水下地形测量中无人船的应用与数据处理研究

张毅胜

（广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500）

水下地形的测量工作即对近海水底点、港湾、水库、湖泊、江河等高程与平面位置实施测量，用于绘制水下地形图的测绘工作。浅滩区的测量工作通常采用RTK作业，但由于水下地形的测量工作危险系数较大，且操作时间较长，因此对皮划艇及其水上相关设施难以合理加固，如何确保测量精确度成为摆在操作人员面前的一大难题。若是采取租船方法，每次测量前仅是准备工作一般都要耗费2～3h，同时若采用租船与养船措施也要投入大量成本，有些偏远区域目前找船困难，而采用无人船测量能够针对这些问题进行有效的处理，应用无人船搭载单波束测、多波束及多普勒ADCP测量仪及水质仪器等设备对水下地形的相关数据进行采集，能够有效解决传统测量效率不高的问题。在受地形环境等约束较大的情况下，能够满足传统测量方法无法实现的要求，通过在水下地形测量中进行无人船的运用并对相关数据处理分析，完善技术构建，以此获取符合精度要求的水下地形数据。

1 无人船的基本原理及一体化监测系统

1.1 无人船测量系统的基本原理

无人船系统可分成作业和船体两个系统，作业系统中包括GNSS定位及探测两个系统；船体系统包括船体结构、通信、动力、导航、视频、避障共6个系统。

无人船测量体系作为无人船整体的核心系统，肩负着对水深与定位导航的测量任务，其具体是由GNSS接收器、姿态传感器、数字化测深仪、距离传感器、全角度监控设备等诸多传感设备组成。无人船的基本测量原理如图1所示。

图1 无人船的基本测量原理图

1.2 一体化的无人船调研体系

相较传统的人工测量方法，使用无人船搭载单波束测量技术，能够实现在浅水区和危险区作业，保障作业人员安全；采用无人船多波束进行测量，能够将校准设备的环节省略，同时还能将准备工作中90%的时间节约下来。一体化的无人船调研体系的潜在优势有背包测量、浅滩测量等，可采用导航技术实现主动计划。无人船搭载单波束的测量操作方法如图2所示，无人船搭载单波束的测量操作流程如图3所示。

图2 无人船搭载单波束的测量操作方法图

图3 无人船搭载单波束的测量操作流程图

2 水下地形测量项目的背景以及设备的投入

某大桥内部水下地形测量项目处于本地南侧与澳门临近的海域，需要对本地区的水下地形进行测量。该项目的面积约为7.2km2，提出了测线间距为20m，定位点间距为5m，5d交付成果的要求。

该项目技术难点主要如下：（1）项目为珠海和澳门的交界处，没有通过申报的载人船决不能进入，租船也很不便；（2）水深平均为2～3m，有一部分是0.5m，极易出现搁浅情况；（3）无人船如果处于特殊环境中必然会增加风险因素；（4）其流速较快、流向也具有较高的复杂性；（5）整个项目所需的施工周期较短。因此使用无人船对水下地形进行测量。

3 处理方法

该项目运用的是华测类无人船对水下地形进行测量的技术，根据前期制订的工作命令自动在水上导航，并确保工作任务完成的合理性。持续导航时间为6h，航速高达5m/s，船体具有密封抗腐蚀等优势，还能抵抗6级风浪。利用无线网桥将测量数据及时向地面上的测量基站发送，站点及时监控、储存及分析等工作。操作中需要注意：（1）对GNSS的架设点高程精确测量，保证测量水上高程的精确度；（2）在对完成架设的岸台进行测量前，将船上需要的各类监测设备安装好，并做好相关的调试工作，正确设置各类参数（尤其是声速参数），让相关仪器处在良好的工作状态中；（3）将所需的仪器架设于起点位置，并调好基站，同时还要对其接收卫星的颗数、卫星情况、信号质量等进行检查，保证GNSS处于最佳的工作状态，进而保障其精确度。

3.1 船体下水

测量环境离海很近，需要安装浮体才能保障安全，以此为重量较强的船体与大于等于18cm吃水的下水环境提供诸多有利条件。船体中所有设备总体重量约为15kg，2人即可装置浮体，如果不需要安装浮体，1人即可。船体下水之后可以利用自主导航或者人工遥控的方法航行。

3.2 主动规划巡航路线

确定好测量区域，给其设置完航行的路线以及操作任务之后，其能够主动航行、自动执行任务与躲避障碍，弱化人工参与，解放人员高强度及繁重的水上工作任务。主动规划巡航路线的技术通常可以分成两种：一是基于规划电子型海图航线生成巡航路线的规划技术，二是基于航线的生成轨迹与巡航路线技术的规划。

3.3 回传数据和数据记载

无人船使用的是2.4G（间距约为1km）的网桥或者2W（5km距离）电台进行水深数据和定位数据的回传，按照操作要求择取适当的传输数据方法。

3.4 数据的处理方法

在处理数据的过程中，需要启动Hydro Survey软件，然后依次点击“数据处理”“水深取样”，并对水深数据的相关文件进行选取，也就是dep文件。

将要实施处理的相关数据参数调整至相应的横纵坐标，正确选择验潮文件，查看数据的测量状况，平滑数据可转归到正常的断面上。当完成对这条线的处理后，需要合理设置采样间距，比如一条侧线上每间隔5m进行1个点的取样等，由此完成智能化的采样环节。

3.5 数据的形成

将数据储存在该工程的项目文件夹中，按顺序对本工程全部测线的水深数据实施取样，当全部测线数据完成采样后，转换水深数据为工程需要的成果数据，成果示意图如图4所示。

图4 成果示意图

3.6 精度统计

精度统计需按照《测绘成果质量检查与验收》（GB/T 23456—2009），根据等精度检查的误差公式计算：

式中：M为重合点水下高程难以符合值中的误差；V为重合点水下高程难以相符的值；n为主测线最线重合点数的检查。

主测线与检测线应选取相交位置上的水下高程点实施比较，从海域的上中下游选择均匀的52条检测线，共计3652个点精度统计，其中有1521个合格点，水下高程的精准度统计表如表1所示。根据我国水下高程检测标准来看，当水深小于20m，高程检测误差需要控制在≤20cm，那么数据结果表明，无人船对水下地形高程点的收集精准度非常高，误差均在20cm以下，技术方面也符合需求。

表1 水下高程精度的统计表

4 结束语

总而言之，水下地形测量中使用无人船，可在很短时间内完成测量任务，并提高水下地形的测量效果，此种测量方法能够避免或减少人工测量中潜在的安全问题，在水下地形测量过程中使用无人船测量技术具备较高的安全性、灵活机动，可以在常规测量平台有限的水域中实现应用。文章将工程的具体情况相结合，对技术路线的可操作性实施验证，结果表明整体效果明显优于传统的测绘方法，可以为无人船在水下地貌测量、航道测量、水下地质勘察等方面的应用提供理论依据与参考。