無人船測深儀在大斷面測量中的應(yīng)用

楊凱，曹雅昌，楊曉亮，郭振霆

（海河水利委員會海河下游管理局，天津 300061）

水文測驗斷面的測量又稱為大斷面測量，是水文測驗的基礎(chǔ)要求之一[1]。通常在水文站設(shè)站之前，對河床進(jìn)行大斷面測量；在汛期前后進(jìn)行2次測量，在發(fā)生大洪水后和斷面發(fā)生明顯變化時要組織開展校測。水文斷面測量包括橫斷面測量和縱斷面測量，其中歷史最高洪水位與河床線之間所包括的面積為大斷面。斷面測量是測定河床各點的起點距和高程，繪制斷面圖。通常起點距測量，使用全站儀直接測量水平距離。水下點高程測量[2]一般在水深較淺、流速較小區(qū)域，采用測深桿測深；在水深較深、流速較大區(qū)域，采用鉛魚測深；在面積較大水域，采用回聲測深儀測深。斷面測量精度直接影響流量測量，但如果采用常規(guī)測量方法需要多名水文人員配合操作，會導(dǎo)致對水深測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，并且存在人員安全隱患問題。

本文以J水文站為例，在斷面測量中使用無人船測深技術(shù)對水底高程進(jìn)行測量。通過將智能控制技術(shù)、無線通信技術(shù)與小型化遙控測量船結(jié)合起來，搭載測深儀傳感器，實現(xiàn)對斷面水下地形地貌的快速測量，以檢驗無人船測深方法的可操作性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1 無人船測深儀介紹

1.1 無人船測深儀組成

無人船測深儀由無人船、測深儀、RTK和地面站組成。無人船為BlueSounderT-Boat2多功能測量無人船[3]。該船為雙體流線船型，具有硬度高、重量輕，重心低，航行穩(wěn)，防沉、防顛覆、防水、防撞、防腐、防磨損特性，主要應(yīng)用于江河湖泊、水岸、海岸、碼頭等水域，通過人工遙控或自主巡航，實現(xiàn)常規(guī)或應(yīng)急水下地形地貌測繪、水文流量測量、水質(zhì)采樣、水質(zhì)監(jiān)測、水下暗管探測等水下作業(yè)。測深儀采用單波束測深儀，具有小巧、攜帶方便、使用簡單等特點，可搭載在無人船上進(jìn)行河道、湖泊、近海等水域精密水深測量。RTK選用iRTK5GNSSRTK，支持星站差分，采用全向電臺天線，內(nèi)置多協(xié)議電臺，為4 W超大發(fā)射功率，移動站支持網(wǎng)絡(luò)中繼和電臺中繼。設(shè)備支持4 G全網(wǎng)通信和4 G網(wǎng)絡(luò)天線。地面站使用PC安裝無人船智能控制軟件和測深儀軟件進(jìn)行設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集。

1.2 無人船系統(tǒng)連接

無人船系統(tǒng)連接，如圖1所示。將通信天線和通信模塊通過串口連接到地面站后，即可運行無人船智能控制軟件平臺。

圖1 無人船系統(tǒng)連接示意

無人船智能控制軟件平臺主要有4項功能：①串口通信管理；②控制模式選擇；③航線管理、預(yù)設(shè)航線下發(fā)；④控制指令下發(fā)。

1.3 航線管理

航線管理是無人船智能控制軟件平臺的重要功能之一，主要分為手動設(shè)置航線和自動路徑規(guī)劃兩種模式。

（1）手動控制航線。一般情況下，采用手動設(shè)置航線，實現(xiàn)航線路徑的自動規(guī)劃。通過電腦端軟件設(shè)置航點，在航點設(shè)置完成后，按照設(shè)置順序自動生成航線。

（2）自動路徑規(guī)劃。在特定的水域內(nèi)有規(guī)則地進(jìn)行航點布置與航線規(guī)劃。通過電腦端軟件設(shè)置多個標(biāo)記點，形成一個多邊形的圍欄，調(diào)整測量參數(shù)，確認(rèn)區(qū)域中航點布置與航線規(guī)劃。

1.4 操作流程

主要操作流程[4]如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)連接測試。將測深儀主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與電腦連接，在電腦端選擇設(shè)備型號、配置網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置，聯(lián)通系統(tǒng)。

（2）測深儀參數(shù)設(shè)置。設(shè)置天線高度和換能器吃水深度。

（3）聲速校準(zhǔn)。本試驗在淡水水域進(jìn)行測量，選取溫鹽深公式進(jìn)行計算，通過測量水域的溫度、鹽度、深度，計算出正確的聲速值，下發(fā)參數(shù)。

（4）進(jìn)行水深測量，得到水底高程。

2 無人船測深儀測量與常規(guī)方法測量對比分析[5]

2.1 無人船測深法

在陸地架設(shè)地面站與無人船進(jìn)行通信，在電腦端規(guī)劃測量路徑，將無人船行駛至航線路徑，測深儀實時記錄路徑上各點水深，并通過軟件后處理功能計算數(shù)值。

2.2 鉛魚測深法

使用現(xiàn)有纜道和鉛魚測量水底高程，通過水位換算高程數(shù)據(jù)。測量人員利用對講機(jī)時刻進(jìn)行聯(lián)系，記錄數(shù)值。其中，水下點高程=水面高程（水位）-水深。

2.3 測量結(jié)果對比分析

選取南閘上、北閘下2個纜道斷面2020年11月24日測量結(jié)果，南閘上測時水位4.2 m，北閘下測時水位5.04 m。以南閘上水下24個測量點進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，大斷面測量結(jié)果及誤差詳見表1。

表1 南閘上大斷面測量結(jié)果及誤差

由表1可知，最大誤差為0.03 m。選取北閘下水下18個測量點進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，北閘下大斷面測量結(jié)果及誤差詳見表2。由表2可知，最大誤差為0.01 m。通過上述無人船和鉛魚測深數(shù)據(jù)對比，試驗最大誤差為±0.03 m，繪制南閘上、北閘下斷面河底模型如圖2—3所示。

表2 北閘下斷面測量結(jié)果及誤差

由圖2—3可知，無人船與鉛魚測深的曲線基本重合，基本反映了河底高程情況，證明無人船測深數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。因此，無人船測深儀可用于河道斷面監(jiān)測中。

圖2 南閘上斷面河底模型

圖3 北閘下斷面河底模型

3 結(jié)論

通過無人船測深儀在水下大斷面高程測量中的應(yīng)用，得出如下結(jié)論。

（1）無人船測深可以實現(xiàn)水深數(shù)據(jù)的自動采集，測量精度可達(dá)到1cm±0.1%h（h為水深）。

（2）對河道大斷面進(jìn)行快速測量且航線固定、測數(shù)充足。自動航測系統(tǒng)按照規(guī)劃航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在單位時間內(nèi)采樣數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工測量。

（3）設(shè)備輕便，工作安全可靠。無人船系統(tǒng)設(shè)備集成度較高，單人便可開展戶外測量作業(yè)，與常規(guī)水下地形測量方式相比，測量工作更加安全可靠。

但是目前還存在一些缺陷：①在水深小于50 cm的水域，存在吃水問題，無人船無法進(jìn)行作業(yè)，需要人工測量；②在水草、蘆葦較多的水域，其船槳可能被纏繞，無法進(jìn)行測量作業(yè)；③在較為廣闊水域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)信號存在覆蓋不足問題，造成數(shù)據(jù)無法同步到陸地站。下一步將探索無人船測深系統(tǒng)在搶險救災(zāi)、河道清淤、水庫庫容計算等工作中應(yīng)用。