无人船在水下地形测量中的应用与探讨

高艳

(蚌埠市勘测设计研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

水下地形测量就是在水下应用一定的测量仪器对地形进行的测量，一般通过确定三维坐标来实现测量。它一般包括海洋地形测量、河流水下地形测量和各种湖泊的水下地形测量。目前，水下地形测量方法主要有两种，分别是水位减水深的传统测量方法和GNSS-RTK减去水深测量方法。水下地形测量最常用的系统就是单波束测深系统，它由单波束测深仪(加换能器)、定位系统、采集软件三部分组成。目前，无人船在水下地形测量中的应用，极大提高了工作效率和质量。

2 无人船测量系统和工作原理

无人船是一种可以远程操控，也可以借助精确GNSS卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人，英文缩写为USV。

2.1 无人船测量系统基本原理

无人船系统分为船体系统和作业系统，船体系统包含避障、视频系统、导航系统、动力系统、通信系统、船体构造，作业系统包含测深系统、GNSS定位系统。

无人船测量系统是整个无人船系统的核心，承担着水深测量和导航定位任务，整个测量系统主要由数字测深仪、姿态传感器、GNSS接收机、全角度摄像头及距离传感器等多种高精密传感设备。其基本测量原理如图1所示。

整个系统的导航定位采用GNSS-RTK动态差分定位原理(如图1所示)，在岸基架设GNSS基准站接收GNSS卫星信号并将差分数据发送给无人船上安置的GNSS接收机，实现实时定位和导航功能。

图1 无人船测量系统基本原理示意图

水深测量由安置在船上的数字测深仪完成，其基本原理是利用换能器将电能转换成声能并向水底发射。声能以回波的形式从水底返回，再通过换能器检测回波电能信号，从而计算出传播时间，根据声速和时间计算出水深，在屏幕显示出来，并且显示回波图形。

2.2 无人船的特点

无人船用来进行水下地形测量作为水下地形测绘的一种方式，在很大程度上替代了传统的作业方式。自无人船问世以来，经过10多年技术的积累和发展，技术趋近成熟，船的航行已表现非常稳定，现无人船的发展逐步往智能方向靠拢。无人测量船以其轻便、小巧和高效等特点，深受测绘单位的喜爱。

无人船测量的最大优势是更加安全可靠，事故减少、高效及运行成本低。远程遥控和自动驾驶杜绝了人员伤亡事故，无人船特殊设计甚至可抵御海盗袭击。

无人测量船具有船体小巧，携带方便，灵活性强和隐蔽性高，耐波性好，阻力小、速度快，航行稳等优点，可搭载先进的导航控制系统、可靠通信系统、高精度传感器系统和武器系统等不同功能模块，采用可拆卸模块化涵道式推进器设计，在防渔网、水草等杂物缠绕的优异性能之上，增添了维护方便，灵活更换的使用特性。螺旋桨采用直流无刷电机驱动，速度快，可靠性高。可搭载深测仪、ADCP、侧扫声呐等多种传感器，广泛使用于内河航道、水库、湖泊等区域的水下地形地貌以及水文测量。

3 无人船测深仪的作用

无人船测深仪结合GNSS、潮位和声速信息提供相应位置的水深或水底高程。

无人船可适用于部分水域无船可用、岸边、浅滩等大船测不到的区域、影响人员安全性的地方、需要经常换地测量等环境。

无人测量船搭载的GNSS全球定位系统，不仅能为水下地形测量提供高精度的定位坐标，还可以为无人船提供自主导航的位置信息，让无人船真正脱离人的操作，根据规划的线路到达指定位置完成相应任务。现在无人船除了在水下地形测绘行业成熟应用，搭载侧扫声呐在水下考古、沉船打捞，搭载ADCP在河流流场测量，搭载水质仪在水文、河长制中都得到广泛应用。

4 水下地形测绘简介

和传统地形测绘不同的是，水下地形测绘多一个水深的获取步骤，水下地形测量包括测点的平面位置和水深测量。平面位置主要采用GNSS定位技术确定(可达到厘米级的实时定位)，水深主要通过各种类型的单波束回声测深仪得到(一般高精度测深仪也可以达到厘米级的测量精度)，由水面高程(水位)减去水深可得测点的水底高程。通过无数个测点的平面位置和水深位置的获取，水下地形即可被测量展现出来。水下地形测绘示意图如图2所示：

4.1 RTK简单原理

高精度的定位测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息

图2 水下地形测绘示意图

一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GNSS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。北斗卫星的投入使用，使得GNSS接收机搜索到更多的共同解算卫星(至少4颗)，甚至可以采用北斗单解算，更多的卫星可以使GNSS接收机工作更稳定。

4.2 单波束测深仪工作原理

20世纪20年代第一次出现了回声探测仪，利用单波束回声测深仪对水下地形进行测量的技术称之为常规测深技术。回声测深仪的出现是人类探测水下世界的重大突破。其原理是通过换能器向水下发射声波，声波在水中传播，遇到水底后发生反射、透射和散射反射回来的回波，经换能器接收。根据声波在水中的传播速度(C)及往返的时间(T)计算水深。这个水深值只是换能器到水底的距离，通常用H3来表示。而在实际测量过程中，换能器是在水下一定深度，我们称这个深度为吃水深度改正值(吃水水深)，用H2表示。实际的水深值用H表示，那么实际水深H为：

H=H3+H2

H3=C*T/2

如图2所示RTK达到固定解以后可以设置输出包含位置信息的GPGGA数据，测深仪通过串口接收到含WGS84经纬度的位置信息再由坐标系参数转化成当地平面坐标下(x，y，h)的三维坐标，此时仪器获得的三维坐标是接收机相位中心的位置，通过设置天线至水面高(H1)和超声回声式测深仪测得水深值可以计算出RTK正下方水底的三维坐标(X，Y，Z)：

Z=h-H1-H

5 无人船水下地形测量实例

5.1 项目概况

项目位于长淮卫镇北侧淮河上，南岸接淮上村，北岸衔信弯村。蚌埠长淮卫淮河大桥全长 2.6 km，大桥宽 42.5 m，为双向8车道。大桥采用的是钢桁架结构。蚌埠市长淮卫淮河大桥是安徽省第一座钢桁架拱桥，于2016年底建成通车。蚌埠长淮卫淮河大桥是S101和蚌埠中环线工程的重要控制性节点工程，建成后与G206、S306等相连，将极大地缓解蚌埠市东部交通的通行压力。

5.2 外业数据采集

为提高水下测量的精度和效率，蚌埠市勘测设计研究院引用的无人船是中海达公司IBOAT BS2多功能智能无人船测量系统。该系统搭载卫星定位系统、波束测深仪、发射电台、智能导航系统等软硬件设备，能够实现自动设定航线，自动采集数据，自动导航及进行远程操作等功能，具有智能化高、携带方便等优点。蚌埠市勘测设计研究院积极组织开展无人船测量技术培训，在蚌埠市长淮卫淮河大桥项目测量中，由于自动按航线导航作业时有一定的转弯半径，提前在障碍物周围做好规避航线，实际外围自动导航作业后还要手动遥控贴近障碍区域采集水深数据，尽可能采集完整。此次测量水面长约 1 370 m，宽 1 000 m，水域面积约 1.37 km2，水面来往船只比较多，水流比较急，水下地形因采砂变得比较复杂，南北两部较深，中部较浅，本次作业要求是按 1∶1 000测量水下地形，航线间隔 50 m，航向数据采样点间距 20 m，地形起伏较大处适当加密。水下经过约4个小时左右的作业，采集了所有的水深数据。

5.3 数据处理

在所有测量工作完成后，进行数据改正，数据后处理。无人测量船同样是按一定的距离或时间间隔采集数据，对获得的数据还不能直接使用，需要进行粗差剔除和数据抽稀，对处理的水底正高数据这里采用的是无验潮模式，对实时获得的水面高程和水深数据进行处理得到水底正高数据，根据水底高程，得出DEM，然后得出等高线和TIN成果，成果较直观地反映了水下地形状况。本次成功地利用了无人船技术获取了待测水下区域的数据，并通过数据处理生成了水下地形图。

5.4 精度检核

本次作业区域在淮河某支流区段，测量环境晴朗无风，水面相对平静，适合无人船作业。在作业中通过遥控和自动操控中海达BM1无人船，按照设计的10条航线，共采集了327组数据，从中提取了40个特征点，通过人工测量的方式(渔船携带中海达HDmax测深仪)进行验证数据的准确性，无人船所测的水深数据为H1，人工测量的水深数据为H2，检查结果如表1所示。

精度检核 表1

6 结 语

经以上实例验证，利用无人船水下测量技术获取水下地形数据精度能够满足大比例尺地形图水下地形测量的精度要求，且在复杂水域条件下，能够大大降低测绘人员的劳动强度，成倍提高了外业测量效率，避免了外业人员水上作业的危险。随着无人船测量技术的不断成熟，将会得到更广泛应用。