水下地形測量中無人船測量系統的應用

于南洋，董堰川，孔淋淋

（長江重慶航道工程局，重慶 400011）

在傳統的水下地形測量過程中，主要在船體上固定測深儀及GNSS 接收機，待船體航行至指定方位后施測，測量過程受外界因素及人為因素的影響較大，耗時，危險系數高，且工作量大，測值精度無保證。測繪技術、自動化技術及人工智能的發展推動了水下測量過程的集成化，搭載單波束測深儀、多波束測深儀、姿態傳感器等精密儀器的無人船測量系統在水下地形測量中開始得到應用，還能同時實現水上自動測繪，可安全、快速、精確地獲取水下地形數據。

1 無人船測量系統概述

1.1 測量系統構成

無人船測量系統主要由船體、定位系統、控制系統、動力系統、測深系統等組成，能準確高效獲取水下地形數據，在多種水域測量方面普遍適用。

（1）船體。出于便捷、靈活、安全等方面的考慮，無人船通常以高分子聚酯碳纖維為主要材質，抗風浪，防水防腐，自重輕，吃水淺，船體同時搭載多種監測設備及傳感儀器。

（2）定位系統。一般借助GNSS 接收機展開定位，并借助軟件對船體具體位置展開監測，以查詢船體運行軌跡。

（3）控制系統。其中，通訊控制系統將無人船與岸上控制系統相連，保證測船工作狀態及測值數據的實時傳輸；操作人員也可通過自動航行和人工遙控等方式操控測船。岸邊控制系統則由通訊設備、軟件及基準值組成，其中基站一般自行架設，并與CORS（Continuously Operating Reference Stations，即連續運行衛星定位服務參考站）系統相連；控制軟件則包括數據采集處理、船體操控兩個模塊；通訊設備主要為無人船施測提供信號。

1.2 測量原理

無人船測量系統依據GNSS-RTK 動態差分定位原理展開導航定位，具體見圖1。差分數據通過基準站由無人船接收機接收，同時借助與CORS 的連接，實現定位及導航。水深測量主要通過船體搭載的單波束測深儀根據回聲定位原理展開[1]。任一測量時刻和位置下河底高程均可按下式計算：

圖1 無人船測量系統原理

式中：H 為任一測量時刻和位置下河底高程（m）；HG 為測船GNSS 接收機的高程（m）；Hg 為接收機與水面高度（m）；Hd 為水面與換能器底部的距離（m）；Hv 為測深儀所測求出的換能器與河底水深（m）；為無人船的姿態改正（m）；為無人船的聲速改正（m）。

無人船實際航行施測的過程中，受外界環境因素影響較大，船體也會表現出橫縱向搖擺，引發實際水深和測量結果的誤差以及船位誤差，且各種誤差均隨水深的增大而增大。應用姿態傳感器進行水深校正[2]，可提升水深測量結果的可靠性，姿態改正過程具體由系統軟件進行，即每次施測時均通過聲速剖面儀測量聲速，反映出測區聲速變動趨勢規律，并使用系統軟件進行聲速改正。

2 工程河段概況

2023 年度長江上游航道整治建筑物維修項目主要位于長江上游宜賓至重慶河段，表面流速較大，本項目主要采取塊石拋筑壩體、扭王字塊護面等措施對原損毀的整治建筑進行修復，在施工過程必須全面掌握水下地形情況。此次測量水域長500m 左右，凈寬25～50m，水深不超過15m，采用無人船測量系統施測并采集相關數據。

結合工程河段流速大、流態亂的實際情況及檢測要求，決定采用華微3 號Pro 無人船展開水下地形測量。該型號無人船空間大，搭載多，全碳船身較為輕便；標配單波束測深儀，并集成搭載三維激光掃描儀以實時采集點云數據。該測船船體長1.05m、寬0.55m、高0.39m，吃水9cm；360°全向視頻，并能實時回轉；最大航行速度可達到6.0m/s；采用電臺&網絡&CORS 的基站通訊模式，可在2000m 范圍內智能遙控；數據采用本地存儲和遠程存儲兩種模式；測深范圍為0.15～300m，測深精度可達±1cm+0.1%h（h 為水深）；其定位精度見表1。

表1 華微3 號pro 無人船水下地形測量定位精度

3 數據采集及處理

3.1 數據采集

該工程河段形狀狹長，為便于施測，將河道分區布設為5 個測區，各測區測線向均與河道走向垂直，且各測區均設置2～3 條重合測線。分區內按《水運工程測量規范》（JTS 131-2012）及垂直于測線的方向布設檢查線，長度為總測線長度的5%左右。此次待測河道共布設400 條測線和10 條檢查線。

河道四周地形開闊，GNSS 信號基本不受遮擋和干擾，同時以河道附近CORS 站展開平面定位。工程河段水深較淺，水體水溫變動小，故取河道聲速值均值。使用無人船測量系統完成整個河道數據采集耗時短，測量效率高，工作時間大大節省。施測現場圖見圖2。

圖2 無人船水下地形施測現場

3.2 數據處理

對采集到的測值進行聲速、水位、姿態、吃水等改正[3]。該河道水深淺，流速較大，施測期間水文數據基本一致，故各項改正值通過1 個總值反應。總改正值采用校正法得出，即使用測深桿在不同水深區探測水深，并通過無人船在相同位置測量水深，兩次測值的差值便是該深度下的總改正值。

無人船測量系統采用回聲探測測深儀，聲波發射后遇到水草、魚群、懸浮物后會產生回波，接收到的測值可能存在異常，這種異常點大部分能通過數字濾波得到處理[4]。剩余的異常點只能借助人工篩查方式應對。具體而言，將經過數字濾波處理的數據導入EPS2018 繪圖軟件，構建三角格網并生成0.5m 高距的等高線，線圖中所存在的異常密集區即為異常點所致；將所對應的高程點刪除，采用同樣方式二次創建格網和等高線；如此循環往復，直至圖形內無任何等高線異常密集區，則完成異常點處理。見圖3。

圖3 測值異常點處理前后的比較

3.3 精度驗證

為確保測值精度及測量結果的準確性，必須展開測深比對互差統計以及地形圖精度的驗證。

3.3.1 測深比對互差統計

結合《水運工程測量規范》（JTS 131-2012），當水深在20m 以下時，測量圖上1mm 以內水深點的深度比對互差限差取0.4m，如果深度比對超限點數比參加比對的總點數多20%，則應重新施測。

以測深線和檢查線的交點為圓心，以1mm 為半徑在測圖上確定采樣范圍，計算采樣范圍內的檢查點和測深點的測深互差。此次測量共設置檢查點216 個，其中3 個為超限點，占比達到1.3%，未超出20%的規范限值，故測量精度符合規范。

3.3.2 地形圖精度驗證

考慮到此次水下地形測量的目的，確保測量的精度，待水位下降后必須對漏出水面壩面及部分邊坡進行驗證此次驗證采用全站儀極坐標法展開壩體地形圖的抽檢。

一般通過等高線表示水下地形起伏狀況，故通過等高線高程誤差以驗證水下地形圖高程精度。壩面為平面，邊坡為1:2 的斜坡，起伏形狀不大。結合實際情況，通過全站儀免棱鏡模式采集到各河段檢校點，并在地形圖上推求檢校點高程插值。以全站儀實測高程值為真值H1，以高程插值為測量值H2，誤差統計情況見表2。

表2 誤差統計情況

根據高程誤差分布情況，其最小誤差為0.43m，最大誤差為1m，按照計算高程中誤差，其中M為高程中誤差，為高程較差，n 為檢測點個數。將該河道水下地形相關參數值代入后可以 得出此次測量高程的中誤差取±0.13m。因河道水下地形圖繪制時采用1:500的比尺，并按照0.5m 的取值確定基本等高距，故根據規范所確定的水域高程中誤差為0.33m。通過比較看出，通過無人船測量系統所測得的水下地形圖高程精度符合規范。

4 結論

綜上所述，無人船測量系統在河道水下地形測量中的應用可行高效，且該測量技術具有智能化、模塊化、自動化優勢，測量精度有保證。通過對測深互差的比較以及對地形圖精度的驗證，測量系統穩定性好，測深數據精度高，相關結果均符合規范。應用過程也表明，無人船測量系統基本搭載有電子羅經，能夠實時記錄測船位置、姿態、穩定性等基本參數，對于流速及風浪過大的施測環境，船體搖晃幅度較大時，必須展開高精度姿態校正。鑒于本文所測河道水流流速小，測船船體施測期間基本穩定，并未涉及船體姿態校正，故無人船測量系統姿態校正問題有待進一步分析探討。