趙保成，徐 健，徐 堅，肖 瀟

（1.長江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，湖北 武漢 430010）

水下地形數(shù)據(jù)是水利工程建設(shè)、水資源綜合利用管理和水環(huán)境保護(hù)等工作的研究基礎(chǔ)。如何高效獲取高精度水下地形數(shù)據(jù)是目前測繪領(lǐng)域中的熱點問題。水下地形測量主要包括水上定位和定位點水深測量[1-3]兩個關(guān)鍵技術(shù)。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星定位法已成為水上定位的主流方法[4]。根據(jù)測量水深工具的發(fā)展，水深測量技術(shù)大致經(jīng)歷了3 個階段，即傳統(tǒng)測深方法（測深桿、錘）、聲波測深方法（單波束測深、多波束測深）、遙感技術(shù)測深方法（光學(xué)遙感、微波遙感、激光）。由于聲波在均勻介質(zhì)中具有良好的穿透性和弱衰減性，因此聲波測深成為目前測深的主流方法。隨著多波束測深技術(shù)的不斷成熟，越來越多的測繪單位開始應(yīng)用多波束系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測量實踐活動[5-7]。多波束測深系統(tǒng)集現(xiàn)代電子計算機技術(shù)、空間定位技術(shù)、數(shù)字化傳感器技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字制圖技術(shù)等于一體，將傳統(tǒng)水下地形測量方式從點、線擴展到面，大大提升了工作效率[8-9]。然而，在多波束測深系統(tǒng)的使用過程中，往往會遇到現(xiàn)場測量水域租用船只難、設(shè)備安裝與校準(zhǔn)工序復(fù)雜且耗時、測量船難以按照預(yù)設(shè)測線航行等問題，嚴(yán)重影響了水下地形測量作業(yè)效率。近年來無人機、無人船控制技術(shù)快速發(fā)展，測繪工作者將多種測量傳感器集成到無人控制設(shè)備上，進(jìn)行大范圍測量工作，并取得了良好的作業(yè)效果[10-15]。為了較好地解決傳統(tǒng)多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，本文將無人船控制技術(shù)與多波束測深系統(tǒng)相結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，進(jìn)一步提高工作效率，更好地服務(wù)于水下地形測量工作。

1 多波束系統(tǒng)簡介

1.1 多波束系統(tǒng)構(gòu)成

多波束系統(tǒng)利用同時發(fā)射和同時接收若干定向脈沖窄波束的聲波換能器對水底地形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[16-18]，主要包括4個子系統(tǒng)：①導(dǎo)航定位系統(tǒng)，提供位置、時間等信息；②姿態(tài)羅經(jīng)系統(tǒng)，提供測量設(shè)備的姿態(tài)信息；③聲吶系統(tǒng)，獲取水深信息；④數(shù)據(jù)采集、處理子系統(tǒng)，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，輸出最終成果圖。

1.2 多波束測深技術(shù)原理

多波束系統(tǒng)的核心部件是聲吶系統(tǒng)，由聲波的發(fā)射換能器和接收換能器組成，接收換能器與測量船的航跡方向垂直，發(fā)射換能器與測量船的航跡方向平行。多波束系統(tǒng)能一次性獲取垂直于測量船航跡方向的水下地形點三維坐標(biāo)。隨著測量船向前推進(jìn)，線轉(zhuǎn)變成面，就形成了對水下地形的全覆蓋式掃測。

2 多波束系統(tǒng)與無人船技術(shù)結(jié)合的優(yōu)勢

1）智能化程度高。無人船受程序控制，集成了先進(jìn)的自動控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)，能根據(jù)預(yù)設(shè)的航速、航線進(jìn)行自動巡航，且能根據(jù)測區(qū)水域外界環(huán)境的變化智能調(diào)整測量船的運行狀態(tài)，因此無人船比有人船運行更加穩(wěn)定，更有利于多波束系統(tǒng)在水下地形測量中發(fā)揮最大效用。

2）船體輕、易于攜帶。無人船體積小、船體輕、易于攜帶，可隨多波束設(shè)備一起運輸?shù)綔y量水域，免去了在測區(qū)現(xiàn)場租用船只的麻煩。多波束系統(tǒng)與無人船相結(jié)合是高原無人區(qū)湖泊、山區(qū)飲用水源水庫、封閉式輸水干渠等特殊水域精確水下地形測量最優(yōu)的解決方案。

3）測量設(shè)備安裝方式固定、工作效率高。測量設(shè)備安裝與校準(zhǔn)是多波束系統(tǒng)水下地形測量活動最重要的前期準(zhǔn)備工作。無人船可根據(jù)使用的多波束設(shè)備各子系統(tǒng)的形狀尺寸定制安裝方案，子系統(tǒng)之間的相對位置關(guān)系是預(yù)先設(shè)計好的，只需在首次使用時進(jìn)行校準(zhǔn)即可。設(shè)備下水開機即可工作，真正做到了隨到隨測，能顯著提高工作效率。

4）安全性高。測量人員能在岸上的安全區(qū)通過計算機遠(yuǎn)程控制無人船進(jìn)入危險性較大的測區(qū)水域進(jìn)行水下地形測量，減小了安全事故發(fā)生風(fēng)險，保護(hù)了測量人員的生命財產(chǎn)安全。

3 多波束系統(tǒng)與無人船技術(shù)結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無人船技術(shù)

無人船需根據(jù)自身搭載多波束系統(tǒng)的特點進(jìn)行特殊化定制，重點表現(xiàn)為：

1）續(xù)航。多波束系統(tǒng)的各子系統(tǒng)耗電能力強，因此供電問題一直是應(yīng)用中的重點。在有人船上的傳統(tǒng)應(yīng)用中，各子系統(tǒng)通常由發(fā)電機供電，而無人船船體小、空間局促，采用加裝充電電池的方式為多波束系統(tǒng)供電，使用內(nèi)燃機為無人船提供動力，在船航行的同時可為電池反向充電。

2）無人船智能控制。水上作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，測量過程中無人船碰撞障礙物、觸礁、擱淺風(fēng)險較大，為保障設(shè)備安全和水下測繪任務(wù)的順利完成，無人船需具備智能控制能力，即智能避障能力、智能決策能力、航線規(guī)劃能力。首先無人船通過多源傳感器感知周圍障礙物（障礙物大小、距離、方位角等），然后由無人船主機控制單元根據(jù)水中障礙物信息，判斷障礙物是否影響無人船安全航行，同時對是否重新規(guī)劃航線做出決策。

3.2 遠(yuǎn)程控制聲吶測量參數(shù)技術(shù)

在利用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形數(shù)據(jù)采集時，技術(shù)人員需根據(jù)測區(qū)水體的水深、流速、渾濁度等條件的實時變化及時調(diào)整聲吶探頭的增益、功率、頻率、幅寬等測量控制參數(shù)，以此穩(wěn)定水底的回波信號，從而確保水深數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。為解決遠(yuǎn)程控制聲吶測量參數(shù)問題，選擇在無人船上集成工控機系統(tǒng)，工控機上安裝多波束測量軟件包和遠(yuǎn)程控制軟件，將工控機與無人船岸基控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置在同一網(wǎng)段下，岸上的測量人員即可通過無線傳輸協(xié)議同時控制測量船和工控機，從而對多波束系統(tǒng)進(jìn)行實時控制，進(jìn)行高精度水下地形測量活動。無人船技術(shù)與多波束系統(tǒng)相結(jié)合的原理見圖1。

圖1 無人船技術(shù)與多波束系統(tǒng)相結(jié)合的原理圖

4 應(yīng)用實例

4.1 實驗區(qū)概況

鏈子溪位于湖北省巴東縣，長度約為5 km，河道兩岸均為高山，屬于典型的高山峽谷河流；地處三峽水庫庫區(qū)內(nèi)，具有水流流速小、水質(zhì)清澈、水面寬與水深比?。ň导s為2∶1）等特點。該工況十分適合采用多波束進(jìn)行水下地形測量。

4.2 外業(yè)施測

實驗采用的多波束設(shè)備型號為RESON-T50-R，且為雙頭安裝；工作頻率為400 kHz，波束數(shù)量為1 024（雙探頭），測深范圍為0.5～450 m，測距精度為6 mm，波束最大開角為165°。

1）設(shè)備安裝與校準(zhǔn)。將多波束測深設(shè)備安裝于定制的無人船上，確保各子系統(tǒng)連接緊固。無人船下水后，對設(shè)備進(jìn)行通電檢查測試，確認(rèn)正常后在指定水域進(jìn)行橫搖、縱搖、艏搖校準(zhǔn)工作。

2）測量工程項目建立。無人船岸基控制系統(tǒng)通過電臺與船上的工控機建立鏈接，測量人員遠(yuǎn)程控制多波束測量控制軟件PDS2000 建立測量工程項目文件，主要對項目的坐標(biāo)系統(tǒng)、船型文件、測量界面配置進(jìn)行一系列設(shè)置。

3）測線布設(shè)。實驗區(qū)具有水面寬與水深比小的特點，多波束掃測有效范圍更大。理論上，只需一條沿著河流深泓線的測線便能完成整個河段的水下地形測量，但為了防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)空洞區(qū)，實驗共布設(shè)兩條測線，沿河流深泓線往返各一條。

4）具體施測。無人船按照預(yù)設(shè)測線文件自動航行，測量人員通過岸基控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程實時調(diào)節(jié)多波束測量控制參數(shù)，同時監(jiān)控船的油量、電池電量（為多波束設(shè)備供電）、吃水深度等信息，保證測量工作順利進(jìn)行。

5）設(shè)備回收。水下地形數(shù)據(jù)采集工作完成后，無人船自動返航，組織人員將無人船吊裝上岸。拆卸多波束設(shè)備，導(dǎo)出原始測量數(shù)據(jù)，最后將設(shè)備裝箱。

4.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與水下地形三維重建

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理流程為：①新建船型文件，輸入聲吶、導(dǎo)航定位、姿態(tài)羅經(jīng)各系統(tǒng)之間的偏移量；②導(dǎo)入原始測線文件和聲速剖面數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正；③對原始點云數(shù)據(jù)進(jìn)行線編輯，剔除測線中的噪點；④對測線文件合成的表面模型進(jìn)行面編輯，進(jìn)一步剔除表面模型上的誤差點；⑤導(dǎo)出水下地形數(shù)字高程模型（圖2）。

圖2 鏈子溪水下地形數(shù)字高程模型

4.4 成果數(shù)據(jù)驗證

采集水深數(shù)據(jù)時，在已知水深（真值）的水域設(shè)置5 條垂直于主測深線的檢查測線，各檢查測線均具有重疊部分。根據(jù)同名點的不同水深數(shù)據(jù)計算多波束測深的內(nèi)、外符合精度，內(nèi)符合精度反映觀測值之間的離散度（精密度）；外符合精度反映觀測值與真值之間的偏差程度（精確度）。二者的計算公式為：

式中，n為檢查點個數(shù)；Δ1為同名點觀測值與觀測值最大似然估計值的較差；Δ為觀測值與真值的較差。

精度統(tǒng)計結(jié)果見表1、2，可以看出，多波束測深內(nèi)、外符合精度均在厘米級，完全滿足測繪大比例尺水下地形圖的要求。

表1 精度檢查表

表2 相鄰測線重疊區(qū)域精度檢查表

5 結(jié)語

多波束系統(tǒng)將水下地形測量方式從點、線擴展到面，大大提高了工作效率，同時測量成果的精度也得到了極大提升；將多波束系統(tǒng)與無人船技術(shù)相結(jié)合，充分利用無人船機動靈活、智能化程度高的特點，解決了傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)使用場景中租用船只難、安裝校準(zhǔn)工序復(fù)雜且耗時、測量船難以按照預(yù)設(shè)測線航行的問題；通過在無人船上集成工控機系統(tǒng)，使測量人員可在岸上遠(yuǎn)程實時調(diào)節(jié)多波束系統(tǒng)的測量參數(shù)，確保了水底回波的穩(wěn)定性。多波束系統(tǒng)與無人船技術(shù)的結(jié)合使多波束系統(tǒng)的應(yīng)用場景更加廣泛，進(jìn)一步提高了水下地形測量的工作效率。