陳 鵬，劉存信，張世見

（山東省地礦測繪有限公司，山東 濟南 250002）

近些年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家加大了水利等基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的投入力度，相應(yīng)的一些測量技術(shù)也受益于此，并獲得很大的優(yōu)化和完善。無人船測量在水下測量技術(shù)中是非常成熟和高效的技術(shù)，利用裝設(shè)電子測量和信息處理設(shè)備，使得無人船能夠更加有效完成水下測量任務(wù)。因為其存在的一些技術(shù)優(yōu)勢，也得到業(yè)界高度的認(rèn)同，并成為目前廣泛采用的水下測量方式。而電子信息技術(shù)的不斷進步，也會推動無人船水下地形測量技術(shù)升級，無人船水下測量具備更廣闊的發(fā)展空間。

1 無人船水下地形測量技術(shù)概述

無人船水下地形測量技術(shù)中，無人測量船為載體，并加裝了一套性能強大的水域測繪系統(tǒng)，該系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，船載設(shè)備包括聲納測深設(shè)備、GNSS、羅盤儀等，同時還需要配備岸基電腦操作導(dǎo)航及控制軟件。在測量時，無人船會在待測水域根據(jù)設(shè)定航線以固定速度行駛，行駛過程中對水下地形信息進行數(shù)據(jù)的即時采集，相關(guān)測量數(shù)據(jù)最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，自動生成測繪文件。通常情況下，水下地形測量方式大多采用單波束測深儀，該儀器被安裝在船上，與GNSS、后處理軟件設(shè)備等共同完成導(dǎo)航、定位、數(shù)據(jù)采集、信息處理等功能，并將所獲得數(shù)據(jù)信息自動生成三維坐標(biāo)。

在實際的工程水下測量過程中，需要解決一些技術(shù)性難題，包括測量船難以靠近的淺水區(qū)域、水流湍急區(qū)域、河流阻斷水域等，此時，利用無人測量船是比較適宜的測量方式，無人船既能夠沿著設(shè)定航線進行測量工作，也可以通過遙控方式完成測量作業(yè)，各種測量環(huán)境都可以很好地適應(yīng)。

2 無人船水下地形測量案例分析

采用無人船進行水下地形測量，需要根據(jù)具體測量對象和內(nèi)容研究作業(yè)的船型和實施方式。為更有效闡述相關(guān)流程，文章通過實際測量案例進行相應(yīng)的解釋和說明，進而提高文章的針對性和實用性。

2.1 無人船測量水域基本情況

本次測量水利工程為某水庫，該水庫水域共4.8 km2，位于某河流支流上游。整個水庫工程規(guī)模為中型水庫，實際設(shè)計功能主要包括：供水、防洪、灌溉、觀光、養(yǎng)殖等。無人船測量區(qū)域的水下平均深度約5.2 m，其最深處可以達(dá)到15 m左右。水下地形比較復(fù)雜，整體呈東北部深西南部淺的形狀，且擁有大小不一幾個孤島。水庫西南部較淺區(qū)域有許多魚類養(yǎng)殖圍網(wǎng)，水庫北部近岸區(qū)有大量蘆葦。測量作業(yè)時段為10月份，是水庫捕魚期，對整個作業(yè)過程有一定影響。

測量作業(yè)任務(wù)是完成水庫水域內(nèi)水下地形的測量，并將測量結(jié)果按照比例尺規(guī)格為1∶2000標(biāo)準(zhǔn)輸出。為保證達(dá)到測量精度，無人船航線以40 m作為間隔，在測量航線上間隔10 m設(shè)置數(shù)據(jù)采樣點。因為本次測量選用無人船測量設(shè)備具有自動采集功能，其自動設(shè)置的采樣間隔會比人工設(shè)定的間隔稍小，因此，在最終獲得數(shù)據(jù)的處理上需要適當(dāng)進行抽稀。實際測量中，對于水下地形有比較大的起伏或地形復(fù)雜的情況，測量中會根據(jù)具體情況適當(dāng)降低航線間隔和測量采樣點間距，以保證地形測量的充分精確。

2.2 無人測量船的硬件組成及其技術(shù)內(nèi)容

本次測量任務(wù)所選用的無人測量船主要包括兩個組成部分：一是探測船。探測船主要的構(gòu)成部分又分為船體、推進器、船載主控系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、基礎(chǔ)電源以及無線傳輸系統(tǒng)等，其中，船體、推進器和船載主控系統(tǒng)主要完成無人船的航行及航行控制功能，而測量系統(tǒng)、基礎(chǔ)電源及無線傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)測量、通信及相關(guān)輔助功能。二是岸基礎(chǔ)控制系統(tǒng)。岸基礎(chǔ)控制系統(tǒng)主要構(gòu)成部分包括三個：筆記本電腦、基礎(chǔ)性通訊單元、基站，用于對測量數(shù)據(jù)的收集整理，同時對進行測量船遙控操作。

通信技術(shù)對于整個測量作業(yè)實施有著至關(guān)重要的影響，在通信技術(shù)選擇方面必須確保探測船與岸基礎(chǔ)控制系統(tǒng)的通信鏈接高效穩(wěn)定，才能充分保障對測量過程的完全控制，同時，大量測量數(shù)據(jù)實時傳輸，控制軟件通過無線通信設(shè)備實現(xiàn)高質(zhì)量互動，岸基礎(chǔ)控制系統(tǒng)將來自測量船的運行參數(shù)和水下地形測量數(shù)據(jù)完整接收，為數(shù)據(jù)處理可信度奠定技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)具有高度兼容特點，與RTK這種常規(guī)化工程測量技術(shù)相比，可以支持電臺模式和網(wǎng)絡(luò)模式，能夠充分表現(xiàn)出管控完整性優(yōu)勢，同時在運行系統(tǒng)化方面，其優(yōu)勢也非常顯著。

2.3 無人船水下測量技術(shù)路線的選擇

本次水庫水下地形測量選用的無人測量船具有比較先進的智能避障功能，但在實際操作中發(fā)現(xiàn)這些避障功能還不具備完全自動化和智能化的運轉(zhuǎn)水平，遇有特殊情況難以自主處理，還需要通過人工干預(yù)方式完成相應(yīng)的測量工作。尤其是與障礙物非常接近，或者對近岸水下地形進行測量作業(yè)時，當(dāng)無人船安全系統(tǒng)檢測到警戒距離范圍內(nèi)有障礙物時會自動停機，以防與障礙物發(fā)生碰撞。此時，需要切換到人工遙控作業(yè)模式，將船內(nèi)裝設(shè)的避障系統(tǒng)屏蔽，才能繼續(xù)完成測量任務(wù)。因此，船體避障設(shè)備可以當(dāng)作是一種輔助性作業(yè)方式，在對水庫進行水下地形測量的航線設(shè)計時，要充分考慮到這一問題，航線需要繞開障礙物較多的水面區(qū)域。在對無人船測量航線進行設(shè)計前，需要首先對測區(qū)進行人工踏勘，對水面的障礙區(qū)以及圍網(wǎng)區(qū)等區(qū)域進行標(biāo)注，確保航線的可行性和合理性。

內(nèi)業(yè)的任務(wù)首先是通過收集的地形圖資料與衛(wèi)星影像進行套合，衛(wèi)星影像要確保是最新整理的資料。就目前的無人船測量技術(shù)而言，一些測量無人船的軟件可以直接下載目標(biāo)地域的影像資料，非常方便地在影像地圖上直接完成航線的設(shè)定。對于沒有待測區(qū)域地形圖的情況，可充分利用外業(yè)中采集到的現(xiàn)場特征點坐標(biāo)，再在內(nèi)業(yè)中利用CASS軟件對坐標(biāo)進行調(diào)整和校正，再利用經(jīng)過校正的衛(wèi)星影像來確定測量要避開的障礙區(qū)，對無人船的航線進行設(shè)計。設(shè)計完成的航線要通過軟件進行轉(zhuǎn)化并導(dǎo)入到岸基操控軟件中，文件以dxf格式進行存放。測量前就能夠依據(jù)套合影像對航線中的那些障礙區(qū)進行識別，包括淺灘、圍網(wǎng)、孤島和其他一些人工設(shè)施等。

在實際測量作業(yè)時，無人船會在超出操作者視線范圍時發(fā)生各種問題，諸如靠岸貼邊、擱淺、掛住圍網(wǎng)等情況幾乎不可避免，通過手動方式對測量無人船進行遙控以有效回復(fù)正常作業(yè)狀態(tài)是非常麻煩的事情。為盡量避免這些問題的頻繁發(fā)生，在外業(yè)操作前盡可能做好充分準(zhǔn)備，對潛在風(fēng)險區(qū)可直接采用人工遙控方式完成作業(yè)任務(wù)，防止擱淺等問題發(fā)生。

2.3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，必須確保無線通信質(zhì)量，使得岸基基站數(shù)據(jù)、無人船GNSS坐標(biāo)數(shù)據(jù)、無人船測深數(shù)據(jù)等重要數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)采集過程中可以高效準(zhǔn)確傳送。首先，船載GNSS會接收到岸基基站發(fā)送的GNSS數(shù)據(jù)，并實時完成測量船坐標(biāo)的精確定位，同時，船載電腦也會對所獲得的各種重要數(shù)據(jù)信息進行采集，包括船體的坐標(biāo)數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)以及無人船運轉(zhuǎn)參數(shù)等，這些數(shù)據(jù)信息都要實時進行傳送，岸基基站的筆記本電腦接收相關(guān)信息，根據(jù)測量作業(yè)需要發(fā)送各種指令。其次，要確保整個系統(tǒng)各節(jié)點不發(fā)生任何問題，如果任意一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都將對采集數(shù)據(jù)的精確性和可用性造成負(fù)面影響。為此，在外業(yè)作業(yè)過程中會選擇使用遠(yuǎn)距數(shù)據(jù)傳輸天線，使得傳輸質(zhì)量得到根本保障。在自動巡航測量作業(yè)時，要考慮到設(shè)置合理的轉(zhuǎn)彎半徑，在障礙物和潛在障礙區(qū)域預(yù)先做好航線的設(shè)置，使得轉(zhuǎn)彎半徑可以滿足正常測量要求。必要時還需手動遙控完成對特定區(qū)域的測量，保證采集數(shù)據(jù)完整可用。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

在對測量數(shù)據(jù)進行處理時，需要考慮測量精度的問題，因此在測量的距離間隔和時間間隔上，要有非常嚴(yán)格的控制。無人測量船測量獲取的數(shù)據(jù)無法直接用作最終的效果圖中，必須通過粗差剔除、數(shù)據(jù)抽稀等一些數(shù)據(jù)處理操作，才能有效使用。本次測量的數(shù)據(jù)處理，針對水下地形數(shù)據(jù)通過無驗潮模式進行處理，水面高程數(shù)據(jù)以及水深數(shù)據(jù)經(jīng)過進一步處理形成水下地形的正高數(shù)據(jù)。處理后，獲得水下地形等高線，這些等高線能夠非常直觀地描述出水庫水下地形。

2.4 測量精度檢核

對測量精度進行檢核，這是核對測量數(shù)據(jù)精確性的必要工作流程，也是確定測量準(zhǔn)確性和可用度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在本次測量中，對測量數(shù)據(jù)的檢核通過兩種方式完成：一是無人船檢校航線自檢測校驗，就是通過對無人船布設(shè)校驗航線將已經(jīng)測量過的水下地形數(shù)據(jù)再次檢測，并與先前數(shù)據(jù)進行對照，完成自檢校；二是自動記錄測深儀檢測進行校驗，選擇機船搭載自動記錄測深儀對所測量數(shù)據(jù)進行檢校，該校驗方式可以保證校驗精度。

3 無人船水利工程水下地形測量應(yīng)用分析

基于實際測量案例的具體操作，可以對無人船水利工程水下地形測量的具體應(yīng)用狀況進行分析，從中得出測量作業(yè)的技術(shù)要點，對于其他測量作業(yè)有一定參考借鑒價值。

3.1 確保操作人員的有效參與

無人船對水下地形進行測量，這已經(jīng)是非常成熟并廣泛采用的技術(shù)方式，在作業(yè)過程中，有一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作流程需要得到嚴(yán)格落實。從前述水庫測量案例已經(jīng)看出，整個測量過程中所涉及到的數(shù)據(jù)采集、處理和校驗環(huán)節(jié)，都需要人與設(shè)備的有效配合，才能最終保證測量結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。測量工作要將操作人員與水利工程測量作業(yè)的具體要求相結(jié)合，基于水域條件對水下地形進行測量數(shù)據(jù)信息的深度處理和融合考慮到測量中對無人船航線造成干擾的影響因素較多且存在較大不確定性，完全依賴自動航線測量難以保證其有效實施，需要人工采用遙控干預(yù)方式完成地形測定工作。整個測量過程中，基站操作要與無人船外業(yè)操作保持充分?jǐn)?shù)據(jù)共享，包括無線通信和操作指令能夠?qū)崟r完成。

3.2 確保數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確可靠

為確保測量精度和準(zhǔn)確性，包括岸基系統(tǒng)和測量船的定位系統(tǒng)，都應(yīng)該能夠提供精確的位置信息，這些信息內(nèi)容是整個測量的定位標(biāo)準(zhǔn)，如果這些數(shù)據(jù)不夠精確，那么整個測量的數(shù)據(jù)都將失真。為此，作業(yè)人員對于岸基系統(tǒng)基站位置的定位，必須在確保定位系統(tǒng)工作狀態(tài)良好的情況下嚴(yán)格根據(jù)操作流程來確定，這對于無人測量船完成測量工作流程達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)是必不可少的助力。在無線通信保障方面，也需要加強質(zhì)量控制，通過提升設(shè)備的性能使得測量船與岸基控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交流保持完整性和實時性。為此，可以考慮在適合環(huán)境中使用遠(yuǎn)距數(shù)據(jù)傳輸天線，通過設(shè)備功能強化以加強整個測量過程中無線通信的保障能力。

4 優(yōu)化無人測量船應(yīng)用效果的建議

無人測量船對水利工程的水下地形進行測量，這是目前業(yè)內(nèi)高度認(rèn)可的技術(shù)模式，隨著相關(guān)技術(shù)的進一步完善，測量精度、準(zhǔn)確性等方面都有顯著提升。而就目前發(fā)展水平來看，要優(yōu)化無人船測量效果，提升測量效率和準(zhǔn)確度很有必要。具體來說，無人船測量的應(yīng)用優(yōu)化措施可以從三個方面進行：

4.1 優(yōu)化無人測量船的技術(shù)體系和運行效率

優(yōu)化無人測量船的技術(shù)體系和運行效率，實現(xiàn)其全面升級，重點在于對避障功能進行完善，提高無人船在復(fù)雜障礙環(huán)境中的運行質(zhì)量。在實際操作中，更多采用人工遙控方式進行操作來規(guī)避障礙物，但受視野盲區(qū)的限制，很難對障礙物的距離作出準(zhǔn)確判斷，這也是測量作業(yè)的安全隱患。通過優(yōu)化技術(shù)和操作保障無人船避障運行能力，這是提升測量質(zhì)量的一個重要方向。

4.2 重視岸基系統(tǒng)的信息模塊質(zhì)量

無線通信對于整個測量作業(yè)而言是最重要的保障技術(shù)手段，通信質(zhì)量與岸基系統(tǒng)和無人測量船通信單元密不可分，確保信息模塊達(dá)到測量實時通信所需的完整性和有效性。一是要提升設(shè)備的整體技術(shù)性能，選用更高質(zhì)量的通信模塊設(shè)備完成相應(yīng)的功能；二是要加強操作管理，在通信過程中做好各種情況的預(yù)判和預(yù)案，出現(xiàn)問題能夠即時有效予以解決。

5 結(jié)束語

綜上所述，采用無人船對水利建設(shè)工程水下地形進行測量，可以達(dá)到較高的自動化和智能化水平，同時在測量精度和準(zhǔn)確性方面也有比較顯著的優(yōu)勢。在實際測量中，要根據(jù)具體情況進行具體分析，水面障礙物以及水深對測量的影響，都應(yīng)該作出準(zhǔn)確預(yù)判，并在航線設(shè)置過程中給予體現(xiàn)。在航線間隔和數(shù)據(jù)采集點距離設(shè)置上，要確保滿足測量的精度要求。數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)校驗也是測量的重點環(huán)節(jié)，應(yīng)該在實際測量中按照要求加以嚴(yán)格控制。