袁國友

（安徽省淮河河道管理局測繪院 蚌埠 233000）

1 引言

無人船是一種可以無需遙控，借助精確GNSS衛(wèi)星定位和自身傳感即可按照預設(shè)任務(wù)在水面航行的全自動水面機器人，英文縮寫為USV。無人船系統(tǒng)融合了船舶、通信、自動化、機器人控制、遠程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)等技術(shù)，實現(xiàn)了自主導航、智能避障、遠程通信、視頻實時傳輸和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控等功能，可廣泛應(yīng)用于水下地形測繪、環(huán)境監(jiān)測、科研勘探、搜索救援、水域巡查乃至軍事領(lǐng)域。

2 無人船測量系統(tǒng)工作原理及特點

2.1 無人船測量系統(tǒng)工作原理

無人船系統(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)、導航系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、船體構(gòu)造，作業(yè)系統(tǒng)包含測深系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)。

無人船測量系統(tǒng)是整個無人船系統(tǒng)的核心，承擔著水深測量和導航定位任務(wù)，整個測量系統(tǒng)主要由數(shù)字測深儀、姿態(tài)傳感器、GNSS 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。

整個系統(tǒng)的導航定位采用GNSS-RTK 動態(tài)差分定位原理(如圖1 所示)，在岸基架設(shè)GNSS 基準站接收GNSS 衛(wèi)星信號并將差分數(shù)據(jù)發(fā)送給無人船上安置的GNSS 接收機，實現(xiàn)實時定位和導航功能。

無人船的核心設(shè)備之一是測深儀，水深測量由安置在船上的數(shù)字測深儀完成，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，再通過換能器檢測回波電能信號，從而計算出傳播時間，根據(jù)聲速和時間計算出水深，在屏幕顯示出來，并且顯示回波圖形。

2.2 無人船的特點

無人船測量系統(tǒng)具有以下特點：（1）獨立導航功能。在無人船中裝備有智能芯片，通過芯片工作人員可實時獲取無人船的GNSSS 路線，并將之與預先設(shè)定的航線坐標對比，這樣可以實時進行航線的調(diào)整。（2）智能避障功能。無人船的船頭部分安裝有攝像機和距離傳感器，工作人員可以實時監(jiān)控無人船的航行情況，一旦遭遇障礙物時，傳感器可迅速傳遞距離信息給智能芯片，這時無人船會根據(jù)預設(shè)的安全距離數(shù)值，果斷采取避讓或停止的動作，提升了無人船測量工作的效率和安全性。（3）實時通訊功能。無人船系統(tǒng)還安裝有數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和實時地圖傳輸設(shè)備，依托這兩種設(shè)備無人船可與岸上操控中心進行數(shù)據(jù)的實時對接。（4）具有平穩(wěn)、持久的航行能力。無人測量船在硬件上作出了一些改進和調(diào)整，如將傳統(tǒng)船只單體設(shè)計變?yōu)槿w設(shè)計，降低了船只重心，顯著改善了其抗風浪的能力，使船在行駛中更加平穩(wěn)。

3 無人船水下地形測量實例

3.1 項目概況

安徽省淮河河道管理局測繪院承擔了淮河干流安徽段10 余處崩岸的定期觀測任務(wù)，其中包括潁上境內(nèi)的高臺孜、王臺孜，鳳臺境內(nèi)的流沙洼、喬口孜、新建隊、啞巴渡，潘集境內(nèi)的光明、南湖等崩岸。由于上述崩岸每年沖淤變化比較大，河岸呈現(xiàn)不同程度的刷岸，河床呈現(xiàn)不同程度下切，安徽省淮河河道管理局對此保持特別關(guān)注，要求局測繪院每年汛前采用“斷面法”測量，并對崩岸變化進行斷面套繪、分析，及時發(fā)現(xiàn)險情，采取相應(yīng)措施防護處理。測繪內(nèi)容包括1 ∶1000 地形圖及斷面圖，斷面間距設(shè)為25～50m。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

圖1 無人船測量系統(tǒng)基本原理示意圖

考慮大部分崩岸距離確保堤防較近，地形圖及斷面測量范圍測至確保堤防背水側(cè)，測量包括陸上及水下兩個部分，陸上部分主要采用GNSSS-RTK 測量。RTK 定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，實時提供測站點在指定坐標系中相應(yīng)點的X、Y、Z 三維坐標。北斗衛(wèi)星的投入使用，GNSS 接收機能搜索到更多的共同解算衛(wèi)星，使GNSS 接收機工作更穩(wěn)定。

水下地形部分采用無人船用“斷面法”進行測量。為提高水下測量的精度和效率，安徽省淮河河道管理局測繪院中海達公司IBOAT BS2 多功能智能無人船測量系統(tǒng)，該設(shè)備搭載衛(wèi)星定位系統(tǒng)、波束測深儀、發(fā)射電臺、智能導航系統(tǒng)等軟硬件設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)自動設(shè)定航線、自動采集數(shù)據(jù)、自動導航及進行遠程操作等功能，具有智能化高、攜帶方便等優(yōu)點。在崩岸測量中，由于按航線自動導航作業(yè)時有一定的轉(zhuǎn)彎半徑，可提前在障礙物周圍做好規(guī)避航線，實際外圍自動導航作業(yè)后還要手動遙控貼近障礙區(qū)域采集水深數(shù)據(jù)，盡可能采集完整。作業(yè)要求按1 ∶1000 測量水下地形，航線間隔25m，航向數(shù)據(jù)采樣點間距5m，地形起伏較大處適當加密。

3.3 數(shù)據(jù)處理

測量工作完成后，可以進行數(shù)據(jù)改正，數(shù)據(jù)后處理。獲得的數(shù)據(jù)還不能直接使用，需要進行粗差剔除和數(shù)據(jù)抽稀，對實時獲得的水面高程和水深數(shù)據(jù)進行處理得到水底正高數(shù)據(jù)。及時將實測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至計算機并生成原始文件，使用南方CASS7.1 繪制出崩岸地形圖。

將所有數(shù)據(jù)展繪于地形圖上，并參照斷面線檢查數(shù)據(jù)是否遺漏，點位間距是否合適，斷面點位偏離是否超限等。經(jīng)初檢無問題則導入Excel進行處理。將屬于同一斷面的數(shù)據(jù)集合在一起，并按自左岸到右岸的次序排列，計算各點在斷面線上的映射點到基點之間的距離和各點偏離斷面線距離，并整理成斷面數(shù)據(jù)成果表。由斷面成果表將數(shù)據(jù)整理為繪制斷面圖需要的格式，采用專業(yè)繪圖軟件繪制dwg 格式的橫斷面圖。橫斷面圖橫比例尺為1 ∶1000，縱比例尺為1 ∶100。

地形圖及斷面圖繪制完成后，利用該段崩岸歷史資料中的地形圖及斷面進行套繪比較，并結(jié)合本段崩岸的地質(zhì)及相應(yīng)時段的水文、水沙特性，對該段崩岸的河岸、河床變化進行分析。

3.4 精度檢核

每處崩岸采集中提取了10 個特征點，通過人工測量的方式（漁船攜帶中海達HDmax 測深儀）驗證數(shù)據(jù)的準確性。經(jīng)數(shù)據(jù)對比，平面誤差均在10cm 內(nèi)，水深數(shù)據(jù)誤差在5cm，最大誤差為8cm，滿足項目要求。

4 結(jié)語

經(jīng)上述實例驗證，利用無人船水下測量技術(shù)獲取水下地形數(shù)據(jù)，能夠滿足大比例尺地形圖水下地形測量的精度要求，且在復雜水域條件下，能夠大大降低測繪人員的勞動強度，成倍提高了外業(yè)測量效率，避免了外業(yè)人員水上作業(yè)的危險，對促進測繪單位的發(fā)展、增強市場競爭力、提高技術(shù)服務(wù)水平大有裨益，具有良好的市場前景和發(fā)展趨勢■