GNSS結(jié)合無人船技術(shù)在水系綜合治理勘測中的應(yīng)用研究

摘 ?要：水系綜合治理需要先對河道的現(xiàn)狀進(jìn)行全方位的測繪，傳統(tǒng)的水下測量方法具有速度慢、耗費(fèi)大量人力、測量誤差較大等缺點(diǎn)。隨著新興技術(shù)的發(fā)展，無人船這種測量手段能夠利用水下測量和搭載衛(wèi)星定位等手段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化航行并采集測繪所需的數(shù)據(jù)，其大大減少了人工量并有效地提高了測量的準(zhǔn)確性，具有安全、快速、便捷的優(yōu)點(diǎn)。在全球定位系統(tǒng)、人工智能系統(tǒng)等技術(shù)的支持下，無人船技術(shù)優(yōu)勢更加明顯。

關(guān)鍵詞：GNSS ? 無人船技術(shù) ? 水下測量 ? 土方量計(jì)算 ? 水系治理

中圖分類號：D661 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（c）-0052-03

Application Research of GNSS Combined with Unmanned Ship Technology in Water System Comprehensive Management Survey

SHEN Jialiang

（Fuzhou Investigation and Surveying Institute， Fuzhou， Fujian Province， 350100 ?China）

Abstract： Comprehensive management of water systems requires a comprehensive survey of the current status of the river. Traditional underwater measurement method has the disadvantages of slow speed， consuming a lot of manpower， large measurement error and so on. With the development of emerging technologies， the measurement method of unmanned ships can use underwater measurement and satellite positioning to realize automated navigation and collect data required for surveying and mapping. It greatly reduces the amount of labor and effectively improves the accuracy of measurement. It has the advantages of safety， speed and convenience. With the support of technologies such as global positioning systems and artificial intelligence systems， the advantages are more obvious.

Key Words： GNSS; Unmanned ship technology; Underwater measurement; Earthwork calculation; Water system management

水系既是重要的水利設(shè)施，又是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。開展水系綜合治理是貫徹落實(shí)建設(shè)生態(tài)文明的一項(xiàng)重要措施，對推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)，推進(jìn)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境系統(tǒng)建設(shè)意義重大。水系綜合治理需要準(zhǔn)確的測繪數(shù)據(jù)為工程設(shè)計(jì)做支撐。水域測量傳統(tǒng)的作業(yè)方式是淺灘、近岸、灘涂地區(qū)直接人工RTK進(jìn)行測量。傳統(tǒng)方式很難滿足新形勢下水利測繪工作的要求[1]。以GNSS結(jié)合無人船技術(shù)可快速、精確地獲取水下地形數(shù)據(jù)，可廣泛應(yīng)用于中小河流、湖泊、水庫、港灣、近海區(qū)域測量或測速工作，獲取水下詳實(shí)的測繪數(shù)據(jù)[2-4]。傳統(tǒng)水下主要以人工使用RTK、租船、皮劃艇的方式完成項(xiàng)目[5]。存在著效率低、精度差的缺點(diǎn)。而GNSS結(jié)合無人船技術(shù)一般是將單波測深儀安裝在船上，利用GNSS定位采集測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)的同時(shí)獲取水底高程數(shù)據(jù)[6]。GNSS結(jié)合無人測量船技術(shù)優(yōu)點(diǎn)包括輕便小巧、高精度、抗干擾強(qiáng)，可拓展結(jié)合多種測繪傳感器，根據(jù)不同的測繪要求完成相對應(yīng)的測量任務(wù)，可應(yīng)用于水下地形測繪、航道清淤、安全搜救、應(yīng)急測繪等領(lǐng)域。

1 ?GNSS結(jié)合無人船技術(shù)原理

1.1 無人船技術(shù)特點(diǎn)

無人船是利用無人駕駛結(jié)合探測技術(shù)、通信技術(shù)、中央控制器技術(shù)等多種技術(shù)，可快速高效地獲取水下信息，其特點(diǎn)有：（1）無人船簡單輕便，在水下地形測量中具有傳統(tǒng)測量方法難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了人力無法高效快速大面積獲取水底高程的不足;（2）無人船測量精度高，響應(yīng)速度快。無人船用這種新型的水下地形測量方式具有傳統(tǒng)的作業(yè)方式無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。可高效自動(dòng)地完成日常水樣任務(wù)，大幅度提高作業(yè)效率、便捷性，減少人力、物力的投入。無人測量船集成GNSS、電子羅盤、避障模塊等多種高精度傳感設(shè)備。用戶可通過無線遙控方式，規(guī)劃采樣任務(wù)、設(shè)置采樣模式、啟動(dòng)中止采樣任務(wù)、更加安全可靠的使用特性深受測繪單位的喜愛。事故減少、高效及運(yùn)行成本低。可快速、精確地獲取水下地形數(shù)據(jù)，可廣泛應(yīng)用在中小河流、湖泊等水域測量工作。無人船測量系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 GNSS結(jié)合無人船測量系統(tǒng)原理

GNSS結(jié)合無人船測量系統(tǒng)是以無人駕駛遙控船為載體結(jié)合測量系統(tǒng)，船體系統(tǒng)包含控制系統(tǒng)、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)、測深系統(tǒng)等。其中，測量系統(tǒng)是整個(gè)GNSS結(jié)合無人船測量系統(tǒng)的核心，測量系統(tǒng)包含數(shù)字測深儀、姿態(tài)傳感器、GPS接收機(jī)、全角度攝像頭及距離傳感器等多種傳感設(shè)備。GNSS結(jié)合無人船測量系統(tǒng)基本測量原理如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位采用GPS-RTK動(dòng)態(tài)差分定位原理，在岸基架設(shè)GPS基準(zhǔn)站接收GPS衛(wèi)星信號并將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給無人鉛上安置的GPS接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航功能。水深由安置在船上的數(shù)字雙頻測深儀完成，其基本原理是利用超聲波穿透介質(zhì)并在不同介質(zhì)表面會(huì)產(chǎn)生反射的現(xiàn)象，由換能器（探頭）發(fā)射超聲波漢出發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間差來進(jìn)行水深測量。

水深測量由安置在船上的單波束水深測量儀完成，其基本原理是向水底發(fā)射聲波，聲波到達(dá)水底后以回波的形式返回。單波束測深儀是一種利用海底反射回波進(jìn)行深度測量的水聲測深設(shè)備，在海洋探測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。單波束水深測量儀可以發(fā)出聲波然后利用海底反射回波，根據(jù)兩個(gè)波的時(shí)間差計(jì)算水深，根據(jù)回波顯示海底圖形。

GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度。GNSS導(dǎo)航設(shè)備為無人船的自動(dòng)行駛和測量提供位置信息。使用GNSS-RTK測得的無人船位置信息精度能夠達(dá)到厘米級，導(dǎo)航定位更加精準(zhǔn)。

測量數(shù)據(jù)由無人船傳輸天線經(jīng)網(wǎng)橋傳輸?shù)降孛婀ぷ髡局校瑹o人船工作過程中可實(shí)時(shí)通過地面工作站和遙控器進(jìn)行控制。GNSS-RTK衛(wèi)星定位系統(tǒng)和測深儀，組成一套完整的水下地形測量系統(tǒng)。

2 ?實(shí)例驗(yàn)證

2.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于某市某河流支流，水下淤泥堵塞嚴(yán)重，利用無人船測量水下地形并計(jì)算土方量，為后續(xù)的水系治理提供依據(jù)。測區(qū)視野開闊，通訊質(zhì)量良好，無信號遮擋。測量當(dāng)天外部環(huán)境適合無人船測量作業(yè)，天氣晴朗，風(fēng)力較小，水面相對平靜。測量設(shè)備選用中海達(dá)BM1無人船，按照設(shè)計(jì)航線，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

作業(yè)水面長約400 m，寬400 m，航線間隔20 m，根據(jù)測線布置方案。儀器各參數(shù)設(shè)定完畢，無人船入水，航向數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)間距20 m，對整個(gè)測區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。使用遙控器，控制無人船按照布置的測線跑一圈。地面工作站，實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人船的測量狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)更正。經(jīng)過2 h左右的作業(yè)，采集數(shù)據(jù)完畢。

2.3 數(shù)據(jù)處理

將無人船采集的河底高程點(diǎn)數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)改正，對粗差進(jìn)行剔除，對測量偏移的點(diǎn)進(jìn)行校正或刪除處理，進(jìn)而得到分布相對均勻的水底高程數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)展到CASS軟件中，運(yùn)用三角網(wǎng)法計(jì)算土方量。根據(jù)前期收集的設(shè)計(jì)圖紙知河底設(shè)計(jì)高程為20 m ，所以采用平場標(biāo)高為 20 m 進(jìn)行方量計(jì)算，得到挖方量為302 735.26 m3。

3 ?精度檢核

該次作業(yè)共采集了400組數(shù)據(jù)，從中提取了20個(gè)特征點(diǎn)，通過人工測量的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，無人船所測的水深數(shù)據(jù)為H1，人工測量的水深數(shù)據(jù)為H2，檢查結(jié)果如表1所示，最大誤差為0.06 m，滿足測量精度，效果較好。

4 ?結(jié)語

GNSS結(jié)合無人船技術(shù)在水下測量中具有傳統(tǒng)人工測量方法難以比擬的優(yōu)勢，能夠降低測繪人員直接下水測量的危險(xiǎn)，大大節(jié)省了測繪的工作量和時(shí)間成本，提高了水下測繪的精度和可靠性。該文介紹了GNSS結(jié)合無人船技術(shù)的原理和技術(shù)方法，并進(jìn)一步通過實(shí)例，表明利用GNSS結(jié)合無人船技術(shù)獲取水下地形數(shù)據(jù)能夠滿足水下地形測量的各項(xiàng)要求，得到結(jié)論如下。

（1）GNSS結(jié)合無人船測繪技術(shù)在水系治理勘測中大大提高了工作效率，解決了因地形復(fù)雜造成的采集數(shù)據(jù)困難的問題，并提高了數(shù)據(jù)精度。

（2）根據(jù)GNSS結(jié)合無人船測繪技術(shù)得到的水底高程點(diǎn)，根據(jù)水底的實(shí)際情況選用CASS三角網(wǎng)法計(jì)算土石方，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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作者簡介：申佳亮（1988—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)楣こ虦y量。