高艷
(蚌埠市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,安徽 蚌埠 233000)
水下地形測(cè)量就是在水下應(yīng)用一定的測(cè)量?jī)x器對(duì)地形進(jìn)行的測(cè)量,一般通過(guò)確定三維坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。它一般包括海洋地形測(cè)量、河流水下地形測(cè)量和各種湖泊的水下地形測(cè)量。目前,水下地形測(cè)量方法主要有兩種,分別是水位減水深的傳統(tǒng)測(cè)量方法和GNSS-RTK減去水深測(cè)量方法。水下地形測(cè)量最常用的系統(tǒng)就是單波束測(cè)深系統(tǒng),它由單波束測(cè)深儀(加換能器)、定位系統(tǒng)、采集軟件三部分組成。目前,無(wú)人船在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用,極大提高了工作效率和質(zhì)量。
無(wú)人船是一種可以遠(yuǎn)程操控,也可以借助精確GNSS衛(wèi)星定位和自身傳感即可按照預(yù)設(shè)任務(wù)在水面航行的全自動(dòng)水面機(jī)器人,英文縮寫為USV。
無(wú)人船系統(tǒng)分為船體系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng),船體系統(tǒng)包含避障、視頻系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船體構(gòu)造,作業(yè)系統(tǒng)包含測(cè)深系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)。
無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)人船系統(tǒng)的核心,承擔(dān)著水深測(cè)量和導(dǎo)航定位任務(wù),整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)主要由數(shù)字測(cè)深儀、姿態(tài)傳感器、GNSS接收機(jī)、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(cè)量原理如圖1所示。
整個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位采用GNSS-RTK動(dòng)態(tài)差分定位原理(如圖1所示),在岸基架設(shè)GNSS基準(zhǔn)站接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)并將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)人船上安置的GNSS接收機(jī),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航功能。
圖1 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)基本原理示意圖
水深測(cè)量由安置在船上的數(shù)字測(cè)深儀完成,其基本原理是利用換能器將電能轉(zhuǎn)換成聲能并向水底發(fā)射。聲能以回波的形式從水底返回,再通過(guò)換能器檢測(cè)回波電能信號(hào),從而計(jì)算出傳播時(shí)間,根據(jù)聲速和時(shí)間計(jì)算出水深,在屏幕顯示出來(lái),并且顯示回波圖形。
無(wú)人船用來(lái)進(jìn)行水下地形測(cè)量作為水下地形測(cè)繪的一種方式,在很大程度上替代了傳統(tǒng)的作業(yè)方式。自無(wú)人船問(wèn)世以來(lái),經(jīng)過(guò)10多年技術(shù)的積累和發(fā)展,技術(shù)趨近成熟,船的航行已表現(xiàn)非常穩(wěn)定,現(xiàn)無(wú)人船的發(fā)展逐步往智能方向靠攏。無(wú)人測(cè)量船以其輕便、小巧和高效等特點(diǎn),深受測(cè)繪單位的喜愛(ài)。
無(wú)人船測(cè)量的最大優(yōu)勢(shì)是更加安全可靠,事故減少、高效及運(yùn)行成本低。遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)駕駛杜絕了人員傷亡事故,無(wú)人船特殊設(shè)計(jì)甚至可抵御海盜襲擊。
無(wú)人測(cè)量船具有船體小巧,攜帶方便,靈活性強(qiáng)和隱蔽性高,耐波性好,阻力小、速度快,航行穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn),可搭載先進(jìn)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)、可靠通信系統(tǒng)、高精度傳感器系統(tǒng)和武器系統(tǒng)等不同功能模塊,采用可拆卸模塊化涵道式推進(jìn)器設(shè)計(jì),在防漁網(wǎng)、水草等雜物纏繞的優(yōu)異性能之上,增添了維護(hù)方便,靈活更換的使用特性。螺旋槳采用直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng),速度快,可靠性高??纱钶d深測(cè)儀、ADCP、側(cè)掃聲吶等多種傳感器,廣泛使用于內(nèi)河航道、水庫(kù)、湖泊等區(qū)域的水下地形地貌以及水文測(cè)量。
無(wú)人船測(cè)深儀結(jié)合GNSS、潮位和聲速信息提供相應(yīng)位置的水深或水底高程。
無(wú)人船可適用于部分水域無(wú)船可用、岸邊、淺灘等大船測(cè)不到的區(qū)域、影響人員安全性的地方、需要經(jīng)常換地測(cè)量等環(huán)境。
無(wú)人測(cè)量船搭載的GNSS全球定位系統(tǒng),不僅能為水下地形測(cè)量提供高精度的定位坐標(biāo),還可以為無(wú)人船提供自主導(dǎo)航的位置信息,讓無(wú)人船真正脫離人的操作,根據(jù)規(guī)劃的線路到達(dá)指定位置完成相應(yīng)任務(wù)?,F(xiàn)在無(wú)人船除了在水下地形測(cè)繪行業(yè)成熟應(yīng)用,搭載側(cè)掃聲吶在水下考古、沉船打撈,搭載ADCP在河流流場(chǎng)測(cè)量,搭載水質(zhì)儀在水文、河長(zhǎng)制中都得到廣泛應(yīng)用。
和傳統(tǒng)地形測(cè)繪不同的是,水下地形測(cè)繪多一個(gè)水深的獲取步驟,水下地形測(cè)量包括測(cè)點(diǎn)的平面位置和水深測(cè)量。平面位置主要采用GNSS定位技術(shù)確定(可達(dá)到厘米級(jí)的實(shí)時(shí)定位),水深主要通過(guò)各種類型的單波束回聲測(cè)深儀得到(一般高精度測(cè)深儀也可以達(dá)到厘米級(jí)的測(cè)量精度),由水面高程(水位)減去水深可得測(cè)點(diǎn)的水底高程。通過(guò)無(wú)數(shù)個(gè)測(cè)點(diǎn)的平面位置和水深位置的獲取,水下地形即可被測(cè)量展現(xiàn)出來(lái)。水下地形測(cè)繪示意圖如圖2所示:
高精度的定位測(cè)量必須采用載波相位觀測(cè)值,RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù),它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果,并達(dá)到厘米級(jí)精度。在RTK作業(yè)模式下,基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和測(cè)站坐標(biāo)信息
圖2 水下地形測(cè)繪示意圖
一起傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還要采集GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果,歷時(shí)不到一秒鐘。北斗衛(wèi)星的投入使用,使得GNSS接收機(jī)搜索到更多的共同解算衛(wèi)星(至少4顆),甚至可以采用北斗單解算,更多的衛(wèi)星可以使GNSS接收機(jī)工作更穩(wěn)定。
20世紀(jì)20年代第一次出現(xiàn)了回聲探測(cè)儀,利用單波束回聲測(cè)深儀對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)稱之為常規(guī)測(cè)深技術(shù)。回聲測(cè)深儀的出現(xiàn)是人類探測(cè)水下世界的重大突破。其原理是通過(guò)換能器向水下發(fā)射聲波,聲波在水中傳播,遇到水底后發(fā)生反射、透射和散射反射回來(lái)的回波,經(jīng)換能器接收。根據(jù)聲波在水中的傳播速度(C)及往返的時(shí)間(T)計(jì)算水深。這個(gè)水深值只是換能器到水底的距離,通常用H3來(lái)表示。而在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,換能器是在水下一定深度,我們稱這個(gè)深度為吃水深度改正值(吃水水深),用H2表示。實(shí)際的水深值用H表示,那么實(shí)際水深H為:
H=H3+H2
H3=C*T/2
如圖2所示RTK達(dá)到固定解以后可以設(shè)置輸出包含位置信息的GPGGA數(shù)據(jù),測(cè)深儀通過(guò)串口接收到含WGS84經(jīng)緯度的位置信息再由坐標(biāo)系參數(shù)轉(zhuǎn)化成當(dāng)?shù)仄矫孀鴺?biāo)下(x,y,h)的三維坐標(biāo),此時(shí)儀器獲得的三維坐標(biāo)是接收機(jī)相位中心的位置,通過(guò)設(shè)置天線至水面高(H1)和超聲回聲式測(cè)深儀測(cè)得水深值可以計(jì)算出RTK正下方水底的三維坐標(biāo)(X,Y,Z):
Z=h-H1-H
項(xiàng)目位于長(zhǎng)淮衛(wèi)鎮(zhèn)北側(cè)淮河上,南岸接淮上村,北岸銜信彎村。蚌埠長(zhǎng)淮衛(wèi)淮河大橋全長(zhǎng) 2.6 km,大橋?qū)?42.5 m,為雙向8車道。大橋采用的是鋼桁架結(jié)構(gòu)。蚌埠市長(zhǎng)淮衛(wèi)淮河大橋是安徽省第一座鋼桁架拱橋,于2016年底建成通車。蚌埠長(zhǎng)淮衛(wèi)淮河大橋是S101和蚌埠中環(huán)線工程的重要控制性節(jié)點(diǎn)工程,建成后與G206、S306等相連,將極大地緩解蚌埠市東部交通的通行壓力。
為提高水下測(cè)量的精度和效率,蚌埠市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院引用的無(wú)人船是中海達(dá)公司IBOAT BS2多功能智能無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭載衛(wèi)星定位系統(tǒng)、波束測(cè)深儀、發(fā)射電臺(tái)、智能導(dǎo)航系統(tǒng)等軟硬件設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)設(shè)定航線,自動(dòng)采集數(shù)據(jù),自動(dòng)導(dǎo)航及進(jìn)行遠(yuǎn)程操作等功能,具有智能化高、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。蚌埠市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院積極組織開(kāi)展無(wú)人船測(cè)量技術(shù)培訓(xùn),在蚌埠市長(zhǎng)淮衛(wèi)淮河大橋項(xiàng)目測(cè)量中,由于自動(dòng)按航線導(dǎo)航作業(yè)時(shí)有一定的轉(zhuǎn)彎半徑,提前在障礙物周圍做好規(guī)避航線,實(shí)際外圍自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)后還要手動(dòng)遙控貼近障礙區(qū)域采集水深數(shù)據(jù),盡可能采集完整。此次測(cè)量水面長(zhǎng)約 1 370 m,寬 1 000 m,水域面積約 1.37 km2,水面來(lái)往船只比較多,水流比較急,水下地形因采砂變得比較復(fù)雜,南北兩部較深,中部較淺,本次作業(yè)要求是按 1∶1 000測(cè)量水下地形,航線間隔 50 m,航向數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)間距 20 m,地形起伏較大處適當(dāng)加密。水下經(jīng)過(guò)約4個(gè)小時(shí)左右的作業(yè),采集了所有的水深數(shù)據(jù)。
在所有測(cè)量工作完成后,進(jìn)行數(shù)據(jù)改正,數(shù)據(jù)后處理。無(wú)人測(cè)量船同樣是按一定的距離或時(shí)間間隔采集數(shù)據(jù),對(duì)獲得的數(shù)據(jù)還不能直接使用,需要進(jìn)行粗差剔除和數(shù)據(jù)抽稀,對(duì)處理的水底正高數(shù)據(jù)這里采用的是無(wú)驗(yàn)潮模式,對(duì)實(shí)時(shí)獲得的水面高程和水深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到水底正高數(shù)據(jù),根據(jù)水底高程,得出DEM,然后得出等高線和TIN成果,成果較直觀地反映了水下地形狀況。本次成功地利用了無(wú)人船技術(shù)獲取了待測(cè)水下區(qū)域的數(shù)據(jù),并通過(guò)數(shù)據(jù)處理生成了水下地形圖。
本次作業(yè)區(qū)域在淮河某支流區(qū)段,測(cè)量環(huán)境晴朗無(wú)風(fēng),水面相對(duì)平靜,適合無(wú)人船作業(yè)。在作業(yè)中通過(guò)遙控和自動(dòng)操控中海達(dá)BM1無(wú)人船,按照設(shè)計(jì)的10條航線,共采集了327組數(shù)據(jù),從中提取了40個(gè)特征點(diǎn),通過(guò)人工測(cè)量的方式(漁船攜帶中海達(dá)HDmax測(cè)深儀)進(jìn)行驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,無(wú)人船所測(cè)的水深數(shù)據(jù)為H1,人工測(cè)量的水深數(shù)據(jù)為H2,檢查結(jié)果如表1所示。
精度檢核 表1
經(jīng)以上實(shí)例驗(yàn)證,利用無(wú)人船水下測(cè)量技術(shù)獲取水下地形數(shù)據(jù)精度能夠滿足大比例尺地形圖水下地形測(cè)量的精度要求,且在復(fù)雜水域條件下,能夠大大降低測(cè)繪人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,成倍提高了外業(yè)測(cè)量效率,避免了外業(yè)人員水上作業(yè)的危險(xiǎn)。隨著無(wú)人船測(cè)量技術(shù)的不斷成熟,將會(huì)得到更廣泛應(yīng)用。