無人船在淮河河道斷面監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

戴碧碧

(安徽省淮河河道管理局測(cè)繪院，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

隨著我國(guó)河長(zhǎng)制的全面推行，加強(qiáng)河流管理及監(jiān)測(cè)，對(duì)積極開展水資源調(diào)查和保護(hù)具有重要作用[1]。河流監(jiān)測(cè)包括河道水上監(jiān)測(cè)和水下監(jiān)測(cè)2種。河道水下監(jiān)測(cè)即河道水文測(cè)驗(yàn)斷面的測(cè)量簡(jiǎn)稱大斷面測(cè)量，其是河流水文測(cè)驗(yàn)的基礎(chǔ)要求之一[2-3]。

水深測(cè)量是河道水下地形測(cè)量中主要內(nèi)容。由于水下作業(yè)，需要安全適用的載人工具，并且水下測(cè)量作業(yè)存在較多的危險(xiǎn)因素威脅監(jiān)測(cè)人員的生命安全。采用一種自動(dòng)化可控的智能無人測(cè)量船進(jìn)行河道水下測(cè)量作業(yè)，具有極為重大的意義。近年來隨著科技發(fā)展，無人測(cè)量船在測(cè)繪行業(yè)中逐漸被推廣應(yīng)用[4-5]，有效提升了工作效率，并且保障了外業(yè)測(cè)量人員的作業(yè)安全。

無人測(cè)量船主要包括無人駕駛系統(tǒng)、實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等多種先進(jìn)技術(shù)。通過無人船搭載GNSS-RTK進(jìn)行精確定位，采用超聲波測(cè)深儀進(jìn)行深度測(cè)量，采用計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，繪制河道大斷面圖[6-7]。無人船輕便快捷、靈活性高、適用性強(qiáng)，在水深、水域狹窄、拐彎位置多等復(fù)雜性水域具有極強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[8]；并且其搭載多項(xiàng)精度性強(qiáng)、專業(yè)化程度高的測(cè)量設(shè)備，能夠更加準(zhǔn)確、全面的獲取河道信息數(shù)據(jù)，從而使得測(cè)量過程智能化、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高[9]。

淮河干流經(jīng)流安徽穿境而過，河道內(nèi)水運(yùn)繁忙，是安徽境內(nèi)主要的水運(yùn)航道之一。由于地質(zhì)災(zāi)害、河流崩岸等狀況綜合影響，致使淮河河床淤積、河道大斷面參數(shù)改變，使得淮河排洪不暢，洪澇災(zāi)害頻發(fā)，并且對(duì)河道航運(yùn)產(chǎn)生不利影響[10]。本文以安徽省淮河干流啞吧渡段為監(jiān)測(cè)案例，使用無人船搭載GNSS-RTK技術(shù)及超聲波測(cè)深儀進(jìn)行河道大斷面監(jiān)測(cè)，結(jié)合往年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析河道大斷面變化情況為河道治理提供參考依據(jù)[11]。

1 無人船測(cè)量工作原理

1.1 測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)述

本項(xiàng)目采用iBoat BS2型無人船水深測(cè)量系統(tǒng)，本系統(tǒng)船載GNSS-RTK定位系統(tǒng)，進(jìn)行水面平面位置定位。采用超聲波測(cè)量?jī)x(中海達(dá)測(cè)深儀MAX)進(jìn)行水深測(cè)量。岸上控制部分主要包含無人船控制系統(tǒng)專用軟件、GNSS-RTK定位軟件系統(tǒng)、測(cè)試儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，通過工程之星3.0、南方CASS9.1、中海達(dá)測(cè)深儀數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)河道測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2 無人船水深測(cè)量原理

測(cè)深儀的主要工作原理是利用超聲波穿透不同介質(zhì)并在不同介質(zhì)的表面發(fā)生反射，并經(jīng)過數(shù)據(jù)計(jì)算處理得到測(cè)量深度。無人船底部安裝換能器發(fā)射脈沖聲波至水底，聲波至水底發(fā)生反射并被換能器接收。此過程中，從換能器發(fā)出聲波至接收到反射聲波所用時(shí)間為t，聲波在水中傳播速度為v，忽略換能器反映時(shí)間及其他影響聲波的因素。推算無人船底換能器至水底的深度：

h測(cè)深=vt/2

(1)

由GNSS測(cè)得空間坐標(biāo)(x，y，H)，水底高程HM：

HM=H-h1-h2-h測(cè)深

(2)

式中，h1—測(cè)量船面至測(cè)深儀的垂直高度，m；h2—船上GNSS接收機(jī)天線距離船面高度[12]，m。

無人船測(cè)深原理如圖1所示。

圖1 無人船大斷面測(cè)量原理

1.3 測(cè)量過程控制

河道大斷面測(cè)量中，河床陸地部分采用GPS-RTK進(jìn)行作業(yè)，使用南方銀河系列動(dòng)態(tài)雙頻接收機(jī)配合專業(yè)的數(shù)據(jù)采集軟件工程之星3.0進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，在項(xiàng)目建立的過程中各RTK輸入的參數(shù)與控制點(diǎn)保持一致。對(duì)RTK采用同一控制點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)校正，然后在另一控制點(diǎn)上進(jìn)行平面與高程的校正精度核驗(yàn)，使得點(diǎn)位平面較差不大于0.1mm，高程較差不大于1/10的基本等高距。校正精度符合規(guī)范要求后進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)采集。

本項(xiàng)目測(cè)量采用GNSS-RTK測(cè)量技術(shù)，GNSS定位所用衛(wèi)星的高度角參數(shù)設(shè)置為大于10°，觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)≥5，PDOP值小于6，確保定位精度，盡可能減小多路徑效應(yīng)的不利影響。規(guī)劃無人船測(cè)量路徑，根據(jù)大斷面測(cè)量的需要進(jìn)行相應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)定位及測(cè)深；根據(jù)軟件的顯示的偏航數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整修正無人船航向，保證測(cè)船始終沿著預(yù)定的主測(cè)線方向航行。無人船測(cè)量河道大斷面流程如圖2所示。

圖2 無人船大斷面測(cè)量技術(shù)流程

2 淮河大斷面測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

2.1 河道大斷面測(cè)量及數(shù)據(jù)采集

本次研究以安徽省淮河干流啞吧渡段為監(jiān)測(cè)對(duì)象。測(cè)量前，校對(duì)設(shè)備時(shí)間，啟動(dòng)軟件，設(shè)置定位參數(shù)并記錄；測(cè)量過程中為測(cè)船導(dǎo)航，引導(dǎo)測(cè)船進(jìn)行規(guī)劃范圍內(nèi)河段的斷面測(cè)量，并隨時(shí)修正無人船的航向，確保無人船沿著主測(cè)線方向航行。檢測(cè)線的定位點(diǎn)間距根據(jù)測(cè)量比例進(jìn)行加密至在規(guī)定范圍內(nèi)與主測(cè)線保證有重合點(diǎn)。

測(cè)深過程中，對(duì)河道測(cè)深斷面與測(cè)深斷面進(jìn)行垂直相交檢查，檢查點(diǎn)數(shù)不少于5%。檢查斷面與測(cè)深橫斷面相交處，圖上1mm范圍內(nèi)水深點(diǎn)的深度檢查較差不應(yīng)超過規(guī)定值：當(dāng)水深H≤20m時(shí)，深度檢查較差限差為0.4m；當(dāng)水深H>20m時(shí)，深度檢查較差限差為0.02×H[13]。

2.2 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

使用南方測(cè)繪公司開發(fā)的CASS9.1地形地籍成圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成圖形。等高線的繪制保證精度，線劃均勻，光滑自然，遇到雙線河渠以及不以比例繪制的符號(hào)時(shí)中斷。繪制的等高線的坡向不能判別時(shí)，加繪示坡線。等高線生成后對(duì)照實(shí)地進(jìn)行檢查，及時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤糾正。

河道橫斷面數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行處理，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類、合并，檢查數(shù)據(jù)合理性。然后將同一斷面的測(cè)量數(shù)據(jù)，按照從左岸到右岸的順序進(jìn)行排列，計(jì)算所有點(diǎn)在斷面線上的映射點(diǎn)至基點(diǎn)之間的距離和各點(diǎn)偏離斷面線距離。計(jì)算起點(diǎn)距精確至0.01m，高程精確至0.01m。采用南方CASS9.1專業(yè)繪圖軟件繪制測(cè)量河道斷面圖，斷面圖橫比例尺為1∶1000，縱比例尺為1∶100。

本研究測(cè)量數(shù)據(jù)處理后，通過南方CASS9.1專業(yè)軟件進(jìn)行繪圖，淮河干流啞吧渡河道大斷面圖，如圖3所示。

圖3 河道大斷面

3 測(cè)量數(shù)據(jù)精度及誤差分析

3.1 測(cè)量數(shù)據(jù)精度分析

本研究河道橫斷面水深測(cè)量精度評(píng)定采用布設(shè)檢查線法進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》JTS 131—2012要求，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，圖上1mm范圍內(nèi)水深點(diǎn)的深度比對(duì)互差均滿足：水深H≤20m時(shí)，深度對(duì)比互差ΔH≤0.4m；水深H>20m時(shí)，深度對(duì)比互差ΔH≤0.02H。選取距離測(cè)量斷面1m內(nèi)的檢查測(cè)量斷面線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比互差。計(jì)算公式為：

H=|Hi-Hj|

(3)

式中，Hi—主測(cè)線深度，m；Hj—檢測(cè)線深度，m。

該斷面測(cè)量線與檢查斷面測(cè)量線重疊1857點(diǎn)，其中數(shù)據(jù)異常點(diǎn)6個(gè)，視其為粗差值，重疊點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比互差結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 河道大斷面測(cè)量精度評(píng)價(jià)表

本次測(cè)量河道大斷面最大深度約為16.81m，水深未超過20m，依據(jù)《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》JTS 131—2012要求，本次測(cè)量深度對(duì)比互差值ΔH≤0.4m即為測(cè)點(diǎn)合格，根據(jù)數(shù)據(jù)分析顯示，測(cè)量合格點(diǎn)數(shù)為1798個(gè)，合格率為96.82%；其中53個(gè)測(cè)量值為超限點(diǎn)，6個(gè)數(shù)據(jù)異常點(diǎn)。

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，剔除6個(gè)數(shù)據(jù)異常點(diǎn)，對(duì)其他對(duì)比互差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，進(jìn)一步分析誤差的分布和統(tǒng)計(jì)規(guī)律。根據(jù)對(duì)比互差值分布，對(duì)其進(jìn)行區(qū)間分組，共分為10組，進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 河道大斷面深度比差統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，河道大斷面測(cè)量深度對(duì)比互差值分散集中，主要分布在[-0.4，0.4]之間，該區(qū)間頻率為97.14%，表明測(cè)量深度對(duì)比互差值具有聚集性；并且所有測(cè)量深度互差值在[-1，1]范圍之內(nèi)，同時(shí)表明其具有有界性。因此，該淮河干流啞巴渡段河道大斷面深度測(cè)量數(shù)據(jù)互差值近似符合正態(tài)分布，正態(tài)分布圖如圖4所示。

圖4 河道斷面深度對(duì)比互差值分布直方圖及正態(tài)分布曲線

3.2 數(shù)據(jù)誤差分析

河道大斷面數(shù)據(jù)測(cè)量過程中的誤差產(chǎn)生主要包括：系統(tǒng)誤差和偶然誤差。其中，系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的主要原因包括：測(cè)量?jī)x器的分析精度、測(cè)試方法局限性等。為避免系統(tǒng)誤差的干擾，對(duì)測(cè)量?jī)x器及系統(tǒng)進(jìn)行定期校正，減小儀器系統(tǒng)誤差；測(cè)量方法采用行業(yè)內(nèi)最新的規(guī)范要求及方法替代傳統(tǒng)方法，降低測(cè)量方法的局限性。

偶然誤差主要包括：測(cè)量過程中環(huán)境影響、水下環(huán)境影響、河流狀況的影響等。

(1)測(cè)量環(huán)境的影響主要包括行船過程中天氣、風(fēng)速、河道浪高等導(dǎo)致測(cè)量過程中無人船的行駛路線及船體行駛狀態(tài)不同而形成測(cè)量誤差。因此在測(cè)量過程中選取天氣變化小、風(fēng)力低狀態(tài)進(jìn)行，盡量降低外界環(huán)境對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)影響。

(2)水下環(huán)境如河道淤泥不均勻堆積、河內(nèi)水草對(duì)聲波的影響、河內(nèi)垃圾造成聲波反射虛假信號(hào)等因素，均造成無人船測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。為降低這一系列因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)量過程中采用多條檢查線進(jìn)行復(fù)核，降低測(cè)量數(shù)據(jù)偶然誤差。

(3)無人測(cè)量船體積小、質(zhì)量輕，水流作用對(duì)船只航行航線影響較大，測(cè)量過程中導(dǎo)致船只航行路線偏離，從而可能導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的偶然誤差。

4 河道現(xiàn)狀分析

通過對(duì)淮河干流啞巴渡段河道大斷面歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，河道大斷面歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果匯總?cè)鐖D3所示。由河道大斷面圖可知，安徽境內(nèi)淮河河道干流啞巴渡段河床呈“U”型結(jié)構(gòu)；通過對(duì)2020—2022年1+400段以及2+550段河道大斷面圖進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，淮河河道干流啞巴渡段呈現(xiàn)河床逐年淤積現(xiàn)象，泥沙淤積導(dǎo)致河道深度減小，并且河道右側(cè)淤積程度較左側(cè)更為明顯。從圖中河道坡度對(duì)比分析，右側(cè)河道坡度逐年增大，表明河流右側(cè)受水流沖刷更為嚴(yán)重，河流沖刷也是導(dǎo)致河道淤積形成的主要原因之一。因此加強(qiáng)河流治理，減小河道沖刷，減緩河道淤積，對(duì)保證河道暢通及運(yùn)輸安全具有重要意義。

5 結(jié)論與展望

無人船測(cè)深技術(shù)在淮河干流啞巴渡段大斷面測(cè)量中的應(yīng)用，有效驗(yàn)證了無人船測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測(cè)量數(shù)據(jù)誤差分析滿足相關(guān)規(guī)定要求，因此無人船測(cè)深技術(shù)是河道斷面測(cè)量的一種有效測(cè)量方法。無人船測(cè)深過程中水下生物環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響，使得測(cè)量結(jié)果存在明顯誤差測(cè)量值，但通過誤差分析，剔除粗差點(diǎn)，可有效控制誤差處于有效合理范圍內(nèi)。無人船測(cè)量技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、快捷、安全、效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，在河道測(cè)量領(lǐng)域具有較廣的應(yīng)用前景；其測(cè)量過程便捷、迅速，通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析能夠及時(shí)把握河道發(fā)展趨勢(shì)，為河道治理的決策提供準(zhǔn)確、快捷的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。