淺析無人測量船在水下地形測量中的應用前景

寧新龍

(中國電建市政建設集團有限公司，天津 300392)

測量的對象是地球的形狀、大小和地面上各種物體的集合形狀及其空間位置。水下地形測量是工程測量中的一種特定測量方式，即測量江河、湖泊、水庫、航道及近海水底的平面位置和高程，用以繪制水下地形圖。傳統的測量方式主要依賴船只搭載單頻測深儀或多波速測深儀進行測量，在條件受限的情況下，也通常采用皮劃艇、竹筏、GPS和測深桿、測深錘等器具配合完成。

傳統的測量方法受船只吃水深度影響，淺水區域、近岸區域無法靠近，這些區域存在測量盲區，出現測量數據空白；盡管皮劃艇、竹筏吃水較淺，但在一些水流比較急的區域，測量人員人身安全會受到威脅；還有一些河流航道被阻斷不能通航跨越進行測量作業，使得水下地形測量工作受到很大的限制。

本文通過對無人測量船的定義、系統組成、工作原理、技術特點、應用案例等進行研究分析，探究無人測量船在水下地形測量方面的優勢。

1 無人測量船技術簡述

1.1 無人測量船定義

無人測量船是一種通過遙控方式或者自主航行方式，借助精確衛星定位和自身傳感即可按照預設任務在水面航行，同步開展環境調查、水域測繪、人員搜救等活動的智能化水面機器人，英文縮寫為USV。它融合了船體設計、動力與推進系統、船控、通信、人工智能、模式識別、計算機軟硬件、軟件與算法、遠程監控、計算機網絡等綜合技術，可實現整個水上作業過程的“智能化”“網絡化”與“無人化”。

1.2 無人測量船系統組成

無人測量船由岸基控制單元和測深船單元兩大部分組成。岸基控制單元主要由平板電腦(或筆記本電腦)、遙控器、無線電臺等組成。測深船單元主要由船體系統、動力系統、供電系統、船載主控系統、測深系統、定位系統等組成。

1.3 無人測量船作業原理

無人測量船由岸基控制單元和測深船單元通過無線網橋進行實時射頻點對點通信(也可以進行4G/5G信號傳輸)。RTK測量信號由移動站與基準站通過GPS電臺模式或手機卡網絡模式提供，也可以直接連接CORS站獲取通信信號，二者通信信號互不干擾。無人測量船既可以通過裝在平板電腦里的控制軟件對測深船發送參數設置、數據采集以及船體控制等指令，使其自主導航進行測量作業，也可以通過遙控器進行手動遙控進行測量。在測量過程中測深船自身的狀態信息和姿態數據、導航信息、定位信息、水深數據以及航行軌跡在平板電腦上實時顯示并存儲。然后通過控制軟件自帶的數據處理功能進行數據后處理，然后通過CAD按要求進行成圖。

1.4 無人測量船功能特點

1.4.1 智能導航系統

無人測量船有兩種導航模式：手動模式和自動模式，用戶可以根據具體使用需求靈活切換。在自動導航模式中，用戶可以根據事先設計好的路線進行自主航行，免去了手動操作的麻煩，利用RTK數據定位自主導航，走線精準，誤差厘米級，偏離航線誤差最大10cm，對于水下地形地貌測量尤為重要；手動模式采用手工遙控器遙控船只進行航行，對于測量河流斷面以及水下地形測繪非常實用。手動和自動導航可隨時切換，航向準確，近似直角轉彎，具有電子圍欄功能，可避免船體航行時發生碰撞。

1.4.2 數據采集功能

GPS設備為無人測量船的自動航行與測量提供位置信息，使用RTK提高位置信息的精度，通過在岸邊架設基準站的方式獲得信號，再由電臺發射給無人船上的GPS設備，使航行更為精準(也可不架設基準站，直接使用CORS信號)。

1.4.3 定位測深數據存儲雙保險

通過無線電臺將定位數據、測深數據等實時傳輸到岸基電腦端，可以實時查看水深和定位數據，實現無線實時傳輸存儲。

與此同時，也可以直接將定位數據、測深數據直接記錄在測深儀器存儲器中，后期可進行導出和后處理。

在測量過程中，如果通信受到外界頻段干擾或岸基電腦故障，岸基電腦就無法記錄實時測量的數據，而數據會安全記錄在船體存儲器里，后期可進行導出和處理。這種數據存儲雙保險可以有效防止測量作業時連接中斷造成數據丟失。

1.4.4 可搭載多種測繪傳感器

無人測量船專注測繪和水文領域的設計，可以搭載測深系統、測流系統、水質分析系統、側掃系統。無人測量船默認搭載RTK和測深系統，客戶可以根據需求，靈活搭載。

1.4.5 安全性高

無人測量船可設置多個返航點，一旦發生失聯或者低電情況，可自動安全返航，自動駛向home點。

1.4.6 堅固輕便

無人船船體僅重15kg左右，小巧輕便，方便運輸。普通轎車后備箱皆可存放運輸，船體采用碳纖維、凱夫拉混紡復合材料，堅固耐用。

1.5 無人測量船市場需求分析

傳統水下地形測量通常采用體積較大、吃水較深的船只搭載GPS和測深設備進行作業，但這類船只很難靠近岸邊或抵達淺水區域作業。若采用吃水較淺的竹筏、橡皮艇等進行水下地形測量，或通過人工蹚水的方式進行測量作業，危險系數大、效率低下、精度不高、不環保，有些危險水域采用以上方法均不可行，無法獲得水下地形數據。

因此，有必要采用一種更安全、更高效、吃水淺、環保的測量方式來彌補這些常規方式的不足。實時、無人、自動測量的無人測量船能夠解決這些數據獲取困難的水域水下地形測量問題。

2 無人測量船水下地形測量應用實例

2.1 測區概況

本次實驗測區選在山西汾河水庫下游，測區岸邊周邊蘆葦叢生、水淺，無法采取船只搭載測深儀進行測量。若采用橡皮艇則安全性較低，水庫岸邊水淺處水深僅30cm左右，橡皮艇同樣不合適。

2.2 常規測量方式

采用小船、GPS的RTK和可伸縮的5m測桿配合人工測量方法首先進行測量，水特別淺的地方采用人工蹚水進行數據采集(見圖1)。

圖1 人工蹚水測量

人工測量步驟如下：

a.準備小船，對測區整體進行觀察，確定測量路線，對RTK的CORS信號進行連接調試。

b.劃船師傅一人、測深桿一人、GPS一人。三人上船航行到指定地點進行坐標位置的測量和水深數據測量并記錄。

c.水特別淺的地方采用人工蹚水進行數據采集。

d.全部測量完成后，將坐標數據導出，整理水深數據，并繪制地形圖。

2.3 無人測量船測量方式

圖2為采用無人船進行測量時的照片。

圖2 無人測量船測量

無人測量船測量步驟如下：

a.設置無人測量船參數，對測深儀、平板電腦等設備進行檢查，保證設備的完整性。對測區整體進行觀察，確定航行路線。

b.利用CORS信號進行測量作業(因為本次實驗沒有已知控制點，無法進行控制點檢校，通常情況下需要到已知控制點進行測量比對，平面坐標與高程符合規定要求，方可進行測量)。

c.本次實驗采用自主導航和手動操控兩種模式。岸寬大約70m，兩側岸邊采用手動操控模式測量，中間部分采用自主導航模式進行測量。

d.測量作業人員站在視野寬闊的位置操控無人船，采樣間隔設置10m自動測存。

e.全部完成后，將數據導出，內業整理，繪制地形圖。

2.4 數據比對

采用人工測量和無人船測量的相關數據對比如表1所列。

表1 人工測量VS無人船測量相關數據比對

2.5 實驗結論

經比對人工測量和無人船測量數據，測區內最低點高程差值為73mm，最高點高程差值為35mm。無人測量船精度可以滿足測圖要求。

無人船的結構簡單，搬運方便，準備時間和作業時間較短，同時可以依照斷面數據間隔要求設置采樣間隔，不受人為因素影響，并且參與測量的作業人員較少，成本支出少。

船只在淺灘無法滿足吃水要求時，只能人工蹚水測量，而無人船吃水較淺，因此不受吃水影響。

為了更好地適應復雜水域環境，不被水草、垃圾纏住影響水下測量作業，最好選用涵道式推進器的測深船，涵道式推進器有以下優點：

a.拆卸簡單，便于檢修、保養和更換。

b.與船底齊平，在淺水區域可正常作業。

c.底部的保護罩能有效避免水草、垃圾的纏繞。

3 結 語

通過對無人測量船技術原理的介紹和應用實例分析，可以得出以下結論：

a.與傳統測量方式相比，無人測量船作業效率更高，人工成本更低，同時在作業過程中可降低測量人員登船涉水的危險性，保障人身安全。

b.無人測量船采用單兵作業模式，一人即可快速完成設備架設、調試和測量，應用在城市內河湖泊的測量中，可以實現快速測量，隨測隨走，節省大量人力、物力、財力，縮短整體項目測量周期。

c.無人測量船的高效、便捷、安全、測區覆蓋面廣等優點使水下測量作業變得更加高效、精準和智能化，其必將在水下地形測量領域得到更廣泛的應用，具有良好的市場前景和發展趨勢。