無人船技術在水庫庫容測量中的應用

鄭燦輝 田振凱 王 剛

(黑龍江第三測繪工程院，黑龍江 哈爾濱 150000)

0.引言

近年來，隨著極端天氣的逐漸增多，自然災害給人民的生命和財產安全造成極大的影響[1，2]；尤其是夏季多雨期，強降水天氣頻發，洪澇災害造成了巨大損失。各地興建的防洪抗旱的水庫等水利設施，對于預防這種災害具有重大作用。隨著自然因素和人為因素的影響，水庫的實際庫容量與原始設計庫容量會有一定的差異。庫容量直接影響水庫的滯洪作用和蓄洪作用，對于農田灌溉和水利發電等也有著重大影響。因此如何快速準確地獲取水庫的庫容量，對于災情的防治、人民生命財產的安全保障、各級政府及有關部門的決策均有著重要意義[3，4]。本文利用無人船技術,通過自身搭載的測深儀和高精度定位系統，實時獲取水下地形信息，并將獲取的數據通過網絡通信系統實時發送到岸基終端。終端系統對數據進行初步預處理，通過后處理軟件可以觀察到水下地形變化情況及無人船測量的實時情況。通過工程實例證明該方法在水庫庫容測量方面具有可行性和可靠性。

1.無人船技術測量原理

無人船技術測量系統包括船體、動力系統、通訊傳輸系統、高精度定位系統、測深系統、數據處理系統等[5]。隨著通訊技術的快速發展，無人船技術已可以利用4G通訊技術進行快速傳輸數據，解決了以往無線網橋通訊距離的限制，極大地提高了工作效率，同時通過多種系統的協同工作，無人船可以實現按照預設航線自動測量。

無人船搭載了RTK來實時獲取船體的平面位置信息，以往需要在岸基部分架設基準站給船體提供差分信號進行定位。此方法對于小面積水域測量尚可，對于大面積水體測量會影響工作效率。如果測區內覆蓋CORS信號，則可以利用CORS進行定位，通過設置串口和波特率將定位信息數據化，傳入主控單元，測深儀數據通過網橋傳入主控單元，無人船設備上搭載的電子羅盤獲取與正北方向的夾角，可以實現船體的自動航行測量，船體主控單元與岸基系統之間通過無線網橋進行通信，并實時傳輸，測量原理示意圖（如圖1所示）：

圖1 無人船技術測量原理圖

船底搭載的測深儀，利用換能器將電能轉換成聲波信號不斷向水底垂直發射。聲波信號到達水底時，以回波形式進行反射，同時換能器接收回波信號，并將回波信號轉換成電能。電子線路計算后，測量的水深由聲波信號在水中往返的時間和所處水域的水介質平均聲速確定，如式（1）所示：

上式中，H3為測量水深值；C為水體的平均聲速；T為聲波信號往返傳播時間。

隨著對測量精度的要求越來越高，單一的靠GPS或北斗定位系統對船體進行定位，存在一定的定位盲區，即當無人船穿過橋梁或涵洞時，由于船體上定位模塊無法接收到信號，導致船體無法正常航行，而慣性導航系統可以很好地解決該問題。因此無人船設備將二者相結合，利用各自的優勢進行互補，可以極大地提高無人船定位的準確性。但是慣導系統使用時間過長會產生一定的累積誤差，因此船體需要定期在固定的地方進行校正，進而降低對無人船的影響。GPS定位系統具有較高的定位精度，可以獲得更精確的坐標信息，進而可以不斷地校正慣導系統的位置。兩種定位系統相結合，當GPS定位系統獲得新的高精度位置后，就將位置信息更新到慣導系統，在未獲得新的位置信息前，慣導系統會繼續輸出當前的位置信息。此種結合方式，不僅可以消除慣導系統的累積誤差，而且無人船經過被遮擋的地方時，也可以按照先前位置信息繼續工作。

無人船設備上除了搭載組合導航系統，還搭載了主動控制系統。該主控系統不僅能控制無人船設備的動力系統，還是無人船自主航行的基礎。在測量過程中如果人工操作無人船進行測量，由于受到水流速度、風速等因素的影響，會造成測量點位分布不均勻，出現一些關鍵區域或位置無法測量的情況，而一些項目（如，穿跨越項目）要求在中線上測量點位均勻分布，此時就要求無人船在測量過程中盡量保持直線航行。測量開始前可以事先根據測量水域的情況設定好測量航線，并將該任務導入主控系統里。主控系統會根據任務計算好各測量轉點的坐標，以及根據測量水域環境的變化實時調整船體的姿態和行進速度。無人船自動測量模式下，測量點位分布更均勻，取得的測量效果更佳，所以通常情況下會使用無人船的自動模式進行測量，并且在測量過程中，可以根據需要實時調整測量任務，對一些關鍵位置進行重復測量，以達到多次觀測的效果。

2.工程實例

2.1 工程概況

本文選取某中型水庫進行了水庫庫容量的測量。該水庫南北長約6.5km，東西寬約3.2km，面積約20km2，最深處約3.5m，淺水區域水深約0.4m，平均水深約1.7m，且淺水區域面積較大。若利用傳統人工測量方法，人工成本和時間成本消耗會比較大，人員安全無法保障，并且在水庫周邊租船比較困難，因此采用無人船設備進行測量。根據該水域的實際特點并查閱相關技術規范，制定了測量方案，水下測量規范要求（如表1所示）：

表1 測圖比例尺和測線間距推薦 單位：m

2.2 航線布設及測量

測量開始前，收集了該水庫的相關資料。通過分析可知，該水庫水底整體較為平坦，水底地形無較大變化，因此在測線間距制定時，設定為50m，測量過程中，為了無人船航行方便，航行方向定為東南-西北方向。此方法能更好地反映出水庫的水下地形起伏情況。按照規定測量完成后，必須設定檢查航線，來驗證測量數據的精度，因此設置了6條檢查航線，具體的測量航線和檢查航線設置（如圖2所示）：

圖2 無人船測量航線布設圖

由于此水庫水體環境整體上較為良好，水中水草、雜物等較少，因此測量過程中，80%的水域采用無人船自動測量。由于水庫岸邊和淺水區域水草雜物較多，因此，此部分區域由人工操作無人船進行測量。每天測量完成后，對測量數據進行噪聲點剔除。測量過程中出現降雨天氣，經過降雨前后兩期數據比對，發現影響可以忽略不計。3個人耗時4天時間完成整個水庫的測量工作，共采集68526點。每天開始測量前，隨機選取水庫周邊幾個特征點，利用RTK測量水面高程，為后期計算水庫庫容量做準備。

2.3 數據處理及建模

測量完成后，首先對數據進行了重采樣，初步剔除粗差噪點，然后對初步去噪后數據進行聲速改正處理和吃水深度改正處理，接著進行單條測線調點處理，每條測線均需要進行此步操作，直至所有測線處理完畢，之后進行測線間調點處理，同時可看出兩條測線間數據重疊情況，最后在三維模式下處理掉截面上的調點，至此完成所有數據的去噪工作，即可生成最終的點云數據。由于無人船設備測出的數據為水底的大地高，因此還需要進行轉化正常高處理，利用最終點云數據進行三維建模，最后可得出水庫的水下地形情況（如圖3所示），同時利用后處理軟件構建出了水庫的三維模型（如圖4所示）：

圖3 水庫水底DEM

圖4 水庫三維模型

水庫水下三維模型構建后，利用Arc GIS軟件中的創建TIN工具，構建TIN，然后根據TIN制作水底DEM，利用Arc GIS軟件中的表面體積工具，最終得出水庫的庫容量為67514650m3。

2.4 精度評定

點云數據處理后，對測量數據的精度進行了驗證。無人船水下測量規范中對測深精度進行了規定，具體要求（如表2所示）：

表2 深度測量中誤差 單位：m

從6條檢測航線中均勻選取了240個點進行精度檢測，將檢測航線的測量數據與測量航線的測深數據進行比較，其中檢測點最大誤差為0.22m,最小誤差為0.03m,誤差大于0.2m的點位4個，位于水庫淺水區域。經過分析，該片區域由于水深較淺，水中雜物較多，導致無人船測量過程中未實際測到水底，而造成粗差。誤差小于0.05m的點位26個，誤差在0.05m至0.2m的點位210個，測量中誤差為0.12m，通過檢測結果可以得出98.3%的檢測點誤差在0.2m以內，1.7%的檢測點誤差超過0.2m。由于該水庫的平均水深小于20m，因此，此次水庫水深測量精度滿足測量規范要求，此次測量結果具有一定的可靠性。

2.5 試驗分析

本次選取的水庫庫容量測量試驗，如果采用傳統的有人船測量，則要求測量人員必須與船體一起航行到水庫每個地方，甚至淺水區域，測量人員還需要下船進行測量。此種方法存有一定的安全風險，并且延長了測量時間。相較于有人船，無人船測量技術具有極高的安全性，尤其是在水庫的淺灘區域中，無人船可以快速獲取水庫的水下地形數據，且指揮操作系統均在岸上完成，因此無人船在水中測量時，可以保障操作人員的安全性，在很大程度上降低安全事故的發生率。無人船在水下地形測量中除了安全、快速、便捷的優勢以外，還極大地減少了水庫水下地形測量工作的成本投入。

3.結束語

本文利用無人船技術快速準確地構建出水庫的水下三維模型，得出了水庫的庫容量，解決了以往傳統測量方法耗時長、測量精度較低等問題，為水庫庫容量測算提供了一種新的方法。本文在測量過程中僅對測量結果的精度進行了驗證，對于測深儀的測深精度未進行分析和研究，并且在此次測量過程中發現當測量距離較遠時，數據傳輸會出現中斷的情況，后期可以研究將4G通訊技術加入該通訊系統中。通過本次試驗發現無人船技術在河道清淤、排污口檢測、水庫淤泥量測算等方面有良好的應用前景，受時間限制，上述研究內容待后續進行試驗和研究。