無人船在水下地形測量中的應用與探討

李寧

摘要：在社會經濟動態發展中，地理信息數據日漸扮演關鍵性角色。由于水下地形信息數據遠不如陸地豐富，無人測量船系統優勢較多，已被持續應用到水下地形測量中，極大地提高了水下地形測量工作效率與質量。因此，本文從多個角度客觀的闡述了無人船在水下地形測量中的應用。

關鍵詞：無人船;水下地形測量;試驗

1無人船測量系統和工作原理

1.1無人船定義

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USA。

1.2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。整個系統的導航定位采用GNSS-RTK動態差分定位原理，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。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。

1.3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。

1.4無人船的優點

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。

2無人船在水下地形測量中的應用

2.1測量實例

以某地區河道為例，測量人員利用無人測量船測量了河道清污前后水下地形情況，并根據具體規定，準確計算出清污方量。該河道測量水下地形面積大約4.85km2，坐標系統為該市獨立坐標系，Cass9.1地形地籍成圖軟件等被應用其中。作用其中的無人測量船有著較強的抗風浪性能，航行比較平穩，航行速度每秒可達到4m，吃水為40cm，適合淺水測量，搭載重量為18kg。

2.2水下地形測量中無人測量船的具體應用

2.2.1水下地形測量

在河道水下地形測量之前，測量人員需要做好各方面準備工作，仔細校對設備定位時間、啟動水下地形測量軟件、合理設置坐標系統等，避免無人測量船應用中出現反復測量問題。GNSS設備連接好之后，便可以開始測量，開啟自動巡航模式，讓無人船進入需要測量的水域，定位測點和測深。在該地區河道水下地形測量中，由于機器人智能控制技術作用到該無人測量船中，無人測量船可以根據之前測量人員設定好的航線，自動化走線或者換線測量水下地形。在應用無人測量船中，測量人員借助斷面法測量該地區河道水下地形。這需要測量人員根據相關導航軟件，結合該清污河道河段以及湖面具體情況，科學設置斷面的計劃線，垂直于水流方向，斷面間距大于為21m。同時，在無人測量船在線測量過程中，測量船只必須處于直線以及勻速航行狀態。如果需要改變河道測線，測量人員要控制好轉彎速度，根據轉向以及變速具體情況，恰當定位，每分鐘的航向變化不能超過5°，擺動幅度不能太大。此外，在線測量過程中，測量人員要隨時觀察河道風浪高度，如果風浪不小于0.6m或者探測儀所記錄的回聲波形起伏數值比較大，必須及時停止在線測量，也包括無人測量船應用中出現的特殊狀況，避免河道水下地形測量數據精確度受到影響。在線測量過程中，河道水下地形最淺點等漏測問題極易出現，這是因為在應用無人測量船過程中，河道測點間距都是測量之前設定好的。針對這種情況，在應用無人測量船中，測量人員需要高度重視內業整理環節，全方位準確把握測深儀探測記錄的相關信號，明確特征點水深以及對應的三維坐標數據。

2.2.2處理水下地形測量數據和繪圖

在編輯、校正外業測量數據之后，測量人員要借助專業測量軟件，在合理計算的基礎上修正水位，以日期為切入點，分類編排測繪的資料，整理并檢校外業河道清污前后水下地形數據。隨后，測量人員巧妙利用Cass9.1軟件，根據河道水下地形繪制要求以及繪制方法，結合無人測量船作用下獲取的信息數據，科學繪制該地區河道水下地形圖，控制好等深線間距。繪制中的河道地形物符號要滿足《水運工程測量規范》等要求，進行合理化繪制，科學編輯對應的技術報告。

2.2.3布置檢查線和檢查精準度

在應用無人測量船中，測量人員要把控好河道水上構筑物所處位置的檢查線，要和主測深線垂直，長度不能小于主測深線，二者要在某位置相交，高程差值不能超過0.2m。同時，測量人員要根據《水運工程測量規范》，從不同方面入手仔細檢查河道水下地形測量精準度，確保測量誤差在規定范圍內，為后續相關工作有序開展提供有力保障。

3結束語

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。

參考文獻：

[1]林永鋼，駱旭佳，劉犀力.水下地形監測數據管理系統開發及應用[J].大壩與安全，2017（5）：22-25.

[2]楊明，楊兆祥，戴勁松.水下地形測量中前沿技術的應用研究[J].林業科技情報，2017，49（2）：122-125，132.

[3]陳良周，陳麗麗.智能無人測量船在河道水下地形測量中的應用研究[J].智能城市，2017，30（6）：199-200.

（作者單位：西安中緯地理信息技術有限公司）