無人船在攔沙導堤施工水下地形勘測中的應用

周和友，張玉明，顧永根，邱 征，劉 廣，方怡秋

（1.安徽省交通航務工程有限公司，合肥 230041；2.合肥工業大學 土木與水利工程學院，合肥 230009）

在攔沙導堤施工過程中， 導堤形態關系著堤體受水流沖刷破壞的影響程度［1］，因此勘測攔沙導堤水下形態，及時反饋攔沙導堤的斷面形狀，從而對拋填過程中的欠填部位進行及時補填，確保施工質量。水下地形的測繪主要結合定位和水下深度的數據至關重要［2］， 通常采用全球衛星導航系統定位方法（GNSS）， 或者傳統的光學定位方法和無線電測量定位方法等去實現。測繪水下高程可通過測量水深實現水下高程的計算，傳統方法采用測深錘、測深桿實現深度測量，通過讀取刻度獲得水深數據，但由于單點測量工作量大，測量不均勻，且易受人工操作影響［3］；也可采用單波束測深儀， 通過聲吶回聲探測水深，但水深深度變化較快情況下會導致測量結果精度低；相較之下多波束探測儀測點精度高［4］，覆蓋密度大，工作效率得以改善。當前水下地形測量方法結合現代化技術，如無人測量船和機載激光測量等應用在工程實踐中日益優化［5］，測區范圍限制小，自動化精確度高。

本文基于引江濟淮航道攔沙導堤工程中兆河口無人測量船技術勘測案例， 結合無人船搭載測深儀和RTK 獲得測區的水深和高程數據，對該區攔沙導堤的拋填水下斷面形態作出分析， 為類似導堤拋填過程中水下地形勘測工程的理論與實踐研究提供科學依據。

1 無人船技術

1.1 無人船應用進展

無人船作為水面最典型的智能平臺系統， 在內河級、 海工級和海防級均已實現了多行業應用與發展，如城市內河水質在線監測［6］，搭載監測傳感器的無人船，基于設定航行路徑走航監測取樣，進行污染團定位、排污口探測、污染物參數調查，為水污染防治提供數據支撐；海洋環境調查觀測［7］，搭載儀器設備的無人船獲取水深定位數據， 用于水下地形地貌測繪，及海洋地球物理指標、海洋生化指標等監測；海洋巡查執法［8］，當前無人船貨運應用處于發展初期，隨著我國無人船跨域貨運航線試點相繼開通，未來無人船將在航運業不斷由自動化向智能化演變。

1.2 無人船系統結構

本項目導堤施工水下地形現場勘測作業采用的是科微智能C100X 小型水面無人船，（如圖1），常用于內陸湖泊、 河流、 水庫等水文測流與水下測繪工作。船體結構采用雙M 型設計，全船自重20 kg，具有重心低、阻力小、航行穩、易攜帶的特點，同時船頭上的標配攝像頭可用于查看施工區域水質狀況， 以及雙玻璃鋼天線+遙控器雙玻璃鋼天線的設計，使得信號傳輸更穩定。船體載設計荷承重達10 kg，可根據項目需求搭載聲吶、 聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）、測深儀等設備。

圖1 C100X 小型水面無人船

1.3 無人船水下地形測量原理

水下地形勘測主要任務為確定測量點水底的三維坐標， 無人船搭載的測深儀連接超聲換能器可以測得行經點所在位置的水深數據，RTK 輸出定位經緯度信息，二者數據相結合得到水下點位三維坐標。無人船自動行駛過程中，GNSS 用戶設備為測量提供位置信息，定位精度達到厘米級。

2 無人船技術應用

2.1 測區工程背景

引江濟淮工程（安徽段）巢湖湖區航道及派河口服務區工程， 是引江濟淮發展江淮航運的重要樞紐工程。 航道兩側設置攔沙導堤是巢湖湖區航道疏浚工程和整治工程的重要組成部分， 其中兆河口門項目區地貌單元為沿江丘陵平原， 地貌亞區為江北丘陵波狀平原，微地貌單元為崗地，局部為坳溝，地面標高在4.36～6.01 m 之間，地勢平坦。針對巢湖湖區較為敏感的生態環境， 初步設計使用充砂管袋堤心斜坡堤或拋填人工砌塊斜坡堤方案。 拋填過程中可能存在拋投船移位間距過大，出現塊體拋填不均勻，甚至出現空缺的情況。 圖2 為無人船在施工現場進行水下地形測量。 無人船技術水下地形現場勘測作業可作為施工作業的輔助技術， 反映導堤水下拋投的實際情況。

圖2 測區施工現場

2.2 測區無人船測量

在攔沙導堤的拋填位置借助水上無人船進行了水下測量，采用的是南方自由行8.0 數據處理軟件，不僅能實現數據的采集、存儲、顯示、后處理，還能對測深儀設備進行控制和波形數據顯示， 動態監控導堤水下形態，及時反饋攔沙導堤的斷面形狀。無人船具體航線可通過自動模式設置航行間距， 在人工操作模式下可將測區分塊航行采集信息。 此次現場作業， 無人船在自動模式下圍繞測區攔沙導堤附近進行監測，共測量3 部分區域，如圖3。

圖3 電腦操作監控界面

監測區域位置數據含點名、經度、緯度和水底高程，采用國際WGS84 地心坐標系。其中對應區域1共測量了295 個點位， 大致位置為緯度為31.262°，經度為117.331°， 水底高程變化在2.75～3.60 m 之間，最大高差為0.85 m；對應區域2 共測量了357 個點位，大致位置緯度為31.261°，經度為117.331°，水底高程變化在0.63～3.70 m，最大高差為3.07 m；對應區域3 共測量了234 個點位， 大致位置為緯度為31.260°， 經度為117.330°， 水底高程變化在2.89～3.68 m，最大高差為0.79 m。

3 構建水下地形

3.1 衛圖處理

基于南方自由行8.0 測深軟件改正處理的離散點數據構建水下地形， 其中水底高程值為水位高程與原始水深之差。 具體將剔除后變幅誤差較大的數據點導入至衛圖軟件（采樣數據較多，選取區域一部分采樣點示例）如表1，坐標投影選擇WGS-84 坐標系經緯度投影，對象類型為點，通過軟件矢量標繪在地圖上，選取兩個路徑點勾畫路徑，采樣間距均為5米，形成地形剖面圖。

表1 區域1 部分采樣點信息表

3.2 地形圖繪制

采用Matlab 讀取上述離散采樣點數據信息，可繪制水下地形圖， 能較形象地呈現出某一區域的高低起伏。

圖4 為區域1 數據采樣離散點水下地形圖，能較好反映出整體的水下地形情況，有可以明顯看出導堤已進行了一部分拋填，呈山峰狀，大致高差為1 m，其他部分凹凸不平反映了測區水下地形存在起伏。針對施工區域設計形態， 結合生成的水下地形圖與定位信息， 可指導施工對拋填堤體欠拋與超拋部位的修整。

圖4 區域1 采樣離散點水下地形

4 結語

針對無人船技術在攔沙導堤施工區域完成水下地形勘測的應用問題，基于搭載測深儀和RTK 獲取研究區的航向水深數據構建水下地形， 采用衛圖軟件與Matlab 軟件進行處理，兩種方法相較，前者可呈現地形剖面圖，反映攔沙導堤水下局部拋填狀態；后者通過編程可實現呈現測區離散點分布圖、 等高線圖等，更加形象直觀，并能夠反映出水下地形整體情況。總體而言，無人船在航道導堤工程的水下地形勘測應用表明， 無人船自動化作業獲取的數據信息精度高，可有效地反映測區水下形態。本文的研究可為導堤施工水下地形勘測應用提供參考， 對輔助水下拋填施工，尋找施工欠拋填部位、提高施工質量具有重要意義。