以滴水湖景觀帶水深測量為例介紹一套遙控測深船系統

孫濤

摘 要：通過介紹遙控測深船的構成和運行原理，結合部分理想環境下檢測實驗和滴水湖景觀帶水深測量工程的實例，闡述遙控測深船的工作原理和適用環境，論述其測量數據質量的可靠性和在相關水深測量工程中應用的可行性，說明此方法相比于傳統人工水深測量的優勢所在。

關鍵詞：海綿城市；水深測量；遙控測深船；NMEA0183；單波束聲吶

中圖分類號：P208 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0088-02

1 概述

當下，很多城市都出現過這樣的情況，每當下大雨的時候整座城市就會變成一片“汪洋”，給人們的生活帶來了諸多不利。在這樣的背景下，“海綿城市”的概念就應運而生。然而，“海綿城市”的建設是一個長期的過程，我們首先需要掌握城市水體的具體情況。水深測量就是掌握城市自然水體和河道情況的具體方法、手段。水深測量作為海綿城市建設中不可或缺的重要手段，其應用正在不斷得到深化和擴大。不論是在河道疏浚、港口設計選址、內陸防洪還是人工湖泊、圍海造田等工程，都需要進行大面積的水深測量。通過水深測量可以得知某位置水面以下的深度，從而衍生得出水下地形地貌、航道上障礙物或水體體積等相關信息。

傳統的水深測量一般是人工利用測深錘或測深儀對個別點位進行水深測量，這種測量方式費時費力，而且獲取的水深數據極其有限，無法滿足大面積水域測量的要求。從傳統的水深測量逐步發展到超聲波測深，但依然需要船只進行拖拽，定位方式也只有精度較低的微波定位。隨著自動化技術的發展，尤其針對水上、水下作業等特殊環境下的測量，遙控、遙測技術已經成為一種必然的趨勢，它不僅把測量人員從繁重、危險的工作中解放出來，而且還可以自動化采集大量數據。本文即以滴水湖景觀帶水深測量工程為例介紹一套遙控測深船系統。

2 遙控測深船系統構造

遙控測深船由四個部分組合而成，它們分別為船體模塊、聲納測深模塊、平面定位模塊和無線遙控模塊。

2.1 船體模塊

船體模塊由船體、動力、主控和船體回歸單元構成。其中船體單元是工程塑料制作的密閉、穩定的船體，船艙中承載了動力單元、聲納測深模塊和平面定位模塊，各個系統合理的分布在船體中。經過調整和測試，船體的吃水深度為0.15m。

動力單元由兩塊高容量鋰電池作為船體的動力來源，兩個馬達配套螺旋槳作為船體的動力輸出系統，螺旋槳后設置兩個舵來控制船體行進方向。

主控單元是船體的中樞神經。它包含通訊單元、船體回歸單元。通訊單元將各個傳感器采集的數據匯總起來，統一處理后再將數據分發給各個系統。它主要起到各個系統之間數據和指令傳輸的功能，其中包含對無線遙控模塊發出指令的接收，同時將該指令處理后傳達給動力控制單元從而控制船體動作；也包含將各個傳感器采集到的數據存儲在主控單元的SD卡上，然后將這些處理后的數據傳送給無線遙控模塊。

船體回歸單元是此測深船中比較特殊的單元。它是記錄本次船體運行的起點，然后監測電源剩余電量是否不夠返程或無線遙控模塊對船體失去無線鏈路控制時，主動發出指令使船體返回起點的單元。這個單元保證了船體在發生一些異常狀態的情況下可以自動回歸的行為。

2.2 聲納測深模塊

聲納測深模塊包含了回聲測深儀、水溫計和電子羅盤。回聲測深儀可以根據水體的深度、渾濁程度和淤泥厚度通過無線遙控模塊調整其信號強度，從而達到測量真實水深的目的。本回聲探測儀的測量范圍為0.5～80m。水溫計是通過測量水體溫度對不同溫度的水體中聲速進行改正，其改正關系是：

校正水深=測定水深-（測定水深×0.0033）×（15-水溫）

即當水溫為15℃時，聲音在水中傳播速度為1500m/s。

電子羅盤的作用是記錄船體在運行期間的方位和姿態等信息。風浪或船體轉彎時會給船體帶來一定的橫向和前后搖擺，這就使得測深儀測定的水深并非為垂直水深。因此，需要考慮到對船體姿態引起測深誤差的改正。

2.3 平面定位模塊

平面定位模塊是通過安裝在船體頂部，與測深儀同軸位置的GPS接收機組成。GPS采用美國國家海洋電子協會為海用電子設備制定的標準數據格式NMEA0183。該協議采用ASCII碼，其中包含$GPGGA、$GPGSA和$GPRMC三類信息，這三類信息分別對應全球定位數據、衛星PRN數據和運輸定位數據。這些數據中包含了WGS84坐標系下的大地坐標、觀測衛星數、PDOP值、測位是否為差分解等，它們都存儲在船體主控單元的SD卡上。

2.4 無線遙控模塊

無線遙控模塊由一臺安裝控制程序便攜機，由一個無線路由器連接便攜機和船體組成數據、指令的鏈路。其中便攜機既是人工控制船體的載體，又是測深船采集、處理數據后顯示、存儲數據的單元。即作業人員通過鍵盤或者手柄發出指令控制船體的行進方向、速度和測深儀信號的強度，同時主控程序同步顯示船體采集處理后的實時數據，如船體的行進路徑、速度、電門大小、舵方位、起點位置、當前位置和水深、水溫，當前電源的剩余電量等各類信息。

3 工作原理

3.1 平面定位原理

平面定位采用雙頻水上GPS接收機，設置為采樣間隔為1秒，采用廣域差分定位技術（SBAS），從而得到能夠滿足水深測量并且有較高精度的平面定位。其中廣域差分增強系統是由大量分布極廣的差分站（位置已知）對導航衛星進行監測，獲得原始定位數據（偽距、載波相位觀測值等）并送至中央處理設施（主控站），后者通過計算得到各衛星的各種定位修正信息，通過上行注入站發給GEO衛星，最后將修正信息播發給廣大用戶，從而達到提高定位精度的目的。GPS的觀測定位原理是通過GPS接收機觀測多顆衛星，通過后方交會的原理確定接收機位置。所不同的是廣域差分增強系統將電離層延遲、衛星鐘差等改正信息一同發送給用戶進行改正，從而得到改正后的GPS觀測值。

3.2 水深測量原理

水深測量即測量測深儀從發出一束超聲波脈沖到其到達水體底部后返回測深儀的時間間隔，從而確定超聲波脈沖在這段時間內行進的距離。在水溫為15℃，不考慮含鹽水體和水深對聲速影響的情況下，聲音在水中的傳播速度為1500m/s，得出水深h=1/2×1500×t[1]。通過測定水溫，可以進行水深測量的溫度改正。對于水體鹽度和水壓等其他影響測量精度的因素，通過經驗公式可以看出在一定的精度范圍內可以忽略。

4 實驗檢測

4.1 平面定位檢測

為初步檢測測深船平面定位精度是否滿足日常水深測量的需要，特制定了檢測方案如下：選取周邊地形開闊的若干地點，分別將船體開機后靜置十分鐘，然后在對應船體GPS接收機的位置利用上海市CORS基準站數據進行平面位置測量，最終取得若干組船體和RTK對若干點位測量的平面位置。具體數據見表1。

通過表1我們可以看到三個點位中，船體GPS測量值和RTK測量值緯度最大差值為-0.0134秒，初步估計對應城市平面坐標約為36cm；經度最大差值為-0.0129秒，初步估計對應城市平面坐標約為40cm?？紤]到平面定位精度，暫參考《JTJ203-2001水運工程測量規范》中要求，在大于1：5000比例尺的工程中，測深定位點點位中誤差限制要小于圖上1.5mm，對于1：1000比例尺地形圖，點位誤差要小于1.5m[2]，可見測深船的平面定位精度完全滿足水運工程測量的要求。

4.2 水深檢測

水深檢測選取一個蓄滿水的標準游泳池，在其水面靜止時將測深船分別放置在三個不同深度的區域進行水深測量。同時，使用測深桿或金屬水準尺進行水深校核。最終在三個不同位置測得的水深見表2：

通過表2，我們可以看到在常規理想情況下，兩種方式測得的水深最大差值僅為2cm?！禞TJ203-2001水運工程測量規范》中要求在水深小于20m時，深度誤差限差為±0.2m；在水深大于20m時，深度誤差限差為±0.01×深度。由此可見，測深船的水深測量精度也完全滿足水運測量的要求。

以上檢測均為理想環境中的初步檢測，不考慮其他額外因素，僅從半理想狀態驗證了測深船的平面和水深測量精度。因此，測深船的適用性、可用性等還需要進一步在實際工程環境中檢驗。

5 應用實例

本工程為上海市浦東新區臨港地區滴水湖沿湖景觀帶改造工程。由于改造的需要，本工程需要測定湖區沿環湖一路長度約4公里，沿岸寬度80m范圍內的水深。

圖1為本工程中局部地區的數據，圖中可見在兩條航跡交會地點，位置1中所測深度相差1cm，位置2中取0.85和0.87的平均數為0.86，故位置2所測深度相差1cm。其余數據中航跡交會的地方情況也大致如此。因此，在短時間不考慮水位變化影響的情況下，測深船深度測量的內符合性可以得到驗證。同時，在測深船采集數據的同時，為檢測測深船的可靠性，我們同時抽取測深船航行路徑上個別點位利用測深桿進行數據校核。最終得到兩組水深數據的互差都在±10cm以內，因此，可以確認測深船的測量數據基本可靠。

6 結束語

通過介紹本遙控測深船系統的構成和運行原理，結合實驗確定其滿足常規水深測量的要求。在實際使用過程中，無人遙控測深船可以滿足絕大多數野外情況的水深測量。相比于傳統的人工測量方法，測深船將作業人員從大量而危險的勞動中解放出來，更為難得的是將野外數據采集的密度由原來的散點方式變為現在的線性方式，使作業人員更容易發現水下地形變化的趨勢。可以預見無人遙控測深船在今后的生產中將不斷發揮其難以替代的作用。

參考文獻：

[1]桑金.水深測量中的聲速改正問題研究[J].海洋測繪，2006，6（3）.

[2]JTJ203-2001.水運工程測量規范[S].北京：人民交通出版社，2001.