無人船在水下地形測量中的應用

秦亮亮

（91550 部隊，遼寧 大連 116023）

我國幅員遼闊、山川河流眾多，僅流域面積就已經超過1000km2，隨著國家對水下地形地貌調查進程的加快，對于湖泊乃至近海水域的水下地形測量調查工作要求也在不斷提升。長期以來，我國的水下地形測量工作停留在人工測量階段，有關水下地形測量的技術手段較為落后，因此開展無人船水下地形測量優勢極為明顯。近幾年來，為了獲得水下地形信息數據，無人船測量系統通過搭載GNSS-RTK 設備、單波束測深儀等數據采集設備進行水下地形數據測量，可有效滿足傳統測量模式中人工測量技術無法達到的工程任務要求，可有效解決傳統測量模式中所受到的地形環境因素制約，讓水下地形測量人員獲得高精度的數據信息，為水下3D 模型的建立奠定堅實基礎。

1 無人船

1.1 無人船應用特點

無人船作為進行水下地形測量數據獲取的重要路徑，現階段已代替了大部分的傳統人工測量作業方式。自我國應用無人船技術以來，經由多年的技術創新發展，無人船的水下地形測量技術已趨近于成熟，而無人船的水下航行表現也趨于穩定。現階段的無人船發展方向為智能化。在水下地形測量中無人船技術應用的最大優勢就是高效、安全、輕便及小巧，再加上無人船測量運行成本低的應用優勢，讓無人船測量技術深受測繪單位的喜愛。無人船測量技術的遠程遙控系統，以及自動駕駛系統完全杜絕了水下地形測量過程中發生的人員傷亡事故，無人船機體的特殊設計能夠抵御外力的攻擊，確保無人船能夠最大程度的保存完好。此外無人船能夠搭載我國最為先進的通信系統、傳感器系統及導航控制系統，避免無人船在水下測量過程中出現被水草或是漁網纏繞，同時也能幫助測量單位對無人船進行維護檢查。與此同時，無人船所搭載的深測儀、ADCP、側掃聲吶等多種類型的傳感系統，能夠幫助測量單位全面測量水庫、湖泊及內河航道等區域，實現對地下水域地形地貌數據的有效獲取。

1.2 無人船測量系統

無人船的水下地形地貌測量效率極高，再加上無人船測量系統具備測量數據準確，以及測量安全系數高的特征，因此在湖泊和水庫上無人船機芯常常能夠進行水下地形測量工作。現階段大多數的無人船已經實現了自主導航、自動避障和數據實時傳輸的功能特征。

根據無人測量船的功能特點，可將系統分為兩個系統，分別是控制系統及測量系統。控制系統是對無人船運行狀況、航行情況及測量數值等相關數據信息的精度值進行把控，利用岸邊基站的控制系統對水深信息、水流速度信息和船體的位置信息進行全面性把控。測量系統主要是由GNSS-RTK 及測深儀器構成，同時利用姿態傳感器對測量數據信息實時進行糾正，確保系統獲得的水下三維坐標的準確性，為水下地形圖繪制及三維模型的生成提供準確性基礎數據。無人船在進行自動導航測量過程中，可將測量過程中測區的影像資料導入無人船的控制軟件系統中，對無人船的航線進行再次規劃，與此同時GNSS-RTK 在無人船測量中又能起到導航的作用（見圖1）。

圖1 無人船測量系統構成

1.3 無人船測量系統原理

無人船測量系統中的測深儀在充分結合GNSS、潮位及聲速信息的前提下，能夠對測量位置的水深及水底高度進行測量，因此無人船廣泛適用于影響測量人員生命健康安全的情況中，同時需要經常更換測量區域的環境。同時無人船測量系統所搭載的GNSS 全球定位系統，能夠在測量過程中為測量人員提供高精準的定位坐標，同時利用GNSS 定位系統還能進行自主導航，幫助無人船實現智能化的無人操作（見圖2）。

圖2 無人船測量系統

無人船測深系統的工作原理，是經由無人船的船底聲吶裝置進行聲波的發生，等待聲波達到介質的表面反射時，經由測量系統計算發射反射波，以及接受反射波之間的時間差（Δt），利用聲波在水中的傳播速度（V），利用無人船自帶的微型處理器進行測點水深（h）的計算。具體公式如下：

無人船測水底高程的工作原理為，將GNSS 天線中的相位中心高程設置為H，GNSS 天線相位中心到無人船吃水高度的距離設置為h0，將無人船的船體絲帶設置為Δh，無人船測量系統中測深儀所測量的水深為h，水底高程則是D，測量水底高程的具體公式如下：

無人船測量系統的運轉是基于GNSS-RTK 動態定位技術，同無人船測量系統運行過程中利用姿態傳感器對船體的姿態信息修正，繼而實現對無人船三維坐標的實時修正。避免無人船測量過程中由于船體的晃動，導致無人船水下地形測量數據失真，確保水下地形測量成果的精確度。

2 無人船在水下地形測量中的實例分析

2.1 案例概述

河道測量的面積為5.1km2，因此選用無人船參數如為尺寸是105cm×35cm×35cm、重量為25kg，續航能力在6h。

2.1.1 無人船的測試控制環節

第一，在無人船測量測繪的測試環節中，測試當天的天氣良好，水面并無風浪因此適宜開展水下測量工作。第二，無人船測量測繪過程中需要與水流方向保持一致，確保無人船與斷面的間距在20m。第三，無人船測量測繪過程需要保證無人船始終處于勻速行駛的狀態，同時需要將船體轉角變化控制在400/min 以下，將無人船的實際航向與測量間距的差異控制20%以下。

2.1.2 無人船的測試操作環節

第一，無人船測量測繪開展前需要測量單位先對無人船及相關測量設備進行檢測、調試，確保無人船測量測繪過程中測量設備的應用參數滿足測量需求。第二，無人船測量測繪過程中需要將測線間距設置為10cm 處，并利用計算機及相關測量輔助設備進行連接測量，確保水下地形地貌實際數據信息的精準獲得。第三，無人船測量測繪操作過程中，測量單位需要對相關的模擬信息進行記錄保存。

2.2 數據分析測繪環節

無人船測量測繪工作完成后，測量單位的工作人員需要對相關數據信息進行整理分析，并以此為基礎對測量河道的水下地形情況進行測繪。本次測量工作選用的測繪軟件為南方Cass9.1，借助測繪軟件對無人船測量測繪的回傳數據進行分析。其中河道的等深線距離為0.5m，所采用60cm×60cm 標準，一共180 副。無人船測量測繪數據分析環節以《水運工程測量規范》為基礎，利用1：1000 與1：2000 的測量圖式，同時利用word 進行測繪報告的編輯工作。

2.3 無人船測量數據精度檢查環節

為了保證無人船測量數據信息的精準性，測量單位需要對測量河道進行抽檢工作，實現無人船測量數據獲得的可靠性。抽檢選取的河道長度為測量整體長度的7%，將所有測試點的高程差值控制在0.2m 以內的抽檢河道區域設置100 個隨機測試點。其中，對于高度距離差在0.1m 以內的抽檢河道設置48 個隨機測試點，在0.1m-0.2m 之間的設置49 個隨機測試點，對于高度距離差為0.2m 的抽檢河道區域設置3 個隨機測試點。

本次測量河道抽檢工作嚴格按照《水運工程測量規范》進行抽檢測量工作，所有測量工作均滿足相關部門的測量數據精度檢查要求，抽檢合格率為100%，無人船測量數據精度檢查結果具備參考使用價值。

2.4 案例實驗結果

無人船測量技術在水下地形測量的應用價值意義極高，根據上述測量實例結果可知，無人船測量技術具備進一步推廣的應用價值。

第一，測量單位利用無人船進行水下地形測量過程中，在對無人船測量數據信息精準性檢測時，對抽檢河道中設置100 個隨機測試點進行測試數據信息檢驗工作，測量檢驗合格率為100%，測量精確度極高。

第二，測量人員在應用無人船測量技術過程中，在進行水下測量期間所應用的勞動力相對較少，對于無人海域、危險海域的測量探測有著極高的應用價值，既能保證測量數據信息獲取的精準性，同時也能保證測量人員的生命財產安全，為相關部門水下地形情況的獲取提供完整信息，有效避免了自然災害的發生。

3 無人船在水下地形測量中應用的推廣路徑

無人船測量技術的測量作業主要是由計算機控制執行，因此在作業過程中能夠嚴格執行程序設定，大大提升無人船測量數據的精準性。再加上無人船船體本身輕便短小，對于航向的控制力極佳，因此能夠大大提升水下地形測量的準確度。為此相關部門需要加大對于無人船水下測量優勢的宣傳力度，提高各個區域測量單位對于無人船水下地形測量技術的重視程度，為無人船測量技術的廣泛應用發展創造條件，同時相關部門在推廣宣傳過程中，需加深測量人員對于無人船水下地形測量技術的理解程度，提升測量人員的測量技術水平，為無人船水下地形測量技術的推廣應用奠定基礎。此外為了加快我國無人船水下地形測量技術的發展，各大高校需注重培養無人船水下測量人才，著重加強現有的水下地形測量技術人員的技能培訓工作，培養其無人船水下地形測量專業技能，同時參與無人船水下地形測量作業的工作人員需要做好經驗總結工作，分析自身存在的不足，全面提升測量人員的水下地形測量能力。

4 結束語

傳統水下地形測繪過程中，需要耗費大量的人力、物力，水下地形測量所應用到的測量設備復雜、笨重，嚴重影響了水下地形測量的效率及測量數據的精準性。近年來我國由于水下地形測量不準確而造成的拋石量發生重大變化，造成相關部門出現嚴重經濟損失。無人船水下地形測量技術的出現具備極高的經濟價值，不僅能夠減少人力、物力上的資金投入，大大降低運作成本，同時也能有效解決傳統人工測量面臨的難題，因此相關部門需注重應用無人船水下地形測量技術，為水下地形測量精準度的提升保駕護航。