肖 杰

(山西省測繪地理信息院，太原 030001)

近年來，我國全面推行河長制，加強河湖保護管理，多地積極開展水資源調查，對河湖及水庫區(qū)域進行水上水下地形測量。在數(shù)據(jù)采集方面，主要有兩種模式：一種是水上和水下部分分別進行數(shù)據(jù)采集，水上部分一般應用航空攝影測量方法，目前應用較多的是基于無人機載LiDAR系統(tǒng)的三維高精度點云數(shù)據(jù)采集，對于水下測量部分，主要基于船載模式搭載GNSS-RTK、IMU、水深測量系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集；另一種是基于船載模式集成三維激光掃描儀、水下測量設備、GNSS和IMU等多傳感器設備于一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1-3]。兩種數(shù)據(jù)采集模式各有優(yōu)缺點：前者數(shù)據(jù)采集航線布設自由、靈活，數(shù)據(jù)采集投入成本相對較高；后者數(shù)據(jù)采集投入成本較前者低，但航線布設要顧及三維激光掃描儀的拍攝范圍，對于庫區(qū)周邊的地形地物有時會被遮擋[2]。因此，在實際作業(yè)中應根據(jù)測區(qū)情況選用合適的外業(yè)數(shù)據(jù)采集模式。

水深測量是水下地形測量最主要的內(nèi)容，針對水深測量目前主要有兩種方法，分別是水位減去水深的傳統(tǒng)測量方法和GNSS-RTK減去水深測量方法[4-5]。根據(jù)使用的測量工具，測深方法主要有：測深桿、測深錘、單頻單波束測深、雙頻單波束測深、多波束測深、機載激光雷達測深等[6]。測深桿、測深錘是早期的測深工具，盡管現(xiàn)在測深設備主要以測深聲吶為主，但在水草密集區(qū)域，或在淺灘測量等聲吶設備無法工作的地方仍在發(fā)揮重要作用[7]。單波束測深和多波束測深屬于聲吶測深，極大提高了水深測量的精度和效率，多波束測深儀相對單波束測深儀具有測量精度高、測量效率高的特點，但價格昂貴，因此在實際工作中，單波束測深儀的使用目前仍是主流[8]。本文根據(jù)智能無人船單波束測深特點，以某水庫的水下地形測量為例，兼顧測量效率、成本經(jīng)濟以及成果質量，對其作業(yè)過程中的關鍵技術展開研究，確定更符合實際測量需求的最佳技術路線和方案。

1 無人船水下測深原理

1.1 無人船測量系統(tǒng)

目前，無人船測量系統(tǒng)以其輕便、高效、智能的特點在河湖及水庫水下地形測量中得到了廣泛應用，其工作原理為在無人船上搭載多種高精密傳感設備并協(xié)同作業(yè)，其中搭載的GNSS設備，可以讓無人船勻速行駛在設計好的航線上，搭載的測深系統(tǒng)可以在GNSS定位系統(tǒng)的協(xié)助下按照設定的間距或時間間隔進行水深測量，同時獲取測點平面位置，搭載的姿態(tài)傳感器用于獲取測深時無人船的姿態(tài)，實時將定位數(shù)據(jù)、測深數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)通過通訊設備傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，技術員實時在操控平板上看到數(shù)據(jù)采集情況[4]。圖1為無人船水下地形測量示意圖。

圖1 無人船水下地形測量示意圖

1.2 單波束測深儀測深原理

單波束測深儀測深是一種由點到線的測量方法，通過安裝在船底的換能器(探頭)垂直向下發(fā)射短脈沖聲波(聲波入射角近似為零)，聲波在水中傳播到水底并反射被換能器接收[9-10]。因此，水深值即為聲波在水中傳播的雙程距離的一半，通過聲波在水中傳播時間以及聲波在水介質中的平均聲速來確定[11]，水深算式為：

(1)

式中:S為換能器到水底的距離；C為聲波在水介質傳播的速度，可采用聲速剖面儀進行聲速測量；t為聲波的雙程傳播時間[12]。

在實際水深測量中，需要換能器測水深的基礎上增加換能器吃水深度改正和潮位改正，文中描述的是針對無人船測深系統(tǒng)在水庫的水下測量，不考慮潮位改正。

2 無人船水下地形測量關鍵技術分析

2.1 技術流程

根據(jù)水下測量測區(qū)情況及無人船水下測量原理，擬定無人船水下地形測量技術流程，如圖2所示。

圖2 無人船水下地形測量技術流程

2.2 測深水域范圍確定

在進行水底地形測量前，首先確定測深水域的范圍線，其主要目的是為了設計施測航線，避免不合理的航線設計導致影響測量效率和測量安全事件的發(fā)生。通常確定方法為：

1)依據(jù)數(shù)字正射影像圖(DOM)確定測深水域范圍線。依據(jù)DOM繪制水域范圍線，其關鍵是最新現(xiàn)勢性的影像數(shù)據(jù)獲取，只有水位及水域周邊環(huán)境與實施水下測量時的水位及周邊環(huán)境相一致的情況下，繪制的水域范圍線才具有實用性。若條件不允許無法獲取最新現(xiàn)勢性的DOM數(shù)據(jù)，則可先在現(xiàn)勢性不佳的影像上依據(jù)水域紋理繪制水域范圍線，然后根據(jù)影像水域邊界特征點，進行實地量測水域邊界到圖上繪制的水域邊緣的最短距離，由此將DOM上繪制的水域范圍線通過整體外擴或內(nèi)縮的方法來獲取滿足施測要求的測深水域范圍線。

2)常規(guī)陸地測量方法。確定測深水域范圍的傳統(tǒng)測量方法，利用GNSS接收機實地沿水域邊緣進行常規(guī)RTK或網(wǎng)絡RTK測量，只需在水域邊緣走向變化的位置處測量即可。用此方法確定水域范圍線其特點是精度高，但是只適合面積較小的水域測量，對于大面積的水域人工工作量較大，且對人員及設備有一定的安全隱患。

3)無人船測量系統(tǒng)測量水域范圍線。利用搭載單波束測深系統(tǒng)、GNSS和IMU設備的無人船在水域邊緣進行測量，測量時要求在岸邊建立地面基站或連接CORS站，測量所得無人船航跡線即可作為測深水域的范圍線。采用此方法進行水域范圍線采集工作效率高，但要求作業(yè)人員對水域環(huán)境有一定了解，通常需要額外配備望遠鏡或具有無人船功能的以實時了解施測的周邊環(huán)境，邊踏勘邊測量，若發(fā)現(xiàn)水域中有島類地物或比較茂盛水草，則需將無人船未觸及的地方也進行標定，避免造成無人船擱淺等事故發(fā)生。

根據(jù)具體情況采用合適的水域范圍線采集方法，必要時可以多種方法結合使用，準確確定測深水域范圍線是提高水下測量工作效率的一個重要因素。

2.3 測深線布設

測深線布設是實施水下測量的一個極為重要環(huán)節(jié)，其布設需顧及測深線方向、相鄰測線間距、測線上測點間距、測深線布設的形狀等，這些因素制約著水底地形地貌是否能被完整且較經(jīng)濟的勘測成果。

1)測深線方向確定。測深線方向應與所測區(qū)域水流方向一致，盡可能垂直于等深線的總方向，同時要綜合考慮測量工作的便利性，避免布設過多的短測線。

2)測深線間距確定。需同時顧及所測水域的重要性、水底地貌特征表示的精細程度要求、水深度、地貌起伏狀況、水底地質等因素。對單波束測深儀，主測線間距為圖上1 cm，平坦水底可放寬為2 cm。需要詳細探測地貌復雜的區(qū)域，測深線間距變換比例尺大小進行測量[13]。

3)測線上測點間距確定。測線上測點間距確定一般根據(jù)測線上水底地形起伏情況，盡可能捕捉到地形的細微變化為宜，也不適宜設置過于密集的點間距，以免影響數(shù)據(jù)處理效率。在實際作業(yè)中，點間距設定有3種方式，分別為等距離測量、等時間間隔測量和手動測量，一般顧及點位分布的均勻性等距離測量方式使用較多，設置為1 m。

4)測深線布設方法確定。測深線主要分為主測深線、補充測深線和檢查測深線3類，其中補充測深線用于局部重要區(qū)域的加密測深，檢查線主要用于檢查測深與定位是否存在系統(tǒng)誤差或粗差，并以此衡量測深成果精度[14]。

常見的主測深線布設方法有：垂直水流軸線布設、與水流軸線成45°角布設、平行水流軸線布設、扇形布設、螺旋形布設等，如圖3所示。其中：圖3(a)情況一般為利用單波束測深儀進行斷面測量時的布設方法；圖3(b)情況多為單波束測深儀測量檢查線的布設方法或對狹窄航道進行測量時采用的布設方法；圖3(c)一般為多波束水深測量的布線方式；圖3(d)此種布設方法多用在河道拐彎處，即彎曲河段；圖3(e)和圖3(f)此兩種布設方式一般適用島形或較寬廣的水面。實際施測時可根據(jù)測深儀的工作原理和河道形狀的不同選用不同的布設方法。

圖3 測深線布設方法

為了保證測深數(shù)據(jù)準確度，應在測前、測深期間及測后，進行深度比對檢查。測深檢查線布設要求：檢查線的方向應盡可能與主測深線垂直，均勻分布測深垂線應在水位平緩地帶檢查主測深線，檢查線總長應不少于主測深線總長的5%[13]。

2.4 單波束測深數(shù)據(jù)分析與處理

1)誤差改正。無人船單波束水深測量數(shù)據(jù)是按等距離或等時間間隔采集數(shù)據(jù)，其精度主要由測點的測深精度和定位精度決定，影響其精度的因素主要有GNSS定位誤差、GNSS-RTK時延引起的誤差、受風浪及船體操縱等因素引起的船體姿態(tài)不穩(wěn)定引起的傾斜誤差、船體吃水誤差、潮汐引起的誤差等，因此要得到高精度的水下測量高程結果，需要進行相應的改正。針對無人船在湖泊、水庫區(qū)域的測量，一般潮汐改正可忽略，滿足要求測量條件時，吃水改正數(shù)是常數(shù)。

2)異常值探測與處理。在實際測量過程中，由于水中雜質、魚群、水草等的影響，波束在碰到此類障礙物時會發(fā)射，致使測得的結果存在“假數(shù)據(jù)”，即產(chǎn)生異常值，也稱為“噪聲”數(shù)據(jù)，在進行下步測量前，必須剔除此類異常數(shù)值。目前有很多異常數(shù)據(jù)的探測方法，如多項式擬合法、差值法等，此類方法共同點均需設置閾值，以使水下測量數(shù)據(jù)均能取得良好的探測效果。

3)三維坐標系統(tǒng)轉換?；赪GS84或CGCS2000坐標系統(tǒng)獲取水下測量的數(shù)據(jù)，在實際工作中一般要求采用1985年國家高程基準坐標系，因此需要對數(shù)據(jù)進行坐標系統(tǒng)轉換。通常在工程測量中，GNSS測量會聯(lián)測當?shù)氐腃ORS系統(tǒng)，通常采用CGCS2000坐標系，若未聯(lián)測CORS站，則需聯(lián)測CGCS2000控制點，將WGS84坐標轉換為CGCS2000坐標系。對于大地高程轉換到1985高程基準坐標，可以采用高精度的似大地水準面精化模型。

2.5 水深數(shù)據(jù)精度檢驗

水深數(shù)據(jù)的精度直接關系水下DEM成果，必須進行精度檢核，其檢核方法為重復斷面測量提取重合點或主測深線與檢查線提取交叉點，通過計算重合點或交叉點之間的差值來評價其測量精度，此種方法是一種自檢核查方法。水下地形測量不同于陸地測量，同一點同時進行兩次觀測的幾率非常小，所謂的重合點或交叉點并不是絕對意義上的同一個點，需設定距離閾值，在閾值范圍之內(nèi)的點標定為重合點或交叉點，在實際計算時，可通過式(2)計算其內(nèi)符合精度。

(2)

式中：M為內(nèi)符合精度，m；Δ為重合點或交叉點高程差值；n為有效交叉點個數(shù)。

針對符合精度大于3倍中誤差的交叉點，若該點是由于附近地形變化劇烈引起的，可不參與精度計算，但未參加計算的交叉點個數(shù)不得超過總交叉點個數(shù)的5%[15]。

2.6 水下DEM制作

單波束測深儀主要適用于河道斷面測量，測深儀沿布設的測線采取單點連續(xù)的測量方法，由此種作業(yè)模式和方法獲取的測深數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出沿航跡數(shù)據(jù)十分密集，而在測線間沒有數(shù)據(jù)的特點。在數(shù)據(jù)處理成圖過程中，為解決測深數(shù)據(jù)分布不均問題，一般采用數(shù)據(jù)網(wǎng)格化內(nèi)插方法來預測測線間數(shù)據(jù)空白區(qū)的水深變化情況和趨勢[16-17]。在進行數(shù)據(jù)內(nèi)插處理時，需分析地形變化趨勢，對于地形變化平緩的區(qū)域可選擇曲面擬合的方法，對于地形突變的地方，如河道的溝、坎處要沿溝坎方向進行線性擬合。

對數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)插處理后，即可利用軟件構建不規(guī)則三角網(wǎng)。構建不規(guī)則三角網(wǎng)時，首先根據(jù)三維測點數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的地形走勢勾劃地形特征線。然后對三角網(wǎng)內(nèi)地形突變處的溝坎區(qū)域、測區(qū)邊界等合理性進行檢查，檢查原則是確保每一個三角形都是坡頂(角)線上相鄰兩點連接坡腳(頂)線上對應一點，避免由于三角網(wǎng)不合理產(chǎn)生的數(shù)字地形模型與實際地形不符；若不規(guī)則三角網(wǎng)構建合理后即可按照要求輸出。

2.7 水下DEM精度評定

水下測量的特殊性，無法以人工測量的方式在水底進行RTK測量，借助搭載RTK設備和測深儀的無人船進行高程測量，完成水下DEM的精度評定。水下DEM精度評定包括內(nèi)符合精度和外符合精度。內(nèi)符合精度通過參與水下DEM制作的測點高程與DEM中該點的高程比較來統(tǒng)計DEM精度；外符合精度則需通過無人船完成點位測量，為了評定結果更加可靠，可在測區(qū)均勻選取多個區(qū)域，每平方千米應不少于15塊面積為1 m2的區(qū)域，利用無人船在每一塊區(qū)域進行定點測量，測量次數(shù)不少于10次，取平均值作為該區(qū)域的測量高程值，利用似大地水準面模型轉換為1985年國家高程基準坐標系，然后與DEM區(qū)域的高程值做比較，進而可以統(tǒng)計其外符合精度。在相鄰測線間選取的區(qū)域塊，是DEM精度較弱的區(qū)域，其計算的精度更能反映DEM真實情況。

3 應用實例與分析

3.1 實例概況

以測量山西省某水庫水下地形為例，采用華測華微3號無人測量船系統(tǒng)水下地形測繪，搭載單波束測深儀和GNSS-RTK設備，所有設備均在有效期內(nèi)。圖4為該水庫庫區(qū)的數(shù)字正射影像圖，其中紅線區(qū)域為施測水域，水庫長度約5.8 km，最寬處約600 m，水深最深處約37 m。施測日期為2020年5月，實測天數(shù)10 d，施測水域面積約2 km2。

圖4 水庫庫區(qū)DOM

3.2 精度指標

1)水深測量中，測圖時定位點的平面位置中誤差2 m。

2)在水深測量中，深度測量中誤差按《無人船水下地形測量技術規(guī)程》(CH/T 7002-2018)要求執(zhí)行，即測深范圍Z∈(0,20] m時，極限誤差為±0.2 m；測深范圍Z∈(20,30] m時，極限誤差為±0.3 m；測深范圍Z∈(30,100] m時，極限誤差為±Z×1% m。

3)測深檢查線與主測深線相交處、單波束測深不同作業(yè)組相鄰測段或同一作業(yè)組不同時期相鄰測深段的重復測深線的重合點處，水深H≤10 m時，深度比對互查應不大于0.4 m；水深H>10 m時，深度比對互查應不大于0.04 m，重合點間距應在2 m內(nèi)，且深度比對的超限點數(shù)應不超過參加比對點數(shù)的25%[18]。

3.3 測線水域范圍確定

通過實地踏勘，該水庫距離水域邊界0.5 m處基本上滿足無人船施測要求。因此，水域范圍線最終采用無人船測量系統(tǒng)測量的方法確定該水庫的水域施測范圍。

3.4 測線布設與施測

觀測點和插值點影響布設結果的準確度，測線間距選擇過窄，雖然保證了測量數(shù)據(jù)精度，但會增加采集工作量、降低工作效率；測線間距選擇過寬，插值點的精度會降低，難以保證測量數(shù)據(jù)精準性[19]。經(jīng)綜合分析，測區(qū)主縱線沿河道走向布設，測線間距布設為20 m，測點間距設置為1 m。檢查線布設垂直于主測線，不少于2條。圖5為該水庫無人船水下測量航跡圖，實測共采集點數(shù)107 920個點。

圖5 水庫庫區(qū)無人船水下測量航跡

3.5 水深數(shù)據(jù)精度檢核

首先將采集到的數(shù)據(jù)進行無人船吃水改正和數(shù)據(jù)的濾波處理，然后通過提取重復斷面上的重合點以及檢查線與主測深線的交叉點來進行精度檢核。

本實例中重復測線上測點間距小于0.5 m的測點為重合點;測深檢查線與主測深線相交處測點間距在1.0 m內(nèi)的測點為重合點，經(jīng)搜索得到滿足條件的檢查點數(shù)為7 990，參與精度評定的點數(shù)為7 228個，計算得高程中誤差為0.116 m，超限點數(shù)762，超限比例為9.54%，滿足超限點數(shù)不超過參加比對點數(shù)的25%的要求。

為了進一步檢核水深數(shù)據(jù)的正確性，選擇一條測線往返測了3次，即一條測線測了6次。測線長約185 m，測點間距1 m，每一次斷面測量點數(shù)為185個點，為了比較測量精度，選擇兩次往返測量平面位置最近的兩個點作為重合點比較。圖6和圖7分別為測線上重合點水平間距和垂直間距比較，從圖6和圖7中可以看出水平間距最大不超過0.35 m，垂直間距均在0.10 m以內(nèi)，可見測深精度相對穩(wěn)定，且精度較高。在實際測量過程中，會存在測點位置恰好將聲波傳到水中漂浮物后被反射的現(xiàn)象，這時測出的水深失真，測點數(shù)據(jù)突變，這時應根據(jù)該測點前后數(shù)據(jù)合理分析是否為噪點，若是噪點應剔除該測點數(shù)據(jù);若為真實地形變化則應保留。

圖6 測線重合點水平間距比較

另外，為了檢驗該無人船水深測量精度的穩(wěn)定性也進行了相應的試驗工作，即在該水庫某一區(qū)域進行定點重復測量，設置等時間間隔為1 s的數(shù)據(jù)采集，共采集153個數(shù)據(jù)，如圖8所示，由于測量時受水面微風以及水流的影像，無人船不可能完全靜止不動，因此測點數(shù)據(jù)平面位置分布在邊長為2 m的區(qū)域內(nèi)，圖8中的橫縱坐標值進行常數(shù)平移處理。圖9所示為每個測點的水深數(shù)據(jù)，從圖8中可看出水深值分布在[1.37,1.71] m之間，經(jīng)統(tǒng)計計算其平均水深值為1.57 m，中誤差為0.09 m，由此可見該無人船在此水域的測量精度很穩(wěn)定，可以保障測量結果的準確性。

3.6 水下DEM制作

水深數(shù)據(jù)精度滿足規(guī)范和工程設計要求，然后按照“點號、經(jīng)度、緯度、水底大地高”格式整理為文本文件。

由于采集到的坐標數(shù)據(jù)，為WGS84坐標系下的大地高程，轉換為1985年國家高程基準坐標系下的數(shù)據(jù)，將WGS84坐標系的大地坐標轉換為CGCS2000坐標系下的平面坐標。最后利用GIS軟件導入坐標轉換數(shù)據(jù)，進行展點操作、插值處理、構建TIN，最后生成DEM成果。

圖7 測線重合點垂直間距比較

圖8 定點重復測量平面位置分布

圖9 定點重復測量水深數(shù)據(jù)分布

由于該水庫水下測量設置測線間距為20 m，測點間距為1 m，測點數(shù)據(jù)分布極為不均勻，若直接進行TIN構建，其不規(guī)則三角網(wǎng)形狀嚴重不滿足三邊近似相等的要求，因此需進行內(nèi)插處理。常見的空間內(nèi)插模型主要有樣條函數(shù)法、反距離加權插值、普通克里金插值、自然鄰域法等，通過對幾種插值方法的比較分析，最終采用普通克里金插值法進行插值處理，然后構建TIN。在構建TIN時，根據(jù)所測三維水下測點數(shù)據(jù)分析其地形突變處，識別此類地貌后合理繪制地形特征線，作為約束條件限制不合理的TIN構建，TIN中存在不合理三角形，可修復TIN邊線和處理長邊，確保三角網(wǎng)中每一個三角形為近似等邊三角形，避免出現(xiàn)鈍角三角形或角度小于20°的銳角三角形。圖10為插值處理后構建的TIN模型，圖11為TIN模型局部放大圖。最后利用GIS軟件根據(jù)構建的合理的TIN模型生成本文試驗區(qū)的水下DEM成果，DEM分辨率設為2.0 m，圖12為DEM成果圖，從圖12中明顯可以看出該水庫水底地形情況，中間藍色區(qū)域為水庫最深處，且由北向南地勢逐漸升高。

圖10 構建TIN模型(全局圖)

圖11 插值處理后構建TIN(局部放大圖)

4 結 論

文中詳細闡述了智能無人船搭載單波束水下測量系統(tǒng)在河湖庫區(qū)水下測量的過程，并詳細分析了測量過程與數(shù)據(jù)處理各個環(huán)節(jié)的關鍵技術和注意事項。

1)根據(jù)無人船單波束測深系統(tǒng)的特性，主要適用于水下地形斷面測量，該技術可以較完善地表現(xiàn)水底地形，但航線布設是難點，過寬的測線間距設計會忽略掉微地形的變化，而且在后續(xù)TIN構建時會增加數(shù)據(jù)處理的難度，同時也會影響最終DEM成果的精度；而過窄的測線間距又會極大地增加外業(yè)數(shù)據(jù)獲取的工作量，降低工作效率，因此在實際測線布設中綜合考慮成果精度和工作效率是一件較為困難的事情，條件允許情況下，要采集高精度的水下地形數(shù)據(jù)可使用多波束測深儀。

2)利用單波束測深儀進行水下地形數(shù)據(jù)采集時，測線間距與測點間距的嚴重不相符，導致構建的TIN形狀不佳，必須進行空間插值處理，但空間插值又會引進插值誤差，需根據(jù)原始采集數(shù)據(jù)預先分析水底地形走勢，然后合理劃分區(qū)域，采用插值模型，提高插值精度的同時地形走勢更平滑、自然。

3)在水下測量中采用無人船測量方式，會出現(xiàn)無人船擱淺或被水草等障礙物阻擋無法施測問題，此種情況設計研發(fā)了避障功能的無人船，但是該技術還不是很成熟，會有判斷失誤的情況，因此最好的方式還是要在施測前進行測區(qū)踏勘，標注障礙區(qū)域以規(guī)避這一風險發(fā)生。