潘倫淵

（廣州市水務(wù)科學(xué)研究所（掛廣州市二次供水技術(shù)咨詢服務(wù)中心牌子），廣東 廣州 510220）

水下地形測(cè)量是一項(xiàng)特殊的工程測(cè)量工作，它的工作內(nèi)容主要分為兩個(gè)方面，即：平面位置與深度的測(cè)定。單波束測(cè)深儀和GPS-RTK相結(jié)合是目前水下測(cè)量的主要技術(shù)，一般都是使用橡膠筏子或載人船作為載具，載人船可以有效進(jìn)行大面積的水上測(cè)量，但如果遇到淺水區(qū)、淺灘區(qū)域等，就會(huì)出現(xiàn)空隙，特別是水流較大的情況，對(duì)操作人員的安全造成了極大的威脅。與常規(guī)的載人船舶相比，無(wú)人船具有投放迅速、運(yùn)輸方便、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，并可保障船舶和船員的人身安全，適用于近海、海灣、河道、水庫(kù)、碼頭等多種水域的測(cè)量工作，既可以大幅度提升水下地形測(cè)繪的工作速度，又可以很好的處理淺灘及險(xiǎn)情的作業(yè)難題。

1 水下測(cè)量

水下測(cè)量是掌握水下地理信息的重要手段，它的工作內(nèi)容是獲取中小河流、湖泊、水庫(kù)、港灣和近海等水域的平面位置和高程數(shù)據(jù)，為各部門(mén)在河流海域的規(guī)劃階段，水庫(kù)水電站攔河壩工程、引調(diào)水工程、河道治理工程的可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理階段提供水下地形資料。

水下測(cè)量定位的方法有斷面索法、經(jīng)緯儀或平板儀前方交會(huì)法、六分儀后方交會(huì)法、全站式速測(cè)儀極坐標(biāo)法、無(wú)線電定位法、水下聲學(xué)定位和差分GPS定位法等。水深測(cè)量采用測(cè)深桿、測(cè)深錘和回聲測(cè)深儀等器具。水底高程是根據(jù)水深測(cè)量和水位觀測(cè)成果計(jì)算，最后用等深線（或稱等高線）表示水底的地形情況。

水下測(cè)深通常采用在有人船上搭載一臺(tái)單波束測(cè)深儀，并與GNSS-RTK組合在一起進(jìn)行測(cè)量，以獲取相應(yīng)的三維空間位置。

2 無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

無(wú)人船水下測(cè)深系統(tǒng)要達(dá)到全自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的目的，必須具有自主導(dǎo)航、智能避障、實(shí)時(shí)通訊、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的功能，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)各種水面測(cè)量工作的自動(dòng)化。其各部分的主要功能如下：

船體。船體主要裝載各種測(cè)深儀、測(cè)量設(shè)備、電源、通訊儀器，是運(yùn)載測(cè)深系統(tǒng)的基本框架。一般情況下，船體都是由高強(qiáng)度的碳纖維和凱夫拉防彈布制成，具有耐腐蝕、輕量化、耐碰撞等特點(diǎn)。

通信系統(tǒng)。它是無(wú)人船與陸地上的控制器之間的一個(gè)關(guān)鍵的窗口，它能將無(wú)人船的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送給陸地上的系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)。主要負(fù)責(zé)控制無(wú)人船的航行軌跡，該系統(tǒng)由PC機(jī)、手持遙控器和通信裝置構(gòu)成，可針對(duì)各個(gè)水域的不同特征，分別采用自動(dòng)和遠(yuǎn)程兩種控制模式。與此同時(shí)，岸基測(cè)深系統(tǒng)與無(wú)人船通過(guò)無(wú)線電通訊，把各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)資料傳送至控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人船的狀態(tài)及觀測(cè)數(shù)據(jù)的即時(shí)監(jiān)控，并能及時(shí)找到故障，修正航線和設(shè)備。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。作為整個(gè)測(cè)控體系的中心部分，其主要功能是完成各種數(shù)據(jù)資料的采集與錄入，而這些工作則是在無(wú)人駕駛的船舶上進(jìn)行。作為測(cè)控中心，它包括測(cè)深儀、姿態(tài)傳感器、GPS接收機(jī)、超聲波避碰聲吶、全角度相機(jī)、距離傳感器等高精度傳感器。

2.2 工作原理

無(wú)人船的水深測(cè)定方法是：已知聲波在水中的傳播速率是v，在傳感器發(fā)送和接收的過(guò)程中，通過(guò)t來(lái)算出傳感器到水下的深度：h=1/2vt（1），而傳感器的頂部到GPS的天線高是a，無(wú)人船的吃水深是一個(gè)固定值b，且不考慮動(dòng)態(tài)吃水和靜態(tài)吃水之差，若GPS-RTK接收機(jī)天線所測(cè)的高度為H，則可以得到以下公式：H水底=H-a-b-h（2），從（2）公式可知，H水位值是通過(guò)GPS-RTK即時(shí)測(cè)定的，H水位僅與a、b、h值相關(guān)，且與潮位無(wú)關(guān)，從而排除了水位落差、波浪、潮汐等各種影響，節(jié)省了常規(guī)的驗(yàn)潮程序，節(jié)省了人力物力并大大提高了水下地形測(cè)量的工作效率。

2.3 無(wú)人船的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)測(cè)量方式存在很多安全隱患及測(cè)量數(shù)據(jù)遺漏和不精準(zhǔn)等問(wèn)題，無(wú)人船水下地形測(cè)量就能很好地解決這些問(wèn)題，無(wú)人船水下地形測(cè)量存在以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）無(wú)人船船身體重較輕，體積小、吃水淺，不僅可以隨車(chē)攜帶，深水淺水區(qū)均可使用，大大降低人力成本；（2）可根據(jù)任務(wù)需求搭載不同水下地形測(cè)量設(shè)備及水質(zhì)測(cè)量?jī)x器，結(jié)合RTK水下地形測(cè)繪，獲取更加精準(zhǔn)的水下地形數(shù)據(jù)；（3）對(duì)于環(huán)境復(fù)雜的水域，使用無(wú)人船更加安全可靠，提升人員的安全性；（4）無(wú)人船可以根據(jù)水域分布情況發(fā)布任務(wù)指令，根據(jù)地面站指令，無(wú)人船全自動(dòng)完成測(cè)繪任務(wù)并實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，避免出現(xiàn)遺漏或少測(cè)情況出現(xiàn)。

3 水下地形測(cè)量中無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)的具體應(yīng)用

3.1 水下地形測(cè)量的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行水下地形測(cè)量前，測(cè)量員要做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，架設(shè)好基準(zhǔn)站，認(rèn)真連接好無(wú)人船的電源設(shè)備，安裝好GNSS接收機(jī)，然后啟動(dòng)岸基控制測(cè)量軟件，正確設(shè)置坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)、中央子午線、靜態(tài)吃水深度、測(cè)量航速、自動(dòng)回歸點(diǎn)等測(cè)量參數(shù)，無(wú)人船測(cè)深與比測(cè)板深度比對(duì)合格后才能開(kāi)始測(cè)量。

3.2 布設(shè)主測(cè)深線和檢查線

在使用無(wú)人船測(cè)深時(shí)，測(cè)量員必須按照相關(guān)的規(guī)范布設(shè)主測(cè)深線和檢查線，使用單波束測(cè)深儀測(cè)深時(shí)，主測(cè)深線應(yīng)垂直于等深線的總方向，當(dāng)采用多波束測(cè)深儀測(cè)深時(shí)，原則上應(yīng)平行于總等深線的總方向。測(cè)深線間隔的確定應(yīng)顧及測(cè)區(qū)的重要性，水域的地形特征和河水的深度等因素來(lái)確定，使用單波束測(cè)深儀時(shí)主測(cè)深線間隔一般為圖上1～2 cm，測(cè)點(diǎn)間距一般為圖上0.8～1.5 cm。檢查線的方向應(yīng)盡量垂直于主測(cè)深線方向，能普遍檢查主測(cè)深線，檢查線的長(zhǎng)度不應(yīng)小于主測(cè)深線總長(zhǎng)度的5%。檢查線的定位點(diǎn)間距可以根據(jù)測(cè)量比例，加密至在規(guī)定范圍內(nèi)與測(cè)深保證有重合點(diǎn)，檢查線在測(cè)區(qū)內(nèi)應(yīng)分布均勻合理。檢查線測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距應(yīng)小于主測(cè)深線測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距的0.5倍。檢查線與主測(cè)深線相交處，圖上1 mm范圍內(nèi)水深點(diǎn)的深度比對(duì)互差應(yīng)符合以下規(guī)定：水深小于等于20 m時(shí)，深度比對(duì)互差不得大于0.4 m，水深大于20 m時(shí)，互差不大于0.02H。

3.3 無(wú)人船水深測(cè)量

啟動(dòng)控制系統(tǒng)中自動(dòng)測(cè)量按鈕，讓無(wú)人船在指定的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。無(wú)人船按照預(yù)定的航速沿著主測(cè)深線的方向航行，自動(dòng)采集平面坐標(biāo)和水深數(shù)據(jù)，并通過(guò)通訊設(shè)備把數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨痘刂葡到y(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)。測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量員應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)深設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)應(yīng)停止作業(yè)。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的主要內(nèi)容應(yīng)包括如下幾點(diǎn)：（1）觀察航跡顯示，監(jiān)視定位數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常；（2）隨時(shí)查看測(cè)深線間距和測(cè)點(diǎn)間距是否達(dá)到要求，防止出現(xiàn)漏測(cè)現(xiàn)象；（3）觀察硬盤(pán)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的工作是否正常，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的完整記錄；（4）每天工作結(jié)束后，由專人負(fù)責(zé)及時(shí)備份全部原始數(shù)據(jù)及其歸檔數(shù)據(jù)管理，并對(duì)獲取的原始數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行全面檢查，對(duì)有疑議的數(shù)據(jù)和資料應(yīng)查明原因并改正。

3.4 處理水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)和繪圖

對(duì)于連續(xù)記錄水深數(shù)據(jù)的軟件，應(yīng)先根據(jù)連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)深數(shù)據(jù)濾波，剔除掉偽水深值，剔除數(shù)據(jù)率不應(yīng)大于10%。如果發(fā)現(xiàn)水深曲線突變等不符合變化規(guī)律時(shí)，應(yīng)查找原因，必要時(shí)應(yīng)對(duì)水深突變區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)；對(duì)于非連續(xù)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)的軟件，應(yīng)對(duì)照測(cè)深記錄，確認(rèn)每一個(gè)測(cè)深數(shù)據(jù)的正確性。最后把水深數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上，用專業(yè)的繪圖軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，水下地形圖的要素及其相關(guān)注記應(yīng)符合GB/T13923的有關(guān)規(guī)定，圖廓整飾要素具體內(nèi)容應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

2021年3月，受廣州市流溪河灌區(qū)管理中心的委托，需要對(duì)李溪片區(qū)攔河壩上下游進(jìn)行水下地形測(cè)量，其長(zhǎng)度大約為2.3 km。該工程的目的是為了了解李溪攔河壩上下游一年來(lái)受洪水沖刷后河床的變化情況，為壩體的安全運(yùn)營(yíng)做監(jiān)測(cè)。由于李溪攔河壩上下游河道較淺，測(cè)量比例尺又要求為1∶500，傳統(tǒng)的有人船搭載測(cè)深儀難以測(cè)量，所以該工程采用了全自動(dòng)無(wú)人船進(jìn)行水下測(cè)量。

4.2 數(shù)據(jù)采集

本工程使用了楚航“踏浪者”CH-14號(hào)全自動(dòng)智能無(wú)人測(cè)量船進(jìn)行作業(yè)，“踏浪者”無(wú)人船是一款功能完備，輕巧便攜的無(wú)人船，集成了GNSS、測(cè)深儀、電子羅盤(pán)、避障模塊等多種傳感，它的航向和航速都很穩(wěn)定，能夠承受5級(jí)的大風(fēng)。測(cè)深精度為1cm±0.1%h（h為水深），測(cè)深范圍為0.2～100 m。

在岸上架設(shè)好基準(zhǔn)站，船體測(cè)量裝置安裝完成后便可在岸邊電腦上安裝好外置天線，啟動(dòng)電腦，打開(kāi)電腦里的無(wú)人船岸基控制軟件，進(jìn)入無(wú)人船岸基控制系統(tǒng)，對(duì)岸基控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量參數(shù)進(jìn)行修改，修改的內(nèi)容包括坐標(biāo)系統(tǒng)、中央子午線、投影方式，用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的七參數(shù)、聲速、船體吃水深度、數(shù)據(jù)采樣間隔等。將規(guī)劃好的測(cè)深線文件輸入到岸基控制系統(tǒng)的隨機(jī)程序中并向無(wú)人船發(fā)布測(cè)線信息，在一切準(zhǔn)備就緒之后啟動(dòng)無(wú)人船自動(dòng)測(cè)量按鈕。

本項(xiàng)目沿垂直河道方向一共布設(shè)主測(cè)深線462條，總長(zhǎng)度達(dá)185 km，沿垂直于主測(cè)深線方向布設(shè)檢查線布設(shè)5條，總長(zhǎng)度為11.5 km，檢查線占總測(cè)深線長(zhǎng)度的6%，符合規(guī)范要求。測(cè)深線間距設(shè)置為5 m，測(cè)量點(diǎn)間距5 m，檢查線測(cè)點(diǎn)間距為2 m。無(wú)人船根據(jù)設(shè)定好的航線按照斷面法自主采集水深數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后自動(dòng)返回到預(yù)定的回歸點(diǎn)，結(jié)束測(cè)量。檢查線測(cè)量與測(cè)深線的測(cè)量方式一致。

4.3 數(shù)據(jù)處理與成果編繪

采用無(wú)人船自帶的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)水下地形的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要是對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，在數(shù)據(jù)回放過(guò)程中，對(duì)水深數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常值進(jìn)行檢測(cè)和修正。本項(xiàng)目水深閥值設(shè)置為9，數(shù)據(jù)處理級(jí)別為3，點(diǎn)擊自動(dòng)濾波后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。本項(xiàng)目繪圖采用南方CASS9.1數(shù)字化成圖軟件，數(shù)據(jù)輸出采用南方CASS標(biāo)準(zhǔn)格式文本DAT文件，同時(shí)也輸出帶有水深值的XYZ格式的文本，用于水深值與水底高程的比對(duì)。每一次無(wú)人船采集數(shù)據(jù)完畢后都會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件，測(cè)量員把每個(gè)文件都輸出后，都對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢查，確認(rèn)無(wú)誤后把文件傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，為繪圖做好準(zhǔn)備。

水下等高線的繪制：先建立DTM生成三角網(wǎng)，接著對(duì)三角網(wǎng)中不合理的三角形進(jìn)行過(guò)濾、刪除、重組等編輯，然后修改結(jié)果存盤(pán)，最后繪制成符合要求的等高線，水深注記采用水底高程值。按照規(guī)范要求對(duì)地物地貌進(jìn)行必要的編輯和修飾后，再給地形圖加上圖名圖廓，最終形成圖形文件名為“李溪攔河壩水下地形圖.DWG”的數(shù)字化成果。

4.4 精度檢查

在圖上提取檢查線與主測(cè)深線相交處1 mm范圍內(nèi)水深值進(jìn)行對(duì)比，以計(jì)算本次水深測(cè)量的中誤差。本次一共提取了對(duì)比點(diǎn)231個(gè)，符合小于0.4 m互差要求的點(diǎn)數(shù)一共有226個(gè)，合格率達(dá)到97.8%，經(jīng)過(guò)計(jì)算，本次水下地形測(cè)量中誤差為0.07 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求不大于0.2 m的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)無(wú)需驗(yàn)潮，機(jī)動(dòng)靈活，體積小巧，自動(dòng)化程度高，通過(guò)主、檢測(cè)線重合點(diǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，無(wú)人船測(cè)量數(shù)據(jù)精度可靠，滿足《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》要求，既能有效提高水下地形測(cè)量的工作速度，又能很好地處理險(xiǎn)情及淺灘的地形測(cè)量問(wèn)題，保證操作工人的人身安全。

在實(shí)際使用中，無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)的推進(jìn)器抗魚(yú)線和漁網(wǎng)的纏繞能力比較差，為了增強(qiáng)其在操作過(guò)程中的抗卷性，必須進(jìn)行軟硬件的改進(jìn)與更新。另外，可以在遙控上加裝影像傳送模組，使船體上的實(shí)時(shí)攝像視頻即時(shí)傳送至遙控裝置，配合超聲波避障裝置，使操控手可以對(duì)前方障礙物作出正確的預(yù)判。