無人船在海纜近岸段地形測量中的運用研究

張龍 李景洋 高楊朔 陸川

摘要：根據(jù)無人船測量系統(tǒng)在近岸地形測量中的應(yīng)用，介紹M40多用途無人船在近岸段中的實際運用。闡述該系統(tǒng)原理和項目概況，總結(jié)無人船測深、數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用要點及得到的啟示，為今后近岸地形測量工作積累經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：無人船;近岸地形測量;智能導(dǎo)航;監(jiān)測技術(shù)

水深地形測量[1]作為一項常規(guī)測量，其主要任務(wù)是測量江河、湖泊、水庫、港灣和近海等水域的水底點平面位置和高程，繪制水下地形圖，提供基礎(chǔ)水下地形數(shù)據(jù)。在水深較淺區(qū)域傳統(tǒng)測量方式獲得水下地形數(shù)據(jù)十分困難。無人船水下測量系統(tǒng)的運用，為困難區(qū)域水下地形測量提供了新的解決方案，利用該平臺搭載衛(wèi)星定位、通訊、水下測量等多種設(shè)備，可實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集和航行，提高作業(yè)效率，減少測量人員的涉水風險。

一、無人船測量系統(tǒng)及基本原理

無人測量船是將先進的智能導(dǎo)航水面機器人技術(shù)與測量監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的一種無人駕駛水上測量設(shè)備，系統(tǒng)主要組成包括高精度定位系統(tǒng)、動力推進系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，可快速、精確地獲取水下地形數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的水上測量，廣泛應(yīng)用于小河流、湖泊、港灣、近海區(qū)域測量或者測速工作[2]。

無人船測量可以分為手動和自動2種方式。這2種測量方式根據(jù)工作環(huán)境不同可以任意切換，當水域環(huán)境較好無障礙物時，可切換為自動測量方式;當水域環(huán)境比較復(fù)雜，障礙物比較多或者自動測量方式無法正常運行時，可以切換為手動測量方式[3]。

二、近岸水下地形測量應(yīng)用

（一）項目概況

江蘇某海上風電場工程場址位于大豐區(qū)毛竹沙北側(cè)海域，場區(qū)中心離岸距離約72km。其海底電纜預(yù)選路由自海上升壓站向西經(jīng)過西洋深槽后，在王港河口南側(cè)、竹港新閘北側(cè)海堤上登陸。路由在近岸灘涂、及飄兒沙東南側(cè)水下砂脊水深較淺，水域面積達到2萬多平方米，船舶通行受潮汐影響較大，且由于長期以來缺乏日常管理和維護，周邊的水草較多，大型的船只無法靠近。如果采用常規(guī)人工測量的方式，載人船只吃水較深，在較淺水域會出現(xiàn)擱淺的情況，給此次勘測任務(wù)帶來的極大的不便。為能夠順利完成此任務(wù)，獲得海纜登陸區(qū)域近岸的地形數(shù)據(jù)，決定采用M40多用途無人船，它具有吃水淺，重量輕、運輸方便、自動化無人駕駛等優(yōu)點，是一款適用于內(nèi)陸河湖、灘淺海等多種環(huán)境的通用型雙體無人測量平臺。。

（二）無人船測深

綜合考察測區(qū)周邊地形后，選擇合適的下水點和設(shè)備的運輸路線，確保項目順利開展。本次勘測采用的無人船設(shè)備為云州智能M40，GPS定位選用天寶R6基站及移動站，配合無人船完成平面和水深數(shù)據(jù)的采集工作。測量前進行航線的布設(shè)工作，將事先準備好的測區(qū)影像圖導(dǎo)入軟件中，按照均勻分布的原則，在測區(qū)范圍布設(shè)了12條航線。在岸上開闊處架設(shè)GPS基準站系統(tǒng)，將無人船上的移動站和通信設(shè)備啟動連接。岸基端與無人船通信聯(lián)通后，即可在岸基端利用筆記本電腦操控無人船的航行和數(shù)據(jù)采集。測量過程中，基本采用自動航行測量的方式進行，整個過程無需人工干預(yù)。由于測區(qū)部分區(qū)域岸邊水草較多，航線布設(shè)時并沒有完成覆蓋整個測區(qū)，因此需要采用手動控制測量方式對航行未覆蓋和個別死角進行手動控制測量。大約用了3.5小時完成野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)，總共獲得了路由登陸-近岸段水底特征點35000多個[4]。

（三）數(shù)據(jù)處理

完成外業(yè)勘測后對采集的水深數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)后處理。外業(yè)測量過程中經(jīng)過魚群和水草等障礙物時，會造成測深儀回波數(shù)據(jù)不準確，要對部分失真的數(shù)據(jù)進行修正。通過將測深模擬信號和水深數(shù)字數(shù)據(jù)進行疊加，判斷水深數(shù)據(jù)的準確性。通過信號和數(shù)據(jù)的疊加對部分失真數(shù)據(jù)進行修正后，對數(shù)據(jù)進行抽稀，因為外業(yè)測得的水深數(shù)據(jù)的密度較大，冗余率大，后期并不需要這些多余的數(shù)據(jù)[5]。通過對無人船外業(yè)測深數(shù)據(jù)的處理，對海纜路由登陸-近岸段水深按照不同顏色進行填充渲染，獲得最終的水下地形數(shù)據(jù)，大部分區(qū)域的水深在2 m-4 m之間，該區(qū)西南側(cè)水域較淺在2m左右;東北側(cè)較深，深度達到了4m以上，整個測區(qū)水深呈現(xiàn)出由西南向東北逐漸加深的特點，反映了該區(qū)域近岸整體地形走勢情況。

三、無人船測量系統(tǒng)應(yīng)用啟示

隨著測繪技術(shù)的進步和計算機技術(shù)的發(fā)展，水下測量也越來越集成化，其中GPS-RTK與測深儀的組合測量手段是現(xiàn)代水下地形測量的重要技術(shù)手段，提高了測量自動化程度和工作效率，但它需要依托母船進行測量，且需要有人在船上操作，大大降低了其靈活性。

此外，無人船測量系統(tǒng)都搭載了電子羅經(jīng)同步記錄船體的姿態(tài)情況，浪涌過大時，船體橫搖、縱搖幅度大，需要做高精度的姿態(tài)校正。無人船測量系統(tǒng)自帶的姿態(tài)校準系統(tǒng)能否滿足要求還需要進一步討論研究。船速過快可能會產(chǎn)生延時效應(yīng)。船速過大時測深儀聲波發(fā)射和接收時船體的位置會出現(xiàn)較大偏移，延時效應(yīng)比較明顯，測量結(jié)果需要做延時改正。水深大的水域如大型水庫、湖泊等，一般存在水溫分層，各分層的水聲聲速值一般不一致，采用一個平均聲速來代替所有聲速值會對測深結(jié)果影響較大，需要測量聲速剖面并對測深數(shù)據(jù)進行聲速改正。

結(jié)束語：

綜上所述，根據(jù)海纜近岸段地形測量實際情況，了解到M40多用途無人船在測量工作中需要注意的要點，測量人員掌握這一項新測量技術(shù)的優(yōu)勢、操作要領(lǐng)，便可以在近岸地形測量當中使用。不僅可以獲取準確數(shù)據(jù)，還可以解決傳統(tǒng)測量方法在人工誤差、靈活性等方面的問題，真正提高近岸地形測量實力，也可以在實踐測量中積累無人船測量系統(tǒng)的實操經(jīng)驗。同時，M40多用途無人船亦可搭載側(cè)掃聲吶地貌儀及淺地層剖面儀，其在近岸測量中效果有待研究。

參考文獻：

[1]董陽，孫輝.曹妃甸建港前后深槽穩(wěn)定性及沖淤原因分析[J].水道港口，2018，39（03）：264-268.

[2]關(guān)雷，曹景慶，張東林.無人船測量技術(shù)在礦區(qū)堰塞湖水下地形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2021，44（S1）：194-197.

[3]付洪波，曹景慶.復(fù)雜水域條件下單波束無人船地形測量應(yīng)用[J].測繪與空間地理息，2021，44（S1）：219-221.

[4]胡合歡，汪劍橋，余永周.無人機無人船協(xié)同作業(yè)在航道測繪中應(yīng)用探討[J].中國水運.航道科技，2021（03）：68-72.

[5]劉冰洋.無人船輔助激光雷達在跨河測量中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2021，47（03）：43-47.