無人船在阿勒泰市塘巴水庫擴建工程測量中的應用

焦 旺

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710000）

1 概述

水下地形測量是工程測量的一種特殊形式,是測量江河、湖泊、水庫、港灣和近海水底點的平面位置和高程,用以繪制水下地形圖的測繪工作。水下地形測量具有不可見、不易直接接觸的特性,因此其測量方式與陸地地形測量有很大差異［1］。

水下地形測量可采用常規模式和自動化模式。常規模式通常采用交會法、極坐標法、斷面索法等進行平面定位,采用測深桿、測深錘、模擬探測儀進行水深測量。自動化模式一般采用GNSS方法進行平面定位,采用數字化單波束測深儀或多波束測深儀進行水深測量,并同步采集。

水下測量無人船通過在船體上集成定位裝置、測深裝置和自駕裝置,使其實現像無人機一樣的自動導航定位,高效獲取水下地形數據。隨著無人測量船技術的日益成熟,其在水下地形測量中的應用越來越廣泛［2］。

塘巴水庫位于新疆阿勒泰市東南20 km紅墩鎮境內,是一座平原水庫,水域面積約16 km3,擴建工程計劃加壩擴容,需要測量庫區水下1∶1000地形圖。

2 水下地形測量

2.1 華微3號無人船簡況

華微3 號無人船系統由無人船船體、操作平板電腦、遙控器、配套GNSS接收機組成。無人船體長1 m,帶電總重15 kg,吃水0.1 m,搭載單波束測深儀,水深測程0.3 m~300 m,標稱測深精度1cm+0.1%h。操作平板電腦為Win10 系統,安裝有配套任務規劃軟件AutoPlanner和海洋測量軟件HydroSurvey。遙控器可切換自動和手動模式,自動模式時,無人船按照預設航線自動行駛并測量,手動模式下,可用遙控器操縱桿控制無人船前進、停車、倒車及轉向。配套GNSS接收機為無人船提供參考基準站及坐標轉換參數。

2.2 無人船水下測量原理

無人船水下測量的原理是,在無人船固定位置搭載GNSS接收機和測深儀,GNSS接收機測量水面某點位的坐標和高程,測深儀發射聲波到水底并接收回波,根據聲波傳遞時間和速度計算水深。兩者同步觀測,通過高程換算,即可得到水底對應點位的高程。

如圖1所示,h為GNSS天線中心至水面的高度,為已知固定值；H為船載GNSS接收機天線中心正常高高程,為測量值；S為水底P點對應水深,為測量值；B為水底P點實際高程,為目標值。水底P點高程通過如下關系式計算：

圖1 無人船水下測量原理示意圖

2.3 水下地形測量的實施

2.3.1測線規劃

測線是無人船在自動駕駛測量時遵循的路線,需在測量前布設。測線分主測線和檢測線,主測線用于獲取水下地形數據,檢測線用于檢驗主測線數據精度。將測量范圍邊線導入AutoPlanner軟件,輸入測線間距和方位角,即自動生成主測線。根據《水利水電工程測量規范》（SL 197-2013）［3］,進行水下地形測量,河流、湖泊、水庫一般水域的測深線間距應為15 m~30 m（1∶1000地形圖）。塘巴水庫項目規劃的主測線,間距取30 m,垂直于水庫南北分割線,總長度約540 km,垂直主測線,在水域內均勻布設檢測線約28 km。

2.3.2下水測量。

下水前,對無人船進行調試,向無人船主控寫入測線。任務寫入后,設置Home點。Home點是無人船遭遇緊急情況或觸發自動返航時自動追蹤的點位,設置合適的Home點是保障無人船航行安全的重要一環。無人船通過運營商網絡與HydroSurvey軟件實時通訊。測量時,無人船連接CORS或參考基準站,實現實時動態測量。

2.3.3數據處理

無人船測量數據由測深數據和波形數據組成,兩者一一對應。無人船每開關機一次,記錄一組數據。

數據處理使用HydroSurvey軟件。處理流程是載入水深數據和波形數據、剔除不合格數據、按間隔采樣、生成*.htt格式中間數據、導出成果數據。圖2為數據處理界面,圖中橫軸為時間軸,縱軸上半軸為水面高程,綠色水平線表示無人船測量的水面高程隨時間變化,縱軸下半軸為水深,綠色曲線表示無人船測量的水深隨時間的變化。圖2中有兩處水深異常變化處,明顯為不合格數據,應予以剔除。導出的成果數據為南方Cass軟件支持的*.dat格式。

圖2 HydroSurvey軟件水下測量數據處理模塊

3 精度分析

水下地形測量精度使用重合點深度較差進行評價,重合點即主測線與檢測線的交點。主測線與檢測線測出的成果點是離散的,不存在絕對的重合點。為降低因位置偏差造成的重合點高程不符,提高精度檢驗可靠性,以1 m為采樣間距,輸出成果點,將主測點和檢測點展繪于圖上,在主測線和檢測線的每個交點處保留一對主測點與檢測點。計算保留的每對主測點和檢測點的距離,當距離≤1 m（圖上1 mm）,認定其為一對合格重合點,參與重合點高程較差計算。

塘巴水庫項目合格重合點共計928 個,其中,水深0 m~20 m范圍內557 個,水深20 m~40 m范圍內371 個。利用合格重合點計算水深較差。

0 m~20 m水深重合點水深較差分布見圖3。

圖3 0m~20m水深重合點水深較差分布

圖4 20m~40m水深重合點水深較差分布

式（2）中,n為樣本個數,Δi為第i對重合點的水深較差。深度檢查較差中誤差統計結果見表1。

表1 塘巴水庫水下地形測量精度統計

根據《水利水電工程測量規范》（SL 197-2013）［3］,水深檢查較差限差見表2。

表2 深度檢查較差限差 單位：m

根據表1和表2,在0 m~20 m深度范圍內,無人船測深較差中誤差為0.168 m,在20 m~40 m深度范圍內,無人船測深較差中誤差為0.235 m,均優于規范規定的限差。表明塘巴水庫水下地形測量精度符合《水利水電工程測量規范》（SL 197-2013）的規定。

4 結語

（1）在塘巴水庫水下地形測量中,使用華微3號無人船,在-10℃～0℃氣溫條件下,垂直水庫南北岸按30m間距布設主測線540 km,垂直主測線布設檢測線28 km。利用主測線和檢測線重合點的高程值對無人船測深精度進行檢查,結果表明無人船測深精度可靠,符合規范要求。

（2）無人船水下測量安全、簡便、測點均勻。操作人員無需下水,通過遙控和航行控制軟件對無人船進行操控,最大限度降低了人員落水的可能。無人船重量輕、體積小,運輸和裝卸簡便,工作時只需安裝電池和天線,即可下水。無人船按照航線行駛并對水下進行測量,航線間距均勻可控,不易造成漏測。

（3）隨著各類涉水工程建設和人類活動向水下空間的不斷拓展,無人船作為一種新興的水下地形測量工具,作為對“機動船+測深儀”模式和人工探測方式的重要補充,必將得到更加廣泛的應用。