楊昆侖

（陜西省水利電力勘測設計研究院測繪分院,陜西 西安 710002）

0 引言

水下地形測量的主要內(nèi)容就是測量水下地形點（水深點）,目前經(jīng)歷了多個發(fā)展階段：測繩重錘測量（測深桿測量）、單頻單波束測深、雙頻單波束測深、多波束測深和機載激光測深等,多波束和機載測深是面狀測深,主要用作大面積水域地形測量。對于水利水電項目勘測階段水下地形測量,一般地形復雜,水域面積較小,且多為非靜止水面,測量難度較大。傳統(tǒng)的測量方法是,將全站儀架設在岸邊,人工在皮劃艇（或機動船）上立棱鏡,再采用測深桿或測深重錘測量對應目標棱鏡處的水深,流速過快區(qū)域,誤差較大；隨著RTK技術(shù)的普及,直接利用RTK在皮劃艇（或機動船）上測量點位,同樣使用測深桿或測深重錘測量RTK測點處的水深；再后來隨著單波束測深儀的出現(xiàn),使用RTK配合單波束測深儀直接測量水下地形點的坐標和高程,這種方法提高了精度,也提升了效率,但仍然需要人工在皮劃艇或者操作船上作業(yè),對于風浪較大,流速過快,水深區(qū)域,其危險程度并未降低；近年來隨著無人測量船的出現(xiàn),使得水下地形測量提高了精度,提升了效率,又確保了測量人員的安全[1-2]。王合玲等人對無人船與有人船在水深測量作業(yè)保障體系、數(shù)據(jù)處理質(zhì)量保障體系、質(zhì)量檢查保障體系等方面進行了描述,表明,無人船進行水下地形測量具有作業(yè)效率高、作業(yè)范圍廣、安全性高、數(shù)據(jù)質(zhì)量好等優(yōu)勢[3]。

1 華微3號無人測量船簡介

華微3 號無人船是華測導航基于北斗高精度全球定位系統(tǒng)及無人船自動控制技術(shù),針對水文走航式ADCP（聲學多普勒流速剖面儀）斷面水流測驗用戶使用習慣,適用于市面90%的走航型ADCP。船長1.0 m,自重僅7 kg。裝載超速馬達,速度可達8 m/s。華微3號無人船不僅具備自動航行功能,而且擁有自適應水流直線技術(shù),懸停技術(shù),保證能夠垂直岸線走航。適用于水文站河流斷面流速測驗、洪水應急監(jiān)測、水下地形測量及科研調(diào)查等方面。主要參數(shù)見表1[4]。

表1 華微3 號無人測量船主要參數(shù)表

2 無人船水下地形測量

無人船水下地形測量的主要流程[5]包括：測繪范圍確定、測線規(guī)劃、自動測量（手動測量）、數(shù)據(jù)預處理、水下地形圖繪制等。

自動測量或者手動測量時需要根據(jù)測區(qū)的網(wǎng)絡覆蓋情況選擇適用的基站通訊數(shù)據(jù),目前省級CORS和千尋CORS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)較為常用。水深數(shù)據(jù)測量完成后,需要使用華測自帶海洋測繪軟件HydroSurvey進行水深數(shù)據(jù)預處理,剔除異常水深數(shù)據(jù)后按照成圖比例尺要求的點位密度進行水深數(shù)據(jù)取樣。圖1 為水下地形測量流程圖。

圖1 無人船水下地形測量流程圖

3 案例1

葫蘆頭水電站壩址位于略陽縣西淮壩鎮(zhèn)下游11 km西漢水河上,樞紐主要建筑物由混凝土重力壩、泄水沖砂建筑物、發(fā)電引水建筑物、電站廠房、開關(guān)站等部分組成。葫蘆頭水庫運行近20 年,庫區(qū)泥沙淤積嚴重,可調(diào)蓄庫容逐漸縮小。根據(jù)《陜西省漢中市略陽縣城區(qū)防洪規(guī)劃》,需要對葫蘆頭水庫進行清淤擴容,初估清淤量500 萬m3,以削減西漢水汛期洪峰流量,減輕超標準洪水對下游略陽縣城的危害。本次測繪內(nèi)容為庫區(qū)1∶1000 地形圖,水下部分尤為重要。在航測地形圖上按照水岸線繪制出水下測繪范圍,經(jīng)過現(xiàn)場巡視,發(fā)現(xiàn)庫區(qū)水域較為平緩,適合自動測量,較少部分可采用手動方式補測。

3.1 自動測繪測線規(guī)劃

根據(jù)測繪范圍,沿庫區(qū)橫向每隔25 m布設一條測線,在軟件中使用連續(xù)不間斷的多線段按照首尾相連的方式連通布設的每一條測線,組成完整的測線,將縱向的返航線或者行船線作為檢查線。圖2 中黑色多線段為測繪線,紅色虛線為檢查線。

圖2 測線和檢查線布設

3.2 水下地形點測量

本次測量采用華測華微3 號無人測量船作業(yè),采用“SHXBD-CORS”網(wǎng)絡數(shù)據(jù),調(diào)試無人船時,讓無人船和一臺RTK同時連接CORS網(wǎng)絡,將RTK點校正后的平面和高程轉(zhuǎn)換參數(shù)輸入到無人船手簿內(nèi),再對無人船內(nèi)置GNSS相位中心的坐標和高程與RTK進行校對,確認無誤后,即可下水,為了對無人船測量水深值進行檢校,一般在剛下水的岸邊淺水區(qū)采用測深桿校核測量,經(jīng)校核確認水深測量數(shù)據(jù)正確后開始作業(yè)。該項目中采用手動配合自動操作,水下點測量間隔為1 s。作業(yè)過程中,電腦實時返回水深數(shù)據(jù)和測量航線。圖3 為無人船作業(yè)現(xiàn)場。

圖3 無人船作業(yè)現(xiàn)場圖

3.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理分為數(shù)據(jù)預處理和水下地形圖繪制,預處理是利用無人船自帶后處理軟件對水深測量點進行粗差剔除和數(shù)據(jù)取樣。該項目中測量數(shù)據(jù)按照4 m~5 m間距提取。圖4 a為水深數(shù)據(jù)剔除粗差過程,4 b為剔除完按照4 m~5 m間距取樣的水下地形點。

圖4 水深點粗差剔除和水深數(shù)據(jù)取樣

水下地形圖繪制是在南方CASS軟件中利用水下點和水邊點聯(lián)合建立DTM（三角網(wǎng)）,部分三角網(wǎng)經(jīng)過修改重組后生成等高線,該項目測繪1∶1000地形圖,基本等高距為1 m。圖5 為繪制完成的地形圖。

圖5 水下地形圖

3.4 水下地形圖精度檢查

利用檢查線測量的水下地形點高程與地形圖上對應點位的等高線內(nèi)插高程值之間的差值計算水下地形圖圖幅等高線高程中誤差[6]。在檢查線上將測量的水深點按照15 m間距取點（參與計算點數(shù)60 個）進行高程差值計算。圖幅等高線高程中誤差參照觀測值中誤差計算公式[7]：

式中：σ為圖幅等高線高程中誤差；Δ為檢查點高程與等高線內(nèi)插高程值之間的差值；n為參與計算點數(shù)）,計算出σ=±0.19 m,小于限差值±0.33 m（取h,h為基本等高距）,表2 中列舉了檢查點與等高線內(nèi)插高程差值的最小值、最大值和平均值。

表2 基于檢查點的地形圖高程精度統(tǒng)計表

4 案例2

陜西省斗門水庫南池引水管道工程線路全長24 km。引水管道穿越灃河段需要修建倒虹一座,需測繪此處1∶500 地形圖。在航測地形圖上按照水岸線繪制出水下測繪范圍,經(jīng)過現(xiàn)場巡視,發(fā)現(xiàn)該段河道內(nèi)存在多處干灘,水邊水草多,且河道寬度變化較大,手動測量較為適合,因此采用手動測量方法測繪水下地形點。

4.1 無人船水下地形圖測量

根據(jù)測繪范圍,沿河道橫向每隔10 m布設一條測線,縱向布設檢查線,由于手動控制,對操作手操作水平和經(jīng)驗要求較高。圖6 a為規(guī)劃的測線和檢查線。

本次測繪仍然采用華微3 號無人船,連接“SHXBD-CORS”網(wǎng)絡數(shù)據(jù),參數(shù)校正無誤后,下水作業(yè)。外業(yè)測量完成后對水深測量點進行粗差剔除和數(shù)據(jù)取樣。該項目中測量數(shù)據(jù)按照2 m~3 m間距提取。圖6 b為提取的水深數(shù)據(jù)展點圖。

圖6 c為繪制完成的地形圖。該項目測圖比例尺為1∶500,基本等高距為0.5 m。

圖6 案例2項目水下地形測量過程圖

4.2 水下地形圖精度檢查

檢查線上按10 m間距取點（參與計算點數(shù)80 個）進行高程差值計算,計算出圖幅等高線高程中誤差為±0.08 m,小于限差值±0.17 m,表3 為精度統(tǒng)計表。

表3 基于檢查點的地形圖高程精度統(tǒng)計表

5 結(jié)論

利用檢查點計算出葫蘆頭水電站水下地形圖圖幅等高線高程中誤差為±0.19 m,滿足該項目清淤對水下地形精度的要求；斗門水庫南池引水管道穿越灃河處地形圖圖幅等高線高程中誤差為±0.08 m,滿足該項目設計階段的精度要求。兩個項目水下地形圖精度均滿足水利水電工程測量規(guī)范要求。

采用無人船測繪葫蘆頭水電站庫區(qū)及河道1∶1000 水下地形圖1.6 km2（河道及庫區(qū)總長12 km）,整個作業(yè)過程由2名技術(shù)人員3 天完成；斗門水庫南池引水管道穿越灃河處的1∶500 水下地形圖0.1 km2,由2 名技術(shù)人員0.5 天完成。相比傳統(tǒng)的作業(yè)方法無人船測量系統(tǒng)大幅度提高了效率,避免了不安全因素,成果精度也得到了保證。

無人測量船的優(yōu)勢在于安全、機動、靈活、高精度,適用范圍廣等方面。文中通過案例項目對無人船測繪水下地形圖進行了概括性說明,對于更加復雜、系統(tǒng)性的項目仍需要進一步探討。