)深時(shí)無(wú)人船的姿態(tài)，實(shí)時(shí)將定位數(shù)據(jù)、測(cè)深數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)通訊設(shè)備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，技術(shù)員實(shí)時(shí)在操控平板上看到數(shù)據(jù)采集情況[4]。圖1為無(wú)人船水下地形測(cè)量示意圖。

圖1 無(wú)人船水下地形測(cè)量示意圖

1.2 單波束測(cè)深儀測(cè)深原理

單波束測(cè)深儀測(cè)深是一種由點(diǎn)到線的測(cè)量方法，通過(guò)安裝在船底的換能器(探頭)垂直向下發(fā)射短脈沖聲波(聲波入射角近似為零)，聲波在水中傳播到水底并反射被換能器接收[9-10]。因此，水深值即為聲波在水中傳播的雙程距離的一半，通過(guò)聲波在水中傳播時(shí)間以及聲波在水介質(zhì)中的平均聲速來(lái)確定[11]，水深算式為：

(1)

式中:S為換能器到水底的距離；C為聲波在水介質(zhì)傳播的速度，可采用聲速剖面儀進(jìn)行聲速測(cè)量；t為聲波的雙程傳播時(shí)間[12]。

在實(shí)際水深測(cè)量中，需要換能器測(cè)水深的基礎(chǔ)上增加換能器吃水深度改正和潮位改正，文中描述的是針對(duì)無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)在水庫(kù)的水下測(cè)量，不考慮潮位改正。

2 無(wú)人船水下地形測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 技術(shù)流程

根據(jù)水下測(cè)量測(cè)區(qū)情況及無(wú)人船水下測(cè)量原理，擬定無(wú)人船水下地形測(cè)量技術(shù)流程，如圖2所示。

圖2 無(wú)人船水下地形測(cè)量技術(shù)流程

2.2 測(cè)深水域范圍確定

在進(jìn)行水底地形測(cè)量前，首先確定測(cè)深水域的范圍線，其主要目的是為了設(shè)計(jì)施測(cè)航線，避免不合理的航線設(shè)計(jì)導(dǎo)致影響測(cè)量效率和測(cè)量安全事件的發(fā)生。通常確定方法為：

1)依據(jù)數(shù)字正射影像圖(DOM)確定測(cè)深水域范圍線。依據(jù)DOM繪制水域范圍線，其關(guān)鍵是最新現(xiàn)勢(shì)性的影像數(shù)據(jù)獲取，只有水位及水域周邊環(huán)境與實(shí)施水下測(cè)量時(shí)的水位及周邊環(huán)境相一致的情況下，繪制的水域范圍線才具有實(shí)用性。若條件不允許無(wú)法獲取最新現(xiàn)勢(shì)性的DOM數(shù)據(jù)，則可先在現(xiàn)勢(shì)性不佳的影像上依據(jù)水域紋理繪制水域范圍線，然后根據(jù)影像水域邊界特征點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)地量測(cè)水域邊界到圖上繪制的水域邊緣的最短距離，由此將DOM上繪制的水域范圍線通過(guò)整體外擴(kuò)或內(nèi)縮的方法來(lái)獲取滿足施測(cè)要求的測(cè)深水域范圍線。

2)常規(guī)陸地測(cè)量方法。確定測(cè)深水域范圍的傳統(tǒng)測(cè)量方法，利用GNSS接收機(jī)實(shí)地沿水域邊緣進(jìn)行常規(guī)RTK或網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量，只需在水域邊緣走向變化的位置處測(cè)量即可。用此方法確定水域范圍線其特點(diǎn)是精度高，但是只適合面積較小的水域測(cè)量，對(duì)于大面積的水域人工工作量較大，且對(duì)人員及設(shè)備有一定的安全隱患。

3)無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量水域范圍線。利用搭載單波束測(cè)深系統(tǒng)、GNSS和IMU設(shè)備的無(wú)人船在水域邊緣進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)要求在岸邊建立地面基站或連接CORS站，測(cè)量所得無(wú)人船航跡線即可作為測(cè)深水域的范圍線。采用此方法進(jìn)行水域范圍線采集工作效率高，但要求作業(yè)人員對(duì)水域環(huán)境有一定了解，通常需要額外配備望遠(yuǎn)鏡或具有無(wú)人船功能的以實(shí)時(shí)了解施測(cè)的周邊環(huán)境，邊踏勘邊測(cè)量，若發(fā)現(xiàn)水域中有島類地物或比較茂盛水草，則需將無(wú)人船未觸及的地方也進(jìn)行標(biāo)定，避免造成無(wú)人船擱淺等事故發(fā)生。

根據(jù)具體情況采用合適的水域范圍線采集方法，必要時(shí)可以多種方法結(jié)合使用，準(zhǔn)確確定測(cè)深水域范圍線是提高水下測(cè)量工作效率的一個(gè)重要因素。

2.3 測(cè)深線布設(shè)

測(cè)深線布設(shè)是實(shí)施水下測(cè)量的一個(gè)極為重要環(huán)節(jié)，其布設(shè)需顧及測(cè)深線方向、相鄰測(cè)線間距、測(cè)線上測(cè)點(diǎn)間距、測(cè)深線布設(shè)的形狀等，這些因素制約著水底地形地貌是否能被完整且較經(jīng)濟(jì)的勘測(cè)成果。

1)測(cè)深線方向確定。測(cè)深線方向應(yīng)與所測(cè)區(qū)域水流方向一致，盡可能垂直于等深線的總方向，同時(shí)要綜合考慮測(cè)量工作的便利性，避免布設(shè)過(guò)多的短測(cè)線。

2)測(cè)深線間距確定。需同時(shí)顧及所測(cè)水域的重要性、水底地貌特征表示的精細(xì)程度要求、水深度、地貌起伏狀況、水底地質(zhì)等因素。對(duì)單波束測(cè)深儀，主測(cè)線間距為圖上1 cm，平坦水底可放寬為2 cm。需要詳細(xì)探測(cè)地貌復(fù)雜的區(qū)域，測(cè)深線間距變換比例尺大小進(jìn)行測(cè)量[13]。

3)測(cè)線上測(cè)點(diǎn)間距確定。測(cè)線上測(cè)點(diǎn)間距確定一般根據(jù)測(cè)線上水底地形起伏情況，盡可能捕捉到地形的細(xì)微變化為宜，也不適宜設(shè)置過(guò)于密集的點(diǎn)間距，以免影響數(shù)據(jù)處理效率。在實(shí)際作業(yè)中，點(diǎn)間距設(shè)定有3種方式，分別為等距離測(cè)量、等時(shí)間間隔測(cè)量和手動(dòng)測(cè)量，一般顧及點(diǎn)位分布的均勻性等距離測(cè)量方式使用較多，設(shè)置為1 m。

4)測(cè)深線布設(shè)方法確定。測(cè)深線主要分為主測(cè)深線、補(bǔ)充測(cè)深線和檢查測(cè)深線3類，其中補(bǔ)充測(cè)深線用于局部重要區(qū)域的加密測(cè)深，檢查線主要用于檢查測(cè)深與定位是否存在系統(tǒng)誤差或粗差，并以此衡量測(cè)深成果精度[14]。

常見(jiàn)的主測(cè)深線布設(shè)方法有：垂直水流軸線布設(shè)、與水流軸線成45°角布設(shè)、平行水流軸線布設(shè)、扇形布設(shè)、螺旋形布設(shè)等，如圖3所示。其中：圖3(a)情況一般為利用單波束測(cè)深儀進(jìn)行斷面測(cè)量時(shí)的布設(shè)方法；圖3(b)情況多為單波束測(cè)深儀測(cè)量檢查線的布設(shè)方法或?qū)ΚM窄航道進(jìn)行測(cè)量時(shí)采用的布設(shè)方法；圖3(c)一般為多波束水深測(cè)量的布線方式；圖3(d)此種布設(shè)方法多用在河道拐彎處，即彎曲河段；圖3(e)和圖3(f)此兩種布設(shè)方式一般適用島形或較寬廣的水面。實(shí)際施測(cè)時(shí)可根據(jù)測(cè)深儀的工作原理和河道形狀的不同選用不同的布設(shè)方法。

圖3 測(cè)深線布設(shè)方法

為了保證測(cè)深數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，應(yīng)在測(cè)前、測(cè)深期間及測(cè)后，進(jìn)行深度比對(duì)檢查。測(cè)深檢查線布設(shè)要求：檢查線的方向應(yīng)盡可能與主測(cè)深線垂直，均勻分布測(cè)深垂線應(yīng)在水位平緩地帶檢查主測(cè)深線，檢查線總長(zhǎng)應(yīng)不少于主測(cè)深線總長(zhǎng)的5%[13]。

2.4 單波束測(cè)深數(shù)據(jù)分析與處理

1)誤差改正。無(wú)人船單波束水深測(cè)量數(shù)據(jù)是按等距離或等時(shí)間間隔采集數(shù)據(jù)，其精度主要由測(cè)點(diǎn)的測(cè)深精度和定位精度決定，影響其精度的因素主要有GNSS定位誤差、GNSS-RTK時(shí)延引起的誤差、受風(fēng)浪及船體操縱等因素引起的船體姿態(tài)不穩(wěn)定引起的傾斜誤差、船體吃水誤差、潮汐引起的誤差等，因此要得到高精度的水下測(cè)量高程結(jié)果，需要進(jìn)行相應(yīng)的改正。針對(duì)無(wú)人船在湖泊、水庫(kù)區(qū)域的測(cè)量，一般潮汐改正可忽略，滿足要求測(cè)量條件時(shí)，吃水改正數(shù)是常數(shù)。

2)異常值探測(cè)與處理。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于水中雜質(zhì)、魚(yú)群、水草等的影響，波束在碰到此類障礙物時(shí)會(huì)發(fā)射，致使測(cè)得的結(jié)果存在“假數(shù)據(jù)”，即產(chǎn)生異常值，也稱為“噪聲”數(shù)據(jù)，在進(jìn)行下步測(cè)量前，必須剔除此類異常數(shù)值。目前有很多異常數(shù)據(jù)的探測(cè)方法，如多項(xiàng)式擬合法、差值法等，此類方法共同點(diǎn)均需設(shè)置閾值，以使水下測(cè)量數(shù)據(jù)均能取得良好的探測(cè)效果。

3)三維坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換?；赪GS84或CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)獲取水下測(cè)量的數(shù)據(jù)，在實(shí)際工作中一般要求采用1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)坐標(biāo)系，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。通常在工程測(cè)量中，GNSS測(cè)量會(huì)聯(lián)測(cè)當(dāng)?shù)氐腃ORS系統(tǒng)，通常采用CGCS2000坐標(biāo)系，若未聯(lián)測(cè)CORS站，則需聯(lián)測(cè)CGCS2000控制點(diǎn)，將WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)系。對(duì)于大地高程轉(zhuǎn)換到1985高程基準(zhǔn)坐標(biāo)，可以采用高精度的似大地水準(zhǔn)面精化模型。

2.5 水深數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn)

水深數(shù)據(jù)的精度直接關(guān)系水下DEM成果，必須進(jìn)行精度檢核，其檢核方法為重復(fù)斷面測(cè)量提取重合點(diǎn)或主測(cè)深線與檢查線提取交叉點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算重合點(diǎn)或交叉點(diǎn)之間的差值來(lái)評(píng)價(jià)其測(cè)量精度，此種方法是一種自檢核查方法。水下地形測(cè)量不同于陸地測(cè)量，同一點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行兩次觀測(cè)的幾率非常小，所謂的重合點(diǎn)或交叉點(diǎn)并不是絕對(duì)意義上的同一個(gè)點(diǎn)，需設(shè)定距離閾值，在閾值范圍之內(nèi)的點(diǎn)標(biāo)定為重合點(diǎn)或交叉點(diǎn)，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，可通過(guò)式(2)計(jì)算其內(nèi)符合精度。

(2)

式中：M為內(nèi)符合精度，m；Δ為重合點(diǎn)或交叉點(diǎn)高程差值；n為有效交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)。

針對(duì)符合精度大于3倍中誤差的交叉點(diǎn)，若該點(diǎn)是由于附近地形變化劇烈引起的，可不參與精度計(jì)算，但未參加計(jì)算的交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)不得超過(guò)總交叉點(diǎn)個(gè)數(shù)的5%[15]。

2.6 水下DEM制作

單波束測(cè)深儀主要適用于河道斷面測(cè)量，測(cè)深儀沿布設(shè)的測(cè)線采取單點(diǎn)連續(xù)的測(cè)量方法，由此種作業(yè)模式和方法獲取的測(cè)深數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出沿航跡數(shù)據(jù)十分密集，而在測(cè)線間沒(méi)有數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)處理成圖過(guò)程中，為解決測(cè)深數(shù)據(jù)分布不均問(wèn)題，一般采用數(shù)據(jù)網(wǎng)格化內(nèi)插方法來(lái)預(yù)測(cè)測(cè)線間數(shù)據(jù)空白區(qū)的水深變化情況和趨勢(shì)[16-17]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插處理時(shí)，需分析地形變化趨勢(shì)，對(duì)于地形變化平緩的區(qū)域可選擇曲面擬合的方法，對(duì)于地形突變的地方，如河道的溝、坎處要沿溝坎方向進(jìn)行線性擬合。

對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)內(nèi)插處理后，即可利用軟件構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)。構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)時(shí)，首先根據(jù)三維測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的地形走勢(shì)勾劃地形特征線。然后對(duì)三角網(wǎng)內(nèi)地形突變處的溝坎區(qū)域、測(cè)區(qū)邊界等合理性進(jìn)行檢查，檢查原則是確保每一個(gè)三角形都是坡頂(角)線上相鄰兩點(diǎn)連接坡腳(頂)線上對(duì)應(yīng)一點(diǎn)，避免由于三角網(wǎng)不合理產(chǎn)生的數(shù)字地形模型與實(shí)際地形不符；若不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建合理后即可按照要求輸出。

2.7 水下DEM精度評(píng)定

水下測(cè)量的特殊性，無(wú)法以人工測(cè)量的方式在水底進(jìn)行RTK測(cè)量，借助搭載RTK設(shè)備和測(cè)深儀的無(wú)人船進(jìn)行高程測(cè)量，完成水下DEM的精度評(píng)定。水下DEM精度評(píng)定包括內(nèi)符合精度和外符合精度。內(nèi)符合精度通過(guò)參與水下DEM制作的測(cè)點(diǎn)高程與DEM中該點(diǎn)的高程比較來(lái)統(tǒng)計(jì)DEM精度；外符合精度則需通過(guò)無(wú)人船完成點(diǎn)位測(cè)量，為了評(píng)定結(jié)果更加可靠，可在測(cè)區(qū)均勻選取多個(gè)區(qū)域，每平方千米應(yīng)不少于15塊面積為1 m2的區(qū)域，利用無(wú)人船在每一塊區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量次數(shù)不少于10次，取平均值作為該區(qū)域的測(cè)量高程值，利用似大地水準(zhǔn)面模型轉(zhuǎn)換為1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)坐標(biāo)系，然后與DEM區(qū)域的高程值做比較，進(jìn)而可以統(tǒng)計(jì)其外符合精度。在相鄰測(cè)線間選取的區(qū)域塊，是DEM精度較弱的區(qū)域，其計(jì)算的精度更能反映DEM真實(shí)情況。

3 應(yīng)用實(shí)例與分析

3.1 實(shí)例概況

以測(cè)量山西省某水庫(kù)水下地形為例，采用華測(cè)華微3號(hào)無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)水下地形測(cè)繪，搭載單波束測(cè)深儀和GNSS-RTK設(shè)備，所有設(shè)備均在有效期內(nèi)。圖4為該水庫(kù)庫(kù)區(qū)的數(shù)字正射影像圖，其中紅線區(qū)域?yàn)槭y(cè)水域，水庫(kù)長(zhǎng)度約5.8 km，最寬處約600 m，水深最深處約37 m。施測(cè)日期為2020年5月，實(shí)測(cè)天數(shù)10 d，施測(cè)水域面積約2 km2。

圖4 水庫(kù)庫(kù)區(qū)DOM

3.2 精度指標(biāo)

1)水深測(cè)量中，測(cè)圖時(shí)定位點(diǎn)的平面位置中誤差2 m。

2)在水深測(cè)量中，深度測(cè)量中誤差按《無(wú)人船水下地形測(cè)量技術(shù)規(guī)程》(CH/T 7002-2018)要求執(zhí)行，即測(cè)深范圍Z∈(0,20] m時(shí)，極限誤差為±0.2 m；測(cè)深范圍Z∈(20,30] m時(shí)，極限誤差為±0.3 m；測(cè)深范圍Z∈(30,100] m時(shí)，極限誤差為±Z×1% m。

3)測(cè)深檢查線與主測(cè)深線相交處、單波束測(cè)深不同作業(yè)組相鄰測(cè)段或同一作業(yè)組不同時(shí)期相鄰測(cè)深段的重復(fù)測(cè)深線的重合點(diǎn)處，水深H≤10 m時(shí)，深度比對(duì)互查應(yīng)不大于0.4 m；水深H>10 m時(shí)，深度比對(duì)互查應(yīng)不大于0.04 m，重合點(diǎn)間距應(yīng)在2 m內(nèi)，且深度比對(duì)的超限點(diǎn)數(shù)應(yīng)不超過(guò)參加比對(duì)點(diǎn)數(shù)的25%[18]。

3.3 測(cè)線水域范圍確定

通過(guò)實(shí)地踏勘，該水庫(kù)距離水域邊界0.5 m處基本上滿足無(wú)人船施測(cè)要求。因此，水域范圍線最終采用無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的方法確定該水庫(kù)的水域施測(cè)范圍。

3.4 測(cè)線布設(shè)與施測(cè)

觀測(cè)點(diǎn)和插值點(diǎn)影響布設(shè)結(jié)果的準(zhǔn)確度，測(cè)線間距選擇過(guò)窄，雖然保證了測(cè)量數(shù)據(jù)精度，但會(huì)增加采集工作量、降低工作效率；測(cè)線間距選擇過(guò)寬，插值點(diǎn)的精度會(huì)降低，難以保證測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性[19]。經(jīng)綜合分析，測(cè)區(qū)主縱線沿河道走向布設(shè)，測(cè)線間距布設(shè)為20 m，測(cè)點(diǎn)間距設(shè)置為1 m。檢查線布設(shè)垂直于主測(cè)線，不少于2條。圖5為該水庫(kù)無(wú)人船水下測(cè)量航跡圖，實(shí)測(cè)共采集點(diǎn)數(shù)107 920個(gè)點(diǎn)。

圖5 水庫(kù)庫(kù)區(qū)無(wú)人船水下測(cè)量航跡

3.5 水深數(shù)據(jù)精度檢核

首先將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)人船吃水改正和數(shù)據(jù)的濾波處理，然后通過(guò)提取重復(fù)斷面上的重合點(diǎn)以及檢查線與主測(cè)深線的交叉點(diǎn)來(lái)進(jìn)行精度檢核。

本實(shí)例中重復(fù)測(cè)線上測(cè)點(diǎn)間距小于0.5 m的測(cè)點(diǎn)為重合點(diǎn);測(cè)深檢查線與主測(cè)深線相交處測(cè)點(diǎn)間距在1.0 m內(nèi)的測(cè)點(diǎn)為重合點(diǎn)，經(jīng)搜索得到滿足條件的檢查點(diǎn)數(shù)為7 990，參與精度評(píng)定的點(diǎn)數(shù)為7 228個(gè)，計(jì)算得高程中誤差為0.116 m，超限點(diǎn)數(shù)762，超限比例為9.54%，滿足超限點(diǎn)數(shù)不超過(guò)參加比對(duì)點(diǎn)數(shù)的25%的要求。

為了進(jìn)一步檢核水深數(shù)據(jù)的正確性，選擇一條測(cè)線往返測(cè)了3次，即一條測(cè)線測(cè)了6次。測(cè)線長(zhǎng)約185 m，測(cè)點(diǎn)間距1 m，每一次斷面測(cè)量點(diǎn)數(shù)為185個(gè)點(diǎn)，為了比較測(cè)量精度，選擇兩次往返測(cè)量平面位置最近的兩個(gè)點(diǎn)作為重合點(diǎn)比較。圖6和圖7分別為測(cè)線上重合點(diǎn)水平間距和垂直間距比較，從圖6和圖7中可以看出水平間距最大不超過(guò)0.35 m，垂直間距均在0.10 m以內(nèi)，可見(jiàn)測(cè)深精度相對(duì)穩(wěn)定，且精度較高。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，會(huì)存在測(cè)點(diǎn)位置恰好將聲波傳到水中漂浮物后被反射的現(xiàn)象，這時(shí)測(cè)出的水深失真，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)突變，這時(shí)應(yīng)根據(jù)該測(cè)點(diǎn)前后數(shù)據(jù)合理分析是否為噪點(diǎn)，若是噪點(diǎn)應(yīng)剔除該測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù);若為真實(shí)地形變化則應(yīng)保留。

圖6 測(cè)線重合點(diǎn)水平間距比較

另外，為了檢驗(yàn)該無(wú)人船水深測(cè)量精度的穩(wěn)定性也進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)工作，即在該水庫(kù)某一區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)重復(fù)測(cè)量，設(shè)置等時(shí)間間隔為1 s的數(shù)據(jù)采集，共采集153個(gè)數(shù)據(jù)，如圖8所示，由于測(cè)量時(shí)受水面微風(fēng)以及水流的影像，無(wú)人船不可能完全靜止不動(dòng)，因此測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)平面位置分布在邊長(zhǎng)為2 m的區(qū)域內(nèi)，圖8中的橫縱坐標(biāo)值進(jìn)行常數(shù)平移處理。圖9所示為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的水深數(shù)據(jù)，從圖8中可看出水深值分布在[1.37,1.71] m之間，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算其平均水深值為1.57 m，中誤差為0.09 m，由此可見(jiàn)該無(wú)人船在此水域的測(cè)量精度很穩(wěn)定，可以保障測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.6 水下DEM制作

水深數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范和工程設(shè)計(jì)要求，然后按照“點(diǎn)號(hào)、經(jīng)度、緯度、水底大地高”格式整理為文本文件。

由于采集到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為WGS84坐標(biāo)系下的大地高程，轉(zhuǎn)換為1985年國(guó)家高程基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，將WGS84坐標(biāo)系的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)。最后利用GIS軟件導(dǎo)入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，進(jìn)行展點(diǎn)操作、插值處理、構(gòu)建TIN，最后生成DEM成果。

圖7 測(cè)線重合點(diǎn)垂直間距比較

圖8 定點(diǎn)重復(fù)測(cè)量平面位置分布

圖9 定點(diǎn)重復(fù)測(cè)量水深數(shù)據(jù)分布

由于該水庫(kù)水下測(cè)量設(shè)置測(cè)線間距為20 m，測(cè)點(diǎn)間距為1 m，測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分布極為不均勻，若直接進(jìn)行TIN構(gòu)建，其不規(guī)則三角網(wǎng)形狀嚴(yán)重不滿足三邊近似相等的要求，因此需進(jìn)行內(nèi)插處理。常見(jiàn)的空間內(nèi)插模型主要有樣條函數(shù)法、反距離加權(quán)插值、普通克里金插值、自然鄰域法等，通過(guò)對(duì)幾種插值方法的比較分析，最終采用普通克里金插值法進(jìn)行插值處理，然后構(gòu)建TIN。在構(gòu)建TIN時(shí)，根據(jù)所測(cè)三維水下測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析其地形突變處，識(shí)別此類地貌后合理繪制地形特征線，作為約束條件限制不合理的TIN構(gòu)建，TIN中存在不合理三角形，可修復(fù)TIN邊線和處理長(zhǎng)邊，確保三角網(wǎng)中每一個(gè)三角形為近似等邊三角形，避免出現(xiàn)鈍角三角形或角度小于20°的銳角三角形。圖10為插值處理后構(gòu)建的TIN模型，圖11為T(mén)IN模型局部放大圖。最后利用GIS軟件根據(jù)構(gòu)建的合理的TIN模型生成本文試驗(yàn)區(qū)的水下DEM成果，DEM分辨率設(shè)為2.0 m，圖12為DEM成果圖，從圖12中明顯可以看出該水庫(kù)水底地形情況，中間藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗畮?kù)最深處，且由北向南地勢(shì)逐漸升高。

圖10 構(gòu)建TIN模型(全局圖)

圖11 插值處理后構(gòu)建TIN(局部放大圖)

4 結(jié) 論

文中詳細(xì)闡述了智能無(wú)人船搭載單波束水下測(cè)量系統(tǒng)在河湖庫(kù)區(qū)水下測(cè)量的過(guò)程，并詳細(xì)分析了測(cè)量過(guò)程與數(shù)據(jù)處理各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)和注意事項(xiàng)。

1)根據(jù)無(wú)人船單波束測(cè)深系統(tǒng)的特性，主要適用于水下地形斷面測(cè)量，該技術(shù)可以較完善地表現(xiàn)水底地形，但航線布設(shè)是難點(diǎn)，過(guò)寬的測(cè)線間距設(shè)計(jì)會(huì)忽略掉微地形的變化，而且在后續(xù)TIN構(gòu)建時(shí)會(huì)增加數(shù)據(jù)處理的難度，同時(shí)也會(huì)影響最終DEM成果的精度；而過(guò)窄的測(cè)線間距又會(huì)極大地增加外業(yè)數(shù)據(jù)獲取的工作量，降低工作效率，因此在實(shí)際測(cè)線布設(shè)中綜合考慮成果精度和工作效率是一件較為困難的事情，條件允許情況下，要采集高精度的水下地形數(shù)據(jù)可使用多波束測(cè)深儀。

2)利用單波束測(cè)深儀進(jìn)行水下地形數(shù)據(jù)采集時(shí)，測(cè)線間距與測(cè)點(diǎn)間距的嚴(yán)重不相符，導(dǎo)致構(gòu)建的TIN形狀不佳，必須進(jìn)行空間插值處理，但空間插值又會(huì)引進(jìn)插值誤差，需根據(jù)原始采集數(shù)據(jù)預(yù)先分析水底地形走勢(shì)，然后合理劃分區(qū)域，采用插值模型，提高插值精度的同時(shí)地形走勢(shì)更平滑、自然。

3)在水下測(cè)量中采用無(wú)人船測(cè)量方式，會(huì)出現(xiàn)無(wú)人船擱淺或被水草等障礙物阻擋無(wú)法施測(cè)問(wèn)題，此種情況設(shè)計(jì)研發(fā)了避障功能的無(wú)人船，但是該技術(shù)還不是很成熟，會(huì)有判斷失誤的情況，因此最好的方式還是要在施測(cè)前進(jìn)行測(cè)區(qū)踏勘，標(biāo)注障礙區(qū)域以規(guī)避這一風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。