無人船在水利建設工程水下地形測量中的運用

陳 鵬，劉存信，張世見

（山東省地礦測繪有限公司，山東 濟南 250002）

近些年來，隨著我國經濟的快速發展，國家加大了水利等基礎設施工程建設的投入力度，相應的一些測量技術也受益于此，并獲得很大的優化和完善。無人船測量在水下測量技術中是非常成熟和高效的技術，利用裝設電子測量和信息處理設備，使得無人船能夠更加有效完成水下測量任務。因為其存在的一些技術優勢，也得到業界高度的認同，并成為目前廣泛采用的水下測量方式。而電子信息技術的不斷進步，也會推動無人船水下地形測量技術升級，無人船水下測量具備更廣闊的發展空間。

1 無人船水下地形測量技術概述

無人船水下地形測量技術中，無人測量船為載體，并加裝了一套性能強大的水域測繪系統，該系統軟硬件結合，船載設備包括聲納測深設備、GNSS、羅盤儀等，同時還需要配備岸基電腦操作導航及控制軟件。在測量時，無人船會在待測水域根據設定航線以固定速度行駛，行駛過程中對水下地形信息進行數據的即時采集，相關測量數據最后經過數據處理，自動生成測繪文件。通常情況下，水下地形測量方式大多采用單波束測深儀，該儀器被安裝在船上，與GNSS、后處理軟件設備等共同完成導航、定位、數據采集、信息處理等功能，并將所獲得數據信息自動生成三維坐標。

在實際的工程水下測量過程中，需要解決一些技術性難題，包括測量船難以靠近的淺水區域、水流湍急區域、河流阻斷水域等，此時，利用無人測量船是比較適宜的測量方式，無人船既能夠沿著設定航線進行測量工作，也可以通過遙控方式完成測量作業，各種測量環境都可以很好地適應。

2 無人船水下地形測量案例分析

采用無人船進行水下地形測量，需要根據具體測量對象和內容研究作業的船型和實施方式。為更有效闡述相關流程，文章通過實際測量案例進行相應的解釋和說明，進而提高文章的針對性和實用性。

2.1 無人船測量水域基本情況

本次測量水利工程為某水庫，該水庫水域共4.8 km2，位于某河流支流上游。整個水庫工程規模為中型水庫，實際設計功能主要包括：供水、防洪、灌溉、觀光、養殖等。無人船測量區域的水下平均深度約5.2 m，其最深處可以達到15 m左右。水下地形比較復雜，整體呈東北部深西南部淺的形狀，且擁有大小不一幾個孤島。水庫西南部較淺區域有許多魚類養殖圍網，水庫北部近岸區有大量蘆葦。測量作業時段為10月份，是水庫捕魚期，對整個作業過程有一定影響。

測量作業任務是完成水庫水域內水下地形的測量，并將測量結果按照比例尺規格為1∶2000標準輸出。為保證達到測量精度，無人船航線以40 m作為間隔，在測量航線上間隔10 m設置數據采樣點。因為本次測量選用無人船測量設備具有自動采集功能，其自動設置的采樣間隔會比人工設定的間隔稍小，因此，在最終獲得數據的處理上需要適當進行抽稀。實際測量中，對于水下地形有比較大的起伏或地形復雜的情況，測量中會根據具體情況適當降低航線間隔和測量采樣點間距，以保證地形測量的充分精確。

2.2 無人測量船的硬件組成及其技術內容

本次測量任務所選用的無人測量船主要包括兩個組成部分：一是探測船。探測船主要的構成部分又分為船體、推進器、船載主控系統、測量系統、基礎電源以及無線傳輸系統等，其中，船體、推進器和船載主控系統主要完成無人船的航行及航行控制功能，而測量系統、基礎電源及無線傳輸系統負責測量、通信及相關輔助功能。二是岸基礎控制系統。岸基礎控制系統主要構成部分包括三個：筆記本電腦、基礎性通訊單元、基站，用于對測量數據的收集整理，同時對進行測量船遙控操作。

通信技術對于整個測量作業實施有著至關重要的影響，在通信技術選擇方面必須確保探測船與岸基礎控制系統的通信鏈接高效穩定，才能充分保障對測量過程的完全控制，同時，大量測量數據實時傳輸，控制軟件通過無線通信設備實現高質量互動，岸基礎控制系統將來自測量船的運行參數和水下地形測量數據完整接收，為數據處理可信度奠定技術基礎。數據處理技術具有高度兼容特點，與RTK這種常規化工程測量技術相比，可以支持電臺模式和網絡模式，能夠充分表現出管控完整性優勢，同時在運行系統化方面，其優勢也非常顯著。

2.3 無人船水下測量技術路線的選擇

本次水庫水下地形測量選用的無人測量船具有比較先進的智能避障功能，但在實際操作中發現這些避障功能還不具備完全自動化和智能化的運轉水平，遇有特殊情況難以自主處理，還需要通過人工干預方式完成相應的測量工作。尤其是與障礙物非常接近，或者對近岸水下地形進行測量作業時，當無人船安全系統檢測到警戒距離范圍內有障礙物時會自動停機，以防與障礙物發生碰撞。此時，需要切換到人工遙控作業模式，將船內裝設的避障系統屏蔽，才能繼續完成測量任務。因此，船體避障設備可以當作是一種輔助性作業方式，在對水庫進行水下地形測量的航線設計時，要充分考慮到這一問題，航線需要繞開障礙物較多的水面區域。在對無人船測量航線進行設計前，需要首先對測區進行人工踏勘，對水面的障礙區以及圍網區等區域進行標注，確保航線的可行性和合理性。

內業的任務首先是通過收集的地形圖資料與衛星影像進行套合，衛星影像要確保是最新整理的資料。就目前的無人船測量技術而言，一些測量無人船的軟件可以直接下載目標地域的影像資料，非常方便地在影像地圖上直接完成航線的設定。對于沒有待測區域地形圖的情況，可充分利用外業中采集到的現場特征點坐標，再在內業中利用CASS軟件對坐標進行調整和校正，再利用經過校正的衛星影像來確定測量要避開的障礙區，對無人船的航線進行設計。設計完成的航線要通過軟件進行轉化并導入到岸基操控軟件中，文件以dxf格式進行存放。測量前就能夠依據套合影像對航線中的那些障礙區進行識別，包括淺灘、圍網、孤島和其他一些人工設施等。

在實際測量作業時，無人船會在超出操作者視線范圍時發生各種問題，諸如靠岸貼邊、擱淺、掛住圍網等情況幾乎不可避免，通過手動方式對測量無人船進行遙控以有效回復正常作業狀態是非常麻煩的事情。為盡量避免這些問題的頻繁發生，在外業操作前盡可能做好充分準備，對潛在風險區可直接采用人工遙控方式完成作業任務，防止擱淺等問題發生。

2.3.1 外業數據采集

在外業數據采集過程中，必須確保無線通信質量，使得岸基基站數據、無人船GNSS坐標數據、無人船測深數據等重要數據信息在數據采集過程中可以高效準確傳送。首先，船載GNSS會接收到岸基基站發送的GNSS數據，并實時完成測量船坐標的精確定位，同時，船載電腦也會對所獲得的各種重要數據信息進行采集，包括船體的坐標數據、水深數據以及無人船運轉參數等，這些數據信息都要實時進行傳送，岸基基站的筆記本電腦接收相關信息，根據測量作業需要發送各種指令。其次，要確保整個系統各節點不發生任何問題，如果任意一個環節出現問題，都將對采集數據的精確性和可用性造成負面影響。為此，在外業作業過程中會選擇使用遠距數據傳輸天線，使得傳輸質量得到根本保障。在自動巡航測量作業時，要考慮到設置合理的轉彎半徑，在障礙物和潛在障礙區域預先做好航線的設置，使得轉彎半徑可以滿足正常測量要求。必要時還需手動遙控完成對特定區域的測量，保證采集數據完整可用。

2.3.2 數據處理

在對測量數據進行處理時，需要考慮測量精度的問題，因此在測量的距離間隔和時間間隔上，要有非常嚴格的控制。無人測量船測量獲取的數據無法直接用作最終的效果圖中，必須通過粗差剔除、數據抽稀等一些數據處理操作，才能有效使用。本次測量的數據處理，針對水下地形數據通過無驗潮模式進行處理，水面高程數據以及水深數據經過進一步處理形成水下地形的正高數據。處理后，獲得水下地形等高線，這些等高線能夠非常直觀地描述出水庫水下地形。

2.4 測量精度檢核

對測量精度進行檢核，這是核對測量數據精確性的必要工作流程，也是確定測量準確性和可用度的關鍵環節。在本次測量中，對測量數據的檢核通過兩種方式完成：一是無人船檢校航線自檢測校驗，就是通過對無人船布設校驗航線將已經測量過的水下地形數據再次檢測，并與先前數據進行對照，完成自檢校；二是自動記錄測深儀檢測進行校驗，選擇機船搭載自動記錄測深儀對所測量數據進行檢校，該校驗方式可以保證校驗精度。

3 無人船水利工程水下地形測量應用分析

基于實際測量案例的具體操作，可以對無人船水利工程水下地形測量的具體應用狀況進行分析，從中得出測量作業的技術要點，對于其他測量作業有一定參考借鑒價值。

3.1 確保操作人員的有效參與

無人船對水下地形進行測量，這已經是非常成熟并廣泛采用的技術方式，在作業過程中，有一些技術標準和操作流程需要得到嚴格落實。從前述水庫測量案例已經看出，整個測量過程中所涉及到的數據采集、處理和校驗環節，都需要人與設備的有效配合，才能最終保證測量結果達到預期目標。測量工作要將操作人員與水利工程測量作業的具體要求相結合，基于水域條件對水下地形進行測量數據信息的深度處理和融合考慮到測量中對無人船航線造成干擾的影響因素較多且存在較大不確定性，完全依賴自動航線測量難以保證其有效實施，需要人工采用遙控干預方式完成地形測定工作。整個測量過程中，基站操作要與無人船外業操作保持充分數據共享，包括無線通信和操作指令能夠實時完成。

3.2 確保數據信息準確可靠

為確保測量精度和準確性，包括岸基系統和測量船的定位系統，都應該能夠提供精確的位置信息，這些信息內容是整個測量的定位標準，如果這些數據不夠精確，那么整個測量的數據都將失真。為此，作業人員對于岸基系統基站位置的定位，必須在確保定位系統工作狀態良好的情況下嚴格根據操作流程來確定，這對于無人測量船完成測量工作流程達到設定標準是必不可少的助力。在無線通信保障方面，也需要加強質量控制，通過提升設備的性能使得測量船與岸基控制系統的數據交流保持完整性和實時性。為此，可以考慮在適合環境中使用遠距數據傳輸天線，通過設備功能強化以加強整個測量過程中無線通信的保障能力。

4 優化無人測量船應用效果的建議

無人測量船對水利工程的水下地形進行測量，這是目前業內高度認可的技術模式，隨著相關技術的進一步完善，測量精度、準確性等方面都有顯著提升。而就目前發展水平來看，要優化無人船測量效果，提升測量效率和準確度很有必要。具體來說，無人船測量的應用優化措施可以從三個方面進行：

4.1 優化無人測量船的技術體系和運行效率

優化無人測量船的技術體系和運行效率，實現其全面升級，重點在于對避障功能進行完善，提高無人船在復雜障礙環境中的運行質量。在實際操作中，更多采用人工遙控方式進行操作來規避障礙物，但受視野盲區的限制，很難對障礙物的距離作出準確判斷，這也是測量作業的安全隱患。通過優化技術和操作保障無人船避障運行能力，這是提升測量質量的一個重要方向。

4.2 重視岸基系統的信息模塊質量

無線通信對于整個測量作業而言是最重要的保障技術手段，通信質量與岸基系統和無人測量船通信單元密不可分，確保信息模塊達到測量實時通信所需的完整性和有效性。一是要提升設備的整體技術性能，選用更高質量的通信模塊設備完成相應的功能；二是要加強操作管理，在通信過程中做好各種情況的預判和預案，出現問題能夠即時有效予以解決。

5 結束語

綜上所述，采用無人船對水利建設工程水下地形進行測量，可以達到較高的自動化和智能化水平，同時在測量精度和準確性方面也有比較顯著的優勢。在實際測量中，要根據具體情況進行具體分析，水面障礙物以及水深對測量的影響，都應該作出準確預判，并在航線設置過程中給予體現。在航線間隔和數據采集點距離設置上，要確保滿足測量的精度要求。數據處理和數據校驗也是測量的重點環節，應該在實際測量中按照要求加以嚴格控制。