陳立波，羅正龍，汪嵩

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042)

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無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)及水下測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析

陳立波*，羅正龍，汪嵩

(寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，浙江 寧波 315042)

針對(duì)水下測(cè)量較之于常規(guī)陸地測(cè)量存在諸多困難的情況，本文采用基于GPS測(cè)量技術(shù)的無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行水下測(cè)量，主要介紹了無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)的功能，水深測(cè)量和水下地形測(cè)繪的原理。通過(guò)對(duì)該設(shè)備的應(yīng)用和測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，表明該技術(shù)具有高度無(wú)人化、自動(dòng)化和智能化，能有效提高水下測(cè)量效率。獲取的水下地形數(shù)據(jù)精度較高，同時(shí)保障了測(cè)量人員的人身安全，具有較好的水下測(cè)量應(yīng)用前景。

GPS測(cè)量；無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)；水深測(cè)量；水下地形測(cè)繪

1 引 言

水下測(cè)量[1]根據(jù)測(cè)區(qū)類(lèi)型可以分為海洋測(cè)量和內(nèi)陸水域測(cè)量[2]，無(wú)論以上哪一種測(cè)量，水下測(cè)量都存在陸上測(cè)量難以克服的困難。首先是被測(cè)對(duì)象不可見(jiàn)，其次是水面的不穩(wěn)定性，這些都導(dǎo)致水下測(cè)量誤差較常規(guī)陸上測(cè)量大，甚至是測(cè)不準(zhǔn)。水下測(cè)量通常采用的方法是通過(guò)船只從水面測(cè)量水下地形地貌；為了克服水面的不穩(wěn)定性，也有涉水測(cè)量的方法，但是無(wú)論是船只或涉水測(cè)量，人員的風(fēng)險(xiǎn)性都較大?；谝陨显颍疚牟捎昧藷o(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行水下測(cè)量。它集成了衛(wèi)星定位、無(wú)人船智能導(dǎo)航控制、實(shí)時(shí)通訊等眾多先進(jìn)技術(shù)，提供了高精度、智能化、無(wú)人化、集成化、機(jī)動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的水下測(cè)量解決方案，有效提高了水下測(cè)量的數(shù)學(xué)精度，同時(shí)減少了工作人員的涉水風(fēng)險(xiǎn)。

2 無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及其功能

無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)由無(wú)人船平臺(tái)、自動(dòng)導(dǎo)航模塊[3]、聲吶探測(cè)模塊、GPS定位模塊、外圍傳感模塊、岸基操控終端、無(wú)人船專用軟件等組成(如圖1所示)。其主要測(cè)量原理是聲吶測(cè)深和GPS定位相結(jié)合[4，5]，從而測(cè)定水下特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。該系統(tǒng)同時(shí)還具備以下功能：

(1)具備自主導(dǎo)航功能。該無(wú)人船體內(nèi)安裝了一枚智能芯片，可以根據(jù)上傳的航線坐標(biāo)信息與GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取的坐標(biāo)信息進(jìn)行比對(duì)，實(shí)時(shí)調(diào)整無(wú)人船航向，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人船的自動(dòng)航行，航線追蹤能力強(qiáng)。

(2)具備智能避障功能(如圖2所示)。在無(wú)人船體靠前的位置安裝了兩個(gè)攝像頭和距離傳感器，無(wú)人船航行途中，操作人員能在岸上的監(jiān)視器上實(shí)時(shí)查看無(wú)人船前方的情況，前方一旦遇到障礙物，距離傳感器能實(shí)時(shí)把距離信息傳送給智能芯片，后者根據(jù)設(shè)定的安全距離實(shí)現(xiàn)智能避障，不需要人工操作，大大提高了無(wú)人船自主航行的安全性。

圖1 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖2 無(wú)人船障礙物探測(cè)避讓及儀器操作界面

(3)具備實(shí)時(shí)通信功能。本系統(tǒng)配備了高性能數(shù)據(jù)傳輸模塊和實(shí)時(shí)圖傳模塊，實(shí)現(xiàn)了船岸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通訊。船岸數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn) 10 km范圍內(nèi)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)射頻通訊。船上的攝像設(shè)備和數(shù)據(jù)獲取設(shè)備能實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)傳到岸上的工作站，同時(shí)岸上的工作站根據(jù)需要可以實(shí)時(shí)發(fā)送無(wú)人船操作指令，實(shí)時(shí)調(diào)整船只航行軌跡。

(4)具備平穩(wěn)、持久的航行能力。該無(wú)人船硬件系統(tǒng)也作了一些相應(yīng)改進(jìn)，比如把常規(guī)的單體設(shè)計(jì)改造成了三體設(shè)計(jì)，使得無(wú)人船重心更加低，抗風(fēng)浪能力更加強(qiáng)，船只運(yùn)行更加平穩(wěn)。另外提供了高容量鋰聚合物電池，可靠性和供電能力大大加強(qiáng)，單塊電池能連續(xù)工作 1 h，有效提高了野外工作效率。

2.2 系統(tǒng)測(cè)量原理

系統(tǒng)主要集成了GPS設(shè)備[6～8]、聲吶設(shè)備[9]和無(wú)人船設(shè)備(圖3)。其測(cè)量原理如下：當(dāng)聲吶測(cè)定水下O1點(diǎn)深度h1的時(shí)候，裝載在船上的GPS設(shè)備同時(shí)測(cè)得船表面O4點(diǎn)的平面坐標(biāo)X、Y和高程值H(O1、O2、O3和O4在同一豎直軸線上)。那么水底O1點(diǎn)的高程值H1可以通過(guò)式(1)計(jì)算獲得。

圖3 無(wú)人船測(cè)量原理示意圖

H1=H-h1-h2-h3

(1)

其中h2和h3是已知參數(shù)。而O1和O4的平面坐標(biāo)一致，為X和Y，這樣我們就獲得了水底O1點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

由于水面風(fēng)浪的影響，系統(tǒng)可能存在一定的測(cè)量誤差，誤差主要是由船的前后和左右傾斜造成。如圖4所示，假定此時(shí)無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定的O1點(diǎn)的三維坐標(biāo)為(X、Y、Z)，而X，Y其實(shí)為O8點(diǎn)的平面位置，另外由式1可知，Z≠H1，因此此時(shí)O1點(diǎn)的三維坐標(biāo)都偏離了真實(shí)值，即產(chǎn)生了誤差。本文的設(shè)備具有一定的傾斜補(bǔ)償功能，但是也僅僅適用于小角度，如果風(fēng)浪較大，測(cè)量誤差將增大，這種誤差將會(huì)隨著水深而變大，甚至超限，這在使用過(guò)程中需要注意。

圖4 無(wú)人船測(cè)量誤差原理示意圖

以上是單波束聲吶的情況，該情況下獲取的水底地形數(shù)據(jù)較為離散，為獲取更加密集的地形數(shù)據(jù)，需要加密航線。當(dāng)然，可以根據(jù)實(shí)際需要把單波束聲吶更換成多波束聲吶或側(cè)掃聲吶，這樣就能提高單航線下的工作效率，但是同時(shí)帶來(lái)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理的困難。本文試驗(yàn)所用的設(shè)備為單波束聲吶，因此不對(duì)其他情況展開(kāi)討論。

3 水下測(cè)量試驗(yàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)地點(diǎn)選在了一處面積約為 3 500 m2的開(kāi)闊魚(yú)塘。測(cè)量當(dāng)天水面平靜，水面風(fēng)浪對(duì)測(cè)量精度的影響基本可以忽略。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中分別試驗(yàn)了手動(dòng)遙控和自動(dòng)航行兩種模式(如圖5所示)，無(wú)人船運(yùn)行約 40 min，共采集水底特征點(diǎn) 1 000多個(gè)。

圖5 無(wú)人船測(cè)量工作照

從眾多數(shù)據(jù)中隨機(jī)挑選出50個(gè)位于魚(yú)塘中間的特征點(diǎn)，等魚(yú)塘排完水，對(duì)這50個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行人工放樣，并測(cè)量其高程值。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集，我們獲取了試驗(yàn)魚(yú)塘水底50個(gè)特征點(diǎn)位的兩套高程值。

3.2 結(jié)果分析

假定人工測(cè)量的高程值是真實(shí)值，我們把無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)獲取的高程值與其進(jìn)行比較，從而評(píng)定無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。兩套數(shù)據(jù)的空間分布情況如圖6所示，藍(lán)色點(diǎn)表示無(wú)人船測(cè)量高程，黑色表示人工測(cè)量高程，紅線表示魚(yú)塘范圍。兩套高程值具體如表1所示，Z1表示無(wú)人船測(cè)量高程，Z2表示人工測(cè)量高程。

圖6 無(wú)人船測(cè)量高程與人工測(cè)量高程比對(duì)圖

Z1及Z2數(shù)據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì) 表2

圖7 |△Z|分布直方圖

由表1、表2及圖7可知，△Z高程值大于零的個(gè)數(shù)為26個(gè)，小于零的個(gè)數(shù)為24個(gè)，基本成正態(tài)分布。無(wú)人船測(cè)量高程Z1和人工測(cè)量高程Z2平均值差值的絕對(duì)值為 1.2 cm，表明無(wú)人船測(cè)量數(shù)據(jù)整體精度較高。最大高差的絕對(duì)值為 13.1 cm，最小差值的絕對(duì)值為 0.1 cm，差值絕對(duì)值小于 4 cm的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)占總數(shù)的80%，表明無(wú)人船測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性強(qiáng)。假定以 ±10 cm作為無(wú)人船測(cè)量中誤差，超過(guò)2倍中誤差為粗差，則僅有3個(gè)點(diǎn)超過(guò)中誤差，粗差個(gè)數(shù)為0，表明無(wú)人船測(cè)量數(shù)據(jù)的個(gè)體精度也較高。綜上分析，無(wú)人船測(cè)量數(shù)據(jù)精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

3.3 注意問(wèn)題

經(jīng)過(guò)本次試驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)無(wú)人船使用過(guò)程中的幾個(gè)問(wèn)題，應(yīng)予以注意：

(1)本次測(cè)試水域面積較小，由于無(wú)人船存在一定的轉(zhuǎn)彎半徑，自動(dòng)巡航功能的優(yōu)勢(shì)很難發(fā)揮。由此也可以展望，無(wú)人船在較大的水域開(kāi)展工作，效率將有所提高。

(2)無(wú)人船裝備的聲吶存在測(cè)深死角(水深<40 cm)。魚(yú)塘靠近岸邊的部分由于水深太小，無(wú)法用無(wú)人船測(cè)量，需人工補(bǔ)測(cè)。

(3)本系統(tǒng)采用的單波束聲吶不具備穿透能力，遇到水中有較大懸浮物會(huì)產(chǎn)生噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，遇到水底有大面積水草的情形測(cè)量成果很難反映水底地形。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次試驗(yàn)采用無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)對(duì)魚(yú)塘水底高程進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)無(wú)人船測(cè)量高程與排水后人工測(cè)量高程、土方量[10，11]比對(duì)，表明無(wú)人船測(cè)量數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。另外，無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化技術(shù)提升了作業(yè)效率，同時(shí)有效保障了作業(yè)人員的人身安全，具有很好的工程測(cè)量應(yīng)用價(jià)值。本次測(cè)量試驗(yàn)所在魚(yú)塘水深淺，地形緩、波浪小，試驗(yàn)條件較為理想，不能綜合反映該設(shè)備在大型湖泊、河流等水情條件較為復(fù)雜情況下的表現(xiàn)。下一步將在復(fù)雜水情開(kāi)展測(cè)試工作，并將搭配不同的傳感器，進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)[12，13]、水庫(kù)庫(kù)容測(cè)量[14]等測(cè)試。

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The Research on Surveying and Mapping of Underwater by Unmanned Ship

Chen Libo，Luo Zhenglong，Wang Song

(Ningbo Institute of Surveying and Mapping，Ningbo 315042，China)

Because it’s much more difficult for mapping and surveying underwater than on ground，the unmanned ship system based on GPS measurement technology had been used in this research. This paper mainly introduces the functions of the system，the principle of water-depth measurement and topographic mapping underwater. Through the application of this equipment，it is found that the technology is highly unmanned，automatic and intelligent，it can improve the efficiency of underwater measurement and ensure the safety of people. The analysis of the data shows that the underwater terrain data got by this technique is highly accuracy，so it has a good prospect in underwater measurement.

GPS；unmanned ship system；water-depth measurement；underwater measurement

1672-8262(2016)05-151-04

P229.5，P258

B

2016—05—12

陳立波(1983—)，男，工程師，主要從事工程測(cè)繪和攝影測(cè)量與遙感。