水下地形測量中無人船測量系統(tǒng)的應(yīng)用

于南洋，董堰川，孔淋淋

（長江重慶航道工程局，重慶 400011）

在傳統(tǒng)的水下地形測量過程中，主要在船體上固定測深儀及GNSS 接收機(jī)，待船體航行至指定方位后施測，測量過程受外界因素及人為因素的影響較大，耗時，危險系數(shù)高，且工作量大，測值精度無保證。測繪技術(shù)、自動化技術(shù)及人工智能的發(fā)展推動了水下測量過程的集成化，搭載單波束測深儀、多波束測深儀、姿態(tài)傳感器等精密儀器的無人船測量系統(tǒng)在水下地形測量中開始得到應(yīng)用，還能同時實現(xiàn)水上自動測繪，可安全、快速、精確地獲取水下地形數(shù)據(jù)。

1 無人船測量系統(tǒng)概述

1.1 測量系統(tǒng)構(gòu)成

無人船測量系統(tǒng)主要由船體、定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、測深系統(tǒng)等組成，能準(zhǔn)確高效獲取水下地形數(shù)據(jù)，在多種水域測量方面普遍適用。

（1）船體。出于便捷、靈活、安全等方面的考慮，無人船通常以高分子聚酯碳纖維為主要材質(zhì)，抗風(fēng)浪，防水防腐，自重輕，吃水淺，船體同時搭載多種監(jiān)測設(shè)備及傳感儀器。

（2）定位系統(tǒng)。一般借助GNSS 接收機(jī)展開定位，并借助軟件對船體具體位置展開監(jiān)測，以查詢船體運(yùn)行軌跡。

（3）控制系統(tǒng)。其中，通訊控制系統(tǒng)將無人船與岸上控制系統(tǒng)相連，保證測船工作狀態(tài)及測值數(shù)據(jù)的實時傳輸；操作人員也可通過自動航行和人工遙控等方式操控測船。岸邊控制系統(tǒng)則由通訊設(shè)備、軟件及基準(zhǔn)值組成，其中基站一般自行架設(shè)，并與CORS（Continuously Operating Reference Stations，即連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)參考站）系統(tǒng)相連；控制軟件則包括數(shù)據(jù)采集處理、船體操控兩個模塊；通訊設(shè)備主要為無人船施測提供信號。

1.2 測量原理

無人船測量系統(tǒng)依據(jù)GNSS-RTK 動態(tài)差分定位原理展開導(dǎo)航定位，具體見圖1。差分?jǐn)?shù)據(jù)通過基準(zhǔn)站由無人船接收機(jī)接收，同時借助與CORS 的連接，實現(xiàn)定位及導(dǎo)航。水深測量主要通過船體搭載的單波束測深儀根據(jù)回聲定位原理展開[1]。任一測量時刻和位置下河底高程均可按下式計算：

圖1 無人船測量系統(tǒng)原理

式中：H 為任一測量時刻和位置下河底高程（m）；HG 為測船GNSS 接收機(jī)的高程（m）；Hg 為接收機(jī)與水面高度（m）；Hd 為水面與換能器底部的距離（m）；Hv 為測深儀所測求出的換能器與河底水深（m）；為無人船的姿態(tài)改正（m）；為無人船的聲速改正（m）。

無人船實際航行施測的過程中，受外界環(huán)境因素影響較大，船體也會表現(xiàn)出橫縱向搖擺，引發(fā)實際水深和測量結(jié)果的誤差以及船位誤差，且各種誤差均隨水深的增大而增大。應(yīng)用姿態(tài)傳感器進(jìn)行水深校正[2]，可提升水深測量結(jié)果的可靠性，姿態(tài)改正過程具體由系統(tǒng)軟件進(jìn)行，即每次施測時均通過聲速剖面儀測量聲速，反映出測區(qū)聲速變動趨勢規(guī)律，并使用系統(tǒng)軟件進(jìn)行聲速改正。

2 工程河段概況

2023 年度長江上游航道整治建筑物維修項目主要位于長江上游宜賓至重慶河段，表面流速較大，本項目主要采取塊石拋筑壩體、扭王字塊護(hù)面等措施對原損毀的整治建筑進(jìn)行修復(fù)，在施工過程必須全面掌握水下地形情況。此次測量水域長500m 左右，凈寬25～50m，水深不超過15m，采用無人船測量系統(tǒng)施測并采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

結(jié)合工程河段流速大、流態(tài)亂的實際情況及檢測要求，決定采用華微3 號Pro 無人船展開水下地形測量。該型號無人船空間大，搭載多，全碳船身較為輕便；標(biāo)配單波束測深儀，并集成搭載三維激光掃描儀以實時采集點云數(shù)據(jù)。該測船船體長1.05m、寬0.55m、高0.39m，吃水9cm；360°全向視頻，并能實時回轉(zhuǎn)；最大航行速度可達(dá)到6.0m/s；采用電臺&網(wǎng)絡(luò)&CORS 的基站通訊模式，可在2000m 范圍內(nèi)智能遙控；數(shù)據(jù)采用本地存儲和遠(yuǎn)程存儲兩種模式；測深范圍為0.15～300m，測深精度可達(dá)±1cm+0.1%h（h 為水深）；其定位精度見表1。

表1 華微3 號pro 無人船水下地形測量定位精度

3 數(shù)據(jù)采集及處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

該工程河段形狀狹長，為便于施測，將河道分區(qū)布設(shè)為5 個測區(qū)，各測區(qū)測線向均與河道走向垂直，且各測區(qū)均設(shè)置2～3 條重合測線。分區(qū)內(nèi)按《水運(yùn)工程測量規(guī)范》（JTS 131-2012）及垂直于測線的方向布設(shè)檢查線，長度為總測線長度的5%左右。此次待測河道共布設(shè)400 條測線和10 條檢查線。

河道四周地形開闊，GNSS 信號基本不受遮擋和干擾，同時以河道附近CORS 站展開平面定位。工程河段水深較淺，水體水溫變動小，故取河道聲速值均值。使用無人船測量系統(tǒng)完成整個河道數(shù)據(jù)采集耗時短，測量效率高，工作時間大大節(jié)省。施測現(xiàn)場圖見圖2。

圖2 無人船水下地形施測現(xiàn)場

3.2 數(shù)據(jù)處理

對采集到的測值進(jìn)行聲速、水位、姿態(tài)、吃水等改正[3]。該河道水深淺，流速較大，施測期間水文數(shù)據(jù)基本一致，故各項改正值通過1 個總值反應(yīng)。總改正值采用校正法得出，即使用測深桿在不同水深區(qū)探測水深，并通過無人船在相同位置測量水深，兩次測值的差值便是該深度下的總改正值。

無人船測量系統(tǒng)采用回聲探測測深儀，聲波發(fā)射后遇到水草、魚群、懸浮物后會產(chǎn)生回波，接收到的測值可能存在異常，這種異常點大部分能通過數(shù)字濾波得到處理[4]。剩余的異常點只能借助人工篩查方式應(yīng)對。具體而言，將經(jīng)過數(shù)字濾波處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入EPS2018 繪圖軟件，構(gòu)建三角格網(wǎng)并生成0.5m 高距的等高線，線圖中所存在的異常密集區(qū)即為異常點所致；將所對應(yīng)的高程點刪除，采用同樣方式二次創(chuàng)建格網(wǎng)和等高線；如此循環(huán)往復(fù)，直至圖形內(nèi)無任何等高線異常密集區(qū)，則完成異常點處理。見圖3。

圖3 測值異常點處理前后的比較

3.3 精度驗證

為確保測值精度及測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須展開測深比對互差統(tǒng)計以及地形圖精度的驗證。

3.3.1 測深比對互差統(tǒng)計

結(jié)合《水運(yùn)工程測量規(guī)范》（JTS 131-2012），當(dāng)水深在20m 以下時，測量圖上1mm 以內(nèi)水深點的深度比對互差限差取0.4m，如果深度比對超限點數(shù)比參加比對的總點數(shù)多20%，則應(yīng)重新施測。

以測深線和檢查線的交點為圓心，以1mm 為半徑在測圖上確定采樣范圍，計算采樣范圍內(nèi)的檢查點和測深點的測深互差。此次測量共設(shè)置檢查點216 個，其中3 個為超限點，占比達(dá)到1.3%，未超出20%的規(guī)范限值，故測量精度符合規(guī)范。

3.3.2 地形圖精度驗證

考慮到此次水下地形測量的目的，確保測量的精度，待水位下降后必須對漏出水面壩面及部分邊坡進(jìn)行驗證此次驗證采用全站儀極坐標(biāo)法展開壩體地形圖的抽檢。

一般通過等高線表示水下地形起伏狀況，故通過等高線高程誤差以驗證水下地形圖高程精度。壩面為平面，邊坡為1:2 的斜坡，起伏形狀不大。結(jié)合實際情況，通過全站儀免棱鏡模式采集到各河段檢校點，并在地形圖上推求檢校點高程插值。以全站儀實測高程值為真值H1，以高程插值為測量值H2，誤差統(tǒng)計情況見表2。

表2 誤差統(tǒng)計情況

根據(jù)高程誤差分布情況，其最小誤差為0.43m，最大誤差為1m，按照計算高程中誤差，其中M為高程中誤差，為高程較差，n 為檢測點個數(shù)。將該河道水下地形相關(guān)參數(shù)值代入后可以 得出此次測量高程的中誤差取±0.13m。因河道水下地形圖繪制時采用1:500的比尺，并按照0.5m 的取值確定基本等高距，故根據(jù)規(guī)范所確定的水域高程中誤差為0.33m。通過比較看出，通過無人船測量系統(tǒng)所測得的水下地形圖高程精度符合規(guī)范。

4 結(jié)論

綜上所述，無人船測量系統(tǒng)在河道水下地形測量中的應(yīng)用可行高效，且該測量技術(shù)具有智能化、模塊化、自動化優(yōu)勢，測量精度有保證。通過對測深互差的比較以及對地形圖精度的驗證，測量系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測深數(shù)據(jù)精度高，相關(guān)結(jié)果均符合規(guī)范。應(yīng)用過程也表明，無人船測量系統(tǒng)基本搭載有電子羅經(jīng)，能夠?qū)崟r記錄測船位置、姿態(tài)、穩(wěn)定性等基本參數(shù)，對于流速及風(fēng)浪過大的施測環(huán)境，船體搖晃幅度較大時，必須展開高精度姿態(tài)校正。鑒于本文所測河道水流流速小，測船船體施測期間基本穩(wěn)定，并未涉及船體姿態(tài)校正，故無人船測量系統(tǒng)姿態(tài)校正問題有待進(jìn)一步分析探討。