鄭燦輝 田振凱 王 剛

(黑龍江第三測繪工程院，黑龍江 哈爾濱 150000)

0.引言

近年來，隨著極端天氣的逐漸增多，自然災(zāi)害給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成極大的影響[1，2]；尤其是夏季多雨期，強(qiáng)降水天氣頻發(fā)，洪澇災(zāi)害造成了巨大損失。各地興建的防洪抗旱的水庫等水利設(shè)施，對于預(yù)防這種災(zāi)害具有重大作用。隨著自然因素和人為因素的影響，水庫的實(shí)際庫容量與原始設(shè)計(jì)庫容量會(huì)有一定的差異。庫容量直接影響水庫的滯洪作用和蓄洪作用，對于農(nóng)田灌溉和水利發(fā)電等也有著重大影響。因此如何快速準(zhǔn)確地獲取水庫的庫容量，對于災(zāi)情的防治、人民生命財(cái)產(chǎn)的安全保障、各級(jí)政府及有關(guān)部門的決策均有著重要意義[3，4]。本文利用無人船技術(shù),通過自身搭載的測深儀和高精度定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取水下地形信息，并將獲取的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送到岸基終端。終端系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步預(yù)處理，通過后處理軟件可以觀察到水下地形變化情況及無人船測量的實(shí)時(shí)情況。通過工程實(shí)例證明該方法在水庫庫容測量方面具有可行性和可靠性。

1.無人船技術(shù)測量原理

無人船技術(shù)測量系統(tǒng)包括船體、動(dòng)力系統(tǒng)、通訊傳輸系統(tǒng)、高精度定位系統(tǒng)、測深系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等[5]。隨著通訊技術(shù)的快速發(fā)展，無人船技術(shù)已可以利用4G通訊技術(shù)進(jìn)行快速傳輸數(shù)據(jù)，解決了以往無線網(wǎng)橋通訊距離的限制，極大地提高了工作效率，同時(shí)通過多種系統(tǒng)的協(xié)同工作，無人船可以實(shí)現(xiàn)按照預(yù)設(shè)航線自動(dòng)測量。

無人船搭載了RTK來實(shí)時(shí)獲取船體的平面位置信息，以往需要在岸基部分架設(shè)基準(zhǔn)站給船體提供差分信號(hào)進(jìn)行定位。此方法對于小面積水域測量尚可，對于大面積水體測量會(huì)影響工作效率。如果測區(qū)內(nèi)覆蓋CORS信號(hào)，則可以利用CORS進(jìn)行定位，通過設(shè)置串口和波特率將定位信息數(shù)據(jù)化，傳入主控單元，測深儀數(shù)據(jù)通過網(wǎng)橋傳入主控單元，無人船設(shè)備上搭載的電子羅盤獲取與正北方向的夾角，可以實(shí)現(xiàn)船體的自動(dòng)航行測量，船體主控單元與岸基系統(tǒng)之間通過無線網(wǎng)橋進(jìn)行通信，并實(shí)時(shí)傳輸，測量原理示意圖（如圖1所示）：

圖1 無人船技術(shù)測量原理圖

船底搭載的測深儀，利用換能器將電能轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào)不斷向水底垂直發(fā)射。聲波信號(hào)到達(dá)水底時(shí)，以回波形式進(jìn)行反射，同時(shí)換能器接收回波信號(hào)，并將回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電能。電子線路計(jì)算后，測量的水深由聲波信號(hào)在水中往返的時(shí)間和所處水域的水介質(zhì)平均聲速確定，如式（1）所示：

上式中，H3為測量水深值；C為水體的平均聲速；T為聲波信號(hào)往返傳播時(shí)間。

隨著對測量精度的要求越來越高，單一的靠GPS或北斗定位系統(tǒng)對船體進(jìn)行定位，存在一定的定位盲區(qū)，即當(dāng)無人船穿過橋梁或涵洞時(shí)，由于船體上定位模塊無法接收到信號(hào)，導(dǎo)致船體無法正常航行，而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以很好地解決該問題。因此無人船設(shè)備將二者相結(jié)合，利用各自的優(yōu)勢進(jìn)行互補(bǔ)，可以極大地提高無人船定位的準(zhǔn)確性。但是慣導(dǎo)系統(tǒng)使用時(shí)間過長會(huì)產(chǎn)生一定的累積誤差，因此船體需要定期在固定的地方進(jìn)行校正，進(jìn)而降低對無人船的影響。GPS定位系統(tǒng)具有較高的定位精度，可以獲得更精確的坐標(biāo)信息，進(jìn)而可以不斷地校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的位置。兩種定位系統(tǒng)相結(jié)合，當(dāng)GPS定位系統(tǒng)獲得新的高精度位置后，就將位置信息更新到慣導(dǎo)系統(tǒng)，在未獲得新的位置信息前，慣導(dǎo)系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)輸出當(dāng)前的位置信息。此種結(jié)合方式，不僅可以消除慣導(dǎo)系統(tǒng)的累積誤差，而且無人船經(jīng)過被遮擋的地方時(shí)，也可以按照先前位置信息繼續(xù)工作。

無人船設(shè)備上除了搭載組合導(dǎo)航系統(tǒng)，還搭載了主動(dòng)控制系統(tǒng)。該主控系統(tǒng)不僅能控制無人船設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)，還是無人船自主航行的基礎(chǔ)。在測量過程中如果人工操作無人船進(jìn)行測量，由于受到水流速度、風(fēng)速等因素的影響，會(huì)造成測量點(diǎn)位分布不均勻，出現(xiàn)一些關(guān)鍵區(qū)域或位置無法測量的情況，而一些項(xiàng)目（如，穿跨越項(xiàng)目）要求在中線上測量點(diǎn)位均勻分布，此時(shí)就要求無人船在測量過程中盡量保持直線航行。測量開始前可以事先根據(jù)測量水域的情況設(shè)定好測量航線，并將該任務(wù)導(dǎo)入主控系統(tǒng)里。主控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)任務(wù)計(jì)算好各測量轉(zhuǎn)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及根據(jù)測量水域環(huán)境的變化實(shí)時(shí)調(diào)整船體的姿態(tài)和行進(jìn)速度。無人船自動(dòng)測量模式下，測量點(diǎn)位分布更均勻，取得的測量效果更佳，所以通常情況下會(huì)使用無人船的自動(dòng)模式進(jìn)行測量，并且在測量過程中，可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整測量任務(wù)，對一些關(guān)鍵位置進(jìn)行重復(fù)測量，以達(dá)到多次觀測的效果。

2.工程實(shí)例

2.1 工程概況

本文選取某中型水庫進(jìn)行了水庫庫容量的測量。該水庫南北長約6.5km，東西寬約3.2km，面積約20km2，最深處約3.5m，淺水區(qū)域水深約0.4m，平均水深約1.7m，且淺水區(qū)域面積較大。若利用傳統(tǒng)人工測量方法，人工成本和時(shí)間成本消耗會(huì)比較大，人員安全無法保障，并且在水庫周邊租船比較困難，因此采用無人船設(shè)備進(jìn)行測量。根據(jù)該水域的實(shí)際特點(diǎn)并查閱相關(guān)技術(shù)規(guī)范，制定了測量方案，水下測量規(guī)范要求（如表1所示）：

表1 測圖比例尺和測線間距推薦 單位：m

2.2 航線布設(shè)及測量

測量開始前，收集了該水庫的相關(guān)資料。通過分析可知，該水庫水底整體較為平坦，水底地形無較大變化，因此在測線間距制定時(shí)，設(shè)定為50m，測量過程中，為了無人船航行方便，航行方向定為東南-西北方向。此方法能更好地反映出水庫的水下地形起伏情況。按照規(guī)定測量完成后，必須設(shè)定檢查航線，來驗(yàn)證測量數(shù)據(jù)的精度，因此設(shè)置了6條檢查航線，具體的測量航線和檢查航線設(shè)置（如圖2所示）：

圖2 無人船測量航線布設(shè)圖

由于此水庫水體環(huán)境整體上較為良好，水中水草、雜物等較少，因此測量過程中，80%的水域采用無人船自動(dòng)測量。由于水庫岸邊和淺水區(qū)域水草雜物較多，因此，此部分區(qū)域由人工操作無人船進(jìn)行測量。每天測量完成后，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲點(diǎn)剔除。測量過程中出現(xiàn)降雨天氣，經(jīng)過降雨前后兩期數(shù)據(jù)比對，發(fā)現(xiàn)影響可以忽略不計(jì)。3個(gè)人耗時(shí)4天時(shí)間完成整個(gè)水庫的測量工作，共采集68526點(diǎn)。每天開始測量前，隨機(jī)選取水庫周邊幾個(gè)特征點(diǎn)，利用RTK測量水面高程，為后期計(jì)算水庫庫容量做準(zhǔn)備。

2.3 數(shù)據(jù)處理及建模

測量完成后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行了重采樣，初步剔除粗差噪點(diǎn)，然后對初步去噪后數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正處理和吃水深度改正處理，接著進(jìn)行單條測線調(diào)點(diǎn)處理，每條測線均需要進(jìn)行此步操作，直至所有測線處理完畢，之后進(jìn)行測線間調(diào)點(diǎn)處理，同時(shí)可看出兩條測線間數(shù)據(jù)重疊情況，最后在三維模式下處理掉截面上的調(diào)點(diǎn)，至此完成所有數(shù)據(jù)的去噪工作，即可生成最終的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于無人船設(shè)備測出的數(shù)據(jù)為水底的大地高，因此還需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化正常高處理，利用最終點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，最后可得出水庫的水下地形情況（如圖3所示），同時(shí)利用后處理軟件構(gòu)建出了水庫的三維模型（如圖4所示）：

圖3 水庫水底DEM

圖4 水庫三維模型

水庫水下三維模型構(gòu)建后，利用Arc GIS軟件中的創(chuàng)建TIN工具，構(gòu)建TIN，然后根據(jù)TIN制作水底DEM，利用Arc GIS軟件中的表面體積工具，最終得出水庫的庫容量為67514650m3。

2.4 精度評定

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后，對測量數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行了驗(yàn)證。無人船水下測量規(guī)范中對測深精度進(jìn)行了規(guī)定，具體要求（如表2所示）：

表2 深度測量中誤差 單位：m

從6條檢測航線中均勻選取了240個(gè)點(diǎn)進(jìn)行精度檢測，將檢測航線的測量數(shù)據(jù)與測量航線的測深數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其中檢測點(diǎn)最大誤差為0.22m,最小誤差為0.03m,誤差大于0.2m的點(diǎn)位4個(gè)，位于水庫淺水區(qū)域。經(jīng)過分析，該片區(qū)域由于水深較淺，水中雜物較多，導(dǎo)致無人船測量過程中未實(shí)際測到水底，而造成粗差。誤差小于0.05m的點(diǎn)位26個(gè)，誤差在0.05m至0.2m的點(diǎn)位210個(gè)，測量中誤差為0.12m，通過檢測結(jié)果可以得出98.3%的檢測點(diǎn)誤差在0.2m以內(nèi)，1.7%的檢測點(diǎn)誤差超過0.2m。由于該水庫的平均水深小于20m，因此，此次水庫水深測量精度滿足測量規(guī)范要求，此次測量結(jié)果具有一定的可靠性。

2.5 試驗(yàn)分析

本次選取的水庫庫容量測量試驗(yàn)，如果采用傳統(tǒng)的有人船測量，則要求測量人員必須與船體一起航行到水庫每個(gè)地方，甚至淺水區(qū)域，測量人員還需要下船進(jìn)行測量。此種方法存有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，并且延長了測量時(shí)間。相較于有人船，無人船測量技術(shù)具有極高的安全性，尤其是在水庫的淺灘區(qū)域中，無人船可以快速獲取水庫的水下地形數(shù)據(jù)，且指揮操作系統(tǒng)均在岸上完成，因此無人船在水中測量時(shí)，可以保障操作人員的安全性，在很大程度上降低安全事故的發(fā)生率。無人船在水下地形測量中除了安全、快速、便捷的優(yōu)勢以外，還極大地減少了水庫水下地形測量工作的成本投入。

3.結(jié)束語

本文利用無人船技術(shù)快速準(zhǔn)確地構(gòu)建出水庫的水下三維模型，得出了水庫的庫容量，解決了以往傳統(tǒng)測量方法耗時(shí)長、測量精度較低等問題，為水庫庫容量測算提供了一種新的方法。本文在測量過程中僅對測量結(jié)果的精度進(jìn)行了驗(yàn)證，對于測深儀的測深精度未進(jìn)行分析和研究，并且在此次測量過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)測量距離較遠(yuǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸會(huì)出現(xiàn)中斷的情況，后期可以研究將4G通訊技術(shù)加入該通訊系統(tǒng)中。通過本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無人船技術(shù)在河道清淤、排污口檢測、水庫淤泥量測算等方面有良好的應(yīng)用前景，受時(shí)間限制，上述研究內(nèi)容待后續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)和研究。