無人船在海纜近岸段地形測量中的運用研究

張龍 李景洋 高楊朔 陸川

摘要：根據無人船測量系統在近岸地形測量中的應用，介紹M40多用途無人船在近岸段中的實際運用。闡述該系統原理和項目概況，總結無人船測深、數據處理方面的應用要點及得到的啟示，為今后近岸地形測量工作積累經驗。

關鍵詞：無人船;近岸地形測量;智能導航;監測技術

水深地形測量[1]作為一項常規測量，其主要任務是測量江河、湖泊、水庫、港灣和近海等水域的水底點平面位置和高程，繪制水下地形圖，提供基礎水下地形數據。在水深較淺區域傳統測量方式獲得水下地形數據十分困難。無人船水下測量系統的運用，為困難區域水下地形測量提供了新的解決方案，利用該平臺搭載衛星定位、通訊、水下測量等多種設備，可實現自動化數據采集和航行，提高作業效率，減少測量人員的涉水風險。

一、無人船測量系統及基本原理

無人測量船是將先進的智能導航水面機器人技術與測量監測技術相結合的一種無人駕駛水上測量設備，系統主要組成包括高精度定位系統、動力推進系統、實時數據通信系統、數據采集系統等，可快速、精確地獲取水下地形數據，實現了智能化、集成化、網絡化的水上測量，廣泛應用于小河流、湖泊、港灣、近海區域測量或者測速工作[2]。

無人船測量可以分為手動和自動2種方式。這2種測量方式根據工作環境不同可以任意切換，當水域環境較好無障礙物時，可切換為自動測量方式;當水域環境比較復雜，障礙物比較多或者自動測量方式無法正常運行時，可以切換為手動測量方式[3]。

二、近岸水下地形測量應用

（一）項目概況

江蘇某海上風電場工程場址位于大豐區毛竹沙北側海域，場區中心離岸距離約72km。其海底電纜預選路由自海上升壓站向西經過西洋深槽后，在王港河口南側、竹港新閘北側海堤上登陸。路由在近岸灘涂、及飄兒沙東南側水下砂脊水深較淺，水域面積達到2萬多平方米，船舶通行受潮汐影響較大，且由于長期以來缺乏日常管理和維護，周邊的水草較多，大型的船只無法靠近。如果采用常規人工測量的方式，載人船只吃水較深，在較淺水域會出現擱淺的情況，給此次勘測任務帶來的極大的不便。為能夠順利完成此任務，獲得海纜登陸區域近岸的地形數據，決定采用M40多用途無人船，它具有吃水淺，重量輕、運輸方便、自動化無人駕駛等優點，是一款適用于內陸河湖、灘淺海等多種環境的通用型雙體無人測量平臺。。

（二）無人船測深

綜合考察測區周邊地形后，選擇合適的下水點和設備的運輸路線，確保項目順利開展。本次勘測采用的無人船設備為云州智能M40，GPS定位選用天寶R6基站及移動站，配合無人船完成平面和水深數據的采集工作。測量前進行航線的布設工作，將事先準備好的測區影像圖導入軟件中，按照均勻分布的原則，在測區范圍布設了12條航線。在岸上開闊處架設GPS基準站系統，將無人船上的移動站和通信設備啟動連接。岸基端與無人船通信聯通后，即可在岸基端利用筆記本電腦操控無人船的航行和數據采集。測量過程中，基本采用自動航行測量的方式進行，整個過程無需人工干預。由于測區部分區域岸邊水草較多，航線布設時并沒有完成覆蓋整個測區，因此需要采用手動控制測量方式對航行未覆蓋和個別死角進行手動控制測量。大約用了3.5小時完成野外數據采集任務，總共獲得了路由登陸-近岸段水底特征點35000多個[4]。

（三）數據處理

完成外業勘測后對采集的水深數據進行數據后處理。外業測量過程中經過魚群和水草等障礙物時，會造成測深儀回波數據不準確，要對部分失真的數據進行修正。通過將測深模擬信號和水深數字數據進行疊加，判斷水深數據的準確性。通過信號和數據的疊加對部分失真數據進行修正后，對數據進行抽稀，因為外業測得的水深數據的密度較大，冗余率大，后期并不需要這些多余的數據[5]。通過對無人船外業測深數據的處理，對海纜路由登陸-近岸段水深按照不同顏色進行填充渲染，獲得最終的水下地形數據，大部分區域的水深在2 m-4 m之間，該區西南側水域較淺在2m左右;東北側較深，深度達到了4m以上，整個測區水深呈現出由西南向東北逐漸加深的特點，反映了該區域近岸整體地形走勢情況。

三、無人船測量系統應用啟示

隨著測繪技術的進步和計算機技術的發展，水下測量也越來越集成化，其中GPS-RTK與測深儀的組合測量手段是現代水下地形測量的重要技術手段，提高了測量自動化程度和工作效率，但它需要依托母船進行測量，且需要有人在船上操作，大大降低了其靈活性。

此外，無人船測量系統都搭載了電子羅經同步記錄船體的姿態情況，浪涌過大時，船體橫搖、縱搖幅度大，需要做高精度的姿態校正。無人船測量系統自帶的姿態校準系統能否滿足要求還需要進一步討論研究。船速過快可能會產生延時效應。船速過大時測深儀聲波發射和接收時船體的位置會出現較大偏移，延時效應比較明顯，測量結果需要做延時改正。水深大的水域如大型水庫、湖泊等，一般存在水溫分層，各分層的水聲聲速值一般不一致，采用一個平均聲速來代替所有聲速值會對測深結果影響較大，需要測量聲速剖面并對測深數據進行聲速改正。

結束語：

綜上所述，根據海纜近岸段地形測量實際情況，了解到M40多用途無人船在測量工作中需要注意的要點，測量人員掌握這一項新測量技術的優勢、操作要領，便可以在近岸地形測量當中使用。不僅可以獲取準確數據，還可以解決傳統測量方法在人工誤差、靈活性等方面的問題，真正提高近岸地形測量實力，也可以在實踐測量中積累無人船測量系統的實操經驗。同時，M40多用途無人船亦可搭載側掃聲吶地貌儀及淺地層剖面儀，其在近岸測量中效果有待研究。

參考文獻：

[1]董陽，孫輝.曹妃甸建港前后深槽穩定性及沖淤原因分析[J].水道港口，2018，39（03）：264-268.

[2]關雷，曹景慶，張東林.無人船測量技術在礦區堰塞湖水下地形監測中的應用[J].測繪與空間地理信息，2021，44（S1）：194-197.

[3]付洪波，曹景慶.復雜水域條件下單波束無人船地形測量應用[J].測繪與空間地理息，2021，44（S1）：219-221.

[4]胡合歡，汪劍橋，余永周.無人機無人船協同作業在航道測繪中應用探討[J].中國水運.航道科技，2021（03）：68-72.

[5]劉冰洋.無人船輔助激光雷達在跨河測量中的應用[J].鐵道勘察，2021，47（03）：43-47.