賈治平

（山西省測(cè)繪地理信息院，山西 太原 030001）

0.引言

智能無人船是一套以無人船為載體，搭載GNSS、IMU、測(cè)深系統(tǒng)等設(shè)備，通過操控軟件進(jìn)行航線規(guī)劃來實(shí)施水下測(cè)量的智能系統(tǒng)[1]。目前，自然資源部門為加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)、推動(dòng)河長(zhǎng)制管理工作，在多地開展了湖泊水庫(kù)水下地形測(cè)量工作，為河道治導(dǎo)規(guī)劃、河道管理范圍定界等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和空間定位服務(wù)。

水下地形測(cè)量所需采集的水下地形要素主要包括：反映水下地表特定位置的高程、等高線、連續(xù)反映水下地面或地表特定形態(tài)或地貌特征的水下地形特征線要素、航行障礙物要素及助航標(biāo)志要素等，與周邊陸地地形地貌要素經(jīng)基準(zhǔn)統(tǒng)一后可完整表達(dá)固體地球表面形態(tài)。

采用智能無人船進(jìn)行水下測(cè)量，相比傳統(tǒng)的水下測(cè)量方法，具有快捷高效、投入成本少、施測(cè)精度高、外業(yè)測(cè)量安全等優(yōu)勢(shì)。本文根據(jù)智能無人船的技術(shù)特點(diǎn)詳細(xì)闡述其水下地形測(cè)量的技術(shù)流程，水下測(cè)量數(shù)據(jù)處理與流程化軟件研制，最后以山西某水庫(kù)為例，介紹其水下測(cè)量與數(shù)據(jù)處理流程。

1.智能無人船水下測(cè)量技術(shù)流程

水下測(cè)量作業(yè)流程主要包括準(zhǔn)備工作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量檢查等幾方面工作，根據(jù)智能無人船工作特點(diǎn)，其主要技術(shù)流程如下：

（1）準(zhǔn)備工作：制定工作方案，收集測(cè)區(qū)資料、編寫技術(shù)設(shè)計(jì)書、準(zhǔn)備測(cè)量設(shè)備、人員培訓(xùn)等；

（2）測(cè)區(qū)踏勘，了解測(cè)區(qū)工作環(huán)境，對(duì)測(cè)區(qū)控制點(diǎn)點(diǎn)位情況進(jìn)行踏勘；

（3）基站架設(shè)（或網(wǎng)絡(luò)RTK）、設(shè)備聯(lián)通、按規(guī)劃測(cè)線進(jìn)行測(cè)量；

（4）數(shù)據(jù)導(dǎo)出，將外業(yè)采集數(shù)據(jù)應(yīng)用無人船自帶數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)噪點(diǎn)刪除處理，導(dǎo)出數(shù)據(jù)后并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，檢查所測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)是否完整；

（5）數(shù)據(jù)整理與處理，對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并整理、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等操作。如要將水下測(cè)量的WGS84坐標(biāo)系大地高轉(zhuǎn)換為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，需利用似大地水準(zhǔn)面精化軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，則需對(duì)數(shù)據(jù)按照軟件要求格式進(jìn)行編輯整理等；

（6）DEM生產(chǎn)，應(yīng)用GIS軟件制作DEM成果；

（7）成果質(zhì)量檢查、資料整理與成果提交。

水下地形測(cè)量施測(cè)技術(shù)流程圖（如圖1所示）：

圖1 水下測(cè)量工藝流程

1.1 資料收集

資料收集主要包括：水庫(kù)或湖泊地形圖、水庫(kù)正常蓄水位、壩頂壩尾高程、豐水期水位、枯水期水位、庫(kù)容量、高程系統(tǒng)信息、測(cè)區(qū)的自然、地理、人文信息，以及與測(cè)區(qū)測(cè)量相關(guān)的資料。

1.2 測(cè)區(qū)踏勘

為合理確定施測(cè)方案，需對(duì)測(cè)區(qū)實(shí)地情況有必要了解，因此，進(jìn)行測(cè)區(qū)踏勘也是施測(cè)前的一個(gè)必要環(huán)節(jié)，一方面可以核實(shí)收集資料的準(zhǔn)確性；另一方面可以收集缺失的資料數(shù)據(jù)。測(cè)區(qū)踏勘主要了解內(nèi)容如下：

（1）調(diào)查測(cè)區(qū)的行政區(qū)劃、人文地理、交通情況、水文氣象，以及通信等情況[2]；

（2）實(shí)地勘察測(cè)區(qū)現(xiàn)有可利用的控制點(diǎn)情況；

（3）了解測(cè)區(qū)電磁場(chǎng)對(duì)無線電定位儀的干擾情況；

（4）了解測(cè)區(qū)無人船工作環(huán)境，合理確定施測(cè)方案。

1.3 測(cè)線布設(shè)

測(cè)線布設(shè)是水下測(cè)量前期的重要工作環(huán)節(jié)，測(cè)線布設(shè)過寬一方面不足以反映水下地形地貌變化；另一方面也會(huì)降低插值點(diǎn)精度，進(jìn)而影響最后成果精度。測(cè)線布設(shè)過窄會(huì)降低工作效率[3]。因此，合理進(jìn)行測(cè)線布設(shè)是保證最后測(cè)繪成果精度的一個(gè)重要因素，經(jīng)綜合分析，本文采用的布設(shè)方法如下：

（1）測(cè)區(qū)主縱線確定。根據(jù)踏勘采集到的水域范圍線，以及收集到已有的影像、DEM等資料確定水流走向、河道走向、挖槽軸線等作為測(cè)區(qū)主縱線，若這些方向難以確定，也可選測(cè)區(qū)較長(zhǎng)邊作為測(cè)區(qū)主縱線；

（2）主測(cè)線布設(shè)。單波束測(cè)深主測(cè)線宜垂直于主縱線方向進(jìn)行布設(shè)，測(cè)深線間距可按水下地形測(cè)量成果的用途、比例尺大小、DEM精度要求等設(shè)置其間距大?。?/p>

（3）如果測(cè)區(qū)范圍較大，可進(jìn)行多作業(yè)組測(cè)量，不同作業(yè)組鄰接處應(yīng)布設(shè)一條重合測(cè)深線（參照《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS131-2012）8.2.6節(jié)）；

（4）檢查線布設(shè)。檢查線布設(shè)宜垂直于主測(cè)線，布設(shè)條數(shù)視實(shí)際工程具體情況而定，一般檢查線布設(shè)間距不大于250m。

1.4 水下測(cè)量外業(yè)施測(cè)

利用單波束無人船測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量，一般采用斷面法進(jìn)行測(cè)量，通過在地面架設(shè)GNSS基站或利用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量模式，以及無人船測(cè)深系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取測(cè)深點(diǎn)的平面位置、水面高程和水深數(shù)據(jù)。

馬克思指出，“問題就是公開的、無畏的、左右一切個(gè)人的時(shí)代聲音。問題就是時(shí)代的口號(hào)，是它表現(xiàn)自己精神狀態(tài)的最實(shí)際的呼聲”。習(xí)近平總書記也指出，“每個(gè)時(shí)代總有屬于它自己的問題，只要科學(xué)地認(rèn)識(shí)、準(zhǔn)確地把握、正確地解決這些問題，就能夠把我們的社會(huì)不斷推向前進(jìn)”。講好習(xí)近平新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義思想的課程，要堅(jiān)持理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)，堅(jiān)持問題導(dǎo)向，注重解答黨員干部思想上的疙瘩。要旗幟鮮明，圍繞主業(yè)主課，提出好問題、真問題、新問題、深問題，通過分析問題傳遞正能量，信息觀點(diǎn)與時(shí)俱進(jìn)，切中黨員干部急需回應(yīng)的困惑，并啟發(fā)學(xué)員們的深層思考。

水下測(cè)量外業(yè)施測(cè)，在進(jìn)入測(cè)區(qū)，首先需進(jìn)行庫(kù)區(qū)水域的范圍線測(cè)量，范圍線測(cè)量主要服務(wù)于測(cè)線布設(shè)：范圍線測(cè)量可采用傳統(tǒng)的RTK測(cè)量、無人船+RTK測(cè)量、大船拖無人船+RTK的方法進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際作業(yè)中可根據(jù)庫(kù)區(qū)實(shí)際情況靈活選擇測(cè)量方式。

無人船開機(jī)航行時(shí)，需滿足一定的要求：（1）無人船航線盡量按設(shè)計(jì)線路保持勻速、直線航行，在轉(zhuǎn)彎處要緩慢轉(zhuǎn)彎；（2）在測(cè)量過程中，若遇大風(fēng)天氣要立即停止作業(yè)；（3）實(shí)際測(cè)線與規(guī)劃航線偏移不宜過大，一般不超過測(cè)線間距的1/4[4]。

開始測(cè)量前，需首先將各設(shè)備進(jìn)行規(guī)范連接，檢查所有的通訊接口是否正常；然后打開控制軟件，將設(shè)備與控制軟件進(jìn)行通訊連接，設(shè)置定位參數(shù)、記錄參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置、航線布設(shè)等，所有設(shè)置經(jīng)校對(duì)無誤后即可讓無人船下水開始按規(guī)劃航線測(cè)量[5]。

外業(yè)施測(cè)結(jié)束后，作業(yè)組需當(dāng)場(chǎng)對(duì)測(cè)線數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行檢查，檢查測(cè)量記錄是否完整、數(shù)據(jù)質(zhì)量是否可靠，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與備份，檢查合格后方可收工進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

1.5 水深測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程

水深測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程主要包括：

（1）將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入無人船配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要是進(jìn)行無人船吃水改正和數(shù)據(jù)的濾波處理；

（2）主測(cè)線與檢查線交叉點(diǎn)較差檢查；

（3）將處理后數(shù)據(jù)按照“點(diǎn)號(hào)、經(jīng)度、緯度、水底大地高”格式導(dǎo)出為文本文件；

（4）坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。由于采集到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其高程為WGS84坐標(biāo)系下的大地高，需要應(yīng)用大地水準(zhǔn)面精化模型將其轉(zhuǎn)換為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)正常高，并將WGS84坐標(biāo)系的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)；

（5）應(yīng)用GIS軟件導(dǎo)入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)，進(jìn)行展點(diǎn)操作、構(gòu)建TIN、生成DEM。需要注意的是利用展點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN時(shí)，即不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建，首先需要在三維GIS軟件中根據(jù)地形的起伏變化情況勾畫出地形的坡腳線，避免在地形突變的溝、坎等處出現(xiàn)不合理的三角形，此外三角形盡量以銳角為宜，不宜出現(xiàn)鈍角或小于20°的銳角。若局部區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)稀疏需要進(jìn)行合理內(nèi)插，目前一般的GIS軟件或CAD中也可實(shí)現(xiàn)內(nèi)插操作，在本文研制的數(shù)據(jù)處理軟件中也可實(shí)現(xiàn)內(nèi)插功能。

1.6 DEM接邊處理

要實(shí)現(xiàn)水上水下地形一體化，首先需要進(jìn)行水上水下DEM融合處理，將水下測(cè)量生成的DEM成果與水域周邊的DEM成果進(jìn)行無縫拼接。在拼接之前首先需統(tǒng)一DEM分辨率。在實(shí)際拼接的過程中，可能水上DEM與水下DEM接邊處會(huì)存在“縫隙”，如果縫隙較小，可以用內(nèi)插的方式進(jìn)行處理，如果縫隙較大，則需要對(duì)空缺部分地形進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，補(bǔ)測(cè)方法可采用地面三維激光掃描儀或其他測(cè)量方法來完成。

1.7 成果質(zhì)量檢查

水下測(cè)量成果質(zhì)量檢查是衡量測(cè)量成果能否投入應(yīng)用的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，依據(jù)規(guī)范和技術(shù)設(shè)計(jì)書中規(guī)定的技術(shù)和質(zhì)量要求，對(duì)成果的各質(zhì)量元素所包括的檢查項(xiàng)進(jìn)行檢查。檢查內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)質(zhì)量和文檔資料質(zhì)量。

（1）數(shù)據(jù)質(zhì)量，主要包括外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和最后DEM成果質(zhì)量，具體來講，涉及數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是否正確、選擇的測(cè)量設(shè)備是否在有效期內(nèi)、儀器標(biāo)稱精度是否滿足工程項(xiàng)目要求、測(cè)線間距和測(cè)點(diǎn)間距是否滿足相應(yīng)規(guī)范要求、數(shù)據(jù)成果精度是否滿足技術(shù)設(shè)計(jì)和規(guī)范要求[6]；

（2）文檔資料質(zhì)量，主要包括電子數(shù)據(jù)文檔和紙質(zhì)文檔，主要檢查其歸檔、文件命名、數(shù)據(jù)格式的正確與否；技術(shù)文檔編寫是否全面、規(guī)范；項(xiàng)目成果資料是否齊全；成果圖件資料是否繪制合理規(guī)范等。

2.水下測(cè)量自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)

對(duì)于大型的水下測(cè)量工程項(xiàng)目，一般會(huì)由多個(gè)作業(yè)組同時(shí)作業(yè)，使用儀器設(shè)備也會(huì)略有差異，此外大區(qū)域的水域測(cè)量有時(shí)可能會(huì)采集上百萬個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)外業(yè)測(cè)量成果數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理、格式轉(zhuǎn)換、展點(diǎn)等操作，如果用人工方法，其工作量巨大，且易于出錯(cuò)，本文基于AutoCAD強(qiáng)大的繪圖和二次開發(fā)功能，開發(fā)了水下測(cè)量自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理程序，大大減輕了人力、物力投入，有效提高了作業(yè)效率。圖2為開發(fā)的水下測(cè)量流程化數(shù)據(jù)處理軟件界面，其主要功能有：

圖2 水下測(cè)量流程化數(shù)據(jù)處理軟件

（1）庫(kù)區(qū)影像加載，基于影像繪制水岸線；

（2）不同廠家測(cè)量數(shù)據(jù)成果格式編輯與整理；

（3）不同坐標(biāo)類型數(shù)據(jù)的展點(diǎn)功能；

（4）數(shù)據(jù)內(nèi)插功能；

（5）數(shù)據(jù)高程點(diǎn)異常值過濾、重復(fù)點(diǎn)數(shù)據(jù)查找；

（6）三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)展點(diǎn)、DTM建立和等高線繪制等；

（7）質(zhì)量檢查功能，主要包括檢核點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)提取和高程精度評(píng)定等。

3.工程實(shí)例

3.1 庫(kù)區(qū)水下測(cè)量概況

本文以山西省某水庫(kù)水下地形測(cè)量實(shí)際項(xiàng)目為例，介紹單波束無人船水下測(cè)量與數(shù)據(jù)處理過程，該水庫(kù)庫(kù)區(qū)影像圖（如圖3所示）：

圖3 水庫(kù)庫(kù)區(qū)影像圖

該水庫(kù)水下測(cè)量外業(yè)分兩個(gè)組共同完成，從2020年7月28日開始測(cè)量，至2020年8月11日測(cè)量結(jié)束，完成測(cè)量面積6.72km2。測(cè)量水下點(diǎn)數(shù)186034個(gè)。采用設(shè)備為華微三號(hào)單波束無人船測(cè)量系統(tǒng)，施測(cè)時(shí)設(shè)備均在檢驗(yàn)合格的有效期內(nèi)。

應(yīng)用無人船測(cè)量系統(tǒng)施測(cè)時(shí)，導(dǎo)航定位系統(tǒng)聯(lián)測(cè)省級(jí)CORS站，測(cè)點(diǎn)間距設(shè)置為1m，測(cè)線間距設(shè)為20m；通過手動(dòng)測(cè)量實(shí)測(cè)水庫(kù)邊界和水庫(kù)內(nèi)水草范圍，自動(dòng)航線區(qū)域共分16個(gè)區(qū)域（如圖4所示），該水庫(kù)實(shí)測(cè)航線圖（如圖5所示），生成的水下DEM成果圖（如圖6所示），從DEM成果圖中可以看出該水庫(kù)的水底地形情況，中間區(qū)域較平滑，說明該水庫(kù)水底較平坦。

圖4 水庫(kù)自動(dòng)航線分區(qū)圖

圖5 水庫(kù)實(shí)測(cè)航線圖

圖6 水庫(kù)水下DEM成果

3.2 成果質(zhì)量檢查

對(duì)該水庫(kù)水下測(cè)量成果依據(jù)成果質(zhì)量檢查內(nèi)容和質(zhì)量元素進(jìn)行檢查，其中，測(cè)量精度檢查是一項(xiàng)最受關(guān)注的檢查內(nèi)容。在對(duì)該水庫(kù)水下測(cè)量的精度檢查時(shí)，采用測(cè)深檢查線與主測(cè)深線相交處重合點(diǎn)的高程較差進(jìn)行比對(duì)檢查，設(shè)置測(cè)深檢查線與主測(cè)深線相交處重合點(diǎn)間距為1m，滿足條件的檢查點(diǎn)數(shù)為174個(gè)點(diǎn)，全部參與精度評(píng)定，計(jì)算高程中誤差為±0.079m，未有超限點(diǎn)，各項(xiàng)精度指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)書及相應(yīng)規(guī)范要求。

4.結(jié)束語

本文以實(shí)際水下測(cè)量工程項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述了水下測(cè)量的過程，研制了水下測(cè)量自動(dòng)化多功能的數(shù)據(jù)處理軟件，為水下測(cè)量工作提供了極大便利。水下測(cè)量工作不同于傳統(tǒng)的陸地測(cè)量，水下測(cè)量就像在一個(gè)黑匣子里摸索，往往給人一種不確定的感覺，其實(shí)在水下DEM與陸地DEM進(jìn)行接邊時(shí)，如果接邊區(qū)域的地形符合比較好，在一定程度上可以確定水下測(cè)量成果的正確性。此外，作者認(rèn)為在水上水下一體化DEM生產(chǎn)時(shí)，陸地部分可以采用新型的無人機(jī)載LiDAR技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無人船水下測(cè)量的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，然后統(tǒng)一生成DEM效果更好，待條件成熟將在這方面做進(jìn)一步試驗(yàn)研究。