無人船在水庫庫容復核中的應用

周偉

（山東省臨沂市水利勘測設計院，山東臨沂276000）

1 引言

隨著科學技術水平的不斷提升，測量技術得到了進一步的完善和優化，誕生了一系列高端的技術，如無人機、無人船等。相對比傳統的測量技術，無人機和無人船等技術十分靈活且快捷，同時該類技術不受地形和環境等因素的限制，可以應用于一些特殊地形區域的測量中，特別是在水庫庫容復核中應用更加廣泛。對于無人船技術而言，其還具備穩定、精準、智能以及高效等優勢，所以可以很好地克服傳統測量技術在實際測量中存在的一些弊端和不足，將其應用到水庫地形測量以及庫容計算中具有巨大的優勢和價值，相關業內人士需要給予足夠的重視。

2 中海達i Boat無人船系統概述

本次研究中所使用的i Boat無人船系統主要包括以下幾部分，即無人船平臺、通信系統、控制系統、定位系統以及測深系統等。相對比傳統的測量技術，i Boat無人船技術具備靈活、安全、高效等優勢和特點，所以將其應用于水庫地形測量和庫容復核計算中具有理想的效果。本次研究中無人船系統除了安裝支持網絡RTK的GPS模塊以外，還可以通過地面工作站對無人船進行自動定位、自動巡航（也可以使用遙控器手動操控）、自動數據采集和后期數據檢查改正等操作，可以進一步提升測量的自動化水平，有效降低人工勞動力，其工作原理如下。

2.1 深度測量原理

對于水庫深度的測量，主要是通過無人船底部的聲波發射裝置發射聲波，然后利計算機系統對聲波信號進行處理[1]。在實際的測量中，無人船底部的發射裝置主要是換能器，使其垂直向下發射聲波，聲波傳達至水底后折回，此時由接收器采集信號，然后通過微電腦系統進行水庫深度的測量計算，公式如下：

式中，D為水庫深度；ν為聲波傳播的速度；駐t為聲波發射和接收的時間差。

2.2 高程計算

水庫水底高程計算公式如下：

式中，G為水庫水底高程值；h為GPS天線相位中心到測深儀零點的高度；H為GPS天線相位中心高程；D為探測儀測量的水深。

3 無人船在水庫庫容復核中的應用

3.1 水庫地形測量

水庫地形測量是水庫庫容復核中十分重要的一項工作內容，其主要可細分為水上地形測量和水下地形測量2部分。通常情況下，為了提高水庫庫容復核精準度，需要在水庫枯水期和豐水期分別進行2次測量，以滿足實際的測量需求。

3.1.1 水上地形測量

對于水庫水上區域的地形測量，可直接采用基于網絡RTK的GPS測量和全站儀無棱鏡測量水上地形特征點的高程值。一般為了達到理想的測量效果，需要在冬季枯水期且無雜草的時間進行水上地形測量，而對于有雜草的區域，為測量特征點高程值需要將全站儀無棱鏡測量切換為有棱鏡或GPS人工跑點測量，以確保水上地形測量的全面性和準確性。

3.1.2 水下地形測量

對于水庫水下地形的測量，傳統的測量方法顯然無法滿足需求，此時需要應用無人船系統進行實地測量。為了提高測量精準度，最好選擇在夏季豐水期且風力小于3級（中海達i Boat標注抗風等級為5~6級）的時間進行測量，詳細步驟如下：

1）設備安裝調試。在實際的安裝完成后，需要相關人員對網絡RTK的穩定性、數據傳輸系統、測深儀的系統集成情況進行測試，確保設備性能符合既定標準。

2）水深測量精度檢定。利用基于山東CORS的網絡RTK模式，設定好參數，隨后用i Boat無人船的GPS模塊和測深儀模塊（采集的平面坐標系統為2000國家坐標，高程基準為1985國家高程）分別對水面高程和水深進行記錄，并利用天寶R10 GPS和測深桿分別對水面高程和水深數據進行采集，檢查點一般不少于3個，考慮無人船吃水誤差后2次測量較差不大于0.1m的情況下，才能進行下一步的測量工作。

3）水域范圍劃定。在完成設備安裝和測試后，需要對水庫水域測量范圍進行劃定，i Boat無人船可以調取影像劃定測量區域，也可以利用遙控器遠程操控無人船進行水庫邊緣環繞，并實時記錄位置，合理地進行水域區域的劃定。

4）測線布設。根據上述劃定的水域范圍，按照規范的比例尺要求進行無人船航線的布設，相關設置主要通過數據通信模塊進行微電腦上傳。

5）實施測量。在完成所有參數設置及信息上傳后，立即實施測量工作，對無人船進行遠程遙控操作，實施自動化的測量和數據采集。

6）數據處理。在進行數據處理作業時，采取無驗潮數據處理方式，利用無人船測量系統中相關的計算機軟件進行各個測點高程值的處理，其中對于不符合要求的數值進行剔除，最終得到高精度的測量數據。

7）數據接邊融合。在完成測量作業后，需要將無人船水下地形測量與全站儀水上地形測量的數據進行接邊融合處理，生成南方測繪CASS展點格式的數據文件，導入CASS軟件中，生成閉合的等深線/等高線，提取出各條等高線所對應的面積并用于水庫庫容計算。

3.2 水庫庫容復核計算

通常情況下，對于水庫庫容的計算方法有以下幾種，即水位-面積法、DEM法、不規則三角網法和斷面法等，本次研究中對水庫庫容計算所使用的是水位～面積法，庫容計算公式如下：

式中，V為相應水位為h的庫容，104m3；駐V為相鄰高程間隔間的容積，104m3；S1、S2為相鄰水位的水庫水面面積，104m2；駐h 為相鄰水位間水層深度或等高距，m；h0為庫底高程，m。

實驗中利用CASS軟件對不同等高線的閉合面積進行提取，并利用庫容計算公式對濟寧市泗水縣賀莊水庫的庫容進行計算，繪制水位-面積、水位-庫容的曲線圖，如圖1所示。

圖1 水位-面積、水位-庫容曲線圖

由圖1分析可知，水庫水位越高，水庫淹沒面積就越大，此時水庫庫容量的增加越快。

4 結語

綜上所述，無人船技術在水庫庫容復核計算中具有巨大的優勢和應用價值，所以被廣泛應用于該領域。通過本次研究更是證明了這一點。但本文沒有給出各種不同庫容計算方法的對比分析結果，同時沒有對庫容做進一步的應用分析，在后續的研究中還需要對水庫的應用價值，如防洪、調度，水庫清淤、飲水安全等方面進行進一步的研究。