周偉

（山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東臨沂276000）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，測(cè)量技術(shù)得到了進(jìn)一步的完善和優(yōu)化，誕生了一系列高端的技術(shù)，如無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等。相對(duì)比傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，無(wú)人機(jī)和無(wú)人船等技術(shù)十分靈活且快捷，同時(shí)該類技術(shù)不受地形和環(huán)境等因素的限制，可以應(yīng)用于一些特殊地形區(qū)域的測(cè)量中，特別是在水庫(kù)庫(kù)容復(fù)核中應(yīng)用更加廣泛。對(duì)于無(wú)人船技術(shù)而言，其還具備穩(wěn)定、精準(zhǔn)、智能以及高效等優(yōu)勢(shì)，所以可以很好地克服傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在實(shí)際測(cè)量中存在的一些弊端和不足，將其應(yīng)用到水庫(kù)地形測(cè)量以及庫(kù)容計(jì)算中具有巨大的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值，相關(guān)業(yè)內(nèi)人士需要給予足夠的重視。

2 中海達(dá)i Boat無(wú)人船系統(tǒng)概述

本次研究中所使用的i Boat無(wú)人船系統(tǒng)主要包括以下幾部分，即無(wú)人船平臺(tái)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)以及測(cè)深系統(tǒng)等。相對(duì)比傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，i Boat無(wú)人船技術(shù)具備靈活、安全、高效等優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，所以將其應(yīng)用于水庫(kù)地形測(cè)量和庫(kù)容復(fù)核計(jì)算中具有理想的效果。本次研究中無(wú)人船系統(tǒng)除了安裝支持網(wǎng)絡(luò)RTK的GPS模塊以外，還可以通過(guò)地面工作站對(duì)無(wú)人船進(jìn)行自動(dòng)定位、自動(dòng)巡航（也可以使用遙控器手動(dòng)操控）、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和后期數(shù)據(jù)檢查改正等操作，可以進(jìn)一步提升測(cè)量的自動(dòng)化水平，有效降低人工勞動(dòng)力，其工作原理如下。

2.1 深度測(cè)量原理

對(duì)于水庫(kù)深度的測(cè)量，主要是通過(guò)無(wú)人船底部的聲波發(fā)射裝置發(fā)射聲波，然后利計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行處理[1]。在實(shí)際的測(cè)量中，無(wú)人船底部的發(fā)射裝置主要是換能器，使其垂直向下發(fā)射聲波，聲波傳達(dá)至水底后折回，此時(shí)由接收器采集信號(hào)，然后通過(guò)微電腦系統(tǒng)進(jìn)行水庫(kù)深度的測(cè)量計(jì)算，公式如下：

式中，D為水庫(kù)深度；ν為聲波傳播的速度；駐t為聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差。

2.2 高程計(jì)算

水庫(kù)水底高程計(jì)算公式如下：

式中，G為水庫(kù)水底高程值；h為GPS天線相位中心到測(cè)深儀零點(diǎn)的高度；H為GPS天線相位中心高程；D為探測(cè)儀測(cè)量的水深。

3 無(wú)人船在水庫(kù)庫(kù)容復(fù)核中的應(yīng)用

3.1 水庫(kù)地形測(cè)量

水庫(kù)地形測(cè)量是水庫(kù)庫(kù)容復(fù)核中十分重要的一項(xiàng)工作內(nèi)容，其主要可細(xì)分為水上地形測(cè)量和水下地形測(cè)量2部分。通常情況下，為了提高水庫(kù)庫(kù)容復(fù)核精準(zhǔn)度，需要在水庫(kù)枯水期和豐水期分別進(jìn)行2次測(cè)量，以滿足實(shí)際的測(cè)量需求。

3.1.1 水上地形測(cè)量

對(duì)于水庫(kù)水上區(qū)域的地形測(cè)量，可直接采用基于網(wǎng)絡(luò)RTK的GPS測(cè)量和全站儀無(wú)棱鏡測(cè)量水上地形特征點(diǎn)的高程值。一般為了達(dá)到理想的測(cè)量效果，需要在冬季枯水期且無(wú)雜草的時(shí)間進(jìn)行水上地形測(cè)量，而對(duì)于有雜草的區(qū)域，為測(cè)量特征點(diǎn)高程值需要將全站儀無(wú)棱鏡測(cè)量切換為有棱鏡或GPS人工跑點(diǎn)測(cè)量，以確保水上地形測(cè)量的全面性和準(zhǔn)確性。

3.1.2 水下地形測(cè)量

對(duì)于水庫(kù)水下地形的測(cè)量，傳統(tǒng)的測(cè)量方法顯然無(wú)法滿足需求，此時(shí)需要應(yīng)用無(wú)人船系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。為了提高測(cè)量精準(zhǔn)度，最好選擇在夏季豐水期且風(fēng)力小于3級(jí)（中海達(dá)i Boat標(biāo)注抗風(fēng)等級(jí)為5~6級(jí)）的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，詳細(xì)步驟如下：

1）設(shè)備安裝調(diào)試。在實(shí)際的安裝完成后，需要相關(guān)人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、測(cè)深儀的系統(tǒng)集成情況進(jìn)行測(cè)試，確保設(shè)備性能符合既定標(biāo)準(zhǔn)。

2）水深測(cè)量精度檢定。利用基于山東CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK模式，設(shè)定好參數(shù)，隨后用i Boat無(wú)人船的GPS模塊和測(cè)深儀模塊（采集的平面坐標(biāo)系統(tǒng)為2000國(guó)家坐標(biāo)，高程基準(zhǔn)為1985國(guó)家高程）分別對(duì)水面高程和水深進(jìn)行記錄，并利用天寶R10 GPS和測(cè)深桿分別對(duì)水面高程和水深數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，檢查點(diǎn)一般不少于3個(gè)，考慮無(wú)人船吃水誤差后2次測(cè)量較差不大于0.1m的情況下，才能進(jìn)行下一步的測(cè)量工作。

3）水域范圍劃定。在完成設(shè)備安裝和測(cè)試后，需要對(duì)水庫(kù)水域測(cè)量范圍進(jìn)行劃定，i Boat無(wú)人船可以調(diào)取影像劃定測(cè)量區(qū)域，也可以利用遙控器遠(yuǎn)程操控?zé)o人船進(jìn)行水庫(kù)邊緣環(huán)繞，并實(shí)時(shí)記錄位置，合理地進(jìn)行水域區(qū)域的劃定。

4）測(cè)線布設(shè)。根據(jù)上述劃定的水域范圍，按照規(guī)范的比例尺要求進(jìn)行無(wú)人船航線的布設(shè)，相關(guān)設(shè)置主要通過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊進(jìn)行微電腦上傳。

5）實(shí)施測(cè)量。在完成所有參數(shù)設(shè)置及信息上傳后，立即實(shí)施測(cè)量工作，對(duì)無(wú)人船進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作，實(shí)施自動(dòng)化的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集。

6）數(shù)據(jù)處理。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理作業(yè)時(shí)，采取無(wú)驗(yàn)潮數(shù)據(jù)處理方式，利用無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)中相關(guān)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行各個(gè)測(cè)點(diǎn)高程值的處理，其中對(duì)于不符合要求的數(shù)值進(jìn)行剔除，最終得到高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。

7）數(shù)據(jù)接邊融合。在完成測(cè)量作業(yè)后，需要將無(wú)人船水下地形測(cè)量與全站儀水上地形測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行接邊融合處理，生成南方測(cè)繪CASS展點(diǎn)格式的數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入CASS軟件中，生成閉合的等深線/等高線，提取出各條等高線所對(duì)應(yīng)的面積并用于水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算。

3.2 水庫(kù)庫(kù)容復(fù)核計(jì)算

通常情況下，對(duì)于水庫(kù)庫(kù)容的計(jì)算方法有以下幾種，即水位-面積法、DEM法、不規(guī)則三角網(wǎng)法和斷面法等，本次研究中對(duì)水庫(kù)庫(kù)容計(jì)算所使用的是水位～面積法，庫(kù)容計(jì)算公式如下：

式中，V為相應(yīng)水位為h的庫(kù)容，104m3；駐V為相鄰高程間隔間的容積，104m3；S1、S2為相鄰水位的水庫(kù)水面面積，104m2；駐h 為相鄰水位間水層深度或等高距，m；h0為庫(kù)底高程，m。

實(shí)驗(yàn)中利用CASS軟件對(duì)不同等高線的閉合面積進(jìn)行提取，并利用庫(kù)容計(jì)算公式對(duì)濟(jì)寧市泗水縣賀莊水庫(kù)的庫(kù)容進(jìn)行計(jì)算，繪制水位-面積、水位-庫(kù)容的曲線圖，如圖1所示。

圖1 水位-面積、水位-庫(kù)容曲線圖

由圖1分析可知，水庫(kù)水位越高，水庫(kù)淹沒(méi)面積就越大，此時(shí)水庫(kù)庫(kù)容量的增加越快。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人船技術(shù)在水庫(kù)庫(kù)容復(fù)核計(jì)算中具有巨大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用價(jià)值，所以被廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域。通過(guò)本次研究更是證明了這一點(diǎn)。但本文沒(méi)有給出各種不同庫(kù)容計(jì)算方法的對(duì)比分析結(jié)果，同時(shí)沒(méi)有對(duì)庫(kù)容做進(jìn)一步的應(yīng)用分析，在后續(xù)的研究中還需要對(duì)水庫(kù)的應(yīng)用價(jià)值，如防洪、調(diào)度，水庫(kù)清淤、飲水安全等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。