寧新龍

(中國電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300392)

測量的對象是地球的形狀、大小和地面上各種物體的集合形狀及其空間位置。水下地形測量是工程測量中的一種特定測量方式，即測量江河、湖泊、水庫、航道及近海水底的平面位置和高程，用以繪制水下地形圖。傳統(tǒng)的測量方式主要依賴船只搭載單頻測深儀或多波速測深儀進(jìn)行測量，在條件受限的情況下，也通常采用皮劃艇、竹筏、GPS和測深桿、測深錘等器具配合完成。

傳統(tǒng)的測量方法受船只吃水深度影響，淺水區(qū)域、近岸區(qū)域無法靠近，這些區(qū)域存在測量盲區(qū)，出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)空白；盡管皮劃艇、竹筏吃水較淺，但在一些水流比較急的區(qū)域，測量人員人身安全會受到威脅；還有一些河流航道被阻斷不能通航跨越進(jìn)行測量作業(yè)，使得水下地形測量工作受到很大的限制。

本文通過對無人測量船的定義、系統(tǒng)組成、工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用案例等進(jìn)行研究分析，探究無人測量船在水下地形測量方面的優(yōu)勢。

1 無人測量船技術(shù)簡述

1.1 無人測量船定義

無人測量船是一種通過遙控方式或者自主航行方式，借助精確衛(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，同步開展環(huán)境調(diào)查、水域測繪、人員搜救等活動的智能化水面機(jī)器人，英文縮寫為USV。它融合了船體設(shè)計、動力與推進(jìn)系統(tǒng)、船控、通信、人工智能、模式識別、計算機(jī)軟硬件、軟件與算法、遠(yuǎn)程監(jiān)控、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等綜合技術(shù)，可實現(xiàn)整個水上作業(yè)過程的“智能化”“網(wǎng)絡(luò)化”與“無人化”。

1.2 無人測量船系統(tǒng)組成

無人測量船由岸基控制單元和測深船單元兩大部分組成。岸基控制單元主要由平板電腦(或筆記本電腦)、遙控器、無線電臺等組成。測深船單元主要由船體系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、船載主控系統(tǒng)、測深系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等組成。

1.3 無人測量船作業(yè)原理

無人測量船由岸基控制單元和測深船單元通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行實時射頻點(diǎn)對點(diǎn)通信(也可以進(jìn)行4G/5G信號傳輸)。RTK測量信號由移動站與基準(zhǔn)站通過GPS電臺模式或手機(jī)卡網(wǎng)絡(luò)模式提供，也可以直接連接CORS站獲取通信信號，二者通信信號互不干擾。無人測量船既可以通過裝在平板電腦里的控制軟件對測深船發(fā)送參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集以及船體控制等指令，使其自主導(dǎo)航進(jìn)行測量作業(yè)，也可以通過遙控器進(jìn)行手動遙控進(jìn)行測量。在測量過程中測深船自身的狀態(tài)信息和姿態(tài)數(shù)據(jù)、導(dǎo)航信息、定位信息、水深數(shù)據(jù)以及航行軌跡在平板電腦上實時顯示并存儲。然后通過控制軟件自帶的數(shù)據(jù)處理功能進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，然后通過CAD按要求進(jìn)行成圖。

1.4 無人測量船功能特點(diǎn)

1.4.1 智能導(dǎo)航系統(tǒng)

無人測量船有兩種導(dǎo)航模式：手動模式和自動模式，用戶可以根據(jù)具體使用需求靈活切換。在自動導(dǎo)航模式中，用戶可以根據(jù)事先設(shè)計好的路線進(jìn)行自主航行，免去了手動操作的麻煩，利用RTK數(shù)據(jù)定位自主導(dǎo)航，走線精準(zhǔn)，誤差厘米級，偏離航線誤差最大10cm，對于水下地形地貌測量尤為重要；手動模式采用手工遙控器遙控船只進(jìn)行航行，對于測量河流斷面以及水下地形測繪非常實用。手動和自動導(dǎo)航可隨時切換，航向準(zhǔn)確，近似直角轉(zhuǎn)彎，具有電子圍欄功能，可避免船體航行時發(fā)生碰撞。

1.4.2 數(shù)據(jù)采集功能

GPS設(shè)備為無人測量船的自動航行與測量提供位置信息，使用RTK提高位置信息的精度，通過在岸邊架設(shè)基準(zhǔn)站的方式獲得信號，再由電臺發(fā)射給無人船上的GPS設(shè)備，使航行更為精準(zhǔn)(也可不架設(shè)基準(zhǔn)站，直接使用CORS信號)。

1.4.3 定位測深數(shù)據(jù)存儲雙保險

通過無線電臺將定位數(shù)據(jù)、測深數(shù)據(jù)等實時傳輸?shù)桨痘娔X端，可以實時查看水深和定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無線實時傳輸存儲。

與此同時，也可以直接將定位數(shù)據(jù)、測深數(shù)據(jù)直接記錄在測深儀器存儲器中，后期可進(jìn)行導(dǎo)出和后處理。

在測量過程中，如果通信受到外界頻段干擾或岸基電腦故障，岸基電腦就無法記錄實時測量的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)會安全記錄在船體存儲器里，后期可進(jìn)行導(dǎo)出和處理。這種數(shù)據(jù)存儲雙保險可以有效防止測量作業(yè)時連接中斷造成數(shù)據(jù)丟失。

1.4.4 可搭載多種測繪傳感器

無人測量船專注測繪和水文領(lǐng)域的設(shè)計，可以搭載測深系統(tǒng)、測流系統(tǒng)、水質(zhì)分析系統(tǒng)、側(cè)掃系統(tǒng)。無人測量船默認(rèn)搭載RTK和測深系統(tǒng)，客戶可以根據(jù)需求，靈活搭載。

1.4.5 安全性高

無人測量船可設(shè)置多個返航點(diǎn)，一旦發(fā)生失聯(lián)或者低電情況，可自動安全返航，自動駛向home點(diǎn)。

1.4.6 堅固輕便

無人船船體僅重15kg左右，小巧輕便，方便運(yùn)輸。普通轎車后備箱皆可存放運(yùn)輸，船體采用碳纖維、凱夫拉混紡復(fù)合材料，堅固耐用。

1.5 無人測量船市場需求分析

傳統(tǒng)水下地形測量通常采用體積較大、吃水較深的船只搭載GPS和測深設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，但這類船只很難靠近岸邊或抵達(dá)淺水區(qū)域作業(yè)。若采用吃水較淺的竹筏、橡皮艇等進(jìn)行水下地形測量，或通過人工蹚水的方式進(jìn)行測量作業(yè)，危險系數(shù)大、效率低下、精度不高、不環(huán)保，有些危險水域采用以上方法均不可行，無法獲得水下地形數(shù)據(jù)。

因此，有必要采用一種更安全、更高效、吃水淺、環(huán)保的測量方式來彌補(bǔ)這些常規(guī)方式的不足。實時、無人、自動測量的無人測量船能夠解決這些數(shù)據(jù)獲取困難的水域水下地形測量問題。

2 無人測量船水下地形測量應(yīng)用實例

2.1 測區(qū)概況

本次實驗測區(qū)選在山西汾河水庫下游，測區(qū)岸邊周邊蘆葦叢生、水淺，無法采取船只搭載測深儀進(jìn)行測量。若采用橡皮艇則安全性較低，水庫岸邊水淺處水深僅30cm左右，橡皮艇同樣不合適。

2.2 常規(guī)測量方式

采用小船、GPS的RTK和可伸縮的5m測桿配合人工測量方法首先進(jìn)行測量，水特別淺的地方采用人工蹚水進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(見圖1)。

圖1 人工蹚水測量

人工測量步驟如下：

a.準(zhǔn)備小船，對測區(qū)整體進(jìn)行觀察，確定測量路線，對RTK的CORS信號進(jìn)行連接調(diào)試。

b.劃船師傅一人、測深桿一人、GPS一人。三人上船航行到指定地點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)位置的測量和水深數(shù)據(jù)測量并記錄。

c.水特別淺的地方采用人工蹚水進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

d.全部測量完成后，將坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，整理水深數(shù)據(jù)，并繪制地形圖。

2.3 無人測量船測量方式

圖2為采用無人船進(jìn)行測量時的照片。

圖2 無人測量船測量

無人測量船測量步驟如下：

a.設(shè)置無人測量船參數(shù)，對測深儀、平板電腦等設(shè)備進(jìn)行檢查，保證設(shè)備的完整性。對測區(qū)整體進(jìn)行觀察，確定航行路線。

b.利用CORS信號進(jìn)行測量作業(yè)(因為本次實驗沒有已知控制點(diǎn)，無法進(jìn)行控制點(diǎn)檢校，通常情況下需要到已知控制點(diǎn)進(jìn)行測量比對，平面坐標(biāo)與高程符合規(guī)定要求，方可進(jìn)行測量)。

c.本次實驗采用自主導(dǎo)航和手動操控兩種模式。岸寬大約70m，兩側(cè)岸邊采用手動操控模式測量，中間部分采用自主導(dǎo)航模式進(jìn)行測量。

d.測量作業(yè)人員站在視野寬闊的位置操控?zé)o人船，采樣間隔設(shè)置10m自動測存。

e.全部完成后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，內(nèi)業(yè)整理，繪制地形圖。

2.4 數(shù)據(jù)比對

采用人工測量和無人船測量的相關(guān)數(shù)據(jù)對比如表1所列。

表1 人工測量VS無人船測量相關(guān)數(shù)據(jù)比對

2.5 實驗結(jié)論

經(jīng)比對人工測量和無人船測量數(shù)據(jù)，測區(qū)內(nèi)最低點(diǎn)高程差值為73mm，最高點(diǎn)高程差值為35mm。無人測量船精度可以滿足測圖要求。

無人船的結(jié)構(gòu)簡單，搬運(yùn)方便，準(zhǔn)備時間和作業(yè)時間較短，同時可以依照斷面數(shù)據(jù)間隔要求設(shè)置采樣間隔，不受人為因素影響，并且參與測量的作業(yè)人員較少，成本支出少。

船只在淺灘無法滿足吃水要求時，只能人工蹚水測量，而無人船吃水較淺，因此不受吃水影響。

為了更好地適應(yīng)復(fù)雜水域環(huán)境，不被水草、垃圾纏住影響水下測量作業(yè)，最好選用涵道式推進(jìn)器的測深船，涵道式推進(jìn)器有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.拆卸簡單，便于檢修、保養(yǎng)和更換。

b.與船底齊平，在淺水區(qū)域可正常作業(yè)。

c.底部的保護(hù)罩能有效避免水草、垃圾的纏繞。

3 結(jié) 語

通過對無人測量船技術(shù)原理的介紹和應(yīng)用實例分析，可以得出以下結(jié)論：

a.與傳統(tǒng)測量方式相比，無人測量船作業(yè)效率更高，人工成本更低，同時在作業(yè)過程中可降低測量人員登船涉水的危險性，保障人身安全。

b.無人測量船采用單兵作業(yè)模式，一人即可快速完成設(shè)備架設(shè)、調(diào)試和測量，應(yīng)用在城市內(nèi)河湖泊的測量中，可以實現(xiàn)快速測量，隨測隨走，節(jié)省大量人力、物力、財力，縮短整體項目測量周期。

c.無人測量船的高效、便捷、安全、測區(qū)覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)使水下測量作業(yè)變得更加高效、精準(zhǔn)和智能化，其必將在水下地形測量領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用，具有良好的市場前景和發(fā)展趨勢。