楊宗澤

廣西壯族自治區(qū)百色水利電力設(shè)計院有限責(zé)任公司 廣西 百色 533000

引言

在水利建設(shè)中，水下工程是一個至關(guān)重要的施工環(huán)節(jié)，而水下地形測量則是水下工程建設(shè)必不可少的前期作業(yè)，相對于陸地測量來說，水下地形測量局限性更大，運(yùn)用以往的水下地形測量方法，往往會有測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性不足現(xiàn)象的出現(xiàn)，而且測量工作效率也比較低下，所以亟須通過改進(jìn)測量手段，提高水下地形測量工作效率，并優(yōu)化測量成果，有效分析和掌握無人船測量原理及其優(yōu)勢，并針對無人船測量在水利工程水下地形測量數(shù)據(jù)獲取、地形圖繪制等作業(yè)中的實際應(yīng)用進(jìn)行深入研究，有助于促進(jìn)水利工程水下測量作業(yè)的高效開展。

1 無人船測量原理

水下地形無人測量是綜合了全球定位，測深儀，實時動態(tài)監(jiān)測，單片機(jī)以及計算機(jī)等多種先進(jìn)設(shè)備，充分發(fā)揮全球定位載波相位差分，無線遙控和數(shù)據(jù)傳輸，測深以及單片機(jī)等高端科學(xué)技術(shù)的各自優(yōu)勢，讓便攜式無人測量船通過自動導(dǎo)航和無線遙控沿著預(yù)先設(shè)計好的航線開展水下地形測量，通過全球定位和載波相位差分得出測量位置的平面坐標(biāo)，信號接收機(jī)需要兩臺安裝于基準(zhǔn)站與流動站的設(shè)備，公共開放服務(wù)協(xié)議也可以實現(xiàn)這一功能，船體設(shè)置流動站，預(yù)先設(shè)置好波特率和串口輸出，再與工控主板實現(xiàn)連接，以HY1500型號的數(shù)字測深儀為測量設(shè)備，它的作業(yè)流程需要有測深探頭并開通電源來實現(xiàn)，此外，無人船還通過自身搭載的電子羅盤通過得到與北方向的實時角度完成自動導(dǎo)航功能，工控主板接收串口傳輸過來的數(shù)據(jù)信息，無人船還搭載了控制模塊，它通過無線模塊的方式與岸基控制模塊交換數(shù)據(jù)，搭載于船體的軟件不只限于發(fā)送數(shù)據(jù)，它還負(fù)責(zé)對岸基信號進(jìn)行接收的持續(xù)檢測并向控制設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，若技術(shù)規(guī)定時間內(nèi)出現(xiàn)岸基信號中斷，系統(tǒng)就會有返航指令發(fā)出，全球定位在接收數(shù)據(jù)的過程中隔一個數(shù)據(jù)就會有定點(diǎn)返航指令發(fā)出[1]。

2 無人船測量優(yōu)勢

由無人船實施水下測量技術(shù)優(yōu)勢很多，它的水面航行可人工遙控也可設(shè)置為自主導(dǎo)航，把水下地形測量作業(yè)過程實現(xiàn)了無人智能化作業(yè)，最大限度弱化了人工因素，改變了傳統(tǒng)水下地形測量高強(qiáng)度作業(yè)模式，模塊化的先進(jìn)設(shè)計提高了作業(yè)質(zhì)量和效率，功能覆蓋全面。

2.1 區(qū)域測量優(yōu)勢

當(dāng)水下地形測量任務(wù)遭遇坎下或陡岸及水域面積太小的情況時，由于水下地形測量需要船載大量配套設(shè)備，還要由技術(shù)人員對計算機(jī)實施操控，為安全起見，通常需要超大載重的測量船完成作業(yè)，但是上述水域無法提供作業(yè)條件，讓測量作業(yè)面臨難以為繼的局面，而水域?qū)掗煹臏y量作業(yè)通常需要很長的作業(yè)周期，無法適應(yīng)水下地形測量作業(yè)快捷高效的要求，無人船測量完美規(guī)避了上述問題，以陡岸測量為例，它可在近岸水域行駛，水下地形圖紙的繪制更精確，危險水域的測量由于可無人操作實現(xiàn)，最大限度保障了作業(yè)安全[2]。

2.2 攜帶運(yùn)輸優(yōu)勢

相較于常規(guī)測量船，無人船的船身設(shè)計更小巧，自重更輕，便攜式的攜帶方式更方便，作業(yè)過程中船體運(yùn)動更靈活，作業(yè)人員執(zhí)行外出測量任務(wù)時，一輛車的后備廂就可以把全部作業(yè)設(shè)備運(yùn)走。

2.3 智能避障

由于無人船的測量作業(yè)環(huán)境復(fù)雜且有很多不確定性因素，對此船體設(shè)計加裝了智能避障功能，遇到航行障礙時可自動避讓，航行安全得到有效保障。

3 無人船水利建筑工程水下地形測量的具體應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)獲取

以百色市冬筍水廠取水口遷移工程建設(shè)勘察的水下地形測量為例。由岸基操作系統(tǒng)，船體測量系統(tǒng)共同組成無人船操作系統(tǒng)，在測量作業(yè)水域選擇下水條件較好區(qū)域泊船并平衡固定，實施發(fā)電機(jī)和平衡翼的安裝，以固定扣固定發(fā)電機(jī)，輸出接頭全部連接好，再進(jìn)行天線，攝像設(shè)備和全球定位的安裝，尤其要注意全球定位和攝像的安裝須全程雙手操作，確保不會落水。

安裝完成后便可在岸邊電腦上安裝好外置天線，啟動電腦，架設(shè)好GPS基準(zhǔn)站，在岸基電腦打開控制軟件，點(diǎn)擊屏幕工具欄選擇已知點(diǎn)校正，利用測量水域的坐標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合全球定位測量所得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)向系統(tǒng)輸入，由系統(tǒng)自動生成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的匹配參數(shù)，再把計算機(jī)輔助設(shè)計文件導(dǎo)進(jìn)來，岸基控制軟件導(dǎo)入測量作業(yè)范圍，點(diǎn)擊繪圖工具進(jìn)行全局布線，完成無人船的航線設(shè)置，以人工遙控方式對無人船實施功能測試，確保全部功能正常后啟動無人船發(fā)動機(jī)，準(zhǔn)備開始按預(yù)設(shè)航線行駛。

經(jīng)人工遙控測試無人船功能正常，船頭擺成朝向作業(yè)區(qū)域，對這一狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，此時無人船會開始水中的自轉(zhuǎn)，持續(xù)兩三周自行停止，再在電腦上選擇校正選項，由無人船自主完成電子羅盤校正過程，這種對電子羅盤實施的標(biāo)定和校正，結(jié)合載波相位差分技術(shù)對無人船實現(xiàn)航線的確定，定位數(shù)據(jù)由此獲取，再結(jié)合船頭實際航向數(shù)據(jù)對位置和方向的偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的計算，動作指令的發(fā)布即以偏移量計算結(jié)果為準(zhǔn)，進(jìn)而完成對無人船航行自主導(dǎo)航功能的設(shè)定。

傳統(tǒng)測量作業(yè)對電子羅盤的使用，是通過只讓電子羅盤實施一周的旋轉(zhuǎn)來確定朝北方向，無人測量船對電子羅盤的使用則是通過標(biāo)定讓電子羅盤對正北方向的確定更精準(zhǔn)，這樣可確保無人船按預(yù)設(shè)航線航行過程中航線保持更高的精確度，航程接近尾聲時以人工遙控把無人船精準(zhǔn)送入指定測量作業(yè)區(qū)域，選擇電腦上的記錄設(shè)置選項，把載波相位差分設(shè)置成載波相位差分固定解，對采樣間隔實施重新設(shè)置，使其保持按距離采樣設(shè)置，此時即可實施無人船沿航線走向的測量作業(yè)，通過岸基控制軟件，陸上人員可實時監(jiān)測無人船實施測量作業(yè)的實況，無人船完成沿航線走向的測量作業(yè)即自動返回啟航點(diǎn)位置，再通過人工遙控讓無人船安全回到靠岸位置。

對無人船測量作業(yè)進(jìn)行航線路徑的保存設(shè)置，一旦測量作業(yè)完成即由文件夾對航線路徑進(jìn)行保存，可實現(xiàn)載波相位差分三維坐標(biāo)的獲取，由測深儀對水深進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，結(jié)合之前的校正，所有坐標(biāo)數(shù)據(jù)均為準(zhǔn)確校正數(shù)據(jù)，鑒于無人船測量作業(yè)過程具有很大不確定性因素，外部因素影響較大，水深數(shù)據(jù)在后期實際應(yīng)用過程中還要結(jié)合實際情況進(jìn)行調(diào)整[3]。

打開岸基軟件，選擇工具欄中的修改水深數(shù)據(jù)，導(dǎo)入測量時保存的航跡線文件，由水深數(shù)據(jù)推算水深范圍，據(jù)此設(shè)置水深縱向坐標(biāo)，進(jìn)而得到水深線的大致情況，由此發(fā)現(xiàn)水深線圖形顯示的水深數(shù)據(jù)的錯誤之處，可由人工操作對其進(jìn)行拖動，使其回歸準(zhǔn)確水深線，對圖形中粗差過大的點(diǎn)位進(jìn)行刪除，對粗差進(jìn)行最大值和最小值允許范圍的設(shè)定，最后完成粗差剔除，也可由自動修改按鈕點(diǎn)擊實施，缺陷是會錯漏需要糾正的數(shù)據(jù)，水深數(shù)據(jù)處理完畢予以保存，系統(tǒng)會對航跡線進(jìn)行自動生成，由文本格式文件依據(jù)X或Y以及點(diǎn)號和水底高程的樣本格式存儲于文件夾內(nèi)。

3.2 地形圖繪制

結(jié)合外出測量作業(yè)所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，利用對測深點(diǎn)平面位置進(jìn)行展繪，做好高程標(biāo)記，對等高和等深線進(jìn)行勾勒，最后繪制完成完整的水下地形圖紙，這是由無人船測量作業(yè)獲取水下三維坐標(biāo)的最有效應(yīng)用，水下地形無人測量無法可視化看到地形變化，也無法有效選取地形特征測量點(diǎn)位，水下地形測量圖形繪制過程如下[4]：①通過谷歌地圖對即將開始水下地形測量作業(yè)區(qū)域進(jìn)行衛(wèi)星影像圖的下載，由于下載影像圖與測量比例不符，還要再次進(jìn)行影像圖的糾正。②目前用于影像糾正的軟件以CASS軟件技術(shù)最先進(jìn)，市場占有率最大，在此軟件中進(jìn)行展高程點(diǎn)的繪圖處理選擇，所有處理完畢的點(diǎn)都導(dǎo)入軟件，使其呈后置顯示，此時會看出影像圖與測量數(shù)據(jù)不匹配情況，可通過由旋轉(zhuǎn)到縮放再到平移的方式對影像圖進(jìn)行糾正，最后得到與實際測量區(qū)域完全匹配的影像圖。③由CASS軟件對水邊線進(jìn)行繪制，鑒于無人船可以實現(xiàn)水面高程的測量，可據(jù)此賦值水邊線高程，使測量點(diǎn)位與水邊線有機(jī)融入統(tǒng)一的整體系統(tǒng)。④要進(jìn)行等高線的生成，首先必須對數(shù)字地面模型進(jìn)行構(gòu)建，也就是三角網(wǎng)的構(gòu)建，剔除回車和坎高因素，系統(tǒng)會給出三角網(wǎng)過程或結(jié)果的顯示提示選項，徑直勾選結(jié)果顯示即可，勾選后由系統(tǒng)自動生成三角網(wǎng)，進(jìn)而完成等高線的生成，再對等高線生成菜單進(jìn)行刪除三角網(wǎng)的勾選，把先前構(gòu)建的三角網(wǎng)全部刪除。⑤等高線的生成是不完美的，其中包含一些不合理的位置部分，要對此進(jìn)行修訂，找出等高線菜單，勾選局部替換功能，實施重新畫線作業(yè)，計算機(jī)輔助設(shè)計軟件會提示進(jìn)行等高線選擇，對等高線位置進(jìn)行勾選實施畫線作業(yè)，畫出合理的等高線位置，再把原等高線位置調(diào)到新畫位置，水下測量等高線繪制有很多不可視因素，導(dǎo)致等高線修改幅度較大，有時會面臨等高線的突變，這是由于前期水深的后處理沒有全部完成，這些等高線位置需要剪斷，由人工進(jìn)行修改。

3.3 精度評價

實際上，對無人船水下地形測量是有很高的精確度要求的，這個質(zhì)量控制過程的重點(diǎn)環(huán)節(jié)就是精度評定，水深測量檢測的常用方法是等精度觀測，就是設(shè)置適量數(shù)據(jù)的檢查線，使其和主測線呈垂直布設(shè)，檢測完成分別處理檢查線和主測線數(shù)據(jù)，匯集綜合分析比對數(shù)據(jù)的重合點(diǎn)和差異性，檢測其誤差范圍是否符合精度誤差的允許波動值范圍[5]。

以某淺灘水域水下地形測量為例，設(shè)置80多個測量點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對其中40個測量點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)抽查和分析，對檢查線和主測線進(jìn)行各自統(tǒng)計量和標(biāo)準(zhǔn)差的計算，由計算結(jié)果可以看到，兩種檢測線數(shù)據(jù)偏差不到0.1m有94%的占比，不到0.2m的有98%的占比，不到0.3m的全部達(dá)到，計算標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)是0.09m，符合標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)限額0.4m的范圍。

4 誤差分析

無人船實施水下地形測量作業(yè)，載波相位差分技術(shù)是定位的關(guān)鍵依靠，這種技術(shù)雖然先進(jìn)，但是載波相位差分技術(shù)也有自身的缺陷[6]。

①受電離層影響較大，如果測量作業(yè)趕在了正午時分，此時共用衛(wèi)星數(shù)量不夠，容易造成載波相位差分固定解無法實現(xiàn)，給測量結(jié)果帶來誤差影響；②干擾因素太多，容易導(dǎo)致衛(wèi)星信號接收不良；③岸基和船載數(shù)據(jù)交換有誤差現(xiàn)象；④受外界因素影響，測量作業(yè)在精確度和穩(wěn)定性方面都有待提高。

無人船實施水下地形測量出現(xiàn)誤差是很正常的現(xiàn)象，須在實際作業(yè)過程中加以逐步克服，具體到本篇論文，影像圖都是由網(wǎng)絡(luò)下載使用的，實際操作中應(yīng)由無人機(jī)航拍完成影像拍攝再交由數(shù)據(jù)分析處理，以最終生成正射影像圖為準(zhǔn)，再把準(zhǔn)確的正射影像圖向CASS軟件導(dǎo)入，從而繪制出可信度較高的線畫圖，再結(jié)合水下地形測量實地數(shù)據(jù)完成整體水下地形圖的繪制。

5 結(jié)束語

在具體實踐中發(fā)現(xiàn)，水利工程水下地形測量具備測量難度大、局限性強(qiáng)等實際特點(diǎn)，運(yùn)用傳統(tǒng)的水下地形測量方法，很難保證測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性與可靠性，為了有效彌補(bǔ)這一短板，相關(guān)人員應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)無人船測量技術(shù)研究，并針對該項技術(shù)在水利工程水下地形測量中的合理應(yīng)用進(jìn)行更深層次發(fā)研究與探索，以便為我國的水利工程建設(shè)提供助力。