無人船在水下地形測量中的應用與探討

高艷

(蚌埠市勘測設計研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

水下地形測量就是在水下應用一定的測量儀器對地形進行的測量，一般通過確定三維坐標來實現測量。它一般包括海洋地形測量、河流水下地形測量和各種湖泊的水下地形測量。目前，水下地形測量方法主要有兩種，分別是水位減水深的傳統測量方法和GNSS-RTK減去水深測量方法。水下地形測量最常用的系統就是單波束測深系統，它由單波束測深儀(加換能器)、定位系統、采集軟件三部分組成。目前，無人船在水下地形測量中的應用，極大提高了工作效率和質量。

2 無人船測量系統和工作原理

無人船是一種可以遠程操控，也可以借助精確GNSS衛星定位和自身傳感即可按照預設任務在水面航行的全自動水面機器人，英文縮寫為USV。

2.1 無人船測量系統基本原理

無人船系統分為船體系統和作業系統，船體系統包含避障、視頻系統、導航系統、動力系統、通信系統、船體構造，作業系統包含測深系統、GNSS定位系統。

無人船測量系統是整個無人船系統的核心，承擔著水深測量和導航定位任務，整個測量系統主要由數字測深儀、姿態傳感器、GNSS接收機、全角度攝像頭及距離傳感器等多種高精密傳感設備。其基本測量原理如圖1所示。

整個系統的導航定位采用GNSS-RTK動態差分定位原理(如圖1所示)，在岸基架設GNSS基準站接收GNSS衛星信號并將差分數據發送給無人船上安置的GNSS接收機，實現實時定位和導航功能。

圖1 無人船測量系統基本原理示意圖

水深測量由安置在船上的數字測深儀完成，其基本原理是利用換能器將電能轉換成聲能并向水底發射。聲能以回波的形式從水底返回，再通過換能器檢測回波電能信號，從而計算出傳播時間，根據聲速和時間計算出水深，在屏幕顯示出來，并且顯示回波圖形。

2.2 無人船的特點

無人船用來進行水下地形測量作為水下地形測繪的一種方式，在很大程度上替代了傳統的作業方式。自無人船問世以來，經過10多年技術的積累和發展，技術趨近成熟，船的航行已表現非常穩定，現無人船的發展逐步往智能方向靠攏。無人測量船以其輕便、小巧和高效等特點，深受測繪單位的喜愛。

無人船測量的最大優勢是更加安全可靠，事故減少、高效及運行成本低。遠程遙控和自動駕駛杜絕了人員傷亡事故，無人船特殊設計甚至可抵御海盜襲擊。

無人測量船具有船體小巧，攜帶方便，靈活性強和隱蔽性高，耐波性好，阻力小、速度快，航行穩等優點，可搭載先進的導航控制系統、可靠通信系統、高精度傳感器系統和武器系統等不同功能模塊，采用可拆卸模塊化涵道式推進器設計，在防漁網、水草等雜物纏繞的優異性能之上，增添了維護方便，靈活更換的使用特性。螺旋槳采用直流無刷電機驅動，速度快，可靠性高。可搭載深測儀、ADCP、側掃聲吶等多種傳感器，廣泛使用于內河航道、水庫、湖泊等區域的水下地形地貌以及水文測量。

3 無人船測深儀的作用

無人船測深儀結合GNSS、潮位和聲速信息提供相應位置的水深或水底高程。

無人船可適用于部分水域無船可用、岸邊、淺灘等大船測不到的區域、影響人員安全性的地方、需要經常換地測量等環境。

無人測量船搭載的GNSS全球定位系統，不僅能為水下地形測量提供高精度的定位坐標，還可以為無人船提供自主導航的位置信息，讓無人船真正脫離人的操作，根據規劃的線路到達指定位置完成相應任務。現在無人船除了在水下地形測繪行業成熟應用，搭載側掃聲吶在水下考古、沉船打撈，搭載ADCP在河流流場測量，搭載水質儀在水文、河長制中都得到廣泛應用。

4 水下地形測繪簡介

和傳統地形測繪不同的是，水下地形測繪多一個水深的獲取步驟，水下地形測量包括測點的平面位置和水深測量。平面位置主要采用GNSS定位技術確定(可達到厘米級的實時定位)，水深主要通過各種類型的單波束回聲測深儀得到(一般高精度測深儀也可以達到厘米級的測量精度)，由水面高程(水位)減去水深可得測點的水底高程。通過無數個測點的平面位置和水深位置的獲取，水下地形即可被測量展現出來。水下地形測繪示意圖如圖2所示：

4.1 RTK簡單原理

高精度的定位測量必須采用載波相位觀測值，RTK定位技術就是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息

圖2 水下地形測繪示意圖

一起傳送給流動站。流動站不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GNSS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不到一秒鐘。北斗衛星的投入使用，使得GNSS接收機搜索到更多的共同解算衛星(至少4顆)，甚至可以采用北斗單解算，更多的衛星可以使GNSS接收機工作更穩定。

4.2 單波束測深儀工作原理

20世紀20年代第一次出現了回聲探測儀，利用單波束回聲測深儀對水下地形進行測量的技術稱之為常規測深技術。回聲測深儀的出現是人類探測水下世界的重大突破。其原理是通過換能器向水下發射聲波，聲波在水中傳播，遇到水底后發生反射、透射和散射反射回來的回波，經換能器接收。根據聲波在水中的傳播速度(C)及往返的時間(T)計算水深。這個水深值只是換能器到水底的距離，通常用H3來表示。而在實際測量過程中，換能器是在水下一定深度，我們稱這個深度為吃水深度改正值(吃水水深)，用H2表示。實際的水深值用H表示，那么實際水深H為：

H=H3+H2

H3=C*T/2

如圖2所示RTK達到固定解以后可以設置輸出包含位置信息的GPGGA數據，測深儀通過串口接收到含WGS84經緯度的位置信息再由坐標系參數轉化成當地平面坐標下(x，y，h)的三維坐標，此時儀器獲得的三維坐標是接收機相位中心的位置，通過設置天線至水面高(H1)和超聲回聲式測深儀測得水深值可以計算出RTK正下方水底的三維坐標(X，Y，Z)：

Z=h-H1-H

5 無人船水下地形測量實例

5.1 項目概況

項目位于長淮衛鎮北側淮河上，南岸接淮上村，北岸銜信彎村。蚌埠長淮衛淮河大橋全長 2.6 km，大橋寬 42.5 m，為雙向8車道。大橋采用的是鋼桁架結構。蚌埠市長淮衛淮河大橋是安徽省第一座鋼桁架拱橋，于2016年底建成通車。蚌埠長淮衛淮河大橋是S101和蚌埠中環線工程的重要控制性節點工程，建成后與G206、S306等相連，將極大地緩解蚌埠市東部交通的通行壓力。

5.2 外業數據采集

為提高水下測量的精度和效率，蚌埠市勘測設計研究院引用的無人船是中海達公司IBOAT BS2多功能智能無人船測量系統。該系統搭載衛星定位系統、波束測深儀、發射電臺、智能導航系統等軟硬件設備，能夠實現自動設定航線，自動采集數據，自動導航及進行遠程操作等功能，具有智能化高、攜帶方便等優點。蚌埠市勘測設計研究院積極組織開展無人船測量技術培訓，在蚌埠市長淮衛淮河大橋項目測量中，由于自動按航線導航作業時有一定的轉彎半徑，提前在障礙物周圍做好規避航線，實際外圍自動導航作業后還要手動遙控貼近障礙區域采集水深數據，盡可能采集完整。此次測量水面長約 1 370 m，寬 1 000 m，水域面積約 1.37 km2，水面來往船只比較多，水流比較急，水下地形因采砂變得比較復雜，南北兩部較深，中部較淺，本次作業要求是按 1∶1 000測量水下地形，航線間隔 50 m，航向數據采樣點間距 20 m，地形起伏較大處適當加密。水下經過約4個小時左右的作業，采集了所有的水深數據。

5.3 數據處理

在所有測量工作完成后，進行數據改正，數據后處理。無人測量船同樣是按一定的距離或時間間隔采集數據，對獲得的數據還不能直接使用，需要進行粗差剔除和數據抽稀，對處理的水底正高數據這里采用的是無驗潮模式，對實時獲得的水面高程和水深數據進行處理得到水底正高數據，根據水底高程，得出DEM，然后得出等高線和TIN成果，成果較直觀地反映了水下地形狀況。本次成功地利用了無人船技術獲取了待測水下區域的數據，并通過數據處理生成了水下地形圖。

5.4 精度檢核

本次作業區域在淮河某支流區段，測量環境晴朗無風，水面相對平靜，適合無人船作業。在作業中通過遙控和自動操控中海達BM1無人船，按照設計的10條航線，共采集了327組數據，從中提取了40個特征點，通過人工測量的方式(漁船攜帶中海達HDmax測深儀)進行驗證數據的準確性，無人船所測的水深數據為H1，人工測量的水深數據為H2，檢查結果如表1所示。

精度檢核 表1

6 結 語

經以上實例驗證，利用無人船水下測量技術獲取水下地形數據精度能夠滿足大比例尺地形圖水下地形測量的精度要求，且在復雜水域條件下，能夠大大降低測繪人員的勞動強度，成倍提高了外業測量效率，避免了外業人員水上作業的危險。隨著無人船測量技術的不斷成熟，將會得到更廣泛應用。