梁昭陽

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007)

1 引 言

水下地形測量作為工程測量中的一項特殊測量，其主要任務(wù)是測量江河、湖泊、水庫、港灣和近海等水域的水底點平面位置和高程，用以繪制水下地形圖，為供相關(guān)設(shè)計規(guī)劃等部門提供基礎(chǔ)水下地形數(shù)據(jù)。水下測量由于被測物具有不可見性，受水面不穩(wěn)定、水流流速、水中障礙物等客觀因素的影響，使得精確定位并測得水下地形數(shù)據(jù)十分困難。水下測量發(fā)展過程中經(jīng)歷了六分儀后方交會法、經(jīng)緯儀或平板儀前方交會法、全站式速測儀極坐標(biāo)法、無線電定位法、水下聲學(xué)定位和差分GPS定位法四個階段，測深工具分別有測深桿、測深錘和回聲測深儀等器具。隨著測繪技術(shù)的進步和計算機技術(shù)的發(fā)展，水下測量也越來越集成化，其中GPS-RTK與測深儀的組合測量手段是現(xiàn)代水下地形測量的重要技術(shù)手段，它極大地降低了測量的勞動強度，提高了測量自動化程度和工作效率，但它需要依托母船進行測量，且需要有人在船上操作，大大降低了其靈活性。無人船水下測量系統(tǒng)為困難區(qū)域水下地形測量提供了新的解決方案，利用該平臺搭載衛(wèi)星定位、通訊、水下測量等多種設(shè)備[1]，可實現(xiàn)無人工干預(yù)的自動化數(shù)據(jù)采集和航行，有效提高作業(yè)效率，減少測量人員的涉水風(fēng)險。

2 無人船測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

無人船水下測量系統(tǒng)不僅能夠解決傳統(tǒng)水上測繪過程中人員涉水問題，還能夠超越傳統(tǒng)水上人工測量的作業(yè)范圍，實現(xiàn)自動化無人駕駛水上測繪。因此，無人船水下測量系統(tǒng)除了具備正常的航行設(shè)備外(如圖1所示)，還要同時具備自主導(dǎo)航功能、智能避障功能、實時通信功能、自動數(shù)據(jù)采集功能和平穩(wěn)持久的航行能力等，通過對各系統(tǒng)功能整合，從而自動完成水上測繪各項任務(wù)。無人船是集高精度姿態(tài)定位、無線通信技術(shù)、數(shù)字測深和遙控技術(shù)與一體的水上移動測量設(shè)備，按照無人船的主要功能特點，可將整個系統(tǒng)分為船體、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其各部分的主要功能如下[2～4]：

圖1 無人船測量系統(tǒng)示意圖

(1)船體。作為水上航行的工具，主要承載著各類的測量和通信設(shè)備，是各系統(tǒng)的基架。通常為了能夠適應(yīng)各類水質(zhì)和航行條件，船體材料采用含碳纖維、凱夫拉防彈布高強度玻璃鋼材質(zhì)，具有耐腐蝕、船體輕、耐碰撞特點。在船型設(shè)計上目前主流的設(shè)計為三體船和雙體船，可達到較高的抗風(fēng)浪等級，確保在3級～5級風(fēng)浪條件下能夠安全平穩(wěn)航行。

(2)通信系統(tǒng)。是實現(xiàn)無人船和岸基控制單元相互通信的重要窗口，無人船通過實時射頻點對點通訊方式，可以實時將無人船的工作狀態(tài)、航行姿態(tài)及任務(wù)狀態(tài)傳輸?shù)桨痘到y(tǒng)。另外，還可以實時傳輸測深、流速、定位數(shù)據(jù)，也可以實時傳輸視屏數(shù)據(jù)，讓用戶在岸上就可實時獲取信息。通信方式上，除了用戶選擇電臺通訊外，還可選擇4G通訊方式，突破通訊距離的限制。

(3)控制系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)控制無人船的航行軌跡，由工控機(筆記本)或手持遙控器及通訊單元組成，根據(jù)各水上測繪不同區(qū)域的特點，可選擇自動控制和遙控控制兩種控制方式，測量相關(guān)人員可在兩種控制方式中自由切換，以適應(yīng)復(fù)雜的水面狀況。同時岸基控制單元與測深船之間進行無線通信，將船上各類傳感器數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)傳回給控制軟件，以供岸上操控人員實時掌握船體狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)錯誤信息，調(diào)整航行軌跡和儀器設(shè)置。

(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。是整個測量系統(tǒng)中的核心系統(tǒng)，主要是負(fù)責(zé)完成各類數(shù)據(jù)的采集和記錄工作，具體采集工作由安裝在無人船上的各類測量設(shè)備進行，如：數(shù)字測深儀、多普勒流速剖面儀(ADCP)、超聲波避碰聲吶、攝像系統(tǒng)等儀器設(shè)備。其中，測深數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)采集的重要內(nèi)容，在數(shù)據(jù)采集軟件上對測深數(shù)據(jù)進行查看、編輯、改正和存儲，形成最終水深數(shù)據(jù)，為下一步地形圖成圖提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 測量系統(tǒng)基本原理

無人船測量系統(tǒng)是整個無人船系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著水深測量和導(dǎo)航定位任務(wù)，整個測量系統(tǒng)主要由數(shù)字測深儀、姿態(tài)傳感器、GPS接收機、全角度攝像頭及距離傳感器等多種高精密傳感設(shè)備。其基本測量原理如圖2所示：

圖2無人船測量系統(tǒng)原理示意圖

整個系統(tǒng)的導(dǎo)航定位采用GPS-RTK動態(tài)差分定位原理(圖2)，在岸基架設(shè)GPS基準(zhǔn)站接收GPS衛(wèi)星信號并將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給無人船上安置的GPS接收機，實現(xiàn)實時定位和導(dǎo)航功能。水深測量由安置在船上的數(shù)字雙頻測深儀完成，其基本原理是利用超聲波穿透介質(zhì)并在不同介質(zhì)表面會產(chǎn)生反射的現(xiàn)象，由換能器(探頭)發(fā)射超聲波，測出發(fā)射波和反射波之間的時間差來進行水深測量。假設(shè)裝載在船上的GPS接收機的高程為HG，數(shù)字測深儀測得換能器到水底面的水深為H3，測量時實際獲得GPS接收機至水面高度及水面至換能器底部高度分別為H1、H2，那么在無人船航行時任意時刻位置的對應(yīng)水底點的高程H就可通過式(1)計算得到[5～7]：

H=HG-H1-H2-(H3+△H)

(1)

其中，HG是GPS-RTK測得的高程，通常需要轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)鼗驀腋叱袒鶞?zhǔn)中，△H是船體的姿態(tài)改正。

通常無人船在實際航行過程中受風(fēng)和水流等因素的影響，會造成船體的左右和前后搖擺，即橫搖和縱搖，改變測量船的姿態(tài)。這樣會造成換能器采集的水深數(shù)據(jù)與GPS接收機的平面數(shù)據(jù)不匹配，產(chǎn)生離散現(xiàn)象，同時測深儀的水深數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確，此項誤差會隨著水深的增加而增大，不可忽略。因此，需要利用船體上的姿態(tài)傳感器，對采集的水深數(shù)據(jù)進行改正，保證測量船測得的水深數(shù)據(jù)正確可靠，姿態(tài)改正由系統(tǒng)軟件自動完成。

3 水庫水下地形測量應(yīng)用

英塘水庫位于海上絲綢之路起點城市福建泉州晉江市，已有50年左右歷史，為天然蓄水池，早年為灌溉農(nóng)田所用，是英塘村的生命之源，多年來為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻。隨著當(dāng)?shù)亟陙斫?jīng)濟的不斷發(fā)展，按照晉江市英塘水庫項目發(fā)展總體思路報告要求，將圍在該地區(qū)重點打造CAPHOS城市建筑綜合體，其中以英塘水庫為主體建設(shè)配套水庫景觀節(jié)點，提升景水庫的景觀功能，豐富市民的文化生活。

整個水庫面積較大，水域面積達到2萬多平方米，且由于長期以來缺乏日常管理和維護，周邊的水草較多，大型的船只無法靠近。如果采用常規(guī)人工測量的方式，需要載人船只，吃水較深，在較淺水域會出現(xiàn)擱淺的情況，且經(jīng)過初步踏勘周邊沒有合適的船只入水和?？奎c，這給此次勘測任務(wù)帶來的極大的不便。因此，為了能夠順利完成前期勘測任務(wù)，獲得水庫的地形數(shù)據(jù)，決定采用新型無人船水下測量系統(tǒng)，它具有吃水淺，重量輕、運輸方便、自動化無人駕駛等優(yōu)點，尤其適合于野外大型天然水庫的水下地形勘測任務(wù)。

3.1 無人船測深

綜合考察測區(qū)周邊地形后，選擇合適的下水點和設(shè)備的運輸路線，確保項目順利開展。本次勘測采用的無人船設(shè)備為中海達iBoat BM1，GPS定位選用V60基站、H32移動站，配合無人船完成平面和水深數(shù)據(jù)的采集工作。測量前需要進行航線的布設(shè)工作，將事先準(zhǔn)備的好的庫區(qū)影像圖導(dǎo)入測深儀軟件中，按照均勻分布的原則，根據(jù)需要在測區(qū)范圍均勻布設(shè)了12條航線。測量當(dāng)天天氣較好，水面風(fēng)浪小，能見度高，在岸上開闊處架設(shè)GPS基準(zhǔn)站系統(tǒng)，將無人船上的移動站和通信設(shè)備啟動連接，由專業(yè)人員測試設(shè)備之間的設(shè)置和連接是否完整。岸基端與無人船通信聯(lián)通后，即可在岸基端利用筆記本電腦操控?zé)o人船的航行和數(shù)據(jù)采集，如圖3所示。

圖3 無人船外業(yè)工作實照

測量過程中，基本采用自動航行測量的方式進行，整個過程無須人工干預(yù)。由于測區(qū)不規(guī)則，部分區(qū)域岸邊水草較多，航線布設(shè)時并沒有完成覆蓋整個測區(qū)，因此需要采用手動控制測量方式對航行未覆蓋和個別死角進行手動控制測量。大約用了1.5小時完成野外數(shù)據(jù)采集任務(wù)，總共獲得了庫區(qū)水底特征點 3 500多個。

3.2 數(shù)據(jù)處理

完成外業(yè)勘測后需要對采集到的水深數(shù)據(jù)做進一步處理，即數(shù)據(jù)后處理。因為，外業(yè)測量時無人船航行過程中經(jīng)過魚群和水草等障礙物時，會造成測深儀回波數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，要對部分失真的數(shù)據(jù)進行修正。按照規(guī)范要求測深數(shù)據(jù)要以測深模擬信號為依據(jù)，如果僅僅得到水深數(shù)據(jù)是不滿足規(guī)范要求的，需要通過將測深模擬信號和水深數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進行疊加，判斷水深數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過信號和數(shù)據(jù)的疊加對部分失真數(shù)據(jù)進行修正后，然后對水深數(shù)據(jù)進行取樣抽稀，因為外業(yè)測得的水深數(shù)據(jù)采樣間隔較短，數(shù)據(jù)的密度較大，冗余率大，后期二次利用和加工處理并不需要這些多余的數(shù)據(jù)。通常情況下，單波束測深的水深取樣按照距離取樣原則進行，設(shè)置好取樣間隔(5 m)后，軟件會根據(jù)設(shè)置距離進行自動取樣，如圖4所示。

圖4 水下地形數(shù)據(jù)

通過對無人船外業(yè)測深數(shù)據(jù)的處理，對庫區(qū)水深按照不同顏色進行填充渲染，最后獲得了庫區(qū)最終的水下地形數(shù)據(jù)(圖4)，從數(shù)據(jù)結(jié)果上看，庫區(qū)大部分區(qū)域的水深在2 m～4 m之間，結(jié)合渲染圖分析可知，該庫區(qū)西南側(cè)水域較淺在2 m左右，東北側(cè)較深，深度達到了4 m以上，整個庫區(qū)水深呈現(xiàn)出由西南向東北逐漸加深的特點，反映了水庫整體地形走勢情況。

4 結(jié) 語

本次利用無人船測量系統(tǒng)對水庫水底高程進行測量，數(shù)據(jù)結(jié)果很好地反映了庫區(qū)水下地形情況，順利完成了該庫區(qū)水下地形的勘測任務(wù)。通過本次實踐表明，無人船測量系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的野外水上測量環(huán)境，具有高度的自動化，能夠高效完成水下地形勘測任務(wù)。該系統(tǒng)可避免測量人員的涉水危險，尤其適用于大面積水域、淺灘、水質(zhì)污染等人工測量困難或無法到達的區(qū)域。但同時，無人船測量技術(shù)作為近年來水下地形測量發(fā)展的一項新技術(shù)，目前尚未進入大規(guī)模使用狀態(tài)，尚處在行業(yè)推廣階段。在實際項目應(yīng)用當(dāng)中還存在一些問題，如：測量死角、信號遮擋等問題。如何能夠完全實現(xiàn)自主航行和測量，充分發(fā)揮無人船測量系統(tǒng)的優(yōu)勢，將是未來無人船測量技術(shù)的發(fā)展方向。

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