智能無(wú)人船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

趙美玲，鄭亞運(yùn)，曹 慧

（江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225000）

水下地形測(cè)量由于無(wú)法看到實(shí)際狀況以及水上作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高等因素，一直是水利工程測(cè)量難度較大的部分[1]。水下地形測(cè)量的方法主要有測(cè)深錘、測(cè)深桿、單波束測(cè)深系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)及機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)等[2]，其中船基單波束測(cè)深系統(tǒng)是進(jìn)行內(nèi)河、湖泊水下地形測(cè)量最為常見(jiàn)的一種測(cè)深裝置。船基水下地形測(cè)量的自動(dòng)化和無(wú)人化充分體現(xiàn)在無(wú)人船水下地形測(cè)量技術(shù)中，在無(wú)法使用載人船的水域，無(wú)人測(cè)量船能夠充分發(fā)揮機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，且能提供高水下地形數(shù)據(jù)精度。無(wú)人船載單波束探測(cè)儀是一種可以自主或遙控作業(yè)的新型船基測(cè)量平臺(tái)，國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造此類(lèi)無(wú)人船[3-4]，廣泛應(yīng)用于河流、水庫(kù)、港灣等區(qū)域水下地形測(cè)量[5-6]、水質(zhì)采檢[7-8]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[9]等。

本文擬綜合運(yùn)用高精度導(dǎo)航定位、數(shù)字化傳感器及通信等技術(shù)，采用定量和定性相結(jié)合的方法，分析南京市鄭紅水庫(kù)主要特征指標(biāo)及水下地形特點(diǎn)，探討無(wú)人船載單波束測(cè)深平臺(tái)在水利工程中的應(yīng)用，擬為該區(qū)水利資源合理利用、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)及無(wú)人船測(cè)深技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究設(shè)備及施測(cè)過(guò)程

1.1 無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)

本研究采用的無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)主要由無(wú)人船部分和岸基部分組成，船只與地面基站采用無(wú)線(xiàn)射頻點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。無(wú)人船部分的動(dòng)力裝置為涵道式，由一個(gè)主推器和兩個(gè)輔助推進(jìn)器組成。船體尺寸（長(zhǎng)×寬×高）：1 800 mm×840 mm×480 mm，該體積便于長(zhǎng)距離運(yùn)輸、搬運(yùn)。船只集成的GPS和測(cè)深儀等設(shè)備可以支持地理坐標(biāo)與水深同步采集，視頻實(shí)時(shí)傳輸和自動(dòng)返航功能可以從安全性角度保證無(wú)人船的航行安全，無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)的船體部分結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)的船體部分

岸基部分主要是系統(tǒng)軟件、智能遙控器及基站，其中岸基控制軟件實(shí)現(xiàn)測(cè)量任務(wù)下達(dá)、實(shí)時(shí)視頻傳輸、測(cè)量數(shù)據(jù)顯示和測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。而智能遙控器可以顯示無(wú)人船基本信息、實(shí)時(shí)切換工作模式及控制船速等。岸基基站通過(guò)GNSS差分改正數(shù)據(jù)使得船只實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)坐標(biāo)精確定位。目前該無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)具備了全自動(dòng)無(wú)人化作業(yè)、自主導(dǎo)航、定點(diǎn)自主返航等功能，該系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)表

1.2 施測(cè)過(guò)程

將無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用于南京市六合區(qū)馬集鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)以南約4 km的鄭紅水庫(kù)，該工程位置大致為東經(jīng)118.82°，北緯32.49°，測(cè)區(qū)范圍約0.14 km2。作業(yè)要求是按1∶1000比例尺測(cè)量水下地形，等深距為1 m。本研究包括外業(yè)測(cè)量及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)主要環(huán)節(jié)，具體作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)作業(yè)流程圖

1.2.1 航線(xiàn)設(shè)計(jì)

無(wú)人船測(cè)量航線(xiàn)通常利用測(cè)區(qū)最新遙感影像進(jìn)行初始布設(shè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，如遇有漁柵欄、漁網(wǎng)、孤島等阻隔，再對(duì)航線(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)的微調(diào)以完成最終的布設(shè)。本研究區(qū)自然條件較好，無(wú)大面積障礙物及水生植物，為無(wú)人船自主作業(yè)提供良好的外部環(huán)境。

按照J(rèn)TS 131—2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》及作業(yè)要求為研究區(qū)設(shè)計(jì)如圖3所示的航線(xiàn)，該航線(xiàn)由主測(cè)深線(xiàn)和檢查線(xiàn)兩個(gè)部分組成：其中主測(cè)深線(xiàn)總長(zhǎng)度約為9 km，相鄰測(cè)線(xiàn)間距為20 m，測(cè)線(xiàn)點(diǎn)間距為6 m；而3條檢查線(xiàn)總長(zhǎng)度約為1.04 km（檢查線(xiàn)長(zhǎng)度不小于主測(cè)線(xiàn)總長(zhǎng)度的5%），均與測(cè)深線(xiàn)垂直，且都集中在水庫(kù)幾何中心區(qū)域，具有較好的代表性。

圖3 研究區(qū)航線(xiàn)設(shè)計(jì)示意圖

1.2.2 水下數(shù)據(jù)獲取

本研究采用的無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)工作原理是通過(guò)GNSS技術(shù)中的RTK（Real-Time Kinematics）來(lái)獲取高精度定位，結(jié)合單波束測(cè)深技術(shù)獲得的高精度水深，以獲得高精度水下測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)[10]。由于無(wú)人船在轉(zhuǎn)換航線(xiàn)時(shí)有轉(zhuǎn)彎半徑，需要在航線(xiàn)的端點(diǎn)與岸邊間設(shè)置安全距離，因此本次數(shù)據(jù)獲取采用自動(dòng)模式和手動(dòng)模式相結(jié)合的方法。

在測(cè)深開(kāi)始前，作業(yè)員通過(guò)岸基測(cè)深軟件測(cè)量狀態(tài)欄查看船只停靠處的水深讀數(shù)及水面高程讀數(shù)并與人工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比確保無(wú)誤。測(cè)深過(guò)程中通過(guò)岸基船控軟件實(shí)時(shí)視頻傳輸功能對(duì)航行過(guò)程中可能出現(xiàn)的障礙物等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行跟蹤，同時(shí)對(duì)測(cè)深軟件中的測(cè)深功率、增益和門(mén)檻等設(shè)置進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，保證航行安全和數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定。所有測(cè)深任務(wù)完成后，再對(duì)水深讀數(shù)及水面高程讀數(shù)進(jìn)行比對(duì)以確保測(cè)深數(shù)據(jù)可靠。本次航行共采集1 690個(gè)水下特征點(diǎn)坐標(biāo)以及200個(gè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)。

2 成果檢驗(yàn)及分析

2.1 數(shù)據(jù)處理及成果檢驗(yàn)

在所有測(cè)量完成后，需要通過(guò)測(cè)深軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，處理過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)改正和水深取樣。數(shù)據(jù)改正是對(duì)前期設(shè)置的如吃水值、坐標(biāo)參數(shù)等進(jìn)行后期添加和修改。水深取樣主要是由于單波束測(cè)深儀在運(yùn)行過(guò)程中易受到魚(yú)群、水草等因素影響，需要通過(guò)疊加數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)來(lái)判讀真假水深，本研究選擇中值濾波法對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)濾波，并對(duì)噪點(diǎn)進(jìn)行手動(dòng)改正，使輸出成果更貼合實(shí)際。

根據(jù)JTS 131—2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》對(duì)水深測(cè)量精度的要求，本研究通過(guò)對(duì)比主測(cè)線(xiàn)與檢測(cè)線(xiàn)重疊點(diǎn)水深數(shù)據(jù)，即在檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取50個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)深數(shù)據(jù)精度檢驗(yàn)以保證測(cè)深數(shù)據(jù)精度達(dá)標(biāo)。由表2可知，測(cè)深數(shù)據(jù)與檢測(cè)數(shù)據(jù)的差值有3個(gè)超過(guò)0.1 m，其余差值均小于0.1 m，本次樣本數(shù)據(jù)中誤差0.08 m，測(cè)量精度滿(mǎn)足JTS 131—2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》的精度要求。

表2 研究區(qū)水深測(cè)量數(shù)據(jù)精度對(duì)比表

2.2 水下地形成果分析

在水深采樣及數(shù)據(jù)改正完成后，根據(jù)導(dǎo)出的水下高程成果計(jì)算得到水庫(kù)基本特征數(shù)據(jù)（平均水深、庫(kù)容等）。本次外業(yè)測(cè)量時(shí)鄭紅水庫(kù)水面面積為0.143 km2，平均水深為3.13 m，水庫(kù)庫(kù)容為5.3×105m3，最大庫(kù)容為5.9×105m3。

同時(shí)，由高程數(shù)據(jù)成果可生成DEM成果（如圖4所示），從模型中我們可以看出：鄭紅水庫(kù)水下地形總體地勢(shì)平緩，起伏變化不大；等高線(xiàn)在水域西側(cè)較為密集，水深變化較大；水庫(kù)的深水區(qū)集中在西側(cè)，最大水深為6.02 m。

圖4 研究區(qū)DEM成果圖

3 結(jié)論與展望

本文主要基于GPS和水聲技術(shù)基礎(chǔ)上，運(yùn)用水下地形測(cè)量相關(guān)原理，采用無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)對(duì)南京市鄭紅水庫(kù)進(jìn)行水下地形測(cè)量，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn)和分析。得出以下結(jié)論與展望：

（1）由庫(kù)容大小可知鄭紅水庫(kù)是一座小型水庫(kù)，水庫(kù)深水區(qū)分布在西側(cè)攔水壩附近，整個(gè)水底地形較為平緩，水下地形特點(diǎn)為高程由西向東逐漸抬升。

（2）無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)在水利工程測(cè)量中應(yīng)用是可行的，尤其是在無(wú)法獲取載人船的小型水庫(kù)、湖泊等區(qū)域更能突顯其“小快靈”的特點(diǎn)，既保證數(shù)據(jù)真實(shí)可靠也為生產(chǎn)單位節(jié)省不必要經(jīng)濟(jì)開(kāi)支。本研究為無(wú)人船測(cè)深技術(shù)在水利工程的進(jìn)一步應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（3）本研究所用無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)仍然存在一些不足，在安全避障、避免水生植物纏繞推進(jìn)器等方面尚需進(jìn)一步完善，以提高其航行安全性及工作效率。

（4）水下地形測(cè)量技術(shù)已走向智能化、自動(dòng)化、高精度、高效率，仍然呈現(xiàn)立體測(cè)量的態(tài)勢(shì)，無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景，但現(xiàn)有設(shè)備在全自動(dòng)化、復(fù)雜環(huán)境高效作業(yè)等方面研究還需進(jìn)一步深入[11]。