米仁歡

（廣州港工程管理有限公司，廣東廣州 510730）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟快速發(fā)展，地理信息成果數(shù)據(jù)已成為國家基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性信息資源，廣泛服務(wù)于政府決策、資源普查以及應(yīng)急保障等領(lǐng)域。陸地地理信息數(shù)據(jù)可以采用不同分辨率遙感衛(wèi)星、傾斜攝影測量、北斗定位系統(tǒng)、車載移動測量設(shè)備以及三維激光掃描儀等設(shè)備獲取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過專業(yè)處理軟件生成定位精度高、地理信息豐富的陸地基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品。但水下基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品獲取方式相對比較單一，難以滿足經(jīng)濟快速發(fā)展的要求。隨著國家“經(jīng)略海洋”戰(zhàn)略的提出，急需優(yōu)化傳統(tǒng)的水域測量作業(yè)方式來獲取水庫、河道、淺灘以及深海等區(qū)域水下地形數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的有人船測量方法存在船體不穩(wěn)定、復雜區(qū)域難以保障安全等問題，為了克服解決這些問題，提高水下地形測量效率，無人船搭載GNSS 傳感器、測深儀成為理想的選擇。相關(guān)學者進行了一系列研究：文獻［1］提出基于無人船的水陸一體化測量方法，該方法通過在無人船上搭載的激光掃描儀、多波束測深組合導航系統(tǒng)，能夠有效采集陸地和水下地形數(shù)據(jù)；文獻［2］采用單波束測深系統(tǒng)測量魚塘水下地形數(shù)據(jù)，通過外業(yè)RTK 方式驗證單波束測深系統(tǒng)精度；文獻［3］提出RTK 三維水深測量技術(shù)進行多波束測深系統(tǒng)潮汐改正方法，通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)準確、便捷水深提取工作；文獻［4］提出無人艇多波束測深精度分析方法，對多波束測深系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行成果內(nèi)符合精度、外符合精度驗證；文獻［5］提出無人船水下測量精度控制措施，分析了影響水下地形測量精度的因素，并提出對應(yīng)的改進措施。上述文獻對無人船在水下測量、精度提升等方面進行研究，但對于測深成果絕對精度驗證方面研究較少。

鑒于此，本文采用無人船搭載多波束測深系統(tǒng)、GNSS 等傳感器快速、高效獲取水下地形信息，通過相鄰航線重疊區(qū)域交叉測深點高程數(shù)據(jù)驗證多波束測深系統(tǒng)內(nèi)部精度，結(jié)合外業(yè)RTK 測量的高程值數(shù)據(jù)對比分析驗證多波束測深系統(tǒng)絕對高程定位精度。本文詳細介紹利用華測華微三號無人船測量系統(tǒng)和GNSS-RTK 系統(tǒng)對廣州某地區(qū)4.5 km2魚塘水域水下地形測量。實驗結(jié)果表明：基于無人船多波束測深系統(tǒng)能夠較好地獲取水下地形數(shù)據(jù)，成果精度與作業(yè)效率相比傳統(tǒng)測量方法有較好的提高，具有較高的實用價值。

1 無人船多波束測深系統(tǒng)精度驗證原理

無人船多波束水深測量系統(tǒng)以無人船為移動平臺，裝備高精度的GNSS、激光掃描儀、多波束測深儀、高精度慣性設(shè)備等高精度傳感器，通過系統(tǒng)控制模塊對規(guī)劃后的航線進行控制，確保測區(qū)全部覆蓋，對采集數(shù)據(jù)利用無線傳輸?shù)姆绞綄崟r接收。無人船多波束水深測量系統(tǒng)主要包括無人船、多波束測量系統(tǒng)和岸基系統(tǒng)3 個部分。

1.1 GNSS差分定位技術(shù)

由于網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)能夠快速、準確地獲取厘米級定位精度，所以在實際工程應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。文中利用兩臺GNSS 接收機配合，其中一臺固定在岸邊已知位置處作為基準站，另外一臺固定在無人船上作為流動站，流動站接收導航衛(wèi)星信號并將接收到的觀測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送給基準站，通過差分解算方法獲取流動站與基準站間的基線向量，最終獲取流動站空間三維坐標值。

1.2 多波束測深系統(tǒng)原理

多波束測深系統(tǒng)通過數(shù)字測深儀能夠精確測得水下地形，獲得高精度的水下三維地形圖（坐標系統(tǒng)：WGS-84，高程系統(tǒng)：大地高）。該系統(tǒng)具有測量速度快、范圍廣、效率與精度高的特點，適合大面積水底地形測量工作。由于受到水下環(huán)境、測量距離等因素的影響，多波束測深系統(tǒng)通過束控法在線陣或面陣的發(fā)射器上發(fā)射一個微窄的超聲波，在接收陣上采用米爾斯交叉原理接收水底反射形成多路回收波，進而獲取精確的水深數(shù)據(jù)。

多波束測深系統(tǒng)是利用無人船搭載的發(fā)射換能器、接收換能器進行水深測量，通過超聲波在水介質(zhì)中的反射實現(xiàn)距離測量。水深值通過超聲波在水介質(zhì)中傳播到海底返回接收的時間差確定，具體解算公式如式（1）所示：

式中：D為反射轉(zhuǎn)換器到水底間距離；C為水介質(zhì)內(nèi)超聲波的傳播速度；Δt為數(shù)字測深儀發(fā)射超聲波與接收超聲波時間差。同時利用無人船上裝載的高精度GNSS 接收機，獲取該時刻GNSS 接收機位置的高程H1，則該時刻測量水底的水深高程值H如式（2）所示：

式中：H2為GNSS 接收機到水面的高度，該值為固定值；H3為無人船放入水中吃水高度值；αi為第i個探測器與垂直方向的夾角，該值為實驗室安裝角度，需要進行標定；ΔD為水下環(huán)境帶來的測量誤差。

相比較測深系統(tǒng)而言，多波束測深系統(tǒng)通過多個轉(zhuǎn)換器單元組成線陣或面陣的方式同時發(fā)射、接收多個超聲波束對水下地形進行測量，大大降低了數(shù)據(jù)獲取成本。

1.3 多波束測深系統(tǒng)誤差來源與評估方法

多波束測深系統(tǒng)誤差來源較多，基本可以分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。主要包括GNSS 定位誤差、水深測量系統(tǒng)安裝誤差、系統(tǒng)參數(shù)標定誤差、潮汐誤差以及聲速剖面誤差等。GNSS 系統(tǒng)定位時間系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)以及姿態(tài)傳感器時間系統(tǒng)不一致，會帶來測深點的平面、測深誤差，導致不同條帶的測深數(shù)據(jù)測量水深不一致；水深測量系統(tǒng)安裝角度難以達到理論設(shè)計指標要求，導致不同條帶數(shù)據(jù)拼接時重疊部分水深不完全重合，越靠近邊緣部分誤差越大；多波束測深經(jīng)過聲速跳躍層時由于聲的折射引起的聲速剖面誤差隨波束角的變化而變化，使得不同波束角測深精度不一致。

由于國內(nèi)缺少多波束測深數(shù)據(jù)處理規(guī)范、完善的多波束水深測量質(zhì)量評價體系，故文中采用水深測量極限誤差、主測線與檢查線交叉點不符值2 個指標對多波束水深測量值進行統(tǒng)計。

1）水深測量極限誤差。

交通部多波束測深系統(tǒng)、IHO 海道測量標準中對水深極限誤差規(guī)定為

式中：Δ 為水深極限誤差；a為系統(tǒng)誤差；b為水深誤差比例系數(shù)；d為測量水深值。

2）主測線與檢查線交叉點不符值。

由于水底高程真值通常難以獲取，故難以通過測量值與真值進行直接比較。采用不同測量波束獲取交叉值進行誤差統(tǒng)計，成為多波束測深系統(tǒng)內(nèi)符合精度評價的主要方法。

2 工程實例

2.1 數(shù)據(jù)采集

為了驗證無人船多波束測深系統(tǒng)精度，文中選用華測華微三號無人船測量系統(tǒng)對廣州市某地區(qū)4.5 km2魚塘水域水下地形測量。該系統(tǒng)安裝24 VDC 轉(zhuǎn)220 VAC 逆變器和動力電池，GNSS 定位系統(tǒng)RTK 定位精度平面8 mm+1 ppm、高程15 mm+1 ppm，多波束測深系統(tǒng)的測深范圍為0.15～300 m、測深精度為1 cm+0.1%h 等。

為了保障多波束水深測量精度，在進行水深數(shù)據(jù)采集前，需對多波束測深系統(tǒng)安裝參數(shù)進行檢校。多波束測深系統(tǒng)以多波束聲吶安裝與水面交點為原始參考點，以船頭前進方向為Y軸正方向，船右舷為X軸正向，Z軸為垂直向下方向。在測量前后分別測量各傳感器相對參考原點位置值，取兩次參數(shù)平均值為最終的傳感器安裝參數(shù)。對于多波束測深系統(tǒng)轉(zhuǎn)化器安裝偏差測量的儀器，選擇在水深坡度變化顯著的碼頭進行測量。通過C—Nav3050 星戰(zhàn)定位設(shè)備輸出ZDA、1PPS 信號，使GNSS 的時間與多波束測深處理單元的時間精確同步，減少因時間延遲導致的系統(tǒng)誤差。

表1 系統(tǒng)檢校結(jié)果

2.2 航線規(guī)劃

根據(jù)測區(qū)范圍規(guī)劃無人船自動測量的航線。航線規(guī)劃如圖1 所示。

圖1 航線規(guī)劃結(jié)果

2.3 數(shù)據(jù)處理

按照數(shù)據(jù)處理規(guī)范，對測量得到的多波束測深數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理。處理完成后，依據(jù)需求對數(shù)據(jù)進行重采樣，具體操作如下：

1）利用HydroSurvey 測量軟件對數(shù)據(jù)進行后處理，對需要處理的水深數(shù)據(jù)文件選擇合適的參考文件，打開水深提取文件；

2）設(shè)置數(shù)據(jù)重采樣間隔，依據(jù)參數(shù)在航線方向的采樣間隔取一個測量點；

3）對所有觀測數(shù)據(jù)重采樣后，生成最終的水下三維數(shù)據(jù)，最終的成果數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 水下三維數(shù)據(jù)結(jié)果單位：m

2.4 精度分析

為了驗證無人船多波束測深系統(tǒng)內(nèi)部精度，先對單一航線獲取的水深數(shù)據(jù)進行單獨處理，然后將相鄰航線重疊數(shù)據(jù)進行求差運算。經(jīng)統(tǒng)計，相鄰航線交叉點共計2 975 681 個，最大高程差值為0.21 m，最小高程差值為0.02 m，中誤差為0.08 m 遠小于水深0.056 m 的限差要求，成果內(nèi)符合精度滿足各種規(guī)范要求。同時，由于本次測量水深比較淺，將池塘排空水后，再隨機選取30 個點位進行人工測量高程值。假定人工測量高程值為真值，將其與無人船多波束測深系統(tǒng)獲取的高程值進行比較，從而評定無人船測深系統(tǒng)絕對測深精度（外部精度）。

由圖3 可知：DZ 高程值小于0 的有12 個點，大于0 的高程誤差值有18 個，數(shù)據(jù)分布基本符合高斯分布情況。誤差最大值為0.112 m，最小誤差0.003 m，誤差絕對值小于0.04 m 的數(shù)量占80% 以上，表明無人船多波束測深獲取水下測高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較強。

圖3 DZ 直方圖分布

3 結(jié)語

目前，無人船多波束測深系統(tǒng)技術(shù)還處于發(fā)展階段，技術(shù)尚不成熟，但近年來無人船測量技術(shù)為水下地形測量提供了一種新的測量方向。本文采用無人船搭載多波束測深系統(tǒng)測量水下地形數(shù)據(jù)，同時，驗證多波束測深系統(tǒng)成果精度，結(jié)果顯示：精度符合各種規(guī)范要求，解決水下地形難以測量問題，實現(xiàn)水下地形新的作業(yè)模式。隨著水下技術(shù)發(fā)展，無人船多波束水下測深技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。