无人船测量系统在水库地形测量中的应用

梁昭阳

(福建船政交通职业学院，福建 福州 350007)

1 引 言

水下地形测量作为工程测量中的一项特殊测量，其主要任务是测量江河、湖泊、水库、港湾和近海等水域的水底点平面位置和高程，用以绘制水下地形图，为供相关设计规划等部门提供基础水下地形数据。水下测量由于被测物具有不可见性，受水面不稳定、水流流速、水中障碍物等客观因素的影响，使得精确定位并测得水下地形数据十分困难。水下测量发展过程中经历了六分仪后方交会法、经纬仪或平板仪前方交会法、全站式速测仪极坐标法、无线电定位法、水下声学定位和差分GPS定位法四个阶段，测深工具分别有测深杆、测深锤和回声测深仪等器具。随着测绘技术的进步和计算机技术的发展，水下测量也越来越集成化，其中GPS-RTK与测深仪的组合测量手段是现代水下地形测量的重要技术手段，它极大地降低了测量的劳动强度，提高了测量自动化程度和工作效率，但它需要依托母船进行测量，且需要有人在船上操作，大大降低了其灵活性。无人船水下测量系统为困难区域水下地形测量提供了新的解决方案，利用该平台搭载卫星定位、通讯、水下测量等多种设备[1]，可实现无人工干预的自动化数据采集和航行，有效提高作业效率，减少测量人员的涉水风险。

2 无人船测量系统

2.1 系统组成

无人船水下测量系统不仅能够解决传统水上测绘过程中人员涉水问题，还能够超越传统水上人工测量的作业范围，实现自动化无人驾驶水上测绘。因此，无人船水下测量系统除了具备正常的航行设备外(如图1所示)，还要同时具备自主导航功能、智能避障功能、实时通信功能、自动数据采集功能和平稳持久的航行能力等，通过对各系统功能整合，从而自动完成水上测绘各项任务。无人船是集高精度姿态定位、无线通信技术、数字测深和遥控技术与一体的水上移动测量设备，按照无人船的主要功能特点，可将整个系统分为船体、通信系统、控制系统、数据采集系统，其各部分的主要功能如下[2～4]：

图1 无人船测量系统示意图

(1)船体。作为水上航行的工具，主要承载着各类的测量和通信设备，是各系统的基架。通常为了能够适应各类水质和航行条件，船体材料采用含碳纤维、凯夫拉防弹布高强度玻璃钢材质，具有耐腐蚀、船体轻、耐碰撞特点。在船型设计上目前主流的设计为三体船和双体船，可达到较高的抗风浪等级，确保在3级～5级风浪条件下能够安全平稳航行。

(2)通信系统。是实现无人船和岸基控制单元相互通信的重要窗口，无人船通过实时射频点对点通讯方式，可以实时将无人船的工作状态、航行姿态及任务状态传输到岸基系统。另外，还可以实时传输测深、流速、定位数据，也可以实时传输视屏数据，让用户在岸上就可实时获取信息。通信方式上，除了用户选择电台通讯外，还可选择4G通讯方式，突破通讯距离的限制。

(3)控制系统。主要负责控制无人船的航行轨迹，由工控机(笔记本)或手持遥控器及通讯单元组成，根据各水上测绘不同区域的特点，可选择自动控制和遥控控制两种控制方式，测量相关人员可在两种控制方式中自由切换，以适应复杂的水面状况。同时岸基控制单元与测深船之间进行无线通信，将船上各类传感器数据、影像数据传回给控制软件，以供岸上操控人员实时掌握船体状态和测量数据，及时发现错误信息，调整航行轨迹和仪器设置。

(4)数据采集系统。是整个测量系统中的核心系统，主要是负责完成各类数据的采集和记录工作，具体采集工作由安装在无人船上的各类测量设备进行，如：数字测深仪、多普勒流速剖面仪(ADCP)、超声波避碰声呐、摄像系统等仪器设备。其中，测深数据和GPS定位数据是数据采集的重要内容，在数据采集软件上对测深数据进行查看、编辑、改正和存储，形成最终水深数据，为下一步地形图成图提供数据基础。

2.2 测量系统基本原理

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、GPS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2所示：

图2无人船测量系统原理示意图

整个系统的导航定位采用GPS-RTK动态差分定位原理(图2)，在岸基架设GPS基准站接收GPS卫星信号并将差分数据发送给无人船上安置的GPS接收机，实现实时定位和导航功能。水深测量由安置在船上的数字双频测深仪完成，其基本原理是利用超声波穿透介质并在不同介质表面会产生反射的现象，由换能器(探头)发射超声波，测出发射波和反射波之间的时间差来进行水深测量。假设装载在船上的GPS接收机的高程为HG，数字测深仪测得换能器到水底面的水深为H3，测量时实际获得GPS接收机至水面高度及水面至换能器底部高度分别为H1、H2，那么在无人船航行时任意时刻位置的对应水底点的高程H就可通过式(1)计算得到[5～7]：

H=HG-H1-H2-(H3+△H)

(1)

其中，HG是GPS-RTK测得的高程，通常需要转换到当地或国家高程基准中，△H是船体的姿态改正。

通常无人船在实际航行过程中受风和水流等因素的影响，会造成船体的左右和前后摇摆，即横摇和纵摇，改变测量船的姿态。这样会造成换能器采集的水深数据与GPS接收机的平面数据不匹配，产生离散现象，同时测深仪的水深数据也不准确，此项误差会随着水深的增加而增大，不可忽略。因此，需要利用船体上的姿态传感器，对采集的水深数据进行改正，保证测量船测得的水深数据正确可靠，姿态改正由系统软件自动完成。

3 水库水下地形测量应用

英塘水库位于海上丝绸之路起点城市福建泉州晋江市，已有50年左右历史，为天然蓄水池，早年为灌溉农田所用，是英塘村的生命之源，多年来为当地的经济发展做出了重要贡献。随着当地近年来经济的不断发展，按照晋江市英塘水库项目发展总体思路报告要求，将围在该地区重点打造CAPHOS城市建筑综合体，其中以英塘水库为主体建设配套水库景观节点，提升景水库的景观功能，丰富市民的文化生活。

整个水库面积较大，水域面积达到2万多平方米，且由于长期以来缺乏日常管理和维护，周边的水草较多，大型的船只无法靠近。如果采用常规人工测量的方式，需要载人船只，吃水较深，在较浅水域会出现搁浅的情况，且经过初步踏勘周边没有合适的船只入水和停靠点，这给此次勘测任务带来的极大的不便。因此，为了能够顺利完成前期勘测任务，获得水库的地形数据，决定采用新型无人船水下测量系统，它具有吃水浅，重量轻、运输方便、自动化无人驾驶等优点，尤其适合于野外大型天然水库的水下地形勘测任务。

3.1 无人船测深

综合考察测区周边地形后，选择合适的下水点和设备的运输路线，确保项目顺利开展。本次勘测采用的无人船设备为中海达iBoat BM1，GPS定位选用V60基站、H32移动站，配合无人船完成平面和水深数据的采集工作。测量前需要进行航线的布设工作，将事先准备的好的库区影像图导入测深仪软件中，按照均匀分布的原则，根据需要在测区范围均匀布设了12条航线。测量当天天气较好，水面风浪小，能见度高，在岸上开阔处架设GPS基准站系统，将无人船上的移动站和通信设备启动连接，由专业人员测试设备之间的设置和连接是否完整。岸基端与无人船通信联通后，即可在岸基端利用笔记本电脑操控无人船的航行和数据采集，如图3所示。

图3 无人船外业工作实照

测量过程中，基本采用自动航行测量的方式进行，整个过程无须人工干预。由于测区不规则，部分区域岸边水草较多，航线布设时并没有完成覆盖整个测区，因此需要采用手动控制测量方式对航行未覆盖和个别死角进行手动控制测量。大约用了1.5小时完成野外数据采集任务，总共获得了库区水底特征点 3 500多个。

3.2 数据处理

完成外业勘测后需要对采集到的水深数据做进一步处理，即数据后处理。因为，外业测量时无人船航行过程中经过鱼群和水草等障碍物时，会造成测深仪回波数据不准确，要对部分失真的数据进行修正。按照规范要求测深数据要以测深模拟信号为依据，如果仅仅得到水深数据是不满足规范要求的，需要通过将测深模拟信号和水深数字数据进行叠加，判断水深数据的准确性。通过信号和数据的叠加对部分失真数据进行修正后，然后对水深数据进行取样抽稀，因为外业测得的水深数据采样间隔较短，数据的密度较大，冗余率大，后期二次利用和加工处理并不需要这些多余的数据。通常情况下，单波束测深的水深取样按照距离取样原则进行，设置好取样间隔(5 m)后，软件会根据设置距离进行自动取样，如图4所示。

图4 水下地形数据

通过对无人船外业测深数据的处理，对库区水深按照不同颜色进行填充渲染，最后获得了库区最终的水下地形数据(图4)，从数据结果上看，库区大部分区域的水深在2 m～4 m之间，结合渲染图分析可知，该库区西南侧水域较浅在2 m左右，东北侧较深，深度达到了4 m以上，整个库区水深呈现出由西南向东北逐渐加深的特点，反映了水库整体地形走势情况。

4 结 语

本次利用无人船测量系统对水库水底高程进行测量，数据结果很好地反映了库区水下地形情况，顺利完成了该库区水下地形的勘测任务。通过本次实践表明，无人船测量系统能够适应复杂的野外水上测量环境，具有高度的自动化，能够高效完成水下地形勘测任务。该系统可避免测量人员的涉水危险，尤其适用于大面积水域、浅滩、水质污染等人工测量困难或无法到达的区域。但同时，无人船测量技术作为近年来水下地形测量发展的一项新技术，目前尚未进入大规模使用状态，尚处在行业推广阶段。在实际项目应用当中还存在一些问题，如：测量死角、信号遮挡等问题。如何能够完全实现自主航行和测量，充分发挥无人船测量系统的优势，将是未来无人船测量技术的发展方向。

[1] 贺丹丹. 基于GIS的自动遥控测量船控制系统研究[D]. 天津：天津大学电气与自动化工程学院，2012.

[2] 金久才，张杰，马毅等. 一种无人船水深测量系统及实验[J]. 海洋测绘，2013，33(2)：53～56.

[3] 马诗聪，刘吉桃. 一种基于自主航行的无人水面测量船的研制[J]. 江苏船舶，2016，33(2)：6～8.

[4] 黄国良，徐恒，熊波等. 内河无人航道测量船系统设计[J]. 水运工程，2016，511：162～167.

[5] 徐启恒，张新长，黄滢冰等. 单波束无人船一体化水下地形建模及辅助分析[J]. 地理信息世界，2016(23)：62～66.

[6] 余锐. GPS RTK与数字测深集成技术再航道疏浚中的应用[J]. 测绘地理信息，2014(39)：47～49.

[7] 周丰年，田淳. 利用GPS在无验潮模式下进行江河水下地形测量[J]. 测绘通报，2001(5)：28～30.