無人船搭載多波束測(cè)量技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用

于剛

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230009）

1 概述

水下地形測(cè)量是掌握水下地理信息的重要手段，傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法，主要是通過皮筏艇、人工手持RTK、機(jī)動(dòng)船等方式來完成，這些手段效率低，危險(xiǎn)性大，容易受地形限制，淺水區(qū)、水流湍急區(qū)域難以到達(dá)，無法獲取完整高精度的水下地形數(shù)據(jù)。

隨著科技的發(fā)展，新的測(cè)量手段也層出不窮。在水下地形測(cè)量中無人船和多波束應(yīng)用越來越廣泛，以無人船為載體，搭載多波束進(jìn)行水下地形測(cè)量成為了一種新的水下三維數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，并且越來越多的應(yīng)用在了河道測(cè)量、水庫測(cè)量、近海測(cè)繪等水利測(cè)繪領(lǐng)域。

2 無人船多波束測(cè)量技術(shù)

2.1 無人測(cè)量船的優(yōu)勢(shì)

①船體體積小、重量輕、吃水淺，隨車方便攜帶，深水淺水區(qū)均可使用，大大降低人力成本。②可根據(jù)任務(wù)需求搭載不同水下地形測(cè)量設(shè)備，結(jié)合RTK水下地形測(cè)繪，獲取更加精準(zhǔn)的水下地形數(shù)據(jù)。③地形復(fù)雜的水域，無人船可以靈活控制，避免了測(cè)量人員的安全隱患。④無人船可以根據(jù)水域分布情況發(fā)布任務(wù)指令，根據(jù)地面站指令，無人船全自動(dòng)完成測(cè)繪任務(wù)并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)遺漏或少測(cè)情況出現(xiàn)。

2.2 多波束測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

①精度高。多波束波束角一般0.50°～2°，單波束角大約為6°～8°，根據(jù)測(cè)量理論，波束角越小，所測(cè)水深值越接近真實(shí)值，對(duì)水下地形地貌的反映越準(zhǔn)確，見圖1。在水流和涌浪較大的測(cè)區(qū)，會(huì)引起船體的傾斜和搖晃，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)位置的偏移和水深的誤差；而多波束的橫搖和縱搖改正可以有效的避免此類誤差。②分辨率高。單波束的測(cè)量原理是“由點(diǎn)到線”，通過單個(gè)測(cè)量點(diǎn)的累加得到線的效果，多波束則是“由線到面”的方式，一次測(cè)量即可得到大量的水深點(diǎn)，可獲得線的測(cè)量效果，再隨著搭載工具的移動(dòng)，進(jìn)而得到面狀的測(cè)量效果。③效率高。多波束以水深的8倍覆蓋寬度掃測(cè)，降低了作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，提升了測(cè)量效率。

圖1 單波束與多波束對(duì)比圖

3 項(xiàng)目實(shí)踐

為了驗(yàn)證無人船搭載多波束技術(shù)的效果，選取皖南山區(qū)某水庫進(jìn)行測(cè)量實(shí)踐。由于2020 年夏季連續(xù)暴雨引發(fā)山洪，使水庫環(huán)境及周邊景點(diǎn)受損嚴(yán)重，需要對(duì)水庫的淤堵狀態(tài)，靠近山體側(cè)石塊、樹木的散落情況以及周邊環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)勘查，及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。

經(jīng)初步調(diào)查，水庫位置與景區(qū)重疊，且水下地形復(fù)雜，山洪過后，水域內(nèi)存在大量漂浮物，靠近山體側(cè)水深低于1 m，并且樹木、碎石縱橫交錯(cuò)，數(shù)據(jù)較難獲取。基于上述實(shí)際狀況，經(jīng)過對(duì)比，選擇無人船搭載多波束的測(cè)量方案作為最終選擇。

3.1 無人船的選擇

選擇吃水淺、重量輕、體積小的無人船，以保證在淺水流域和無船水域也能暢通無阻，并且在狹小空間內(nèi)也能靈活調(diào)頭；船體應(yīng)該具有一定的穩(wěn)定性，以保證搭載多波束時(shí)能平穩(wěn)航行和數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性。經(jīng)過綜合對(duì)比，選擇華測(cè)公司華微6號(hào)無人船作為搭載工具。

其主要參數(shù)見表1。

表1 華微6號(hào)無人船主要參數(shù)表

3.2 多波束的選擇

傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)輔助設(shè)備多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無人船難以承載。此次選擇NORBIT 公司的iWBMS 系列多波束測(cè)深儀，多波束體積小、重量輕、系統(tǒng)高度集成、操作簡(jiǎn)單、便于攜帶、功耗低，免安裝校準(zhǔn)，省去了橫搖、縱搖檢測(cè)等繁瑣步驟，減少了測(cè)量前的準(zhǔn)備時(shí)間。

其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 iWBMS多波束主要參數(shù)表

3.3 作業(yè)流程

無人船搭載多波束相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量其過程更加復(fù)雜，具體的作業(yè)流程見圖2。

圖2 無人船搭載多波束的作業(yè)流程圖

3.4 實(shí)施方案

3.4.1 測(cè)區(qū)邊界采集

利用手動(dòng)控制測(cè)量的方式采集水庫邊界，確定測(cè)量范圍，采集過程見圖3。

圖3 測(cè)區(qū)邊界采集圖

3.4.2 航線設(shè)置

在手動(dòng)測(cè)量確定的邊界內(nèi)布置測(cè)線，測(cè)線間隔為50 m 一條，軟件界面見圖4。測(cè)量過程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行手動(dòng)與自動(dòng)的靈活切換。既能確保測(cè)量過程的安全性，又能保證關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)質(zhì)量，還有效提高了測(cè)量效率。

圖4 部分測(cè)線布置圖

3.4.3 測(cè)量成果分析

經(jīng)過外業(yè)采集和數(shù)據(jù)后處理，獲得了清晰的水下三維地形圖和斷面圖，見圖5、圖6。

圖5 水下三維地形圖和典型斷面圖

圖6 水庫入水口處水下三維地形圖

結(jié)合水下三維地形圖和斷面可以判斷出，水庫中最深的區(qū)域約15 m，最淺區(qū)域?yàn)榧s0.40 m。圖方框1、2、3標(biāo)注的區(qū)域存在大量的樹木，靠近山體側(cè)的方框4 有石塊堆積，存在淤積現(xiàn)象，與周圍水域有約1.50 m的落差。

配合軟件從圖中可以看出水庫入水口部位長(zhǎng)186 m，寬68 m，其中深水區(qū)域10.04 m，最淺區(qū)域0.80 m。其中入水口到下游的方向有175.36 m的范圍水深變化1～3 m，在現(xiàn)場(chǎng)入水口能清晰地看到有災(zāi)后形成的堆積物（左側(cè)框選位置形成一片灘涂，無人船無法進(jìn)入）。

結(jié)合水下三維地形圖和斷面圖可以直觀看出整個(gè)水庫的水下地形情況，可以為后續(xù)的水庫治理提供翔實(shí)全面的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

此次對(duì)該水庫水下地形成果的分析，證明了無人船搭載多波束的技術(shù)在復(fù)雜的水域環(huán)境中也能高效可靠地完成水下地形勘測(cè)任務(wù)。既能滿足測(cè)量的精度要求，還大大減少了外業(yè)的工作量。提高了工作效率的同時(shí)，也避免了外業(yè)人員水上作業(yè)的危險(xiǎn)性。真正做到了智能化、高精度、高效益，可以預(yù)見這種作業(yè)模式將成為水下地形測(cè)繪的重要發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)測(cè)繪行業(yè)向智能化、數(shù)字化、精準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)型升級(jí)起到積極的推動(dòng)作用。