基于無人船的水陸一體化測量技術(shù)研究與應(yīng)用

王宵雷，溫 旭，解全波，倪蔚瑜

（1. 浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 311100；2. 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

隨著測繪科學(xué)的發(fā)展，測繪技術(shù)已涉及海陸空各領(lǐng)域；同時人工智能、大數(shù)據(jù)、自動化技術(shù)的進步也為測繪行業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。國家“經(jīng)略海洋”戰(zhàn)略的提出，使得對水下以及水陸交接區(qū)域地形數(shù)據(jù)的需求日益強烈，給測量技術(shù)提出了更高的要求。在淺海、島礁等水域，測量船作業(yè)存在危險，且測量效率低下，復(fù)雜的測區(qū)環(huán)境導(dǎo)致測量精度難以滿足生產(chǎn)需求。為克服困難水域的測量難題、提高測量工作效率，無人船[1-3]技術(shù)成為一個理想選項，為測量人員提供了極大的便利，國內(nèi)也在這方面取得了重大成果[4-5]。無人船在環(huán)境監(jiān)測[6]、資源勘察[7]、科學(xué)研究和應(yīng)用[8]等領(lǐng)域發(fā)展迅速，能在惡劣條件下成功完成各種工作，成為當(dāng)前研究、發(fā)展和應(yīng)用的熱點之一[9-10]。

水陸結(jié)合部的數(shù)據(jù)采集工作一般分為水上和水下兩個獨立的工程[11]，水上部分多為人工利用實時動態(tài)RTK技術(shù)跑點或采用三維激光掃描技術(shù)、航空/天攝影測量技術(shù)、無人機遙感技術(shù)等獲取數(shù)據(jù)；而水下工程則一般利用單波束測深儀、多波束測深儀等采集水深數(shù)據(jù)。這種作業(yè)方法存在作業(yè)效率低，水上水下坐標(biāo)基準(zhǔn)不統(tǒng)一且數(shù)據(jù)精度不一致，沿岸懸崖陡坡泥地等困難區(qū)域人員無法到達而導(dǎo)致水上水下數(shù)據(jù)不連續(xù)、地形數(shù)據(jù)不完整等問題。水上水下一體化測量技術(shù)[12]通過集成激光掃描系統(tǒng)、多波束水深測量系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在同一坐標(biāo)基準(zhǔn)下同步獲取水上激光點云和水下多波束點云數(shù)據(jù)，為海島（礁）[13]、碼頭、水中建筑物的測量提供了新的方法和思路，具有重大意義。

為解決淺灘、環(huán)境復(fù)雜的水陸結(jié)合部測量困難和危險系數(shù)高等問題，提高工作效率和地形數(shù)據(jù)的完整度，本文將無人船技術(shù)與水上水下一體化測量系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了一套基于無人船的水陸一體化測量技術(shù)方案，并通過實際應(yīng)用驗證了該技術(shù)的可行性和有效性。基于無人船的水陸一體化測量系統(tǒng)能很好地適應(yīng)各種復(fù)雜水域環(huán)境，可同時獲取水上水下數(shù)據(jù)，作業(yè)效率和精度較高，能實現(xiàn)測區(qū)全覆蓋，具有很好的實用價值。

1 基于無人船的水陸一體化測量系統(tǒng)

基于無人船的水陸一體化測量系統(tǒng)以無人船為載體，集成了GNSS、多波束測深儀、激光掃描儀、高精度慣性導(dǎo)航等多種高精度傳感器，可選用自動駕駛和遠程遙控兩種方式對無人船進行控制，采用無線傳輸?shù)姆绞剑蓪崟r接收并分析處理所采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要由無人船系統(tǒng)、水上水下一體化測量系統(tǒng)和岸基系統(tǒng)3個部分組成，具體如圖1所示。

圖1 基于無人船的水陸一體化測量系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 無人船系統(tǒng)

無人船系統(tǒng)為水上水下一體化測量系統(tǒng)的載體，同時具備遠程遙控技術(shù)、無線通信和高精度定位導(dǎo)航功能，整個系統(tǒng)主要由船體、通信系統(tǒng)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4個部分組成。

1）船體。無人船船體采用合金材質(zhì)，具有船體輕、易搬運、易沖洗、吃水淺、耐腐蝕、耐碰撞等特點，主要承載各類通信設(shè)備和傳感器，船型設(shè)計可保證其在3～5級的風(fēng)浪條件下平穩(wěn)航行。

2）通信系統(tǒng)是鏈接無人船系統(tǒng)和岸基控制系統(tǒng)的重要窗口。無人船通過電臺通信的方式，實時地將無人船的工作任務(wù)狀態(tài)、航行姿態(tài)位置信息傳輸至岸基系統(tǒng)。另外，用戶也可實時獲取數(shù)據(jù)信息并進行瀏覽查看。

3）定位導(dǎo)航系統(tǒng)。由高精度GNSS接收機提供位置信息，實時定位船體位置。通過通信系統(tǒng)，測量員可在加載了測區(qū)底圖的軟件中實時查看無人船的行駛軌跡和當(dāng)前位置。

4）控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制無人船的航線。測量人員可根據(jù)測區(qū)的實際情況在手動遙控控制和自動控制兩種模式下自由切換，以適應(yīng)復(fù)雜的水域。同時，測量人員通過實時掌握船體狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)，便于發(fā)現(xiàn)錯誤信息，及時調(diào)整航行路線。

1.2 水上水下一體化測量系統(tǒng)

水上水下一體化測量系統(tǒng)為整個測量系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)采集和記錄各類傳感器數(shù)據(jù)。其設(shè)計原理如圖2 所示，主要包括激光掃描儀、多波束測深系統(tǒng)和組合導(dǎo)航系統(tǒng)。測量人員通過操控軟件，控制安裝在無人船上的水上水下一體化測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。具體傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 核心傳感器參數(shù)指標(biāo)

圖2 水上水下一體化測量系統(tǒng)設(shè)計原理

系統(tǒng)采用RIEGL VMQ-1HA 激光掃描儀進行高效率高分辨率高精度的三維移動測量。其基本原理是根據(jù)激光脈沖測得的空間距離、水平方向和垂直方向的步進角距值，計算得到目標(biāo)點的三維坐標(biāo)；同時利用全景相機拍攝物體的彩色照片，記錄物體的顏色信息，通過將圖像與點云數(shù)據(jù)進行匹配，得到物體的彩色三維信息。

系統(tǒng)采用Sonic 2024 多波束測深儀，具有60 kHz的信號帶寬，具有較高的分辨率、數(shù)據(jù)精度和圖像質(zhì)量。其基本原理是由換能器發(fā)射聲波，測量發(fā)射波與反射波之間的時間差，再根據(jù)聲速完成水深測量。Sonic 2024 具有在線連續(xù)調(diào)頻的優(yōu)點，測量過程中可根據(jù)實際環(huán)境調(diào)整系統(tǒng)頻率，從而實現(xiàn)最佳的量程和條帶覆蓋寬度。根據(jù)實際作業(yè)測區(qū)情況，覆蓋角度可在10～160°范圍內(nèi)選擇。

POSMV 組合導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS/IMU）為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了位置姿態(tài)信息。POSMV 通過對GNSS 與IMU 的角速度和加速度數(shù)據(jù)進行融合，為其他系統(tǒng)提供精確且穩(wěn)定的定位和定向數(shù)據(jù)；采用微秒級的時間精度對位置（經(jīng)度、緯度和高程）、方向（橫搖角、縱搖角和航向角）、涌浪、速度和性能指標(biāo)進行同步，具有定位精度高、穩(wěn)定性強的優(yōu)點，絕對定位精度小于5 cm。在遇到GPS 信號接收不連續(xù)或多路徑效應(yīng)的情況下，具有消除定位漂移和快速重新獲取信號的功能。

1.3 岸基系統(tǒng)

岸基系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、岸基控制軟件和通信系統(tǒng)組成。基準(zhǔn)站可根據(jù)實際需求自由架設(shè)，并向流動站實時提供差分?jǐn)?shù)據(jù)鏈，以獲取無人船高精度的位置信息；岸基控制軟件主要為PC 版軟件控制系統(tǒng)，包括參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、船體控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等；通信系統(tǒng)可實時接收、分析、處理和顯示無人船的各項瞬時動態(tài)信息以及各傳感器的工作狀態(tài)。

2 測量應(yīng)用與精度分析

2.1 測區(qū)概況

小湖南鎮(zhèn)水庫位于浙江省衢州市衢江區(qū)（圖3），大壩高129 m，水域面積為2 151 km2，儲水可達20億m3。水庫整體地勢陡峭，水上水下地形變化較大，養(yǎng)殖攔網(wǎng)區(qū)較少，通航性較好，水草等浮游生物較少，通航安全性高；最深處在100 m以上，近岸處水深為4～5 m，能保證無人船在近岸行駛時的安全性，最大程度地保證近岸水下地形覆蓋的完整度。由于水庫面積和水面風(fēng)浪較大，將對無人船的測量工作帶來一定的影響。

圖3 小湖南鎮(zhèn)水庫

2.2 作業(yè)流程

本文主要對水庫大壩及其周圍岸邊水上水下進行數(shù)據(jù)采集，測量系統(tǒng)承載平臺采用無人船上安裝的剛性結(jié)構(gòu)。外業(yè)操作主要包括基準(zhǔn)點建立、多傳感器鏈接、參數(shù)設(shè)置、航線布置、設(shè)備初始化、水上水下數(shù)據(jù)采集等過程。基站架設(shè)在岸上開闊地帶，基于無人船的水上水下一體化測量系統(tǒng)和RTK實測均采用同一個岸上的基準(zhǔn)點。坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84基準(zhǔn)和高斯3°帶投影，高程系統(tǒng)為WGS84橢球高。數(shù)據(jù)處理主要包括POS數(shù)據(jù)解算、水深數(shù)據(jù)融合、點云數(shù)據(jù)濾波、水上水下數(shù)據(jù)拼接等步驟。

2.3 測量結(jié)果與分析

本文主要對水庫水下以及水陸交接區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，包括水上激光掃描點云數(shù)據(jù)和水下多波束點云數(shù)據(jù)兩個部分。水庫水上水下整體點云數(shù)據(jù)如圖4 所示，岸邊區(qū)域和大壩區(qū)域水上水下拼接效果如圖5、6所示，可以看出，基于無人船的水上水下一體化測量系統(tǒng)通過同步采集水上水下數(shù)據(jù)，極大程度地保證了地形的完整度，可實現(xiàn)水上水下區(qū)域的無縫拼接。

圖4 水上水下點云數(shù)據(jù)

圖5 岸邊區(qū)域數(shù)據(jù)

圖6 大壩區(qū)域數(shù)據(jù)

本文利用檢核點對系統(tǒng)精度進行檢測和分析。檢核點一般選取水庫大壩上方護欄拐角、路燈、電線桿、獨立石頭等明顯且易測量的地類地物點，部分地類地物檢核點如圖7所示。首先利用RTK實測采集這些檢核點的坐標(biāo)，然后對基于無人船的水上水下一體化測量系統(tǒng)中采集的檢核點坐標(biāo)進行提取，最后對地類地物同名點的兩套坐標(biāo)進行精度統(tǒng)計分析。

圖7 部分檢核點的選取

本文共采集50個檢核點，每個點都是有效點，從中隨機抽取10個點作為樣本點，樣本檢核點的坐標(biāo)差值對比結(jié)果如表2所示，可以看出，平面和高程的最大偏差均小于10 cm，其中E方向最大偏差為9.1 cm，N方向最大偏差為8.6 cm，U 方向最大偏差為8.9 cm。根據(jù)《水利水電工程測量規(guī)范》中地形點的圖上精度為0.5～0.6 m，基于無人船的水上水下一體化系統(tǒng)的實測精度滿足水利水電工程大比例尺地形圖的測圖精度要求。

表2 樣本檢核點精度對比

通過對小湖南鎮(zhèn)水庫一體化測量數(shù)據(jù)的分析可知，基于無人船的水上水下一體化測量系統(tǒng)在小湖南鎮(zhèn)水庫區(qū)域采集的數(shù)據(jù)比較完整，實現(xiàn)了平面和垂直基準(zhǔn)的統(tǒng)一，重點地物已實現(xiàn)水上水下無縫拼接，順利完成了該區(qū)域水上水下地形的采集任務(wù)。船載激光點云位置和高程精度符合1∶2 000地形圖測量的基本精度要求，點云重復(fù)測量精度優(yōu)于10 cm@100 m，水深精度優(yōu)于0.1 m，符合相關(guān)測量規(guī)范要求。

3 結(jié) 語

本文利用基于無人船的水上水下一體化測量系統(tǒng)對小湖南鎮(zhèn)水庫進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)成果能很好地反映沿岸水上水下地形情況，尤其是在水陸相接的部分，達到了無縫拼接的效果。根據(jù)本次實際測量結(jié)果，基于無人船的水上水下一體化測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1）系統(tǒng)能很好地適應(yīng)測區(qū)復(fù)雜的水域環(huán)境，無需人工干預(yù)，可實現(xiàn)全自動作業(yè)。

2）系統(tǒng)能很好地保證測量人員的安全，有效避免涉水危險，對淺灘、水質(zhì)污染、懸崖等人工測量困難或無法到達的區(qū)域具有很高的適應(yīng)性。

3）系統(tǒng)實現(xiàn)了水上水下數(shù)據(jù)的同步采集，提高了外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率。

基于無人船的水上水下一體化測量系統(tǒng)集成了多波束測深儀、激光掃描儀和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等多種傳感器，實現(xiàn)了水上水下地形的快速、精準(zhǔn)測量，解決了水陸交接區(qū)域數(shù)據(jù)覆蓋完整度低的問題，為實現(xiàn)基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)的完整覆蓋、建設(shè)水陸完整地形數(shù)據(jù)庫，提供了優(yōu)質(zhì)、高效的地理信息服務(wù)保障。