無人船測深系統在水下地形測量中的應用

潘倫淵

（廣州市水務科學研究所（掛廣州市二次供水技術咨詢服務中心牌子），廣東 廣州 510220）

水下地形測量是一項特殊的工程測量工作，它的工作內容主要分為兩個方面，即：平面位置與深度的測定。單波束測深儀和GPS-RTK相結合是目前水下測量的主要技術，一般都是使用橡膠筏子或載人船作為載具，載人船可以有效進行大面積的水上測量，但如果遇到淺水區、淺灘區域等，就會出現空隙，特別是水流較大的情況，對操作人員的安全造成了極大的威脅。與常規的載人船舶相比，無人船具有投放迅速、運輸方便、機動靈活等優點，并可保障船舶和船員的人身安全，適用于近海、海灣、河道、水庫、碼頭等多種水域的測量工作，既可以大幅度提升水下地形測繪的工作速度，又可以很好的處理淺灘及險情的作業難題。

1 水下測量

水下測量是掌握水下地理信息的重要手段，它的工作內容是獲取中小河流、湖泊、水庫、港灣和近海等水域的平面位置和高程數據，為各部門在河流海域的規劃階段，水庫水電站攔河壩工程、引調水工程、河道治理工程的可行性研究、初步設計、施工設計、運營管理階段提供水下地形資料。

水下測量定位的方法有斷面索法、經緯儀或平板儀前方交會法、六分儀后方交會法、全站式速測儀極坐標法、無線電定位法、水下聲學定位和差分GPS定位法等。水深測量采用測深桿、測深錘和回聲測深儀等器具。水底高程是根據水深測量和水位觀測成果計算，最后用等深線（或稱等高線）表示水底的地形情況。

水下測深通常采用在有人船上搭載一臺單波束測深儀，并與GNSS-RTK組合在一起進行測量，以獲取相應的三維空間位置。

2 無人船測深系統及工作原理

2.1 系統組成

無人船水下測深系統要達到全自動采集數據的目的，必須具有自主導航、智能避障、實時通訊、自動數據采集、穩定、長時間續航的功能，對各個子系統進行集成，實現各種水面測量工作的自動化。其各部分的主要功能如下：

船體。船體主要裝載各種測深儀、測量設備、電源、通訊儀器，是運載測深系統的基本框架。一般情況下，船體都是由高強度的碳纖維和凱夫拉防彈布制成，具有耐腐蝕、輕量化、耐碰撞等特點。

通信系統。它是無人船與陸地上的控制器之間的一個關鍵的窗口，它能將無人船的工作狀態實時傳送給陸地上的系統。

控制系統。主要負責控制無人船的航行軌跡，該系統由PC機、手持遙控器和通信裝置構成，可針對各個水域的不同特征，分別采用自動和遠程兩種控制模式。與此同時，岸基測深系統與無人船通過無線電通訊，把各個傳感器的數據資料傳送至控制中心，實現對無人船的狀態及觀測數據的即時監控，并能及時找到故障，修正航線和設備。

數據采集系統。作為整個測控體系的中心部分，其主要功能是完成各種數據資料的采集與錄入，而這些工作則是在無人駕駛的船舶上進行。作為測控中心，它包括測深儀、姿態傳感器、GPS接收機、超聲波避碰聲吶、全角度相機、距離傳感器等高精度傳感器。

2.2 工作原理

無人船的水深測定方法是：已知聲波在水中的傳播速率是v，在傳感器發送和接收的過程中，通過t來算出傳感器到水下的深度：h=1/2vt（1），而傳感器的頂部到GPS的天線高是a，無人船的吃水深是一個固定值b，且不考慮動態吃水和靜態吃水之差，若GPS-RTK接收機天線所測的高度為H，則可以得到以下公式：H水底=H-a-b-h（2），從（2）公式可知，H水位值是通過GPS-RTK即時測定的，H水位僅與a、b、h值相關，且與潮位無關，從而排除了水位落差、波浪、潮汐等各種影響，節省了常規的驗潮程序，節省了人力物力并大大提高了水下地形測量的工作效率。

2.3 無人船的優點

傳統測量方式存在很多安全隱患及測量數據遺漏和不精準等問題，無人船水下地形測量就能很好地解決這些問題，無人船水下地形測量存在以下幾個優點：（1）無人船船身體重較輕，體積小、吃水淺，不僅可以隨車攜帶，深水淺水區均可使用，大大降低人力成本；（2）可根據任務需求搭載不同水下地形測量設備及水質測量儀器，結合RTK水下地形測繪，獲取更加精準的水下地形數據；（3）對于環境復雜的水域，使用無人船更加安全可靠，提升人員的安全性；（4）無人船可以根據水域分布情況發布任務指令，根據地面站指令，無人船全自動完成測繪任務并實時傳輸數據，避免出現遺漏或少測情況出現。

3 水下地形測量中無人船測深系統的具體應用

3.1 水下地形測量的準備工作

在進行水下地形測量前，測量員要做好各項準備工作，架設好基準站，認真連接好無人船的電源設備，安裝好GNSS接收機，然后啟動岸基控制測量軟件，正確設置坐標系統、高程系統、中央子午線、靜態吃水深度、測量航速、自動回歸點等測量參數，無人船測深與比測板深度比對合格后才能開始測量。

3.2 布設主測深線和檢查線

在使用無人船測深時，測量員必須按照相關的規范布設主測深線和檢查線，使用單波束測深儀測深時，主測深線應垂直于等深線的總方向，當采用多波束測深儀測深時，原則上應平行于總等深線的總方向。測深線間隔的確定應顧及測區的重要性，水域的地形特征和河水的深度等因素來確定，使用單波束測深儀時主測深線間隔一般為圖上1～2 cm，測點間距一般為圖上0.8～1.5 cm。檢查線的方向應盡量垂直于主測深線方向，能普遍檢查主測深線，檢查線的長度不應小于主測深線總長度的5%。檢查線的定位點間距可以根據測量比例，加密至在規定范圍內與測深保證有重合點，檢查線在測區內應分布均勻合理。檢查線測點點距應小于主測深線測點點距的0.5倍。檢查線與主測深線相交處，圖上1 mm范圍內水深點的深度比對互差應符合以下規定：水深小于等于20 m時，深度比對互差不得大于0.4 m，水深大于20 m時，互差不大于0.02H。

3.3 無人船水深測量

啟動控制系統中自動測量按鈕，讓無人船在指定的區域進行測量。無人船按照預定的航速沿著主測深線的方向航行，自動采集平面坐標和水深數據，并通過通訊設備把數據傳輸到岸基控制系統進行存儲。測量過程中，測量員應實時監測測深設備的運行狀態，發生故障時應停止作業。

現場監控的主要內容應包括如下幾點：（1）觀察航跡顯示，監視定位數據是否出現異常；（2）隨時查看測深線間距和測點間距是否達到要求，防止出現漏測現象；（3）觀察硬盤數據記錄設備的工作是否正常，確保測量數據的完整記錄；（4）每天工作結束后，由專人負責及時備份全部原始數據及其歸檔數據管理，并對獲取的原始數據和資料進行全面檢查，對有疑議的數據和資料應查明原因并改正。

3.4 處理水下地形測量數據和繪圖

對于連續記錄水深數據的軟件，應先根據連續測量數據進行測深數據濾波，剔除掉偽水深值，剔除數據率不應大于10%。如果發現水深曲線突變等不符合變化規律時，應查找原因，必要時應對水深突變區域進行補測；對于非連續記錄測量數據的軟件，應對照測深記錄，確認每一個測深數據的正確性。最后把水深數據傳輸到電腦上，用專業的繪圖軟件進行數據處理，水下地形圖的要素及其相關注記應符合GB/T13923的有關規定，圖廓整飾要素具體內容應符合有關規范的規定。

4 應用實例

4.1 項目簡介

2021年3月，受廣州市流溪河灌區管理中心的委托，需要對李溪片區攔河壩上下游進行水下地形測量，其長度大約為2.3 km。該工程的目的是為了了解李溪攔河壩上下游一年來受洪水沖刷后河床的變化情況，為壩體的安全運營做監測。由于李溪攔河壩上下游河道較淺，測量比例尺又要求為1∶500，傳統的有人船搭載測深儀難以測量，所以該工程采用了全自動無人船進行水下測量。

4.2 數據采集

本工程使用了楚航“踏浪者”CH-14號全自動智能無人測量船進行作業，“踏浪者”無人船是一款功能完備，輕巧便攜的無人船，集成了GNSS、測深儀、電子羅盤、避障模塊等多種傳感，它的航向和航速都很穩定，能夠承受5級的大風。測深精度為1cm±0.1%h（h為水深），測深范圍為0.2～100 m。

在岸上架設好基準站，船體測量裝置安裝完成后便可在岸邊電腦上安裝好外置天線，啟動電腦，打開電腦里的無人船岸基控制軟件，進入無人船岸基控制系統，對岸基控制系統進行測量參數進行修改，修改的內容包括坐標系統、中央子午線、投影方式，用于坐標轉換的七參數、聲速、船體吃水深度、數據采樣間隔等。將規劃好的測深線文件輸入到岸基控制系統的隨機程序中并向無人船發布測線信息，在一切準備就緒之后啟動無人船自動測量按鈕。

本項目沿垂直河道方向一共布設主測深線462條，總長度達185 km，沿垂直于主測深線方向布設檢查線布設5條，總長度為11.5 km，檢查線占總測深線長度的6%，符合規范要求。測深線間距設置為5 m，測量點間距5 m，檢查線測點間距為2 m。無人船根據設定好的航線按照斷面法自主采集水深數據，數據采集完成后自動返回到預定的回歸點，結束測量。檢查線測量與測深線的測量方式一致。

4.3 數據處理與成果編繪

采用無人船自帶的數據處理軟件對水下地形的測量數據進行處理，主要是對水深數據進行回放，在數據回放過程中，對水深數據中出現的異常值進行檢測和修正。本項目水深閥值設置為9，數據處理級別為3，點擊自動濾波后得到的數據進行保存。本項目繪圖采用南方CASS9.1數字化成圖軟件，數據輸出采用南方CASS標準格式文本DAT文件，同時也輸出帶有水深值的XYZ格式的文本，用于水深值與水底高程的比對。每一次無人船采集數據完畢后都會自動生成一個數據文件，測量員把每個文件都輸出后，都對數據進行了檢查，確認無誤后把文件傳輸到計算機，為繪圖做好準備。

水下等高線的繪制：先建立DTM生成三角網，接著對三角網中不合理的三角形進行過濾、刪除、重組等編輯，然后修改結果存盤，最后繪制成符合要求的等高線，水深注記采用水底高程值。按照規范要求對地物地貌進行必要的編輯和修飾后，再給地形圖加上圖名圖廓，最終形成圖形文件名為“李溪攔河壩水下地形圖.DWG”的數字化成果。

4.4 精度檢查

在圖上提取檢查線與主測深線相交處1 mm范圍內水深值進行對比，以計算本次水深測量的中誤差。本次一共提取了對比點231個，符合小于0.4 m互差要求的點數一共有226個，合格率達到97.8%，經過計算，本次水下地形測量中誤差為0.07 m，遠遠小于規范要求不大于0.2 m的要求。

5 結束語

綜上所述，經實際驗證，無人船測深系統無需驗潮，機動靈活，體積小巧，自動化程度高，通過主、檢測線重合點數據的對比分析，無人船測量數據精度可靠，滿足《水利水電工程測量規范》要求，既能有效提高水下地形測量的工作速度，又能很好地處理險情及淺灘的地形測量問題，保證操作工人的人身安全。

在實際使用中，無人船測深系統的推進器抗魚線和漁網的纏繞能力比較差，為了增強其在操作過程中的抗卷性，必須進行軟硬件的改進與更新。另外，可以在遙控上加裝影像傳送模組，使船體上的實時攝像視頻即時傳送至遙控裝置，配合超聲波避障裝置，使操控手可以對前方障礙物作出正確的預判。