孫濤

摘 要：通過介紹遙控測(cè)深船的構(gòu)成和運(yùn)行原理，結(jié)合部分理想環(huán)境下檢測(cè)實(shí)驗(yàn)和滴水湖景觀帶水深測(cè)量工程的實(shí)例，闡述遙控測(cè)深船的工作原理和適用環(huán)境，論述其測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性和在相關(guān)水深測(cè)量工程中應(yīng)用的可行性，說明此方法相比于傳統(tǒng)人工水深測(cè)量的優(yōu)勢(shì)所在。

關(guān)鍵詞：海綿城市；水深測(cè)量；遙控測(cè)深船；NMEA0183；單波束聲吶

中圖分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）21-0088-02

1 概述

當(dāng)下，很多城市都出現(xiàn)過這樣的情況，每當(dāng)下大雨的時(shí)候整座城市就會(huì)變成一片“汪洋”，給人們的生活帶來了諸多不利。在這樣的背景下，“海綿城市”的概念就應(yīng)運(yùn)而生。然而，“海綿城市”的建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，我們首先需要掌握城市水體的具體情況。水深測(cè)量就是掌握城市自然水體和河道情況的具體方法、手段。水深測(cè)量作為海綿城市建設(shè)中不可或缺的重要手段，其應(yīng)用正在不斷得到深化和擴(kuò)大。不論是在河道疏浚、港口設(shè)計(jì)選址、內(nèi)陸防洪還是人工湖泊、圍海造田等工程，都需要進(jìn)行大面積的水深測(cè)量。通過水深測(cè)量可以得知某位置水面以下的深度，從而衍生得出水下地形地貌、航道上障礙物或水體體積等相關(guān)信息。

傳統(tǒng)的水深測(cè)量一般是人工利用測(cè)深錘或測(cè)深儀對(duì)個(gè)別點(diǎn)位進(jìn)行水深測(cè)量，這種測(cè)量方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且獲取的水深數(shù)據(jù)極其有限，無法滿足大面積水域測(cè)量的要求。從傳統(tǒng)的水深測(cè)量逐步發(fā)展到超聲波測(cè)深，但依然需要船只進(jìn)行拖拽，定位方式也只有精度較低的微波定位。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，尤其針對(duì)水上、水下作業(yè)等特殊環(huán)境下的測(cè)量，遙控、遙測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為一種必然的趨勢(shì)，它不僅把測(cè)量人員從繁重、危險(xiǎn)的工作中解放出來，而且還可以自動(dòng)化采集大量數(shù)據(jù)。本文即以滴水湖景觀帶水深測(cè)量工程為例介紹一套遙控測(cè)深船系統(tǒng)。

2 遙控測(cè)深船系統(tǒng)構(gòu)造

遙控測(cè)深船由四個(gè)部分組合而成，它們分別為船體模塊、聲納測(cè)深模塊、平面定位模塊和無線遙控模塊。

2.1 船體模塊

船體模塊由船體、動(dòng)力、主控和船體回歸單元構(gòu)成。其中船體單元是工程塑料制作的密閉、穩(wěn)定的船體，船艙中承載了動(dòng)力單元、聲納測(cè)深模塊和平面定位模塊，各個(gè)系統(tǒng)合理的分布在船體中。經(jīng)過調(diào)整和測(cè)試，船體的吃水深度為0.15m。

動(dòng)力單元由兩塊高容量鋰電池作為船體的動(dòng)力來源，兩個(gè)馬達(dá)配套螺旋槳作為船體的動(dòng)力輸出系統(tǒng)，螺旋槳后設(shè)置兩個(gè)舵來控制船體行進(jìn)方向。

主控單元是船體的中樞神經(jīng)。它包含通訊單元、船體回歸單元。通訊單元將各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)匯總起來，統(tǒng)一處理后再將數(shù)據(jù)分發(fā)給各個(gè)系統(tǒng)。它主要起到各個(gè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和指令傳輸?shù)墓δ?，其中包含?duì)無線遙控模塊發(fā)出指令的接收，同時(shí)將該指令處理后傳達(dá)給動(dòng)力控制單元從而控制船體動(dòng)作；也包含將各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在主控單元的SD卡上，然后將這些處理后的數(shù)據(jù)傳送給無線遙控模塊。

船體回歸單元是此測(cè)深船中比較特殊的單元。它是記錄本次船體運(yùn)行的起點(diǎn)，然后監(jiān)測(cè)電源剩余電量是否不夠返程或無線遙控模塊對(duì)船體失去無線鏈路控制時(shí)，主動(dòng)發(fā)出指令使船體返回起點(diǎn)的單元。這個(gè)單元保證了船體在發(fā)生一些異常狀態(tài)的情況下可以自動(dòng)回歸的行為。

2.2 聲納測(cè)深模塊

聲納測(cè)深模塊包含了回聲測(cè)深儀、水溫計(jì)和電子羅盤?；芈暅y(cè)深儀可以根據(jù)水體的深度、渾濁程度和淤泥厚度通過無線遙控模塊調(diào)整其信號(hào)強(qiáng)度，從而達(dá)到測(cè)量真實(shí)水深的目的。本回聲探測(cè)儀的測(cè)量范圍為0.5～80m。水溫計(jì)是通過測(cè)量水體溫度對(duì)不同溫度的水體中聲速進(jìn)行改正，其改正關(guān)系是：

校正水深=測(cè)定水深-（測(cè)定水深×0.0033）×（15-水溫）

即當(dāng)水溫為15℃時(shí)，聲音在水中傳播速度為1500m/s。

電子羅盤的作用是記錄船體在運(yùn)行期間的方位和姿態(tài)等信息。風(fēng)浪或船體轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)給船體帶來一定的橫向和前后搖擺，這就使得測(cè)深儀測(cè)定的水深并非為垂直水深。因此，需要考慮到對(duì)船體姿態(tài)引起測(cè)深誤差的改正。

2.3 平面定位模塊

平面定位模塊是通過安裝在船體頂部，與測(cè)深儀同軸位置的GPS接收機(jī)組成。GPS采用美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式NMEA0183。該協(xié)議采用ASCII碼，其中包含$GPGGA、$GPGSA和$GPRMC三類信息，這三類信息分別對(duì)應(yīng)全球定位數(shù)據(jù)、衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù)和運(yùn)輸定位數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)中包含了WGS84坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)、觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)、PDOP值、測(cè)位是否為差分解等，它們都存儲(chǔ)在船體主控單元的SD卡上。

2.4 無線遙控模塊

無線遙控模塊由一臺(tái)安裝控制程序便攜機(jī)，由一個(gè)無線路由器連接便攜機(jī)和船體組成數(shù)據(jù)、指令的鏈路。其中便攜機(jī)既是人工控制船體的載體，又是測(cè)深船采集、處理數(shù)據(jù)后顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元。即作業(yè)人員通過鍵盤或者手柄發(fā)出指令控制船體的行進(jìn)方向、速度和測(cè)深儀信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)主控程序同步顯示船體采集處理后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如船體的行進(jìn)路徑、速度、電門大小、舵方位、起點(diǎn)位置、當(dāng)前位置和水深、水溫，當(dāng)前電源的剩余電量等各類信息。

3 工作原理

3.1 平面定位原理

平面定位采用雙頻水上GPS接收機(jī)，設(shè)置為采樣間隔為1秒，采用廣域差分定位技術(shù)（SBAS），從而得到能夠滿足水深測(cè)量并且有較高精度的平面定位。其中廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)是由大量分布極廣的差分站（位置已知）對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得原始定位數(shù)據(jù)（偽距、載波相位觀測(cè)值等）并送至中央處理設(shè)施（主控站），后者通過計(jì)算得到各衛(wèi)星的各種定位修正信息，通過上行注入站發(fā)給GEO衛(wèi)星，最后將修正信息播發(fā)給廣大用戶，從而達(dá)到提高定位精度的目的。GPS的觀測(cè)定位原理是通過GPS接收機(jī)觀測(cè)多顆衛(wèi)星，通過后方交會(huì)的原理確定接收機(jī)位置。所不同的是廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)將電離層延遲、衛(wèi)星鐘差等改正信息一同發(fā)送給用戶進(jìn)行改正，從而得到改正后的GPS觀測(cè)值。

3.2 水深測(cè)量原理

水深測(cè)量即測(cè)量測(cè)深儀從發(fā)出一束超聲波脈沖到其到達(dá)水體底部后返回測(cè)深儀的時(shí)間間隔，從而確定超聲波脈沖在這段時(shí)間內(nèi)行進(jìn)的距離。在水溫為15℃，不考慮含鹽水體和水深對(duì)聲速影響的情況下，聲音在水中的傳播速度為1500m/s，得出水深h=1/2×1500×t[1]。通過測(cè)定水溫，可以進(jìn)行水深測(cè)量的溫度改正。對(duì)于水體鹽度和水壓等其他影響測(cè)量精度的因素，通過經(jīng)驗(yàn)公式可以看出在一定的精度范圍內(nèi)可以忽略。

4 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

4.1 平面定位檢測(cè)

為初步檢測(cè)測(cè)深船平面定位精度是否滿足日常水深測(cè)量的需要，特制定了檢測(cè)方案如下：選取周邊地形開闊的若干地點(diǎn)，分別將船體開機(jī)后靜置十分鐘，然后在對(duì)應(yīng)船體GPS接收機(jī)的位置利用上海市CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行平面位置測(cè)量，最終取得若干組船體和RTK對(duì)若干點(diǎn)位測(cè)量的平面位置。具體數(shù)據(jù)見表1。

通過表1我們可以看到三個(gè)點(diǎn)位中，船體GPS測(cè)量值和RTK測(cè)量值緯度最大差值為-0.0134秒，初步估計(jì)對(duì)應(yīng)城市平面坐標(biāo)約為36cm；經(jīng)度最大差值為-0.0129秒，初步估計(jì)對(duì)應(yīng)城市平面坐標(biāo)約為40cm?？紤]到平面定位精度，暫參考《JTJ203-2001水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》中要求，在大于1：5000比例尺的工程中，測(cè)深定位點(diǎn)點(diǎn)位中誤差限制要小于圖上1.5mm，對(duì)于1：1000比例尺地形圖，點(diǎn)位誤差要小于1.5m[2]，可見測(cè)深船的平面定位精度完全滿足水運(yùn)工程測(cè)量的要求。

4.2 水深檢測(cè)

水深檢測(cè)選取一個(gè)蓄滿水的標(biāo)準(zhǔn)游泳池，在其水面靜止時(shí)將測(cè)深船分別放置在三個(gè)不同深度的區(qū)域進(jìn)行水深測(cè)量。同時(shí)，使用測(cè)深桿或金屬水準(zhǔn)尺進(jìn)行水深校核。最終在三個(gè)不同位置測(cè)得的水深見表2：

通過表2，我們可以看到在常規(guī)理想情況下，兩種方式測(cè)得的水深最大差值僅為2cm?！禞TJ203-2001水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》中要求在水深小于20m時(shí)，深度誤差限差為±0.2m；在水深大于20m時(shí)，深度誤差限差為±0.01×深度。由此可見，測(cè)深船的水深測(cè)量精度也完全滿足水運(yùn)測(cè)量的要求。

以上檢測(cè)均為理想環(huán)境中的初步檢測(cè)，不考慮其他額外因素，僅從半理想狀態(tài)驗(yàn)證了測(cè)深船的平面和水深測(cè)量精度。因此，測(cè)深船的適用性、可用性等還需要進(jìn)一步在實(shí)際工程環(huán)境中檢驗(yàn)。

5 應(yīng)用實(shí)例

本工程為上海市浦東新區(qū)臨港地區(qū)滴水湖沿湖景觀帶改造工程。由于改造的需要，本工程需要測(cè)定湖區(qū)沿環(huán)湖一路長(zhǎng)度約4公里，沿岸寬度80m范圍內(nèi)的水深。

圖1為本工程中局部地區(qū)的數(shù)據(jù)，圖中可見在兩條航跡交會(huì)地點(diǎn)，位置1中所測(cè)深度相差1cm，位置2中取0.85和0.87的平均數(shù)為0.86，故位置2所測(cè)深度相差1cm。其余數(shù)據(jù)中航跡交會(huì)的地方情況也大致如此。因此，在短時(shí)間不考慮水位變化影響的情況下，測(cè)深船深度測(cè)量的內(nèi)符合性可以得到驗(yàn)證。同時(shí)，在測(cè)深船采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，為檢測(cè)測(cè)深船的可靠性，我們同時(shí)抽取測(cè)深船航行路徑上個(gè)別點(diǎn)位利用測(cè)深桿進(jìn)行數(shù)據(jù)校核。最終得到兩組水深數(shù)據(jù)的互差都在±10cm以內(nèi)，因此，可以確認(rèn)測(cè)深船的測(cè)量數(shù)據(jù)基本可靠。

6 結(jié)束語

通過介紹本遙控測(cè)深船系統(tǒng)的構(gòu)成和運(yùn)行原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)確定其滿足常規(guī)水深測(cè)量的要求。在實(shí)際使用過程中，無人遙控測(cè)深船可以滿足絕大多數(shù)野外情況的水深測(cè)量。相比于傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法，測(cè)深船將作業(yè)人員從大量而危險(xiǎn)的勞動(dòng)中解放出來，更為難得的是將野外數(shù)據(jù)采集的密度由原來的散點(diǎn)方式變?yōu)楝F(xiàn)在的線性方式，使作業(yè)人員更容易發(fā)現(xiàn)水下地形變化的趨勢(shì)。可以預(yù)見無人遙控測(cè)深船在今后的生產(chǎn)中將不斷發(fā)揮其難以替代的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]桑金.水深測(cè)量中的聲速改正問題研究[J].海洋測(cè)繪，2006，6（3）.

[2]JTJ203-2001.水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2001.