李杰方

（廣東邦鑫數(shù)據(jù)科技股份有限公司，廣東 廣州 510335）

在水下地形測(cè)量中，傳統(tǒng)作業(yè)主要以人工使用RTK、測(cè)量船、皮劃艇等方式完成。淺灘區(qū)域常常采用人工帶著RTK的作業(yè)方式進(jìn)行，但是水下作業(yè)較為危險(xiǎn)，而且效率低，皮劃艇難以固定，測(cè)量精度難以滿足要求。在測(cè)量船上，由于船體較大，吃水較深，一些淺水區(qū)域無(wú)法進(jìn)入，從而無(wú)法獲取高精度的海底地形地貌數(shù)據(jù)。為解決這一問題，采用無(wú)人船搭載測(cè)深儀的作業(yè)模式施測(cè)，可有效解決傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)效率低、受地形因素限制較大的問題。

1 無(wú)人船平臺(tái)應(yīng)用背景及設(shè)備技術(shù)參數(shù)

無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于陸域地形測(cè)量、土地調(diào)查、應(yīng)急測(cè)量等測(cè)繪領(lǐng)域，作業(yè)效率和精度已得到業(yè)界的普遍認(rèn)可。探討無(wú)人船測(cè)量技術(shù)是海洋測(cè)繪與時(shí)俱進(jìn)的必然要求。

無(wú)人船測(cè)量技術(shù)是近年興起的海底數(shù)據(jù)獲取的自動(dòng)化船基作業(yè)模式，可搭載單波束、多波束、ADCP、側(cè)掃聲吶、水質(zhì)儀等，根據(jù)測(cè)量范圍、設(shè)計(jì)測(cè)線開展長(zhǎng)程走航式測(cè)量，在水上安防救助、海洋調(diào)查測(cè)量、水上環(huán)境采樣監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮了重要的作用。廣東邦鑫數(shù)據(jù)科技股份有限公司采用M40無(wú)人船搭載Reson Seabat T20-P多波束在近岸淺灘、江河湖泊進(jìn)行測(cè)量，在保證數(shù)據(jù)精度的前提下，大大降低了人工成本，提高了作業(yè)效率，有效解決了淺灘水域難以獲得一定密度水深數(shù)據(jù)的難點(diǎn)。M40測(cè)量無(wú)人船示意圖如圖1所示，Reson Seabat T20-P多波束設(shè)備如圖2所示。

圖1 M40測(cè)量無(wú)人船

圖2 Reson Seabat T20-P多波束

M40測(cè)量無(wú)人船標(biāo)稱參數(shù)：尺寸為3.3m×1.9m（長(zhǎng)×寬），排水量為450kg；工作海況2級(jí)，生存海況4級(jí)，最大航速8節(jié)，滿載2級(jí)海況時(shí)工作航速6節(jié)，續(xù)航力為8h，最大載荷60kg；無(wú)線射頻數(shù)據(jù)通信距離不小于5km；任務(wù)載荷供電500W；水面探測(cè)距離50m（毫米波雷達(dá)）。擁有先進(jìn)的自主航行控制系統(tǒng)和智能避障技術(shù)，主航行的測(cè)繪貼線精度可控制在1m以下，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)同步實(shí)時(shí)傳輸。

Reson Seabat T20-P多波束標(biāo)稱參數(shù)：工作主頻為200～400kHz，波束數(shù)目為512個(gè)，波束角為（1.1±0.05）°，波束開角范圍為165°；可進(jìn)行等角和等距的測(cè)量模式轉(zhuǎn)換，測(cè)深范圍為0.5～450m，最高頻率為50Hz。

2 無(wú)人船搭載多波束的作業(yè)模式

無(wú)人船搭載多波束的作業(yè)模式如圖3所示。測(cè)量前，換能器固定安裝在無(wú)人船底中部，主機(jī)固定在船艙內(nèi)，架設(shè)并調(diào)試好無(wú)線電通信設(shè)備，確保設(shè)備與岸上工作站之間的通信順暢。在岸邊架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，設(shè)置相關(guān)測(cè)量參數(shù)，使無(wú)人船按照事先設(shè)定好的航線航行，并啟動(dòng)測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)專業(yè)后處理軟件處理并檢查后，形成最終成果。

3 測(cè)量實(shí)施過(guò)程及數(shù)據(jù)分析

采用人工驗(yàn)潮的方式測(cè)量測(cè)區(qū)的潮位變化情況，生成潮位文件，供內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用。多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝完畢之后，現(xiàn)場(chǎng)采用顯控軟件和導(dǎo)航采集軟件進(jìn)行顯控聲吶控制和數(shù)據(jù)采集。

多波束后處理主要采用CARIS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要流程包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、潮位加載、聲波加載、安裝偏差校準(zhǔn)、條帶編輯、子區(qū)編輯，成果輸出等。經(jīng)過(guò)以上數(shù)據(jù)處理工作，可以輸出測(cè)區(qū)的水深數(shù)據(jù)，同時(shí)為后續(xù)的工作提供數(shù)據(jù)依據(jù)。通過(guò)CARIS的外業(yè)圖板功能模塊，獲取測(cè)區(qū)的三維曲面模型，測(cè)區(qū)的三維曲面圖如圖4所示。

圖4 水下三維圖

在數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器數(shù)據(jù)改正和校準(zhǔn)后，查看數(shù)據(jù)斷面吻合情況，總體吻合情況良好。

利用CARIS軟件自帶的質(zhì)量控制功能模塊以IHO特級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)的重疊區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析。由于水下地形較為復(fù)雜，地形起伏較大，為更真實(shí)反映測(cè)量的效果，采用0.1m×0.1m的曲面數(shù)據(jù)，進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)分析，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。由表1可知，在一個(gè)Sigma或68%置信度上，無(wú)人船搭載多波束水深測(cè)量的精度滿足IHO特級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)。

表1 0.1m網(wǎng)格曲面精度分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果（區(qū)域1）

4 無(wú)人船搭載多波束的優(yōu)點(diǎn)

（1）節(jié)省了作業(yè)時(shí)間。有人船搭載多波束在設(shè)備安裝及校準(zhǔn)環(huán)節(jié)需要3～4h，安裝也較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。無(wú)人船搭載多波束可免安裝校準(zhǔn)，節(jié)約了測(cè)前的準(zhǔn)備時(shí)間。

（2）節(jié)約了成本。有人測(cè)量船需要的燃油費(fèi)、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)較高，至少需要4個(gè)作業(yè)人員。而無(wú)人船只需一些簡(jiǎn)單的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)，只需在地面站派遣1人觀看系統(tǒng)即可，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。

（3）提高了淺水區(qū)域的作業(yè)效率。一般情況下，淺水區(qū)域采用人工使用RTK的作業(yè)模式，1min只能測(cè)點(diǎn)3～5個(gè)，而且水下測(cè)量危險(xiǎn)。采用無(wú)人船搭載多波束在1min能完成上萬(wàn)個(gè)測(cè)點(diǎn)，并且能達(dá)到全覆蓋測(cè)量，大大提高了單位時(shí)間內(nèi)完成的測(cè)量面積。

（4）提高了淺水區(qū)域測(cè)量精度。淺水區(qū)域通常采用人工使用RTK的作業(yè)模式，測(cè)量過(guò)程中容易造成棱鏡桿傾斜或下陷的情況，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。采用無(wú)人船搭載多波束，測(cè)量船本身安裝有姿態(tài)傳感器，有效避免因船體姿態(tài)引起的誤差，輸出的水深點(diǎn)密度也足夠大，提高了淺水區(qū)域的水深精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人船測(cè)量技術(shù)是近年興起的海洋測(cè)繪領(lǐng)域自動(dòng)化船基作業(yè)模式，搭載多波束設(shè)備可以對(duì)海底進(jìn)行全覆蓋測(cè)量，每個(gè)條帶的覆蓋寬度可達(dá)到水深的數(shù)倍，獲得高精度的水下地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，是港口航道檢測(cè)、通航驗(yàn)收、疏浚工程量計(jì)算等的主要依據(jù)。同時(shí)，有效解決了淺水、低海況時(shí)海底地形數(shù)據(jù)的獲取問題，提高了作業(yè)效率，顯著降低了作業(yè)成本。