水下地形測量中無人船的應用與數(shù)據(jù)處理研究

張毅勝

（廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

水下地形的測量工作即對近海水底點、港灣、水庫、湖泊、江河等高程與平面位置實施測量，用于繪制水下地形圖的測繪工作。淺灘區(qū)的測量工作通常采用RTK作業(yè)，但由于水下地形的測量工作危險系數(shù)較大，且操作時間較長，因此對皮劃艇及其水上相關設施難以合理加固，如何確保測量精確度成為擺在操作人員面前的一大難題。若是采取租船方法，每次測量前僅是準備工作一般都要耗費2～3h，同時若采用租船與養(yǎng)船措施也要投入大量成本，有些偏遠區(qū)域目前找船困難，而采用無人船測量能夠針對這些問題進行有效的處理，應用無人船搭載單波束測、多波束及多普勒ADCP測量儀及水質儀器等設備對水下地形的相關數(shù)據(jù)進行采集，能夠有效解決傳統(tǒng)測量效率不高的問題。在受地形環(huán)境等約束較大的情況下，能夠滿足傳統(tǒng)測量方法無法實現(xiàn)的要求，通過在水下地形測量中進行無人船的運用并對相關數(shù)據(jù)處理分析，完善技術構建，以此獲取符合精度要求的水下地形數(shù)據(jù)。

1 無人船的基本原理及一體化監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 無人船測量系統(tǒng)的基本原理

無人船系統(tǒng)可分成作業(yè)和船體兩個系統(tǒng)，作業(yè)系統(tǒng)中包括GNSS定位及探測兩個系統(tǒng)；船體系統(tǒng)包括船體結構、通信、動力、導航、視頻、避障共6個系統(tǒng)。

無人船測量體系作為無人船整體的核心系統(tǒng)，肩負著對水深與定位導航的測量任務，其具體是由GNSS接收器、姿態(tài)傳感器、數(shù)字化測深儀、距離傳感器、全角度監(jiān)控設備等諸多傳感設備組成。無人船的基本測量原理如圖1所示。

圖1 無人船的基本測量原理圖

1.2 一體化的無人船調研體系

相較傳統(tǒng)的人工測量方法，使用無人船搭載單波束測量技術，能夠實現(xiàn)在淺水區(qū)和危險區(qū)作業(yè)，保障作業(yè)人員安全；采用無人船多波束進行測量，能夠將校準設備的環(huán)節(jié)省略，同時還能將準備工作中90%的時間節(jié)約下來。一體化的無人船調研體系的潛在優(yōu)勢有背包測量、淺灘測量等，可采用導航技術實現(xiàn)主動計劃。無人船搭載單波束的測量操作方法如圖2所示，無人船搭載單波束的測量操作流程如圖3所示。

圖2 無人船搭載單波束的測量操作方法圖

圖3 無人船搭載單波束的測量操作流程圖

2 水下地形測量項目的背景以及設備的投入

某大橋內部水下地形測量項目處于本地南側與澳門臨近的海域，需要對本地區(qū)的水下地形進行測量。該項目的面積約為7.2km2，提出了測線間距為20m，定位點間距為5m，5d交付成果的要求。

該項目技術難點主要如下：（1）項目為珠海和澳門的交界處，沒有通過申報的載人船決不能進入，租船也很不便；（2）水深平均為2～3m，有一部分是0.5m，極易出現(xiàn)擱淺情況；（3）無人船如果處于特殊環(huán)境中必然會增加風險因素；（4）其流速較快、流向也具有較高的復雜性；（5）整個項目所需的施工周期較短。因此使用無人船對水下地形進行測量。

3 處理方法

該項目運用的是華測類無人船對水下地形進行測量的技術，根據(jù)前期制訂的工作命令自動在水上導航，并確保工作任務完成的合理性。持續(xù)導航時間為6h，航速高達5m/s，船體具有密封抗腐蝕等優(yōu)勢，還能抵抗6級風浪。利用無線網橋將測量數(shù)據(jù)及時向地面上的測量基站發(fā)送，站點及時監(jiān)控、儲存及分析等工作。操作中需要注意：（1）對GNSS的架設點高程精確測量，保證測量水上高程的精確度；（2）在對完成架設的岸臺進行測量前，將船上需要的各類監(jiān)測設備安裝好，并做好相關的調試工作，正確設置各類參數(shù)（尤其是聲速參數(shù)），讓相關儀器處在良好的工作狀態(tài)中；（3）將所需的儀器架設于起點位置，并調好基站，同時還要對其接收衛(wèi)星的顆數(shù)、衛(wèi)星情況、信號質量等進行檢查，保證GNSS處于最佳的工作狀態(tài)，進而保障其精確度。

3.1 船體下水

測量環(huán)境離海很近，需要安裝浮體才能保障安全，以此為重量較強的船體與大于等于18cm吃水的下水環(huán)境提供諸多有利條件。船體中所有設備總體重量約為15kg，2人即可裝置浮體，如果不需要安裝浮體，1人即可。船體下水之后可以利用自主導航或者人工遙控的方法航行。

3.2 主動規(guī)劃巡航路線

確定好測量區(qū)域，給其設置完航行的路線以及操作任務之后，其能夠主動航行、自動執(zhí)行任務與躲避障礙，弱化人工參與，解放人員高強度及繁重的水上工作任務。主動規(guī)劃巡航路線的技術通常可以分成兩種：一是基于規(guī)劃電子型海圖航線生成巡航路線的規(guī)劃技術，二是基于航線的生成軌跡與巡航路線技術的規(guī)劃。

3.3 回傳數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)記載

無人船使用的是2.4G（間距約為1km）的網橋或者2W（5km距離）電臺進行水深數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)的回傳，按照操作要求擇取適當?shù)膫鬏敂?shù)據(jù)方法。

3.4 數(shù)據(jù)的處理方法

在處理數(shù)據(jù)的過程中，需要啟動Hydro Survey軟件，然后依次點擊“數(shù)據(jù)處理”“水深取樣”，并對水深數(shù)據(jù)的相關文件進行選取，也就是dep文件。

將要實施處理的相關數(shù)據(jù)參數(shù)調整至相應的橫縱坐標，正確選擇驗潮文件，查看數(shù)據(jù)的測量狀況，平滑數(shù)據(jù)可轉歸到正常的斷面上。當完成對這條線的處理后，需要合理設置采樣間距，比如一條側線上每間隔5m進行1個點的取樣等，由此完成智能化的采樣環(huán)節(jié)。

3.5 數(shù)據(jù)的形成

將數(shù)據(jù)儲存在該工程的項目文件夾中，按順序對本工程全部測線的水深數(shù)據(jù)實施取樣，當全部測線數(shù)據(jù)完成采樣后，轉換水深數(shù)據(jù)為工程需要的成果數(shù)據(jù)，成果示意圖如圖4所示。

圖4 成果示意圖

3.6 精度統(tǒng)計

精度統(tǒng)計需按照《測繪成果質量檢查與驗收》（GB/T 23456—2009），根據(jù)等精度檢查的誤差公式計算：

式中：M為重合點水下高程難以符合值中的誤差；V為重合點水下高程難以相符的值；n為主測線最線重合點數(shù)的檢查。

主測線與檢測線應選取相交位置上的水下高程點實施比較，從海域的上中下游選擇均勻的52條檢測線，共計3652個點精度統(tǒng)計，其中有1521個合格點，水下高程的精準度統(tǒng)計表如表1所示。根據(jù)我國水下高程檢測標準來看，當水深小于20m，高程檢測誤差需要控制在≤20cm，那么數(shù)據(jù)結果表明，無人船對水下地形高程點的收集精準度非常高，誤差均在20cm以下，技術方面也符合需求。

表1 水下高程精度的統(tǒng)計表

4 結束語

總而言之，水下地形測量中使用無人船，可在很短時間內完成測量任務，并提高水下地形的測量效果，此種測量方法能夠避免或減少人工測量中潛在的安全問題，在水下地形測量過程中使用無人船測量技術具備較高的安全性、靈活機動，可以在常規(guī)測量平臺有限的水域中實現(xiàn)應用。文章將工程的具體情況相結合，對技術路線的可操作性實施驗證，結果表明整體效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的測繪方法，可以為無人船在水下地貌測量、航道測量、水下地質勘察等方面的應用提供理論依據(jù)與參考。