無人機和無人船在重點河段河道地形測量中的應用探析

馬 博

（安徽省宿州水文水資源局 宿州 234000）

1 概論

無人機機載激光雷達技術以無人機為載體搭載激光雷達系統，可以在短時間內獲取大范圍內的地表空間信息，具有精度高、效率高、穿透性強、免像控等技術優勢。隨著科學技術不斷發展，搭載單波束測深儀、多波束測深儀的無人船在河道測量、地形測量、近海測繪等領域應用越來越普遍，相較于有人駕駛的測量船，無人船具有安全系數高、重量輕、吃水淺、跑線質量高等優點。

2 原理

2.1 無人機機載激光測量技術

無人機機載激光測量技術是一種以無人機為載體，集激光測距系統、POS 系統（含全球導航定位系統、慣性導航系統）及控制系統等測繪高新技術為一體的陸地三維地理信息數據采集技術。

該技術通過GNSS 系統提供飛行平臺的位置，同時地面架設基準站提供后差分（DGPS）數據處理所需的同步相對地理信息、激光雷達測距系統根據激光反射測定地物與雷達的距離、慣導提供的姿態數據，并利用相關數據預處理軟件計算從而獲取精確的地表地物三維地理坐標，再通過測區參數轉換得到目標三維成果。

2.2 無人船單波束測量技術

無人測量船系統是由船體、遙控器、測量通訊集成盒組成，船體作為儀器的主要載體，配備了無人船智能控制系統、定位系統以及動力系統。無人船測量方式可以分為自動航行模式和手動遙控模式，可以根據工作環境不同進行切換，當水域環境較好無障礙物時，可切換為自動航行模式；當水域環境比較復雜，障礙物比較多，如水草、枯樹枝等漂浮物較多自動測量方式無法航行的時候，可以切換為手動遙控模式進行測量。無人船水下地形測量作業流程圖見圖1。

圖1 無人船水下地形測量作業流程圖

無人船搭載的測深系統主要分為多波束測深系統和單波束測深儀兩種，無人船水下地形測量最常用的技術是單波束測深系統。

單波束測深原理是利用換能器向水下發射聲波，由于聲波在水中傳播的過程中遇到河底將返回，通過聲波在水中的傳播速度以及往返時間計算水深數據。單波束測深儀是一種“由點到線”的測量方式，每次測量只能測量一個水深點，隨著載體及設備的航行移動，產生由點到線的測量結果，通過由“點到線構面”得到水下地形數據。

2.3 無人機和無人船協同作業

無人機和無人船協同作業原理是:兩者架設同一基站，基站同時開啟靜態記錄和動態差分模式，靜態數據采集可供無人機機載激光和無人船單波束GNSS 定位同時使用，動態RTK 也同步作為無人船GNSS 定位使用。

3 項目實踐

3.1 項目緣由

重點河段河道地形測量工作是水利部推動新階段水利高質量發展的一項重要工作。按照2022年全國水利工作會議要求，通過及時更新重要水文站大斷面、重點河段河道地形信息，夯實水文測驗基礎，提高水文監測預報精度，強化洪水預報調度算據支撐，提升“預報、預警、預案、預演”支撐能力和水平。

3.2 測區概況

新汴河位于安徽淮北平原，是宿州市最大的防洪排澇骨干河道。西起自安徽省宿州市西北的戚（七）嶺子，經宿州市埇橋區、靈璧縣、泗縣、江蘇省泗洪縣，于洪澤湖西緣注入洪澤湖西端的溧河洼，河道全長127.2km，流域面積6562km2。

本次地形測量選取布設有水文站的重點河段，新汴河宿縣閘段，在宿縣閘水文站測流斷面上、下游各2～5km 的范圍內開展河道地形測量。本次測區寬度1.2km，長度5.1km，面積6.12km2，地勢較為平坦，地形高差15m 左右，測區內有水文站、船閘、翻水站、節制閘等水工建筑物及少量居民建筑物，兩岸堤防有大量防護林，地形較為復雜。

3.3 設備選擇

本項目采用D100 多旋翼無人機搭載智喙PM-1500 機載激光雷達測量系統，iBoatBS3 智能無人測量船搭載單波束測深儀相結合的水陸一體化全自動三維測量技術在新汴河宿縣閘水文站應用為例，從數據采集、數據處理、成果展示和精度驗證等方面進行系統地闡述，證明該技術的切實可行，為同類項目提供參考依據。

3.4 作業流程

3.4.1 數據采集

項目實施前架設基準站，基準站布置按照相關規范執行，開始實時差分信號發射和靜態記錄。無人機和無人船按照要求進行操作和數據采集。

D100 多旋翼智能航測系統利用飛行管家軟件，導入測區范圍后一鍵生成飛行航線，飛行高度109m，地面分辨率為1.7cm，航向/旁向重疊度為75%/75%。

智喙PM-1500 機載激光雷達測量系統利用飛行管家軟件，導入測區范圍后一鍵生成飛行航線，飛行高度300m，激光點頻200 萬點每秒，激光重疊度30%。

無人測量船根據此次河道的作業環境，合理安排航行路線。此次無人船采樣間隔1m/s、斷面間隔25m。

3.4.2 數據處理

無人機采集的傾斜數據，經Smart3D 影像處理軟件編輯后，通過空三加密及三維建模輸出測區三維實景模型（OSGB），輸出測區分辨率為0.1m 的數字正射影像（DOM）。

無人機機載激光雷達測量系統采集的激光點云數據，經點云融合軟件編輯后，通過激光點云（LAS）濾波分類，DEM 加載卸載、DOM 聯合點云測圖、點云快速繪制水閘、建筑物工具、切片裁剪、正射影像賦色等操作，輸出測區分辨率為0.2m 的數字高程模型（DEM）。

無人測量船采集的水下地形基礎數據，經HiMAX 測量軟件處理后，輸出水下地形的數字高程模型（DEM）。

無人機機載激光雷達測量系統數據采集技術路線見圖2。

圖2 無人機機載激光雷達測量系統數據采集技術路線圖

3.4.3 成果展示

根據重點河段河道地形測量技術要求，基礎測繪成果采集數字高程模型、數字正射影像、數字線劃圖，且成果要求數字高程模型分辨率為0.2m，數字正射影像分辨率為0.1m，本次測量成果滿足上述要求。新汴河宿縣閘段數字線劃圖見圖3。

圖3 新汴河宿縣閘段數字線劃圖

3.4.4 精度驗證

該項目精度驗證采用RTK 在陸地和水下抽查12 個固定坐標點，經計算平面坐標誤差±0.05m，高程中誤差±0.15m，滿足1∶2000 地形圖誤差要求（絕對定向限差，平面不大于±0.40m，高程不大于±0.20m）。

4 總結

本文以重點河段河道地形測量為應用場景，將無人機搭載機載激光和無人船搭載單波束測深儀進行有效結合，作為一種空地一體、水上水下一體化三維測量技術，可以快速準確獲取河道地形，及時動態掌握河道沖淤和河勢變化，滿足開展河道特性研究、洪水演進分析和洪水精準預報等需要，為防汛減災提供數據支撐■