無人船水下測量系統(tǒng)及水下測量實驗分析

陳立波，羅正龍，汪嵩

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

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無人船水下測量系統(tǒng)及水下測量實驗分析

陳立波*，羅正龍，汪嵩

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

針對水下測量較之于常規(guī)陸地測量存在諸多困難的情況，本文采用基于GPS測量技術(shù)的無人船測量系統(tǒng)進(jìn)行水下測量，主要介紹了無人船測量系統(tǒng)的功能，水深測量和水下地形測繪的原理。通過對該設(shè)備的應(yīng)用和測量實驗結(jié)果的分析，表明該技術(shù)具有高度無人化、自動化和智能化，能有效提高水下測量效率。獲取的水下地形數(shù)據(jù)精度較高，同時保障了測量人員的人身安全，具有較好的水下測量應(yīng)用前景。

GPS測量；無人船測量系統(tǒng)；水深測量；水下地形測繪

1 引 言

水下測量[1]根據(jù)測區(qū)類型可以分為海洋測量和內(nèi)陸水域測量[2]，無論以上哪一種測量，水下測量都存在陸上測量難以克服的困難。首先是被測對象不可見，其次是水面的不穩(wěn)定性，這些都導(dǎo)致水下測量誤差較常規(guī)陸上測量大，甚至是測不準(zhǔn)。水下測量通常采用的方法是通過船只從水面測量水下地形地貌；為了克服水面的不穩(wěn)定性，也有涉水測量的方法，但是無論是船只或涉水測量，人員的風(fēng)險性都較大。基于以上原因，本文采用了無人船測量系統(tǒng)進(jìn)行水下測量。它集成了衛(wèi)星定位、無人船智能導(dǎo)航控制、實時通訊等眾多先進(jìn)技術(shù)，提供了高精度、智能化、無人化、集成化、機(jī)動化、網(wǎng)絡(luò)化的水下測量解決方案，有效提高了水下測量的數(shù)學(xué)精度，同時減少了工作人員的涉水風(fēng)險。

2 無人船水下測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及其功能

無人船水下測量系統(tǒng)由無人船平臺、自動導(dǎo)航模塊[3]、聲吶探測模塊、GPS定位模塊、外圍傳感模塊、岸基操控終端、無人船專用軟件等組成(如圖1所示)。其主要測量原理是聲吶測深和GPS定位相結(jié)合[4，5]，從而測定水下特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。該系統(tǒng)同時還具備以下功能：

(1)具備自主導(dǎo)航功能。該無人船體內(nèi)安裝了一枚智能芯片，可以根據(jù)上傳的航線坐標(biāo)信息與GPS實時動態(tài)獲取的坐標(biāo)信息進(jìn)行比對，實時調(diào)整無人船航向，實現(xiàn)了無人船的自動航行，航線追蹤能力強(qiáng)。

(2)具備智能避障功能(如圖2所示)。在無人船體靠前的位置安裝了兩個攝像頭和距離傳感器，無人船航行途中，操作人員能在岸上的監(jiān)視器上實時查看無人船前方的情況，前方一旦遇到障礙物，距離傳感器能實時把距離信息傳送給智能芯片，后者根據(jù)設(shè)定的安全距離實現(xiàn)智能避障，不需要人工操作，大大提高了無人船自主航行的安全性。

圖1 無人船測量系統(tǒng)示意圖

圖2 無人船障礙物探測避讓及儀器操作界面

(3)具備實時通信功能。本系統(tǒng)配備了高性能數(shù)據(jù)傳輸模塊和實時圖傳模塊，實現(xiàn)了船岸數(shù)據(jù)的實時通訊。船岸數(shù)據(jù)能實現(xiàn) 10 km范圍內(nèi)的點(diǎn)對點(diǎn)射頻通訊。船上的攝像設(shè)備和數(shù)據(jù)獲取設(shè)備能實時把數(shù)據(jù)傳到岸上的工作站，同時岸上的工作站根據(jù)需要可以實時發(fā)送無人船操作指令，實時調(diào)整船只航行軌跡。

(4)具備平穩(wěn)、持久的航行能力。該無人船硬件系統(tǒng)也作了一些相應(yīng)改進(jìn)，比如把常規(guī)的單體設(shè)計改造成了三體設(shè)計，使得無人船重心更加低，抗風(fēng)浪能力更加強(qiáng)，船只運(yùn)行更加平穩(wěn)。另外提供了高容量鋰聚合物電池，可靠性和供電能力大大加強(qiáng)，單塊電池能連續(xù)工作 1 h，有效提高了野外工作效率。

2.2 系統(tǒng)測量原理

系統(tǒng)主要集成了GPS設(shè)備[6～8]、聲吶設(shè)備[9]和無人船設(shè)備(圖3)。其測量原理如下：當(dāng)聲吶測定水下O1點(diǎn)深度h1的時候，裝載在船上的GPS設(shè)備同時測得船表面O4點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y和高程值H(O1、O2、O3和O4在同一豎直軸線上)。那么水底O1點(diǎn)的高程值H1可以通過式(1)計算獲得。

圖3 無人船測量原理示意圖

H1=H-h1-h2-h3

(1)

其中h2和h3是已知參數(shù)。而O1和O4的平面坐標(biāo)一致，為X和Y，這樣我們就獲得了水底O1點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

由于水面風(fēng)浪的影響，系統(tǒng)可能存在一定的測量誤差，誤差主要是由船的前后和左右傾斜造成。如圖4所示，假定此時無人船測量系統(tǒng)測定的O1點(diǎn)的三維坐標(biāo)為(X、Y、Z)，而X，Y其實為O8點(diǎn)的平面位置，另外由式1可知，Z≠H1，因此此時O1點(diǎn)的三維坐標(biāo)都偏離了真實值，即產(chǎn)生了誤差。本文的設(shè)備具有一定的傾斜補(bǔ)償功能，但是也僅僅適用于小角度，如果風(fēng)浪較大，測量誤差將增大，這種誤差將會隨著水深而變大，甚至超限，這在使用過程中需要注意。

圖4 無人船測量誤差原理示意圖

以上是單波束聲吶的情況，該情況下獲取的水底地形數(shù)據(jù)較為離散，為獲取更加密集的地形數(shù)據(jù)，需要加密航線。當(dāng)然，可以根據(jù)實際需要把單波束聲吶更換成多波束聲吶或側(cè)掃聲吶，這樣就能提高單航線下的工作效率，但是同時帶來數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理的困難。本文試驗所用的設(shè)備為單波束聲吶，因此不對其他情況展開討論。

3 水下測量試驗

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次試驗地點(diǎn)選在了一處面積約為 3 500 m2的開闊魚塘。測量當(dāng)天水面平靜，水面風(fēng)浪對測量精度的影響基本可以忽略。數(shù)據(jù)采集過程中分別試驗了手動遙控和自動航行兩種模式(如圖5所示)，無人船運(yùn)行約 40 min，共采集水底特征點(diǎn) 1 000多個。

圖5 無人船測量工作照

從眾多數(shù)據(jù)中隨機(jī)挑選出50個位于魚塘中間的特征點(diǎn)，等魚塘排完水，對這50個點(diǎn)位進(jìn)行人工放樣，并測量其高程值。

通過數(shù)據(jù)采集，我們獲取了試驗魚塘水底50個特征點(diǎn)位的兩套高程值。

3.2 結(jié)果分析

假定人工測量的高程值是真實值，我們把無人船測量系統(tǒng)獲取的高程值與其進(jìn)行比較，從而評定無人船測量系統(tǒng)的測量精度。兩套數(shù)據(jù)的空間分布情況如圖6所示，藍(lán)色點(diǎn)表示無人船測量高程，黑色表示人工測量高程，紅線表示魚塘范圍。兩套高程值具體如表1所示，Z1表示無人船測量高程，Z2表示人工測量高程。

圖6 無人船測量高程與人工測量高程比對圖

Z1及Z2數(shù)據(jù)相關(guān)統(tǒng)計 表2

圖7 |△Z|分布直方圖

由表1、表2及圖7可知，△Z高程值大于零的個數(shù)為26個，小于零的個數(shù)為24個，基本成正態(tài)分布。無人船測量高程Z1和人工測量高程Z2平均值差值的絕對值為 1.2 cm，表明無人船測量數(shù)據(jù)整體精度較高。最大高差的絕對值為 13.1 cm，最小差值的絕對值為 0.1 cm，差值絕對值小于 4 cm的數(shù)據(jù)個數(shù)占總數(shù)的80%，表明無人船測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性強(qiáng)。假定以 ±10 cm作為無人船測量中誤差，超過2倍中誤差為粗差，則僅有3個點(diǎn)超過中誤差，粗差個數(shù)為0，表明無人船測量數(shù)據(jù)的個體精度也較高。綜上分析，無人船測量數(shù)據(jù)精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

3.3 注意問題

經(jīng)過本次試驗，也發(fā)現(xiàn)無人船使用過程中的幾個問題，應(yīng)予以注意：

(1)本次測試水域面積較小，由于無人船存在一定的轉(zhuǎn)彎半徑，自動巡航功能的優(yōu)勢很難發(fā)揮。由此也可以展望，無人船在較大的水域開展工作，效率將有所提高。

(2)無人船裝備的聲吶存在測深死角(水深<40 cm)。魚塘靠近岸邊的部分由于水深太小，無法用無人船測量，需人工補(bǔ)測。

(3)本系統(tǒng)采用的單波束聲吶不具備穿透能力，遇到水中有較大懸浮物會產(chǎn)生噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，遇到水底有大面積水草的情形測量成果很難反映水底地形。

4 結(jié) 語

本次試驗采用無人船測量系統(tǒng)對魚塘水底高程進(jìn)行測量，通過無人船測量高程與排水后人工測量高程、土方量[10，11]比對，表明無人船測量數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。另外，無人船測量系統(tǒng)的自動化、智能化技術(shù)提升了作業(yè)效率，同時有效保障了作業(yè)人員的人身安全，具有很好的工程測量應(yīng)用價值。本次測量試驗所在魚塘水深淺，地形緩、波浪小，試驗條件較為理想，不能綜合反映該設(shè)備在大型湖泊、河流等水情條件較為復(fù)雜情況下的表現(xiàn)。下一步將在復(fù)雜水情開展測試工作，并將搭配不同的傳感器，進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測[12，13]、水庫庫容測量[14]等測試。

[1] 金久才，張 杰，馬毅等. 一種無人船水深測量系統(tǒng)及試驗[J]. 海洋測繪，2013，33(2)：53～56.

[2] 黃國良，徐恒，熊 波等. 內(nèi)河無人航道測量船系統(tǒng)設(shè)計[J]. 水運(yùn)工程，2016(1)：162～168.

[3] 耿以才，黃立新，陳凌珊等. 無人船安全目標(biāo)追蹤與自動避障算法[J]. 計算機(jī)測量與控制，2015，23(7)：2467～2474.

[4] 吳敬文，沈理，汪明海. 基于GPS動態(tài)測量技術(shù)進(jìn)行測船動吃水測定的方法研究[J]. 測繪通報，2012(S1)：695～697.[5] 劉文勇，江林，錢立兵等. 超短基線水下定位校準(zhǔn)方法的探討與分析[J]. 測繪通報，2011(1)：82～84，93.

[6] 佘繼紅，李文林，吉建兵. 利用網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行水下地形測量的方法探討[J]. 現(xiàn)代測繪，2010，33(4)：26～27.

[7] 何書鏡. 基于CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在水下測繪中的應(yīng)用[J]. 海洋測繪，2011，31(6)：69～71，79.

[8] 殷海峰. GPS在水下地形測量中的研究與應(yīng)用[D]. 北京：清華大學(xué)，2009.

[9] 程劍剛. 網(wǎng)絡(luò)RTK聯(lián)合聲波測深儀在水下地形測量中的應(yīng)用[J]. 測繪工程，2014(3)：63～65.

[10] 張紅亮，胡波，蔡元波. GPS-RTK技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用[J]. 城市勘測，2008(5)：83～85.

[11] 季朝亮，李宗聚，馬學(xué)民. 關(guān)于幾種土方量計算方法的研究[J]. 測繪與空間地理信息，2010，33(3)：219～222，226.

[12] 金久才，張杰，邵峰等. 一種海洋環(huán)境監(jiān)測無人船系統(tǒng)及其海洋應(yīng)用[J]. 海岸工程，2015，34(3)：87～92.

[13] 劉星橋，陳海磊，朱成云. 基于GPS的自學(xué)習(xí)導(dǎo)航游弋式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(1)：84～90.

[14] 程劍剛. 網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)聯(lián)合數(shù)字測深儀在湖泊庫容測量中的應(yīng)用[D]. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2014.

The Research on Surveying and Mapping of Underwater by Unmanned Ship

Chen Libo，Luo Zhenglong，Wang Song

(Ningbo Institute of Surveying and Mapping，Ningbo 315042，China)

Because it’s much more difficult for mapping and surveying underwater than on ground，the unmanned ship system based on GPS measurement technology had been used in this research. This paper mainly introduces the functions of the system，the principle of water-depth measurement and topographic mapping underwater. Through the application of this equipment，it is found that the technology is highly unmanned，automatic and intelligent，it can improve the efficiency of underwater measurement and ensure the safety of people. The analysis of the data shows that the underwater terrain data got by this technique is highly accuracy，so it has a good prospect in underwater measurement.

GPS；unmanned ship system；water-depth measurement；underwater measurement

1672-8262(2016)05-151-04

P229.5，P258

B

2016—05—12

陳立波(1983—)，男，工程師，主要從事工程測繪和攝影測量與遙感。