無人船多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用及精度驗(yàn)證

米仁歡

（廣州港工程管理有限公司，廣東廣州 510730）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，地理信息成果數(shù)據(jù)已成為國家基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性信息資源，廣泛服務(wù)于政府決策、資源普查以及應(yīng)急保障等領(lǐng)域。陸地地理信息數(shù)據(jù)可以采用不同分辨率遙感衛(wèi)星、傾斜攝影測(cè)量、北斗定位系統(tǒng)、車載移動(dòng)測(cè)量設(shè)備以及三維激光掃描儀等設(shè)備獲取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過專業(yè)處理軟件生成定位精度高、地理信息豐富的陸地基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品。但水下基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品獲取方式相對(duì)比較單一，難以滿足經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的要求。隨著國家“經(jīng)略海洋”戰(zhàn)略的提出，急需優(yōu)化傳統(tǒng)的水域測(cè)量作業(yè)方式來獲取水庫、河道、淺灘以及深海等區(qū)域水下地形數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的有人船測(cè)量方法存在船體不穩(wěn)定、復(fù)雜區(qū)域難以保障安全等問題，為了克服解決這些問題，提高水下地形測(cè)量效率，無人船搭載GNSS 傳感器、測(cè)深儀成為理想的選擇。相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列研究：文獻(xiàn)［1］提出基于無人船的水陸一體化測(cè)量方法，該方法通過在無人船上搭載的激光掃描儀、多波束測(cè)深組合導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠有效采集陸地和水下地形數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)［2］采用單波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量魚塘水下地形數(shù)據(jù)，通過外業(yè)RTK 方式驗(yàn)證單波束測(cè)深系統(tǒng)精度；文獻(xiàn)［3］提出RTK 三維水深測(cè)量技術(shù)進(jìn)行多波束測(cè)深系統(tǒng)潮汐改正方法，通過編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、便捷水深提取工作；文獻(xiàn)［4］提出無人艇多波束測(cè)深精度分析方法，對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行成果內(nèi)符合精度、外符合精度驗(yàn)證；文獻(xiàn)［5］提出無人船水下測(cè)量精度控制措施，分析了影響水下地形測(cè)量精度的因素，并提出對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施。上述文獻(xiàn)對(duì)無人船在水下測(cè)量、精度提升等方面進(jìn)行研究，但對(duì)于測(cè)深成果絕對(duì)精度驗(yàn)證方面研究較少。

鑒于此，本文采用無人船搭載多波束測(cè)深系統(tǒng)、GNSS 等傳感器快速、高效獲取水下地形信息，通過相鄰航線重疊區(qū)域交叉測(cè)深點(diǎn)高程數(shù)據(jù)驗(yàn)證多波束測(cè)深系統(tǒng)內(nèi)部精度，結(jié)合外業(yè)RTK 測(cè)量的高程值數(shù)據(jù)對(duì)比分析驗(yàn)證多波束測(cè)深系統(tǒng)絕對(duì)高程定位精度。本文詳細(xì)介紹利用華測(cè)華微三號(hào)無人船測(cè)量系統(tǒng)和GNSS-RTK 系統(tǒng)對(duì)廣州某地區(qū)4.5 km2魚塘水域水下地形測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于無人船多波束測(cè)深系統(tǒng)能夠較好地獲取水下地形數(shù)據(jù)，成果精度與作業(yè)效率相比傳統(tǒng)測(cè)量方法有較好的提高，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 無人船多波束測(cè)深系統(tǒng)精度驗(yàn)證原理

無人船多波束水深測(cè)量系統(tǒng)以無人船為移動(dòng)平臺(tái)，裝備高精度的GNSS、激光掃描儀、多波束測(cè)深儀、高精度慣性設(shè)備等高精度傳感器，通過系統(tǒng)控制模塊對(duì)規(guī)劃后的航線進(jìn)行控制，確保測(cè)區(qū)全部覆蓋，對(duì)采集數(shù)據(jù)利用無線傳輸?shù)姆绞綄?shí)時(shí)接收。無人船多波束水深測(cè)量系統(tǒng)主要包括無人船、多波束測(cè)量系統(tǒng)和岸基系統(tǒng)3 個(gè)部分。

1.1 GNSS差分定位技術(shù)

由于網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地獲取厘米級(jí)定位精度，所以在實(shí)際工程應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。文中利用兩臺(tái)GNSS 接收機(jī)配合，其中一臺(tái)固定在岸邊已知位置處作為基準(zhǔn)站，另外一臺(tái)固定在無人船上作為流動(dòng)站，流動(dòng)站接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)并將接收到的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送給基準(zhǔn)站，通過差分解算方法獲取流動(dòng)站與基準(zhǔn)站間的基線向量，最終獲取流動(dòng)站空間三維坐標(biāo)值。

1.2 多波束測(cè)深系統(tǒng)原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)通過數(shù)字測(cè)深儀能夠精確測(cè)得水下地形，獲得高精度的水下三維地形圖（坐標(biāo)系統(tǒng)：WGS-84，高程系統(tǒng)：大地高）。該系統(tǒng)具有測(cè)量速度快、范圍廣、效率與精度高的特點(diǎn)，適合大面積水底地形測(cè)量工作。由于受到水下環(huán)境、測(cè)量距離等因素的影響，多波束測(cè)深系統(tǒng)通過束控法在線陣或面陣的發(fā)射器上發(fā)射一個(gè)微窄的超聲波，在接收陣上采用米爾斯交叉原理接收水底反射形成多路回收波，進(jìn)而獲取精確的水深數(shù)據(jù)。

多波束測(cè)深系統(tǒng)是利用無人船搭載的發(fā)射換能器、接收換能器進(jìn)行水深測(cè)量，通過超聲波在水介質(zhì)中的反射實(shí)現(xiàn)距離測(cè)量。水深值通過超聲波在水介質(zhì)中傳播到海底返回接收的時(shí)間差確定，具體解算公式如式（1）所示：

式中：D為反射轉(zhuǎn)換器到水底間距離；C為水介質(zhì)內(nèi)超聲波的傳播速度；Δt為數(shù)字測(cè)深儀發(fā)射超聲波與接收超聲波時(shí)間差。同時(shí)利用無人船上裝載的高精度GNSS 接收機(jī)，獲取該時(shí)刻GNSS 接收機(jī)位置的高程H1，則該時(shí)刻測(cè)量水底的水深高程值H如式（2）所示：

式中：H2為GNSS 接收機(jī)到水面的高度，該值為固定值；H3為無人船放入水中吃水高度值；αi為第i個(gè)探測(cè)器與垂直方向的夾角，該值為實(shí)驗(yàn)室安裝角度，需要進(jìn)行標(biāo)定；ΔD為水下環(huán)境帶來的測(cè)量誤差。

相比較測(cè)深系統(tǒng)而言，多波束測(cè)深系統(tǒng)通過多個(gè)轉(zhuǎn)換器單元組成線陣或面陣的方式同時(shí)發(fā)射、接收多個(gè)超聲波束對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)量，大大降低了數(shù)據(jù)獲取成本。

1.3 多波束測(cè)深系統(tǒng)誤差來源與評(píng)估方法

多波束測(cè)深系統(tǒng)誤差來源較多，基本可以分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。主要包括GNSS 定位誤差、水深測(cè)量系統(tǒng)安裝誤差、系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定誤差、潮汐誤差以及聲速剖面誤差等。GNSS 系統(tǒng)定位時(shí)間系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)以及姿態(tài)傳感器時(shí)間系統(tǒng)不一致，會(huì)帶來測(cè)深點(diǎn)的平面、測(cè)深誤差，導(dǎo)致不同條帶的測(cè)深數(shù)據(jù)測(cè)量水深不一致；水深測(cè)量系統(tǒng)安裝角度難以達(dá)到理論設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，導(dǎo)致不同條帶數(shù)據(jù)拼接時(shí)重疊部分水深不完全重合，越靠近邊緣部分誤差越大；多波束測(cè)深經(jīng)過聲速跳躍層時(shí)由于聲的折射引起的聲速剖面誤差隨波束角的變化而變化，使得不同波束角測(cè)深精度不一致。

由于國內(nèi)缺少多波束測(cè)深數(shù)據(jù)處理規(guī)范、完善的多波束水深測(cè)量質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，故文中采用水深測(cè)量極限誤差、主測(cè)線與檢查線交叉點(diǎn)不符值2 個(gè)指標(biāo)對(duì)多波束水深測(cè)量值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1）水深測(cè)量極限誤差。

交通部多波束測(cè)深系統(tǒng)、IHO 海道測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水深極限誤差規(guī)定為

式中：Δ 為水深極限誤差；a為系統(tǒng)誤差；b為水深誤差比例系數(shù)；d為測(cè)量水深值。

2）主測(cè)線與檢查線交叉點(diǎn)不符值。

由于水底高程真值通常難以獲取，故難以通過測(cè)量值與真值進(jìn)行直接比較。采用不同測(cè)量波束獲取交叉值進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)，成為多波束測(cè)深系統(tǒng)內(nèi)符合精度評(píng)價(jià)的主要方法。

2 工程實(shí)例

2.1 數(shù)據(jù)采集

為了驗(yàn)證無人船多波束測(cè)深系統(tǒng)精度，文中選用華測(cè)華微三號(hào)無人船測(cè)量系統(tǒng)對(duì)廣州市某地區(qū)4.5 km2魚塘水域水下地形測(cè)量。該系統(tǒng)安裝24 VDC 轉(zhuǎn)220 VAC 逆變器和動(dòng)力電池，GNSS 定位系統(tǒng)RTK 定位精度平面8 mm+1 ppm、高程15 mm+1 ppm，多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)深范圍為0.15～300 m、測(cè)深精度為1 cm+0.1%h 等。

為了保障多波束水深測(cè)量精度，在進(jìn)行水深數(shù)據(jù)采集前，需對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝參數(shù)進(jìn)行檢校。多波束測(cè)深系統(tǒng)以多波束聲吶安裝與水面交點(diǎn)為原始參考點(diǎn)，以船頭前進(jìn)方向?yàn)閅軸正方向，船右舷為X軸正向，Z軸為垂直向下方向。在測(cè)量前后分別測(cè)量各傳感器相對(duì)參考原點(diǎn)位置值，取兩次參數(shù)平均值為最終的傳感器安裝參數(shù)。對(duì)于多波束測(cè)深系統(tǒng)轉(zhuǎn)化器安裝偏差測(cè)量的儀器，選擇在水深坡度變化顯著的碼頭進(jìn)行測(cè)量。通過C—Nav3050 星戰(zhàn)定位設(shè)備輸出ZDA、1PPS 信號(hào)，使GNSS 的時(shí)間與多波束測(cè)深處理單元的時(shí)間精確同步，減少因時(shí)間延遲導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。

表1 系統(tǒng)檢校結(jié)果

2.2 航線規(guī)劃

根據(jù)測(cè)區(qū)范圍規(guī)劃無人船自動(dòng)測(cè)量的航線。航線規(guī)劃如圖1 所示。

圖1 航線規(guī)劃結(jié)果

2.3 數(shù)據(jù)處理

按照數(shù)據(jù)處理規(guī)范，對(duì)測(cè)量得到的多波束測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理完成后，依據(jù)需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，具體操作如下：

1）利用HydroSurvey 測(cè)量軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，對(duì)需要處理的水深數(shù)據(jù)文件選擇合適的參考文件，打開水深提取文件；

2）設(shè)置數(shù)據(jù)重采樣間隔，依據(jù)參數(shù)在航線方向的采樣間隔取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)；

3）對(duì)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)重采樣后，生成最終的水下三維數(shù)據(jù)，最終的成果數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 水下三維數(shù)據(jù)結(jié)果單位：m

2.4 精度分析

為了驗(yàn)證無人船多波束測(cè)深系統(tǒng)內(nèi)部精度，先對(duì)單一航線獲取的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)處理，然后將相鄰航線重疊數(shù)據(jù)進(jìn)行求差運(yùn)算。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，相鄰航線交叉點(diǎn)共計(jì)2 975 681 個(gè)，最大高程差值為0.21 m，最小高程差值為0.02 m，中誤差為0.08 m 遠(yuǎn)小于水深0.056 m 的限差要求，成果內(nèi)符合精度滿足各種規(guī)范要求。同時(shí)，由于本次測(cè)量水深比較淺，將池塘排空水后，再隨機(jī)選取30 個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行人工測(cè)量高程值。假定人工測(cè)量高程值為真值，將其與無人船多波束測(cè)深系統(tǒng)獲取的高程值進(jìn)行比較，從而評(píng)定無人船測(cè)深系統(tǒng)絕對(duì)測(cè)深精度（外部精度）。

由圖3 可知：DZ 高程值小于0 的有12 個(gè)點(diǎn)，大于0 的高程誤差值有18 個(gè)，數(shù)據(jù)分布基本符合高斯分布情況。誤差最大值為0.112 m，最小誤差0.003 m，誤差絕對(duì)值小于0.04 m 的數(shù)量占80% 以上，表明無人船多波束測(cè)深獲取水下測(cè)高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較強(qiáng)。

圖3 DZ 直方圖分布

3 結(jié)語

目前，無人船多波束測(cè)深系統(tǒng)技術(shù)還處于發(fā)展階段，技術(shù)尚不成熟，但近年來無人船測(cè)量技術(shù)為水下地形測(cè)量提供了一種新的測(cè)量方向。本文采用無人船搭載多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量水下地形數(shù)據(jù)，同時(shí)，驗(yàn)證多波束測(cè)深系統(tǒng)成果精度，結(jié)果顯示：精度符合各種規(guī)范要求，解決水下地形難以測(cè)量問題，實(shí)現(xiàn)水下地形新的作業(yè)模式。隨著水下技術(shù)發(fā)展，無人船多波束水下測(cè)深技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。