余歆睿，李志峰

（蘇州市水利工程管理處，江蘇 蘇州 215000）

1 概述

水下測量分為海洋測量和內(nèi)陸水域測量[1]，水下測量存在著比陸地測量更大的難度，主要體現(xiàn)在以下方面：①較淺區(qū)域過去往往采用人工涉水的方法，該方法風(fēng)險較大，可能會造成人身意外傷害；②被測對象的不可見性，人眼無法識別，需要用特殊設(shè)備來探測；③水面的波動性，人在船只上進(jìn)行水下的測量，較深區(qū)域水面的波動會對測量產(chǎn)生誤差。總而言之，在安全和精度方面，人工并不具有優(yōu)勢，所以智能化無人測量船在水下測量方面展現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。無人船體積小、重量輕，適應(yīng)河流、湖泊、水庫等多種水域作業(yè)，可搭載多種測繪、水文儀器及傳感器，并可自主導(dǎo)航或通過手動操作完成測量任務(wù)。無人船的應(yīng)用在現(xiàn)代水利斷面測量中具有優(yōu)勢和高效性[2]。

2 iBoat BS2無人船水下測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成部分

該實(shí)驗所用的無人船為中海達(dá)推出的智能無人測量船，系統(tǒng)由無人船平臺、岸基操控終端、聲吶探測模塊、GNSS定位模塊、自動導(dǎo)航模塊、外圍傳感模塊以及無人船專用軟件等組成[3]。無人船測量的原理是利用聲吶系統(tǒng)和GNSS系統(tǒng)結(jié)合，得到水下陸地面的平面坐標(biāo)和高程[4]。中海達(dá)無人船iBoat BS2智能無人測量船具有以下特點(diǎn)：

（1）智能導(dǎo)航系統(tǒng)。iBoat BS2智能無人船有兩種導(dǎo)航模式：手動模式和自動模式。自動導(dǎo)航模式用戶可以根據(jù)事先設(shè)計好的路線進(jìn)行自主航行，免去了手動操作麻煩，對于水下地形地貌測繪尤為重要；手動模式采用手工遙控器方式，遙控船只航行，對于測量河流斷面以及水下地形測繪非常實(shí)用。iBoat BS2智能無人船還支持自動返航功能，當(dāng)電量不足或者突然失去控制信號時，船體會自動進(jìn)行判斷，返回到設(shè)置的HOME點(diǎn)位，保障安全。

（2）實(shí)時通信功能。iBoat BS2智能無人船通過實(shí)時射頻點(diǎn)對點(diǎn)通訊方式，可以實(shí)時把船的工作狀態(tài)、航姿及任務(wù)狀態(tài)傳輸?shù)桨痘到y(tǒng)，實(shí)時傳輸測深、定位數(shù)據(jù)。除了用戶選擇電臺通訊外，可選配4G通訊方式，突破通訊距離的障礙[5]。

（3）內(nèi)置高性能HD-MAX測深模塊和專業(yè)的HiMAX測深軟件。iBoat BS2智能無人船標(biāo)準(zhǔn)配置高性能的HD-MAX測深模塊、高精度GNSS定位設(shè)備和HiMAX測深軟件，有效解決超淺水和深水測量難題。標(biāo)準(zhǔn)測量水深范圍為0.15～300 m。

（4）高穩(wěn)定性。采用雙M型船體設(shè)計，航行速度快，船體平穩(wěn)。船體吃水深度10 cm，在淺水測量中也占優(yōu)勢。 船體材料重量輕，強(qiáng)度高，足以滿足各種苛刻的測量環(huán)境要求。同時可抗三級風(fēng)，二級浪，輕松應(yīng)對各種常規(guī)測量環(huán)境。

2.2 系統(tǒng)測量原理

無人船系統(tǒng)主要由GNSS系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)和操控系統(tǒng)組成[6]。測量原理為：利用GPS系統(tǒng)的RTK技術(shù)[7]，可以測得RTK天線相位中心所在位置的平面坐標(biāo)（x，y，z）；如果聲速在水中的傳播速度為v，傳播時間為t，那么水深h=vt/2，無人船聲吶測得的水下陸地面的深度為h，由此可得到水下陸地面點(diǎn)的高程公式為：

式中：z為RTK天線相位中心的高程（單位：m），i為天線高（單位：m），μ為吃水（單位：m），h為聲吶到水下陸地面距離（單位：m）[7]。

但是，往往水平面上并不是風(fēng)平浪靜或者船體會出現(xiàn)傾斜的情況，都會對測量造成誤差[8]。本文所用的iBoat BS2智能無人測量船具有傾斜改正計算，會自動進(jìn)行改正，所以無需再人為進(jìn)行。

多波束聲吶或者側(cè)掃聲吶能夠提高單航線的工作效率，不需要反復(fù)加密航線，但是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理方面較為復(fù)雜[9]。本文所用的無人船是單波束聲吶系統(tǒng)，如果想要獲得更加密集的地形數(shù)據(jù)，則需要對航線進(jìn)行加密[10]。

3 水下測量實(shí)驗

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次實(shí)驗數(shù)據(jù)采集的地方在蘇州引河某河段，測量當(dāng)天天氣較好，無大風(fēng)，水面較為平靜，無人船在工作中平穩(wěn)航行，可以忽略外界因素對該實(shí)驗數(shù)據(jù)的影響，且智能化無人船可自我傾斜改正。數(shù)據(jù)采集過程中分別用了兩種模式為手動和自動模式，采集了200個水下特征點(diǎn)坐標(biāo)（見圖1）。

圖1 無人船航行軌跡

從所有的數(shù)據(jù)中隨機(jī)挑選出50個特征點(diǎn)，再采用人工測量的方式獲得其坐標(biāo)，通過水上測量的數(shù)據(jù)與相應(yīng)特征點(diǎn)的人工水下采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到了兩種高程值。

此處可假設(shè)人工測得的高程值為真實(shí)高程值，水上測量的高程值通過對比擬定的真實(shí)高程值，可以評定出智能化無人船系統(tǒng)的精度。無人測量船所測的高程由Z1來表示，人工測量的高程由Z2來表示，具體見表1。通過無人船測量值Z1和人工測量值Z2之差可以得到其精度情況，具體分布見圖2。

表1 Z1和Z2數(shù)據(jù)表

圖2 精度分布情況

由圖2可以看出：在-2～-1 cm的個數(shù)為6個，在-1～0 cm的個數(shù)為5個，在0～1 cm的個數(shù)為16個，在1～2 cm的個數(shù)為20個，在2～3 cm的個數(shù)為3個。目前，傳統(tǒng)的水下測量精度要求在20 cm以內(nèi)，可以得出智能無人船測出的總體數(shù)值精度十分高，表明了該技術(shù)以及該型號的智能無人船能有效地提高水下測量的效率，在現(xiàn)代水利斷面測量中具有一定優(yōu)勢和高效性。

利用無人船，在蘇州引水河道再次進(jìn)行了實(shí)驗，此次航行為水下斷面測量，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到該航線的水下斷面陸地形態(tài)（見圖3）。

3.2 注意要點(diǎn)

（1）在本次實(shí)驗之前做了一個對比，發(fā)現(xiàn)聲速對水深值影響很大，假定15 m的水深，選擇1500 m/s的聲速與1450 m/s聲速測得水深偏差0.5 m，因此在測深時必須對照比測板計算出正確的水深。

（2）影響水深的因素有溫度、鹽度以及水層壓強(qiáng)，其中溫度對水深影響最大，在一定溫度范圍內(nèi)每升高1℃，聲速增加3 m/s左右，對于淡水淺水區(qū)域，只考慮溫度即可。

（3）在水深測量中，吃水深度一定要準(zhǔn)確量取，測量桿要固定死，以免測量過程中松動導(dǎo)致吃水深度變化。

（4）由于單波束穿透力不夠，所以在遇到一些較大的障礙物（例如水中懸浮物體）會產(chǎn)生噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，對實(shí)驗結(jié)果造成影響。

4 結(jié)語

圖3 水下斷面陸地形態(tài)

本實(shí)驗采用的智能無人船對于蘇州某引水河道的水下地形進(jìn)行了測量，利用人為測量進(jìn)行了高程的對比，表明利用無人船可以高效地獲得高精度、高可靠性的水下陸地面點(diǎn)位坐標(biāo)。同時得到了航線圖，使用該無人船對某個斷面進(jìn)行測量，利用數(shù)據(jù)繪出了相應(yīng)的水下陸地斷面圖。無人船能有效地提高水下測量的效率，不僅保障了測量人員的人身安全，更加體現(xiàn)了其在現(xiàn)代水利斷面測量中具有的優(yōu)勢。