智能無(wú)人測(cè)量船在河道水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

胡翔志

（山東省地質(zhì)測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250002）

以往，水下地形測(cè)量工作主要是將探測(cè)儀和GNSS接收機(jī)固定在載人船上，然后到指定的位置進(jìn)行水深等參數(shù)的測(cè)量工作，以獲取更多的位置坐標(biāo)信息。但是這種測(cè)量方式在實(shí)際的操作過(guò)程中，易受到外界環(huán)境的影響而出現(xiàn)測(cè)量誤差，如風(fēng)浪和人為操作的誤差等。同時(shí)，傳統(tǒng)水下地形測(cè)量的方法不僅精度不高，而且作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、投入成本大且危險(xiǎn)性比較大，所以對(duì)河道治理工作的長(zhǎng)期發(fā)展有著許多的不利影響。此外，應(yīng)用傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法在淺灘和淺水區(qū)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)外界環(huán)境的要求比較高。而無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)中有效融合了信息化、智能化的技術(shù)，如GPS定位技術(shù)、無(wú)人測(cè)量船智能導(dǎo)航技術(shù)、自動(dòng)避障技術(shù)、實(shí)時(shí)通信技術(shù)和聲吶測(cè)深技術(shù)等，可以更好地避免外界因素的影響，在各種環(huán)境中都能穩(wěn)定地開(kāi)展水下地形測(cè)量工作。通常只需要在GNSS導(dǎo)航設(shè)備和測(cè)深儀中將所需的工作指令編輯好，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種類(lèi)型水域的水下地形的穩(wěn)定有效的測(cè)量，智能無(wú)人測(cè)量船技術(shù)在河道清理、測(cè)繪等方面發(fā)揮了十分重要的作用，也避免了人為測(cè)量的風(fēng)險(xiǎn)性，為工作人員提供了安全的工作條件。

1 無(wú)人測(cè)量船概述

在傳統(tǒng)的測(cè)量工作中，載人船的體積相對(duì)較大，在水下地形測(cè)量的過(guò)程中受到吃水深度的影響，無(wú)法在岸邊、淺灘等區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量，因此水下地形測(cè)量的范圍受到了限制。傳統(tǒng)測(cè)量載人船還需要皮劃艇等船只的輔助才能進(jìn)行一步進(jìn)行測(cè)量，但是皮劃艇等小型船只在測(cè)量時(shí)，一旦遇到湍急的水流和風(fēng)浪等就會(huì)面臨巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法順利進(jìn)行水下地形測(cè)量工作。而無(wú)人測(cè)量船在應(yīng)用的過(guò)程中表現(xiàn)出了許多優(yōu)勢(shì)。在自動(dòng)作業(yè)的過(guò)程中，無(wú)人測(cè)量船可以深入多種地形和水域甚至是危險(xiǎn)區(qū)開(kāi)展測(cè)量工作，如淺水域、水庫(kù)、海灣等，應(yīng)用十分廣泛，且有效保障了測(cè)量工作人員的安全性。對(duì)于無(wú)人測(cè)量船系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其主要是由遙控?zé)o人測(cè)量船子系統(tǒng)、岸基控制系統(tǒng)等組成，其中，遙控?zé)o人測(cè)量船子系統(tǒng)中主要包括了力系統(tǒng)、船上控制系統(tǒng)、陀螺儀及CCD攝像頭等多種子系統(tǒng)，而岸基控制子系統(tǒng)發(fā)揮了十分重要的交互界面控制和無(wú)線傳輸?shù)淖饔茫梢越邮蘸吞幚泶w上的數(shù)據(jù)，也可以在自動(dòng)控制的過(guò)程中進(jìn)行多角度的測(cè)量。無(wú)人測(cè)量船工作原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 無(wú)人測(cè)量船工作原理結(jié)構(gòu)示意圖

2 無(wú)人測(cè)量船的特點(diǎn)

無(wú)人測(cè)量船是水下地形測(cè)量的一種測(cè)繪新方式，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展歷程，加之信息技術(shù)手段、智能化探測(cè)技術(shù)手段的不斷發(fā)展，無(wú)人測(cè)量船在技術(shù)方面已經(jīng)有了極大的提升，航行和測(cè)量工作表現(xiàn)出了十分穩(wěn)定的特性，且智能化水平越來(lái)越高。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中將逐漸取代傳統(tǒng)的載人船作業(yè)方式，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

無(wú)人測(cè)量船的優(yōu)勢(shì)就在于安全可靠程度高、運(yùn)行成本低，且因?yàn)槠洳惠d人，所以實(shí)際測(cè)量的工作中，可以有效避免人員傷亡等情況。而且無(wú)人測(cè)量船船體小、攜帶方便、靈活程度高，再加上其搭載了通信系統(tǒng)、高精度傳感器，所以有效提升了整體系統(tǒng)的工作性，進(jìn)而可以精準(zhǔn)獲取信息、高效傳遞及處理信息，同時(shí)，在避開(kāi)雜物方面也更加智能化，能更加靈活地進(jìn)行水下地形測(cè)量工作。

3 無(wú)人測(cè)量船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 測(cè)量實(shí)例

以某河道的實(shí)際測(cè)量工作為例，測(cè)量人員用無(wú)人測(cè)量船進(jìn)行河道清污前后的水下地形測(cè)量，從而對(duì)清污工作進(jìn)行部署。該河道的水下面積約4.85km2，在繪圖過(guò)程中利用了Cass 9.1地形地籍成圖軟件。因?yàn)闊o(wú)人測(cè)量船在抗風(fēng)浪性能上進(jìn)行了提升，所以航行的平穩(wěn)程度和吃水的情況都得到了改善，應(yīng)用的過(guò)程中更為便利。

3.2 具體應(yīng)用

（1）水下地形測(cè)量。在河道水下地形測(cè)量工作前，準(zhǔn)備工作必不可少。工作人員需要提前做好定位時(shí)間、水下測(cè)量軟件的調(diào)試、坐標(biāo)系統(tǒng)的精確度等方面的校正工作，減少因?yàn)橄到y(tǒng)工作方面的問(wèn)題而造成水下地形測(cè)量的誤差。在GNSS設(shè)備連接好后就可以開(kāi)啟正式的測(cè)量工作，選擇自動(dòng)巡航模式，讓無(wú)人測(cè)量船進(jìn)入特定水域，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)和測(cè)深的工作。在該地區(qū)河道的水下地形測(cè)量中，需要融入智能控制技術(shù)，做好前期航線的設(shè)置工作，在整體工作中進(jìn)行自動(dòng)化的測(cè)量工作。具體工作中，河道的水下地形測(cè)量在6級(jí)以下風(fēng)力中都可以進(jìn)行，測(cè)量人員需要借助相關(guān)軟件分析河段及湖面情況，科學(xué)設(shè)置斷面的計(jì)劃線，保證計(jì)劃線垂直于水流方向。在無(wú)人測(cè)量船的工作過(guò)程中，船只需要保持直線及勻速運(yùn)行的狀態(tài)，在改變河道測(cè)線的過(guò)程中，做好精準(zhǔn)的定位工作，減少擺動(dòng)、浮動(dòng)，做好轉(zhuǎn)向和變速的工作。在此過(guò)程中，還需要控制水下地形測(cè)量工作中的風(fēng)浪高度。如果風(fēng)浪超過(guò)0.6m，探測(cè)儀的回聲起伏數(shù)值比較大，就需要做好控制工作，減小在水下地形測(cè)量的過(guò)程中精度受到的影響。另外，在線測(cè)量的過(guò)程中還容易出現(xiàn)最淺點(diǎn)等側(cè)漏的問(wèn)題，因此需要針對(duì)可能出現(xiàn)的情況和問(wèn)題進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，在準(zhǔn)備工作過(guò)程中做好精準(zhǔn)化、針對(duì)性的預(yù)測(cè)，做好測(cè)量間距和測(cè)量位點(diǎn)的控制。針對(duì)上述無(wú)人測(cè)量船水下地形測(cè)量過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題，就要求負(fù)責(zé)測(cè)量的技術(shù)人員充分重視內(nèi)業(yè)整理工作，并全面準(zhǔn)確地收集和整理探測(cè)設(shè)備測(cè)得的有關(guān)信號(hào)，進(jìn)而獲得測(cè)量地點(diǎn)的準(zhǔn)確水深及三維坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。

（2）處理水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)和繪圖。在編輯、校正測(cè)量數(shù)據(jù)之后，還需要利用相關(guān)軟件進(jìn)行專(zhuān)業(yè)性的分析工作，在合理計(jì)算的基礎(chǔ)上分析水位和地下地形地勢(shì)，并做好資料的歸納整理。在分類(lèi)編排測(cè)繪資料的過(guò)程中，可以對(duì)比分析清污前后的水下地形，結(jié)合無(wú)人測(cè)量船獲取的信息做好圖紙的構(gòu)建工作，為后續(xù)工作的開(kāi)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也便于形成科學(xué)化的技術(shù)對(duì)比報(bào)告。

（3）布置檢查線和檢查精準(zhǔn)度。在無(wú)人測(cè)量船的工作過(guò)程中，需要在河道上構(gòu)筑好所在位置的檢查線，并與主測(cè)深線垂直，長(zhǎng)度要超過(guò)主測(cè)深線，且檢查線和主測(cè)深線交叉位置的高度差不能超過(guò)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值（0.2m）。在此過(guò)程中，需要按照相關(guān)水下地形測(cè)量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行水下地形測(cè)量的精確度方面的控制，將誤差控制在合理范圍之內(nèi)。這也是水下地形分析工作的關(guān)鍵所在，可以有效保證整個(gè)測(cè)量工作的有效性；同時(shí)，這也是無(wú)人測(cè)量船區(qū)別于傳統(tǒng)人工測(cè)量工作的重要優(yōu)勢(shì)。

4 優(yōu)化智能無(wú)人測(cè)量船應(yīng)用效果的建議

為了提升無(wú)人測(cè)量船的智能化進(jìn)程和運(yùn)行效率，需要在工作過(guò)程中積極構(gòu)建完善的運(yùn)行管理機(jī)制，從制度上加強(qiáng)約束，保障可以利用智能無(wú)人測(cè)量船高效優(yōu)質(zhì)地完成水下地形測(cè)量工作，從而充分發(fā)揮智能無(wú)人測(cè)量船技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及作用。

（1）應(yīng)用智能無(wú)人測(cè)量船進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)充分重視優(yōu)化和升級(jí)技術(shù)控制體系及運(yùn)行效率，確保無(wú)人測(cè)量船的工作效果。特別要重視智能避障功能的優(yōu)化，這樣有利于增強(qiáng)智能無(wú)人測(cè)量船在復(fù)雜環(huán)境下的工作能力及工作效率，從而使得智能無(wú)人測(cè)量船技術(shù)更好發(fā)揮其測(cè)量效果。同時(shí)，在實(shí)際水下地形測(cè)量的應(yīng)用過(guò)程中，智能無(wú)人測(cè)量船的視線會(huì)受到一定程度的影響，也會(huì)影響判斷障礙物距離的效果，成為后續(xù)工作過(guò)程中的重大安全隱患。在此過(guò)程中，探測(cè)元件的應(yīng)用尤其重要，可以降低在實(shí)際工作過(guò)程中船體與障礙物的碰撞概率。

（2）在水下地形測(cè)量工作中應(yīng)充分重視優(yōu)化岸基系統(tǒng)，使岸基系統(tǒng)的控制單元和智能無(wú)人測(cè)量船的信息交流單元實(shí)現(xiàn)快速有效的連接，對(duì)整個(gè)測(cè)量工作過(guò)程進(jìn)行有效管理和整合，提升基礎(chǔ)工作水平，促使河道斷面數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)更加及時(shí)、完整、系統(tǒng)的傳遞。同時(shí)，利用通信系統(tǒng)把得到的相關(guān)數(shù)據(jù)快速有效傳回?cái)?shù)據(jù)控制中心，并分析和記錄傳輸過(guò)程中的問(wèn)題，促使無(wú)人船測(cè)量工作取得預(yù)期的效果。

（3）如果是手動(dòng)模式，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注視頻傳輸模塊的優(yōu)化，利用設(shè)備上裝有的攝像頭來(lái)及時(shí)有效地采集及分析所需的信息，同時(shí)利用超聲波實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的自動(dòng)避讓?zhuān)?zhǔn)確判斷船體到障礙物的實(shí)際距離。

5 結(jié)論

綜上所述，智能無(wú)人測(cè)量船在整體水下地形測(cè)量工作中的應(yīng)用，需要從管理系統(tǒng)和操作系統(tǒng)出發(fā)，做好技術(shù)方面的分析，保證實(shí)際的測(cè)量效果。利用智能化無(wú)人測(cè)量船智能化系統(tǒng)，提升水下地形測(cè)量的整體水平，做好河道清理等相關(guān)工作，促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。