多種智能測量設備在水庫水下地形測量中的聯合運用探究

卓鎮權

廣東省有色地質環境中心 廣東 廣州 510080

水庫自身的地形環境相當復雜，加上水位會不斷發生變化，這使得淺灘、沼澤等地形不斷形成，這對于獲得水庫下方的三維地形數據來說是非常困難的。由于水庫水下地形測量需要借助船只，而大船的吃水量較大，難以讓測量人員攜帶相應的儀器和設備到達淺水沼澤區域附近，此外，使用人工測量的精度也比較低，效率差，還伴隨著很多的危險，面對小區域內的泥濘區域還可以采用人工插值的方式，但是想要獲得大范圍內的水下地形數據，就需要進行一定密度的實測，這樣工作量非常大，并且伴隨了很多的危險。使用記載藍綠光雷達能夠快速高效的完成淺水地區的數據采集，但是由于成本過高，難以大范圍普及儀器的應用，并且淺水區和沼澤區的面積只占水庫的一小部分，投入和回報不成正比。

隨著近些年基礎科學技術的發展，無人測量船以及無人機技術得到了更廣泛的應用，通過使用無人機無人船配合的方式，能夠有效解決大船吃水深的問題，并且無人機成本很低，操作非常方便，能夠很好地對空間進行分辨，在測量沼澤區的時候，能夠提高測量的精度，降低測量人員的危險。

1 水庫水下地形測量儀器準備

完成水庫中淺灘水域以及沼澤區域的測量工作，需要準備多波束測深儀、智能無人測量船以及旋翼無人機。多波束測深儀是一種集成設備，它能夠發射和接受信號，同時還搭載了姿態儀和表面聲速儀，具有體積小、操作方便、安裝快捷的優勢，能夠快速的將水下地形的三維點云數據進行收集，該儀器最大工作深度可以達到300m，有效工作深度達到75m，能夠很好地滿足淺水區域的測量。智能無人測量船以測量船為載體，搭載了測深系統、導航定位系統、無線通信系統、推進系統，能夠快速自動的將水下三維數據進行匯總，并且由于船體尺寸較少，重量輕，操作和運輸都非常方便，在淺水區測量能夠發揮出很大的作用。無人機中具有控制系統、動力系統以及數據鏈路系統，能夠實現輔助測量的作用。

2 水下地形測量

2.1 技術路線

庫區測量范圍的最外圍范圍線是水庫大壩頂部，高程所在的等高線，測量主要分為陸域地形測量以及水下地形測量。

進行陸域測量的時候使用，豐水期時候可以采用無人機航空拍攝完成攝影工作，實現對測量數據的采集，在枯水期的時候就需要把水位下降形成的陸域空白區域以及沼澤區域使用旋翼無人機再次進行測量。

對于水域地形測量，可以采用多波束測深系統完成對深水區的測量，對于淺水區則使用無人測量船進行測量，二者測量完成后將數據進行結合，將深水測量和淺水測量的邊界進行拼接得出完整的測量數據，整個技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程

2.2 采用無人機對陸域沼澤區域進行測量

水庫高水位地區在枯水期會形成沼澤灘涂，測量人員很難進入該區域，通常區域內還會生長低矮的灌木和草地。規定測圖比例尺為1:2000，無人機飛行過程中應該始終保持飛行高度一致，控制高度在200m，同時還應該對航拍路線進行規劃設計，使得航線重疊率能夠保持在65%以上，旁向重疊率保證在50%以上。無人機飛行路線應該根據沼澤灘涂區域的地勢地形來決定，飛行路徑應該和水流流域相垂直，采用折線矩形的“己”字型飛行方式，保證測區能夠被完全覆蓋[1]。利用RTK連接上LNCORS系統，將測區內的像控點和檢查點進行均勻的散布。在水涯線區域進行航拍的時候，應該使用RTK對水涯線的高程進行實時測量。

在測量之前應該做好儀器設備的準備工作。首先應該保證無人機的電池電量能夠滿足測量需求，其次是檢查地面站的系統電量是否充足，做好地面站所使用的軟件的檢查。無人機飛行盡可能選擇地勢相對平坦，具有平坦鋪裝材料的場地作為無人機的起降場，保證起降場地和任務區之間距離不超過一公里。

在地面站和無人機組裝調試結束后就可以開始進行航攝工作，如果電臺設置在地形較高的位置，應該根據沼澤灘涂區的實際情況，確定起飛路線以及測量路線，在無人機起飛之后，將地面站的系統啟動，通過通信連接和GPS連接，讓無人機能夠實現信號傳輸，實施無誤后即可開始沿線飛行完成拍攝工作。

2.3 多波束測深系統測量深水區水下地形

在使用多波束測深系統之前，需要先完成對系統的校準和測量，同時還應該選擇合適的測量時間，以風力較小、水面流速較慢的時間測量為宜。校準儀器有規定的順序，首先應該完成對橫搖偏差和縱搖偏差的校正，隨后完成艏向偏差，在校正下一個參數之前，應該先完成對上一項參數的輸入工作，排除校正時候被其他因素所干擾[2]。時間延遲偏差由生產商制定，直接輸入數據即可。按照規范的要求，每一組數據都需要進行三遍以上的校準，多次校準的結果誤差都應該滿足規范的要求。

在天氣情況良好的時間進行水下地形的測量工作，能夠保證船速平穩，控制在合理的范圍內。主測線方向應該和水流方向一致，測量路線依然采用“己”字形測量方式，每一條主航線都應該至少覆蓋上一條航線15%以上的區域，這樣能夠確保水下地形能夠被全覆蓋的測量，還能夠讓邊緣波束測量的精度提升。在使用多波束測量系統進行測量的過程中，還應該配合應用水砣，實時檢測水庫的深度，同時還要均勻的布設不小于測繪面積5%的檢測線路，檢測線的方向應該和水流方向相垂直，通過檢測能夠確保水下地形檢測的精度得到保障。

2.4 無人測量船測量淺水區域水下地形

無人船測量淺水區域的時候對天氣也有要求，盡可能在水面波動小，風力較小的天氣下完成測量工作，理論上測量時當地風力不應該大于四級，如果超過了四級風，應該立即停止作業，將無人船進行回收。無人船測量淺水區域的時候，主測線應該和河岸的方向保持垂直，測線間的間距控制為15m，定位點之間的間距設置為5m。使用無人測量船進行測量的測區需要和多波束測深系統的測量區內至少有兩個重合點，保證測量更加準確[3]。無人測量船的檢測線長度不得小于測量總長度的5%，方向和主測線相互垂直。

在測量開始之前，應該將無人測量船上的通信系統和基站進行連接，把GPS系統和LNCORS系統連接起來，在確定通信系統和GPS系統連接正常之后，就可以開始測量工作。這時候需要把已經設置好的測深線導入軟件之中，使用自動導航測量和手動遙控測量相結合的方式，完成對淺水區域的水下地形測量。

3 水下地形測量過程中遇到的困難與解決辦法

3.1 水下勘測定位不準，航線易偏

水下測量最常遇到的問題就是勘測船難以在水面上找到適當的參照物，這時就需要使用RTK完成對勘測船只的全程實時定位導航。在水面非常廣闊的時候，如果沒有導航技術，就非常容易出現勘測船偏移航線的情況，難以保證航線始終是一條直線。想要解決這一問題就應該在勘測之前，在水庫岸邊設置可見的參照物，讓勘測船能夠按照向著參照物進行前進，這能夠有效的保證勘測船檢測的有效性。同時如果發現了勘測船偏離了航線，不應該大幅度的猛烈校準，應該保持小幅度的修正，使得航行路線能夠平滑，達到測量的目標。

3.2 RTK實測數據和測深儀測深數據難以匹配

在實際進行操作的時候，水庫的水面不會是平靜的，而是會上下起伏，這就會讓測量水深和真實值之間存在著誤差，因此在測量水深的同時，還應該使用輔助測量設備進行同時測量，例如水砣、測深尺和探測桿等。可以將其和GPS連接在一起，保證二者相對位置不變，當出現風浪的時候，測深儀獲得的水深數據就會發生變化，GPS的高程數值也會同步發生變化。

4 結束語

在大比例尺下進行水下地形的測量，需要靈活的應用多種智能測量設備，這樣才能保證測量的準確性、易用性和安全性。使用多波束測深系統檢測深水區域的效率較高，精確度得到了保證，使用無人測量船進行淺水區域的測量解決了淺水區域測量船只難以進入的問題，還提高了測量的安全性，使用無人機航拍可以將水庫邊緣的沼澤地形進行測量，三種方式相結合即可完成對水庫水下地形的全覆蓋測量，并且測量精度能夠得到保障。