無人船在淮河河道斷面監測中的應用

戴碧碧

(安徽省淮河河道管理局測繪院，安徽 蚌埠 233000)

0 引言

隨著我國河長制的全面推行，加強河流管理及監測，對積極開展水資源調查和保護具有重要作用[1]。河流監測包括河道水上監測和水下監測2種。河道水下監測即河道水文測驗斷面的測量簡稱大斷面測量，其是河流水文測驗的基礎要求之一[2-3]。

水深測量是河道水下地形測量中主要內容。由于水下作業，需要安全適用的載人工具，并且水下測量作業存在較多的危險因素威脅監測人員的生命安全。采用一種自動化可控的智能無人測量船進行河道水下測量作業，具有極為重大的意義。近年來隨著科技發展，無人測量船在測繪行業中逐漸被推廣應用[4-5]，有效提升了工作效率，并且保障了外業測量人員的作業安全。

無人測量船主要包括無人駕駛系統、實時通訊系統、數據采集系統等多種先進技術。通過無人船搭載GNSS-RTK進行精確定位，采用超聲波測深儀進行深度測量，采用計算機對測量數據進行分析處理，繪制河道大斷面圖[6-7]。無人船輕便快捷、靈活性高、適用性強，在水深、水域狹窄、拐彎位置多等復雜性水域具有極強的應用優勢[8]；并且其搭載多項精度性強、專業化程度高的測量設備，能夠更加準確、全面的獲取河道信息數據，從而使得測量過程智能化、測量結果準確度高[9]。

淮河干流經流安徽穿境而過，河道內水運繁忙，是安徽境內主要的水運航道之一。由于地質災害、河流崩岸等狀況綜合影響，致使淮河河床淤積、河道大斷面參數改變，使得淮河排洪不暢，洪澇災害頻發，并且對河道航運產生不利影響[10]。本文以安徽省淮河干流啞吧渡段為監測案例，使用無人船搭載GNSS-RTK技術及超聲波測深儀進行河道大斷面監測，結合往年監測數據，分析河道大斷面變化情況為河道治理提供參考依據[11]。

1 無人船測量工作原理

1.1 測量系統簡述

本項目采用iBoat BS2型無人船水深測量系統，本系統船載GNSS-RTK定位系統，進行水面平面位置定位。采用超聲波測量儀(中海達測深儀MAX)進行水深測量。岸上控制部分主要包含無人船控制系統專用軟件、GNSS-RTK定位軟件系統、測試儀數據采集系統等，通過工程之星3.0、南方CASS9.1、中海達測深儀數據處理軟件對河道測量數據進行處理。

1.2 無人船水深測量原理

測深儀的主要工作原理是利用超聲波穿透不同介質并在不同介質的表面發生反射，并經過數據計算處理得到測量深度。無人船底部安裝換能器發射脈沖聲波至水底，聲波至水底發生反射并被換能器接收。此過程中，從換能器發出聲波至接收到反射聲波所用時間為t，聲波在水中傳播速度為v，忽略換能器反映時間及其他影響聲波的因素。推算無人船底換能器至水底的深度：

h測深=vt/2

(1)

由GNSS測得空間坐標(x，y，H)，水底高程HM：

HM=H-h1-h2-h測深

(2)

式中，h1—測量船面至測深儀的垂直高度，m；h2—船上GNSS接收機天線距離船面高度[12]，m。

無人船測深原理如圖1所示。

圖1 無人船大斷面測量原理

1.3 測量過程控制

河道大斷面測量中，河床陸地部分采用GPS-RTK進行作業，使用南方銀河系列動態雙頻接收機配合專業的數據采集軟件工程之星3.0進行數據采集。為保證測量數據的一致性和準確性，在項目建立的過程中各RTK輸入的參數與控制點保持一致。對RTK采用同一控制點進行點校正，然后在另一控制點上進行平面與高程的校正精度核驗，使得點位平面較差不大于0.1mm，高程較差不大于1/10的基本等高距。校正精度符合規范要求后進行測量數據采集。

本項目測量采用GNSS-RTK測量技術，GNSS定位所用衛星的高度角參數設置為大于10°，觀測衛星數≥5，PDOP值小于6，確保定位精度，盡可能減小多路徑效應的不利影響。規劃無人船測量路徑，根據大斷面測量的需要進行相應位置測點定位及測深；根據軟件的顯示的偏航數據，實時調整修正無人船航向，保證測船始終沿著預定的主測線方向航行。無人船測量河道大斷面流程如圖2所示。

圖2 無人船大斷面測量技術流程

2 淮河大斷面測量及數據處理

2.1 河道大斷面測量及數據采集

本次研究以安徽省淮河干流啞吧渡段為監測對象。測量前，校對設備時間，啟動軟件，設置定位參數并記錄；測量過程中為測船導航，引導測船進行規劃范圍內河段的斷面測量，并隨時修正無人船的航向，確保無人船沿著主測線方向航行。檢測線的定位點間距根據測量比例進行加密至在規定范圍內與主測線保證有重合點。

測深過程中，對河道測深斷面與測深斷面進行垂直相交檢查，檢查點數不少于5%。檢查斷面與測深橫斷面相交處，圖上1mm范圍內水深點的深度檢查較差不應超過規定值：當水深H≤20m時，深度檢查較差限差為0.4m；當水深H>20m時，深度檢查較差限差為0.02×H[13]。

2.2 測量數據處理

使用南方測繪公司開發的CASS9.1地形地籍成圖軟件進行數據處理，形成圖形。等高線的繪制保證精度，線劃均勻，光滑自然，遇到雙線河渠以及不以比例繪制的符號時中斷。繪制的等高線的坡向不能判別時，加繪示坡線。等高線生成后對照實地進行檢查，及時進行錯誤糾正。

河道橫斷面數據采用Excel進行處理，對測量數據進行歸類、合并，檢查數據合理性。然后將同一斷面的測量數據，按照從左岸到右岸的順序進行排列，計算所有點在斷面線上的映射點至基點之間的距離和各點偏離斷面線距離。計算起點距精確至0.01m，高程精確至0.01m。采用南方CASS9.1專業繪圖軟件繪制測量河道斷面圖，斷面圖橫比例尺為1∶1000，縱比例尺為1∶100。

本研究測量數據處理后，通過南方CASS9.1專業軟件進行繪圖，淮河干流啞吧渡河道大斷面圖，如圖3所示。

圖3 河道大斷面

3 測量數據精度及誤差分析

3.1 測量數據精度分析

本研究河道橫斷面水深測量精度評定采用布設檢查線法進行檢驗。根據標準《水運工程測量規范》JTS 131—2012要求，測深檢查線與主測深線相交處、單波束測深不同作業組相鄰測段或同一作業組不同時期相鄰測深段的重復測深線的重合點處，圖上1mm范圍內水深點的深度比對互差均滿足：水深H≤20m時，深度對比互差ΔH≤0.4m；水深H>20m時，深度對比互差ΔH≤0.02H。選取距離測量斷面1m內的檢查測量斷面線數據進行對比互差。計算公式為：

H=|Hi-Hj|

(3)

式中，Hi—主測線深度，m；Hj—檢測線深度，m。

該斷面測量線與檢查斷面測量線重疊1857點，其中數據異常點6個，視其為粗差值，重疊點數據對比互差結果統計見表1。

表1 河道大斷面測量精度評價表

本次測量河道大斷面最大深度約為16.81m，水深未超過20m，依據《水運工程測量規范》JTS 131—2012要求，本次測量深度對比互差值ΔH≤0.4m即為測點合格，根據數據分析顯示，測量合格點數為1798個，合格率為96.82%；其中53個測量值為超限點，6個數據異常點。

對測量數據進一步進行數理統計學分析，剔除6個數據異常點，對其他對比互差值進行統計計算，進一步分析誤差的分布和統計規律。根據對比互差值分布，對其進行區間分組，共分為10組，進行分析統計，數據統計結果見表2。

表2 河道大斷面深度比差統計表

由表2可知，河道大斷面測量深度對比互差值分散集中，主要分布在[-0.4，0.4]之間，該區間頻率為97.14%，表明測量深度對比互差值具有聚集性；并且所有測量深度互差值在[-1，1]范圍之內，同時表明其具有有界性。因此，該淮河干流啞巴渡段河道大斷面深度測量數據互差值近似符合正態分布，正態分布圖如圖4所示。

圖4 河道斷面深度對比互差值分布直方圖及正態分布曲線

3.2 數據誤差分析

河道大斷面數據測量過程中的誤差產生主要包括：系統誤差和偶然誤差。其中，系統誤差產生的主要原因包括：測量儀器的分析精度、測試方法局限性等。為避免系統誤差的干擾，對測量儀器及系統進行定期校正，減小儀器系統誤差；測量方法采用行業內最新的規范要求及方法替代傳統方法，降低測量方法的局限性。

偶然誤差主要包括：測量過程中環境影響、水下環境影響、河流狀況的影響等。

(1)測量環境的影響主要包括行船過程中天氣、風速、河道浪高等導致測量過程中無人船的行駛路線及船體行駛狀態不同而形成測量誤差。因此在測量過程中選取天氣變化小、風力低狀態進行，盡量降低外界環境對測量數據影響。

(2)水下環境如河道淤泥不均勻堆積、河內水草對聲波的影響、河內垃圾造成聲波反射虛假信號等因素，均造成無人船測量數據產生誤差。為降低這一系列因素對測量結果的影響，測量過程中采用多條檢查線進行復核，降低測量數據偶然誤差。

(3)無人測量船體積小、質量輕，水流作用對船只航行航線影響較大，測量過程中導致船只航行路線偏離，從而可能導致測量數據的偶然誤差。

4 河道現狀分析

通過對淮河干流啞巴渡段河道大斷面歷年監測數據進行對比分析，河道大斷面歷年監測數據結果匯總如圖3所示。由河道大斷面圖可知，安徽境內淮河河道干流啞巴渡段河床呈“U”型結構；通過對2020—2022年1+400段以及2+550段河道大斷面圖進行數據對比分析，淮河河道干流啞巴渡段呈現河床逐年淤積現象，泥沙淤積導致河道深度減小，并且河道右側淤積程度較左側更為明顯。從圖中河道坡度對比分析，右側河道坡度逐年增大，表明河流右側受水流沖刷更為嚴重，河流沖刷也是導致河道淤積形成的主要原因之一。因此加強河流治理，減小河道沖刷，減緩河道淤積，對保證河道暢通及運輸安全具有重要意義。

5 結論與展望

無人船測深技術在淮河干流啞巴渡段大斷面測量中的應用，有效驗證了無人船測量數據的準確性，測量數據誤差分析滿足相關規定要求，因此無人船測深技術是河道斷面測量的一種有效測量方法。無人船測深過程中水下生物環境對測量的影響，使得測量結果存在明顯誤差測量值，但通過誤差分析，剔除粗差點，可有效控制誤差處于有效合理范圍內。無人船測量技術具有操作簡單、快捷、安全、效率高、數據準確度高等優點，在河道測量領域具有較廣的應用前景；其測量過程便捷、迅速，通過數據對比分析能夠及時把握河道發展趨勢，為河道治理的決策提供準確、快捷的數據指導。