無人船在水利建設工程水下地形測量中的運用

楊宗澤

廣西壯族自治區百色水利電力設計院有限責任公司 廣西 百色 533000

引言

在水利建設中，水下工程是一個至關重要的施工環節，而水下地形測量則是水下工程建設必不可少的前期作業，相對于陸地測量來說，水下地形測量局限性更大，運用以往的水下地形測量方法，往往會有測量數據精準性不足現象的出現，而且測量工作效率也比較低下，所以亟須通過改進測量手段，提高水下地形測量工作效率，并優化測量成果，有效分析和掌握無人船測量原理及其優勢，并針對無人船測量在水利工程水下地形測量數據獲取、地形圖繪制等作業中的實際應用進行深入研究，有助于促進水利工程水下測量作業的高效開展。

1 無人船測量原理

水下地形無人測量是綜合了全球定位，測深儀，實時動態監測，單片機以及計算機等多種先進設備，充分發揮全球定位載波相位差分，無線遙控和數據傳輸，測深以及單片機等高端科學技術的各自優勢，讓便攜式無人測量船通過自動導航和無線遙控沿著預先設計好的航線開展水下地形測量，通過全球定位和載波相位差分得出測量位置的平面坐標，信號接收機需要兩臺安裝于基準站與流動站的設備，公共開放服務協議也可以實現這一功能，船體設置流動站，預先設置好波特率和串口輸出，再與工控主板實現連接，以HY1500型號的數字測深儀為測量設備，它的作業流程需要有測深探頭并開通電源來實現，此外，無人船還通過自身搭載的電子羅盤通過得到與北方向的實時角度完成自動導航功能，工控主板接收串口傳輸過來的數據信息，無人船還搭載了控制模塊，它通過無線模塊的方式與岸基控制模塊交換數據，搭載于船體的軟件不只限于發送數據，它還負責對岸基信號進行接收的持續檢測并向控制設備轉發，若技術規定時間內出現岸基信號中斷，系統就會有返航指令發出，全球定位在接收數據的過程中隔一個數據就會有定點返航指令發出[1]。

2 無人船測量優勢

由無人船實施水下測量技術優勢很多，它的水面航行可人工遙控也可設置為自主導航，把水下地形測量作業過程實現了無人智能化作業，最大限度弱化了人工因素，改變了傳統水下地形測量高強度作業模式，模塊化的先進設計提高了作業質量和效率，功能覆蓋全面。

2.1 區域測量優勢

當水下地形測量任務遭遇坎下或陡岸及水域面積太小的情況時，由于水下地形測量需要船載大量配套設備，還要由技術人員對計算機實施操控，為安全起見，通常需要超大載重的測量船完成作業，但是上述水域無法提供作業條件，讓測量作業面臨難以為繼的局面，而水域寬闊的測量作業通常需要很長的作業周期，無法適應水下地形測量作業快捷高效的要求，無人船測量完美規避了上述問題，以陡岸測量為例，它可在近岸水域行駛，水下地形圖紙的繪制更精確，危險水域的測量由于可無人操作實現，最大限度保障了作業安全[2]。

2.2 攜帶運輸優勢

相較于常規測量船，無人船的船身設計更小巧，自重更輕，便攜式的攜帶方式更方便，作業過程中船體運動更靈活，作業人員執行外出測量任務時，一輛車的后備廂就可以把全部作業設備運走。

2.3 智能避障

由于無人船的測量作業環境復雜且有很多不確定性因素，對此船體設計加裝了智能避障功能，遇到航行障礙時可自動避讓，航行安全得到有效保障。

3 無人船水利建筑工程水下地形測量的具體應用

3.1 數據獲取

以百色市冬筍水廠取水口遷移工程建設勘察的水下地形測量為例。由岸基操作系統，船體測量系統共同組成無人船操作系統，在測量作業水域選擇下水條件較好區域泊船并平衡固定，實施發電機和平衡翼的安裝，以固定扣固定發電機，輸出接頭全部連接好，再進行天線，攝像設備和全球定位的安裝，尤其要注意全球定位和攝像的安裝須全程雙手操作，確保不會落水。

安裝完成后便可在岸邊電腦上安裝好外置天線，啟動電腦，架設好GPS基準站，在岸基電腦打開控制軟件，點擊屏幕工具欄選擇已知點校正，利用測量水域的坐標數據結合全球定位測量所得的坐標數據向系統輸入，由系統自動生成坐標轉換的匹配參數，再把計算機輔助設計文件導進來，岸基控制軟件導入測量作業范圍，點擊繪圖工具進行全局布線，完成無人船的航線設置，以人工遙控方式對無人船實施功能測試，確保全部功能正常后啟動無人船發動機，準備開始按預設航線行駛。

經人工遙控測試無人船功能正常，船頭擺成朝向作業區域，對這一狀態進行標定，此時無人船會開始水中的自轉，持續兩三周自行停止，再在電腦上選擇校正選項，由無人船自主完成電子羅盤校正過程，這種對電子羅盤實施的標定和校正，結合載波相位差分技術對無人船實現航線的確定，定位數據由此獲取，再結合船頭實際航向數據對位置和方向的偏移數據進行快速準確的計算，動作指令的發布即以偏移量計算結果為準，進而完成對無人船航行自主導航功能的設定。

傳統測量作業對電子羅盤的使用，是通過只讓電子羅盤實施一周的旋轉來確定朝北方向，無人測量船對電子羅盤的使用則是通過標定讓電子羅盤對正北方向的確定更精準，這樣可確保無人船按預設航線航行過程中航線保持更高的精確度，航程接近尾聲時以人工遙控把無人船精準送入指定測量作業區域，選擇電腦上的記錄設置選項，把載波相位差分設置成載波相位差分固定解，對采樣間隔實施重新設置，使其保持按距離采樣設置，此時即可實施無人船沿航線走向的測量作業，通過岸基控制軟件，陸上人員可實時監測無人船實施測量作業的實況，無人船完成沿航線走向的測量作業即自動返回啟航點位置，再通過人工遙控讓無人船安全回到靠岸位置。

對無人船測量作業進行航線路徑的保存設置，一旦測量作業完成即由文件夾對航線路徑進行保存，可實現載波相位差分三維坐標的獲取，由測深儀對水深進行數據測量，結合之前的校正，所有坐標數據均為準確校正數據，鑒于無人船測量作業過程具有很大不確定性因素，外部因素影響較大，水深數據在后期實際應用過程中還要結合實際情況進行調整[3]。

打開岸基軟件，選擇工具欄中的修改水深數據，導入測量時保存的航跡線文件，由水深數據推算水深范圍，據此設置水深縱向坐標，進而得到水深線的大致情況，由此發現水深線圖形顯示的水深數據的錯誤之處，可由人工操作對其進行拖動，使其回歸準確水深線，對圖形中粗差過大的點位進行刪除，對粗差進行最大值和最小值允許范圍的設定，最后完成粗差剔除，也可由自動修改按鈕點擊實施，缺陷是會錯漏需要糾正的數據，水深數據處理完畢予以保存，系統會對航跡線進行自動生成，由文本格式文件依據X或Y以及點號和水底高程的樣本格式存儲于文件夾內。

3.2 地形圖繪制

結合外出測量作業所得到的數據結果，利用對測深點平面位置進行展繪，做好高程標記，對等高和等深線進行勾勒，最后繪制完成完整的水下地形圖紙，這是由無人船測量作業獲取水下三維坐標的最有效應用，水下地形無人測量無法可視化看到地形變化，也無法有效選取地形特征測量點位，水下地形測量圖形繪制過程如下[4]：①通過谷歌地圖對即將開始水下地形測量作業區域進行衛星影像圖的下載，由于下載影像圖與測量比例不符，還要再次進行影像圖的糾正。②目前用于影像糾正的軟件以CASS軟件技術最先進，市場占有率最大，在此軟件中進行展高程點的繪圖處理選擇，所有處理完畢的點都導入軟件，使其呈后置顯示，此時會看出影像圖與測量數據不匹配情況，可通過由旋轉到縮放再到平移的方式對影像圖進行糾正，最后得到與實際測量區域完全匹配的影像圖。③由CASS軟件對水邊線進行繪制，鑒于無人船可以實現水面高程的測量，可據此賦值水邊線高程，使測量點位與水邊線有機融入統一的整體系統。④要進行等高線的生成，首先必須對數字地面模型進行構建，也就是三角網的構建，剔除回車和坎高因素，系統會給出三角網過程或結果的顯示提示選項，徑直勾選結果顯示即可，勾選后由系統自動生成三角網，進而完成等高線的生成，再對等高線生成菜單進行刪除三角網的勾選，把先前構建的三角網全部刪除。⑤等高線的生成是不完美的，其中包含一些不合理的位置部分，要對此進行修訂，找出等高線菜單，勾選局部替換功能，實施重新畫線作業，計算機輔助設計軟件會提示進行等高線選擇，對等高線位置進行勾選實施畫線作業，畫出合理的等高線位置，再把原等高線位置調到新畫位置，水下測量等高線繪制有很多不可視因素，導致等高線修改幅度較大，有時會面臨等高線的突變，這是由于前期水深的后處理沒有全部完成，這些等高線位置需要剪斷，由人工進行修改。

3.3 精度評價

實際上，對無人船水下地形測量是有很高的精確度要求的，這個質量控制過程的重點環節就是精度評定，水深測量檢測的常用方法是等精度觀測，就是設置適量數據的檢查線，使其和主測線呈垂直布設，檢測完成分別處理檢查線和主測線數據，匯集綜合分析比對數據的重合點和差異性，檢測其誤差范圍是否符合精度誤差的允許波動值范圍[5]。

以某淺灘水域水下地形測量為例，設置80多個測量點位進行數據采集，對其中40個測量點位數據進行隨機抽查和分析，對檢查線和主測線進行各自統計量和標準差的計算，由計算結果可以看到，兩種檢測線數據偏差不到0.1m有94%的占比，不到0.2m的有98%的占比，不到0.3m的全部達到，計算標準差數據是0.09m，符合標準數據限額0.4m的范圍。

4 誤差分析

無人船實施水下地形測量作業，載波相位差分技術是定位的關鍵依靠，這種技術雖然先進，但是載波相位差分技術也有自身的缺陷[6]。

①受電離層影響較大，如果測量作業趕在了正午時分，此時共用衛星數量不夠，容易造成載波相位差分固定解無法實現，給測量結果帶來誤差影響；②干擾因素太多，容易導致衛星信號接收不良；③岸基和船載數據交換有誤差現象；④受外界因素影響，測量作業在精確度和穩定性方面都有待提高。

無人船實施水下地形測量出現誤差是很正常的現象，須在實際作業過程中加以逐步克服，具體到本篇論文，影像圖都是由網絡下載使用的，實際操作中應由無人機航拍完成影像拍攝再交由數據分析處理，以最終生成正射影像圖為準，再把準確的正射影像圖向CASS軟件導入，從而繪制出可信度較高的線畫圖，再結合水下地形測量實地數據完成整體水下地形圖的繪制。

5 結束語

在具體實踐中發現，水利工程水下地形測量具備測量難度大、局限性強等實際特點，運用傳統的水下地形測量方法，很難保證測量數據的精準性與可靠性，為了有效彌補這一短板，相關人員應重點加強無人船測量技術研究，并針對該項技術在水利工程水下地形測量中的合理應用進行更深層次發研究與探索，以便為我國的水利工程建設提供助力。