無人船測深系統(tǒng)在山塘測量中的應用*

楊敬華，高 飛，黃安碩，王 曉*，張博宇，周海波

（1.江蘇海洋大學 海洋技術與測繪學院，江蘇 連云港222005；2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島266032）

引言

山塘主要是指由于自然形成后，經過人工改造的積水區(qū)域；主要位于農村人口集聚地的上游，承擔著農業(yè)用水、居民消防、農村壞境等綜合功能，是山區(qū)農民生存的依賴。我國山塘數(shù)量眾多，但是由于缺少有效的管理，存在著諸多隱患；隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的大力實施，農村的安全保障被重點關注。厘清山塘水深和庫容對維護農村居民的日常生活和安全具有重要意義。無人船測深系統(tǒng)具有精度高，測量速度快，成本低，安全性高的特點。因此，利用無人船攜帶測深儀、RTK 對山塘進行測量，一方面可以節(jié)約成本，另一方面也可以為后續(xù)的山塘研究提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 無人船測深系統(tǒng)原理

1.1 無人船測深系統(tǒng)基本原理

無人船是一種新型的水上測量設備，可集成定位、導航、視頻監(jiān)控，裝載多種傳感器；能夠借助自身精準的定位與自身的傳感就能夠完成設定任務的全自動水面機器人[1]。無人船測深系統(tǒng)采用無人船攜帶RTK 的方式對山塘的水深、庫容進行計算。通過GPS-RTK 接收信號，然后對無人船進行一個實時的定位。然后通過南方cass 軟件對采集的點進行繪圖，按照無人船行進路徑對山塘的水深進行規(guī)劃，而后按照最大陡坎以及壩體高程、山塘深水計算出山塘的最大庫容。

回聲測深儀的工作原理是利用換能器在水中發(fā)出聲波，當聲波遇到障礙物而反射回換能器時，根據(jù)聲波往返的時間和所測水域中聲波傳播的速度，就可以求得障礙物與換能器之間的距離[2]。

發(fā)射脈沖聲波的瞬間起，到換能器收到水底回波時間t，換能器的吃水深度為D，則水深H 為：

測深系統(tǒng)采用CORS RTK 模式，無人船與RTK 進行連接并將RTK 上的網絡數(shù)據(jù)天線連接完成，無人船上RTK 的數(shù)據(jù)天線與CORS 站同時接收衛(wèi)星的載波相位值，并接收來自連續(xù)運行參考站的改正值以及其他相關數(shù)據(jù)，然后通過GORS 單元將這些數(shù)據(jù)遠程實時傳輸給地面上的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，再通過Eagle 軟件差分解算出該位置的具體坐標（圖1）。

1.2 水深計算

（1）吃水深度計算

無人船的吃水體積所排出的水的質量等于船的總重量。無人船總的重為G，排出來的水體積V=G/ρg，無人船船體的橫截面固定為s，則吃水h=V/s。

（2）水下高程計算

由于山塘內部環(huán)境復雜，水域面積不定，大船根本無法進入，考慮到人員安全與測量效率，無人測量船無疑是最好的選擇。通過無人船搭載RTK 與測深儀，利用RTK獲取位置信息，利用測深儀獲水深信息，公式如下：

水下高程=RTK 所測相位中心高程-天線直高-換能器吃水值-水深

圖1 RTK 運行示意圖

2 研究區(qū)概況

玉環(huán)縣位于中國浙江省臺州市，地理位置優(yōu)越，東經121°北緯28°。縣域總面積為2300 平方千米，其中陸域面積為378 平方千米，水域面積為1922 平方千米。玉環(huán)縣大概存在60 多座山塘，實驗選取大岙里山塘進行作業(yè)，大岙里山塘面積適中為3.24 平方千米，隸屬玉環(huán)縣龍溪鎮(zhèn)地勢較為平坦，能夠提高作業(yè)效率；山塘水面情況較好，水質清澈，適合無人船作業(yè)。

(4)Under the new international and national circumstances,transformation of economic growth model is a must for us.

3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

水下數(shù)據(jù)采集采用無人船+回聲測深儀+RTK 的一整套測深系統(tǒng)來進行外業(yè)采集；主要按照《水運工程測量規(guī)范》規(guī)定的測量原則、精度要求和作業(yè)方法[3]。內業(yè)利用南方測繪公司的“自由行2016”測量軟件來對數(shù)據(jù)進行后處理，以滿足該測區(qū)水下地形測量的需要（表1）。

表1 設備名稱及型號

進行水下數(shù)據(jù)采集時，首先連接浙江省CORS 網獲取大地坐標系，流動站系統(tǒng)以CORS 網獲得坐標來解算所測水下點位的坐標[4]。

無人船測深系統(tǒng)包括無人船、回聲測深儀、RTK 和計算機控制系統(tǒng)；硬件部分進行安裝調整。測深儀安裝在無人船底部，全部沒入水中不能產生偏移誤差；首先設置儀器為移動站模式，然后設置儀器為網絡模式并且確認連接到CORS 網中，設置成功之后將RTK 連接到無人船頂部連接桿上，RTK 與測深儀安裝在同一直線上，確保采集數(shù)據(jù)是有效的；最后將無人船的電源連接，遙控測試看無人船是否可以穩(wěn)定移動[5]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用南方測繪公司自行開發(fā)的“自由行”軟件進行數(shù)據(jù)后處理；將采集到的水下數(shù)據(jù)導入軟件中，開始水深采集取樣處理。首先對數(shù)據(jù)進行自動處理，很明顯的假水深，無效水深點將會被整合。自動水深處理結束就需要手動再檢查一遍，修改高頻水深。造成這種誤差可能是水下魚群反射，或是水中介質的折射結果；遇到這樣的情況要修改，保障后期圖紙繪制的精準度。接下來進行綜合改正輸出，將處理完成的水下數(shù)據(jù)進行測深儀改正、動態(tài)吃水改正、坐標系統(tǒng)誤差改正、水深系統(tǒng)誤差改正。

RTK 數(shù)據(jù)導出的具體流程如下：打開數(shù)據(jù)采集儀器-點擊工程-文件導入導出-選擇文件導出類型-點擊測量文件-點擊成果文件（后綴為.dat）-點擊導出。然后再將SD 卡插入電腦復制出來即可。此時數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，處理后的表格為：輸入點號、經度、緯度、橢球高、編碼、天線高、解狀態(tài)、HRMS、VRMS、衛(wèi)星數(shù)、PDOP，如表2 所示。

4 山塘庫容計算

4.1 山塘地形圖繪制

數(shù)據(jù)分類匯總完成后，使用南方CASS7.0 軟件進行相應的成圖處理。

（1）展開高程點及地物編碼并進行檢查。

（2）生成等高線，根據(jù)壩頂高程沿等高線勾畫出山塘的岸線部分。

（3）勾畫出山塘內特征地物：壩體、迎水坡、背水坡、溢洪道、管理房、陡坎、道路等，具體如圖2 所示。

4.2 山塘庫容計算

山塘的庫容計算采用的是計算土方的方案來實施，將采集到的山塘數(shù)據(jù)保存導入南方CASS 軟件中計算，具體步驟如下：

第一步：展點，將數(shù)據(jù)全部展入軟件；

第二步：建立DTM 模型，繪制等高線；

第三步：刪除三角網，并按照壩體數(shù)據(jù)繪制范圍線；

第四步：采用方格網法來對山塘進行庫容計算，設置高程為99.9 米（壩體的平均高度），方格寬度為20 米。

第五步：生成土方網格數(shù)據(jù)。

方格網計算土方量的公式如下所示：

a：指方格的邊長本次采用的是20*20 的方格網；h1、h2、h3值的三角形的各點的高程；V：指每個方格網的總挖方量。

圖3 計算出來的山塘總面積，橫向為山塘的填方量數(shù)據(jù)，縱向為山塘的挖方量數(shù)據(jù)，同時圖上繪出山塘的方格網與填挖方的分界線，圖中還會列舉出每個方格的填挖方，每行的挖方量和每列的填方量。山塘的地形是向下凹陷，所以我們只需要總的挖方量，從圖3 中可以看出大岙里山塘的總體庫容為26532.4 立方米。

表2 處理后的RTK 數(shù)據(jù)

圖2 山塘地形圖

圖3 土方網格數(shù)據(jù)

5 結束語

通過對實際的案例分析，結合測區(qū)情況，運用無人船山塘測量技術對測區(qū)進行了數(shù)據(jù)采集，采用成圖軟件進行山塘地圖的編繪與山塘庫容的計算，最終得出成果。無人船山塘測量將廣泛應用于山塘、水庫、湖泊的測繪；有助于山塘數(shù)據(jù)采集與安全隱患評估，為后續(xù)的工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐。