無人船在水下地形測量中的應(yīng)用

秦亮亮

（91550 部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

我國幅員遼闊、山川河流眾多，僅流域面積就已經(jīng)超過1000km2，隨著國家對(duì)水下地形地貌調(diào)查進(jìn)程的加快，對(duì)于湖泊乃至近海水域的水下地形測量調(diào)查工作要求也在不斷提升。長期以來，我國的水下地形測量工作停留在人工測量階段，有關(guān)水下地形測量的技術(shù)手段較為落后，因此開展無人船水下地形測量優(yōu)勢極為明顯。近幾年來，為了獲得水下地形信息數(shù)據(jù)，無人船測量系統(tǒng)通過搭載GNSS-RTK 設(shè)備、單波束測深儀等數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行水下地形數(shù)據(jù)測量，可有效滿足傳統(tǒng)測量模式中人工測量技術(shù)無法達(dá)到的工程任務(wù)要求，可有效解決傳統(tǒng)測量模式中所受到的地形環(huán)境因素制約，讓水下地形測量人員獲得高精度的數(shù)據(jù)信息，為水下3D 模型的建立奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 無人船

1.1 無人船應(yīng)用特點(diǎn)

無人船作為進(jìn)行水下地形測量數(shù)據(jù)獲取的重要路徑，現(xiàn)階段已代替了大部分的傳統(tǒng)人工測量作業(yè)方式。自我國應(yīng)用無人船技術(shù)以來，經(jīng)由多年的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，無人船的水下地形測量技術(shù)已趨近于成熟，而無人船的水下航行表現(xiàn)也趨于穩(wěn)定。現(xiàn)階段的無人船發(fā)展方向?yàn)橹悄芑Ｔ谒碌匦螠y量中無人船技術(shù)應(yīng)用的最大優(yōu)勢就是高效、安全、輕便及小巧，再加上無人船測量運(yùn)行成本低的應(yīng)用優(yōu)勢，讓無人船測量技術(shù)深受測繪單位的喜愛。無人船測量技術(shù)的遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，以及自動(dòng)駕駛系統(tǒng)完全杜絕了水下地形測量過程中發(fā)生的人員傷亡事故，無人船機(jī)體的特殊設(shè)計(jì)能夠抵御外力的攻擊，確保無人船能夠最大程度的保存完好。此外無人船能夠搭載我國最為先進(jìn)的通信系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)及導(dǎo)航控制系統(tǒng)，避免無人船在水下測量過程中出現(xiàn)被水草或是漁網(wǎng)纏繞，同時(shí)也能幫助測量單位對(duì)無人船進(jìn)行維護(hù)檢查。與此同時(shí)，無人船所搭載的深測儀、ADCP、側(cè)掃聲吶等多種類型的傳感系統(tǒng)，能夠幫助測量單位全面測量水庫、湖泊及內(nèi)河航道等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水域地形地貌數(shù)據(jù)的有效獲取。

1.2 無人船測量系統(tǒng)

無人船的水下地形地貌測量效率極高，再加上無人船測量系統(tǒng)具備測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，以及測量安全系數(shù)高的特征，因此在湖泊和水庫上無人船機(jī)芯常常能夠進(jìn)行水下地形測量工作。現(xiàn)階段大多數(shù)的無人船已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主導(dǎo)航、自動(dòng)避障和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)墓δ芴卣鳌?/p>

根據(jù)無人測量船的功能特點(diǎn)，可將系統(tǒng)分為兩個(gè)系統(tǒng)，分別是控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是對(duì)無人船運(yùn)行狀況、航行情況及測量數(shù)值等相關(guān)數(shù)據(jù)信息的精度值進(jìn)行把控，利用岸邊基站的控制系統(tǒng)對(duì)水深信息、水流速度信息和船體的位置信息進(jìn)行全面性把控。測量系統(tǒng)主要是由GNSS-RTK 及測深儀器構(gòu)成，同時(shí)利用姿態(tài)傳感器對(duì)測量數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)進(jìn)行糾正，確保系統(tǒng)獲得的水下三維坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，為水下地形圖繪制及三維模型的生成提供準(zhǔn)確性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。無人船在進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航測量過程中，可將測量過程中測區(qū)的影像資料導(dǎo)入無人船的控制軟件系統(tǒng)中，對(duì)無人船的航線進(jìn)行再次規(guī)劃，與此同時(shí)GNSS-RTK 在無人船測量中又能起到導(dǎo)航的作用（見圖1）。

圖1 無人船測量系統(tǒng)構(gòu)成

1.3 無人船測量系統(tǒng)原理

無人船測量系統(tǒng)中的測深儀在充分結(jié)合GNSS、潮位及聲速信息的前提下，能夠?qū)y量位置的水深及水底高度進(jìn)行測量，因此無人船廣泛適用于影響測量人員生命健康安全的情況中，同時(shí)需要經(jīng)常更換測量區(qū)域的環(huán)境。同時(shí)無人船測量系統(tǒng)所搭載的GNSS 全球定位系統(tǒng)，能夠在測量過程中為測量人員提供高精準(zhǔn)的定位坐標(biāo)，同時(shí)利用GNSS 定位系統(tǒng)還能進(jìn)行自主導(dǎo)航，幫助無人船實(shí)現(xiàn)智能化的無人操作（見圖2）。

圖2 無人船測量系統(tǒng)

無人船測深系統(tǒng)的工作原理，是經(jīng)由無人船的船底聲吶裝置進(jìn)行聲波的發(fā)生，等待聲波達(dá)到介質(zhì)的表面反射時(shí)，經(jīng)由測量系統(tǒng)計(jì)算發(fā)射反射波，以及接受反射波之間的時(shí)間差（Δt），利用聲波在水中的傳播速度（V），利用無人船自帶的微型處理器進(jìn)行測點(diǎn)水深（h）的計(jì)算。具體公式如下：

無人船測水底高程的工作原理為，將GNSS 天線中的相位中心高程設(shè)置為H，GNSS 天線相位中心到無人船吃水高度的距離設(shè)置為h0，將無人船的船體絲帶設(shè)置為Δh，無人船測量系統(tǒng)中測深儀所測量的水深為h，水底高程則是D，測量水底高程的具體公式如下：

無人船測量系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)是基于GNSS-RTK 動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，同無人船測量系統(tǒng)運(yùn)行過程中利用姿態(tài)傳感器對(duì)船體的姿態(tài)信息修正，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)無人船三維坐標(biāo)的實(shí)時(shí)修正。避免無人船測量過程中由于船體的晃動(dòng)，導(dǎo)致無人船水下地形測量數(shù)據(jù)失真，確保水下地形測量成果的精確度。

2 無人船在水下地形測量中的實(shí)例分析

2.1 案例概述

河道測量的面積為5.1km2，因此選用無人船參數(shù)如為尺寸是105cm×35cm×35cm、重量為25kg，續(xù)航能力在6h。

2.1.1 無人船的測試控制環(huán)節(jié)

第一，在無人船測量測繪的測試環(huán)節(jié)中，測試當(dāng)天的天氣良好，水面并無風(fēng)浪因此適宜開展水下測量工作。第二，無人船測量測繪過程中需要與水流方向保持一致，確保無人船與斷面的間距在20m。第三，無人船測量測繪過程需要保證無人船始終處于勻速行駛的狀態(tài)，同時(shí)需要將船體轉(zhuǎn)角變化控制在400/min 以下，將無人船的實(shí)際航向與測量間距的差異控制20%以下。

2.1.2 無人船的測試操作環(huán)節(jié)

第一，無人船測量測繪開展前需要測量單位先對(duì)無人船及相關(guān)測量設(shè)備進(jìn)行檢測、調(diào)試，確保無人船測量測繪過程中測量設(shè)備的應(yīng)用參數(shù)滿足測量需求。第二，無人船測量測繪過程中需要將測線間距設(shè)置為10cm 處，并利用計(jì)算機(jī)及相關(guān)測量輔助設(shè)備進(jìn)行連接測量，確保水下地形地貌實(shí)際數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)獲得。第三，無人船測量測繪操作過程中，測量單位需要對(duì)相關(guān)的模擬信息進(jìn)行記錄保存。

2.2 數(shù)據(jù)分析測繪環(huán)節(jié)

無人船測量測繪工作完成后，測量單位的工作人員需要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理分析，并以此為基礎(chǔ)對(duì)測量河道的水下地形情況進(jìn)行測繪。本次測量工作選用的測繪軟件為南方Cass9.1，借助測繪軟件對(duì)無人船測量測繪的回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中河道的等深線距離為0.5m，所采用60cm×60cm 標(biāo)準(zhǔn)，一共180 副。無人船測量測繪數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)以《水運(yùn)工程測量規(guī)范》為基礎(chǔ)，利用1：1000 與1：2000 的測量圖式，同時(shí)利用word 進(jìn)行測繪報(bào)告的編輯工作。

2.3 無人船測量數(shù)據(jù)精度檢查環(huán)節(jié)

為了保證無人船測量數(shù)據(jù)信息的精準(zhǔn)性，測量單位需要對(duì)測量河道進(jìn)行抽檢工作，實(shí)現(xiàn)無人船測量數(shù)據(jù)獲得的可靠性。抽檢選取的河道長度為測量整體長度的7%，將所有測試點(diǎn)的高程差值控制在0.2m 以內(nèi)的抽檢河道區(qū)域設(shè)置100 個(gè)隨機(jī)測試點(diǎn)。其中，對(duì)于高度距離差在0.1m 以內(nèi)的抽檢河道設(shè)置48 個(gè)隨機(jī)測試點(diǎn)，在0.1m-0.2m 之間的設(shè)置49 個(gè)隨機(jī)測試點(diǎn)，對(duì)于高度距離差為0.2m 的抽檢河道區(qū)域設(shè)置3 個(gè)隨機(jī)測試點(diǎn)。

本次測量河道抽檢工作嚴(yán)格按照《水運(yùn)工程測量規(guī)范》進(jìn)行抽檢測量工作，所有測量工作均滿足相關(guān)部門的測量數(shù)據(jù)精度檢查要求，抽檢合格率為100%，無人船測量數(shù)據(jù)精度檢查結(jié)果具備參考使用價(jià)值。

2.4 案例實(shí)驗(yàn)結(jié)果

無人船測量技術(shù)在水下地形測量的應(yīng)用價(jià)值意義極高，根據(jù)上述測量實(shí)例結(jié)果可知，無人船測量技術(shù)具備進(jìn)一步推廣的應(yīng)用價(jià)值。

第一，測量單位利用無人船進(jìn)行水下地形測量過程中，在對(duì)無人船測量數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)性檢測時(shí)，對(duì)抽檢河道中設(shè)置100 個(gè)隨機(jī)測試點(diǎn)進(jìn)行測試數(shù)據(jù)信息檢驗(yàn)工作，測量檢驗(yàn)合格率為100%，測量精確度極高。

第二，測量人員在應(yīng)用無人船測量技術(shù)過程中，在進(jìn)行水下測量期間所應(yīng)用的勞動(dòng)力相對(duì)較少，對(duì)于無人海域、危險(xiǎn)海域的測量探測有著極高的應(yīng)用價(jià)值，既能保證測量數(shù)據(jù)信息獲取的精準(zhǔn)性，同時(shí)也能保證測量人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，為相關(guān)部門水下地形情況的獲取提供完整信息，有效避免了自然災(zāi)害的發(fā)生。

3 無人船在水下地形測量中應(yīng)用的推廣路徑

無人船測量技術(shù)的測量作業(yè)主要是由計(jì)算機(jī)控制執(zhí)行，因此在作業(yè)過程中能夠嚴(yán)格執(zhí)行程序設(shè)定，大大提升無人船測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。再加上無人船船體本身輕便短小，對(duì)于航向的控制力極佳，因此能夠大大提升水下地形測量的準(zhǔn)確度。為此相關(guān)部門需要加大對(duì)于無人船水下測量優(yōu)勢的宣傳力度，提高各個(gè)區(qū)域測量單位對(duì)于無人船水下地形測量技術(shù)的重視程度，為無人船測量技術(shù)的廣泛應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)造條件，同時(shí)相關(guān)部門在推廣宣傳過程中，需加深測量人員對(duì)于無人船水下地形測量技術(shù)的理解程度，提升測量人員的測量技術(shù)水平，為無人船水下地形測量技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。此外為了加快我國無人船水下地形測量技術(shù)的發(fā)展，各大高校需注重培養(yǎng)無人船水下測量人才，著重加強(qiáng)現(xiàn)有的水下地形測量技術(shù)人員的技能培訓(xùn)工作，培養(yǎng)其無人船水下地形測量專業(yè)技能，同時(shí)參與無人船水下地形測量作業(yè)的工作人員需要做好經(jīng)驗(yàn)總結(jié)工作，分析自身存在的不足，全面提升測量人員的水下地形測量能力。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)水下地形測繪過程中，需要耗費(fèi)大量的人力、物力，水下地形測量所應(yīng)用到的測量設(shè)備復(fù)雜、笨重，嚴(yán)重影響了水下地形測量的效率及測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。近年來我國由于水下地形測量不準(zhǔn)確而造成的拋石量發(fā)生重大變化，造成相關(guān)部門出現(xiàn)嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。無人船水下地形測量技術(shù)的出現(xiàn)具備極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，不僅能夠減少人力、物力上的資金投入，大大降低運(yùn)作成本，同時(shí)也能有效解決傳統(tǒng)人工測量面臨的難題，因此相關(guān)部門需注重應(yīng)用無人船水下地形測量技術(shù)，為水下地形測量精準(zhǔn)度的提升保駕護(hù)航。