无人船测深系统在水下地形测量中的应用

贾治平

（山西省测绘地理信息院，山西 太原 030001）

0.引言

智能无人船是一套以无人船为载体，搭载GNSS、IMU、测深系统等设备，通过操控软件进行航线规划来实施水下测量的智能系统[1]。目前，自然资源部门为加强生态文明建设、推动河长制管理工作，在多地开展了湖泊水库水下地形测量工作，为河道治导规划、河道管理范围定界等工作提供基础数据和空间定位服务。

水下地形测量所需采集的水下地形要素主要包括：反映水下地表特定位置的高程、等高线、连续反映水下地面或地表特定形态或地貌特征的水下地形特征线要素、航行障碍物要素及助航标志要素等，与周边陆地地形地貌要素经基准统一后可完整表达固体地球表面形态。

采用智能无人船进行水下测量，相比传统的水下测量方法，具有快捷高效、投入成本少、施测精度高、外业测量安全等优势。本文根据智能无人船的技术特点详细阐述其水下地形测量的技术流程，水下测量数据处理与流程化软件研制，最后以山西某水库为例，介绍其水下测量与数据处理流程。

1.智能无人船水下测量技术流程

水下测量作业流程主要包括准备工作、数据采集、数据处理、质量检查等几方面工作，根据智能无人船工作特点，其主要技术流程如下：

（1）准备工作：制定工作方案，收集测区资料、编写技术设计书、准备测量设备、人员培训等；

（2）测区踏勘，了解测区工作环境，对测区控制点点位情况进行踏勘；

（3）基站架设（或网络RTK）、设备联通、按规划测线进行测量；

（4）数据导出，将外业采集数据应用无人船自带数据处理软件进行数据噪点删除处理，导出数据后并进行数据汇总，检查所测区域数据是否完整；

（5）数据整理与处理，对所测数据进行合并整理、数据格式转换等操作。如要将水下测量的WGS84坐标系大地高转换为1985国家高程基准，需利用似大地水准面精化软件进行转换，则需对数据按照软件要求格式进行编辑整理等；

（6）DEM生产，应用GIS软件制作DEM成果；

（7）成果质量检查、资料整理与成果提交。

水下地形测量施测技术流程图（如图1所示）：

图1 水下测量工艺流程

1.1 资料收集

资料收集主要包括：水库或湖泊地形图、水库正常蓄水位、坝顶坝尾高程、丰水期水位、枯水期水位、库容量、高程系统信息、测区的自然、地理、人文信息，以及与测区测量相关的资料。

1.2 测区踏勘

为合理确定施测方案，需对测区实地情况有必要了解，因此，进行测区踏勘也是施测前的一个必要环节，一方面可以核实收集资料的准确性；另一方面可以收集缺失的资料数据。测区踏勘主要了解内容如下：

（1）调查测区的行政区划、人文地理、交通情况、水文气象，以及通信等情况[2]；

（2）实地勘察测区现有可利用的控制点情况；

（3）了解测区电磁场对无线电定位仪的干扰情况；

（4）了解测区无人船工作环境，合理确定施测方案。

1.3 测线布设

测线布设是水下测量前期的重要工作环节，测线布设过宽一方面不足以反映水下地形地貌变化；另一方面也会降低插值点精度，进而影响最后成果精度。测线布设过窄会降低工作效率[3]。因此，合理进行测线布设是保证最后测绘成果精度的一个重要因素，经综合分析，本文采用的布设方法如下：

（1）测区主纵线确定。根据踏勘采集到的水域范围线，以及收集到已有的影像、DEM等资料确定水流走向、河道走向、挖槽轴线等作为测区主纵线，若这些方向难以确定，也可选测区较长边作为测区主纵线；

（2）主测线布设。单波束测深主测线宜垂直于主纵线方向进行布设，测深线间距可按水下地形测量成果的用途、比例尺大小、DEM精度要求等设置其间距大小；

（3）如果测区范围较大，可进行多作业组测量，不同作业组邻接处应布设一条重合测深线（参照《水运工程测量规范》（JTS131-2012）8.2.6节）；

（4）检查线布设。检查线布设宜垂直于主测线，布设条数视实际工程具体情况而定，一般检查线布设间距不大于250m。

1.4 水下测量外业施测

利用单波束无人船测深系统进行水下地形测量，一般采用断面法进行测量，通过在地面架设GNSS基站或利用网络RTK测量模式，以及无人船测深系统实时获取测深点的平面位置、水面高程和水深数据。

马克思指出，“问题就是公开的、无畏的、左右一切个人的时代声音。问题就是时代的口号，是它表现自己精神状态的最实际的呼声”。习近平总书记也指出，“每个时代总有属于它自己的问题，只要科学地认识、准确地把握、正确地解决这些问题，就能够把我们的社会不断推向前进”。讲好习近平新时代中国特色社会主义思想的课程，要坚持理论联系实际的学风，坚持问题导向，注重解答党员干部思想上的疙瘩。要旗帜鲜明，围绕主业主课，提出好问题、真问题、新问题、深问题，通过分析问题传递正能量，信息观点与时俱进，切中党员干部急需回应的困惑，并启发学员们的深层思考。

水下测量外业施测，在进入测区，首先需进行库区水域的范围线测量，范围线测量主要服务于测线布设：范围线测量可采用传统的RTK测量、无人船+RTK测量、大船拖无人船+RTK的方法进行测量，实际作业中可根据库区实际情况灵活选择测量方式。

无人船开机航行时，需满足一定的要求：（1）无人船航线尽量按设计线路保持匀速、直线航行，在转弯处要缓慢转弯；（2）在测量过程中，若遇大风天气要立即停止作业；（3）实际测线与规划航线偏移不宜过大，一般不超过测线间距的1/4[4]。

开始测量前，需首先将各设备进行规范连接，检查所有的通讯接口是否正常；然后打开控制软件，将设备与控制软件进行通讯连接，设置定位参数、记录参数、数据存储位置、航线布设等，所有设置经校对无误后即可让无人船下水开始按规划航线测量[5]。

外业施测结束后，作业组需当场对测线数据的完整性进行检查，检查测量记录是否完整、数据质量是否可靠，并进行数据传输与备份，检查合格后方可收工进行内业数据处理。

1.5 水深测量数据处理流程

水深测量数据处理流程主要包括：

（1）将采集数据导入无人船配套软件进行数据处理，主要是进行无人船吃水改正和数据的滤波处理；

（2）主测线与检查线交叉点较差检查；

（3）将处理后数据按照“点号、经度、纬度、水底大地高”格式导出为文本文件；

（4）坐标系统转换。由于采集到的坐标数据，其高程为WGS84坐标系下的大地高，需要应用大地水准面精化模型将其转换为1985国家高程基准正常高，并将WGS84坐标系的大地坐标转换为CGCS2000坐标系下的平面坐标；

（5）应用GIS软件导入坐标转换后数据，进行展点操作、构建TIN、生成DEM。需要注意的是利用展点数据构建TIN时，即不规则三角网构建，首先需要在三维GIS软件中根据地形的起伏变化情况勾画出地形的坡脚线，避免在地形突变的沟、坎等处出现不合理的三角形，此外三角形尽量以锐角为宜，不宜出现钝角或小于20°的锐角。若局部区域内数据点数稀疏需要进行合理内插，目前一般的GIS软件或CAD中也可实现内插操作，在本文研制的数据处理软件中也可实现内插功能。

1.6 DEM接边处理

要实现水上水下地形一体化，首先需要进行水上水下DEM融合处理，将水下测量生成的DEM成果与水域周边的DEM成果进行无缝拼接。在拼接之前首先需统一DEM分辨率。在实际拼接的过程中，可能水上DEM与水下DEM接边处会存在“缝隙”，如果缝隙较小，可以用内插的方式进行处理，如果缝隙较大，则需要对空缺部分地形进行补测，补测方法可采用地面三维激光扫描仪或其他测量方法来完成。

1.7 成果质量检查

水下测量成果质量检查是衡量测量成果能否投入应用的一个重要环节，依据规范和技术设计书中规定的技术和质量要求，对成果的各质量元素所包括的检查项进行检查。检查内容主要包括数据质量和文档资料质量。

（1）数据质量，主要包括外业观测数据的质量和最后DEM成果质量，具体来讲，涉及数据的数学基础是否正确、选择的测量设备是否在有效期内、仪器标称精度是否满足工程项目要求、测线间距和测点间距是否满足相应规范要求、数据成果精度是否满足技术设计和规范要求[6]；

（2）文档资料质量，主要包括电子数据文档和纸质文档，主要检查其归档、文件命名、数据格式的正确与否；技术文档编写是否全面、规范；项目成果资料是否齐全；成果图件资料是否绘制合理规范等。

2.水下测量自动化数据处理实现

对于大型的水下测量工程项目，一般会由多个作业组同时作业，使用仪器设备也会略有差异，此外大区域的水域测量有时可能会采集上百万个测点数据，因此需要对外业测量成果数据进行汇总整理、格式转换、展点等操作，如果用人工方法，其工作量巨大，且易于出错，本文基于AutoCAD强大的绘图和二次开发功能，开发了水下测量自动化数据处理程序，大大减轻了人力、物力投入，有效提高了作业效率。图2为开发的水下测量流程化数据处理软件界面，其主要功能有：

图2 水下测量流程化数据处理软件

（1）库区影像加载，基于影像绘制水岸线；

（2）不同厂家测量数据成果格式编辑与整理；

（3）不同坐标类型数据的展点功能；

（4）数据内插功能；

（5）数据高程点异常值过滤、重复点数据查找；

（6）三维坐标数据展点、DTM建立和等高线绘制等；

（7）质量检查功能，主要包括检核点数据自动提取和高程精度评定等。

3.工程实例

3.1 库区水下测量概况

本文以山西省某水库水下地形测量实际项目为例，介绍单波束无人船水下测量与数据处理过程，该水库库区影像图（如图3所示）：

图3 水库库区影像图

该水库水下测量外业分两个组共同完成，从2020年7月28日开始测量，至2020年8月11日测量结束，完成测量面积6.72km2。测量水下点数186034个。采用设备为华微三号单波束无人船测量系统，施测时设备均在检验合格的有效期内。

应用无人船测量系统施测时，导航定位系统联测省级CORS站，测点间距设置为1m，测线间距设为20m；通过手动测量实测水库边界和水库内水草范围，自动航线区域共分16个区域（如图4所示），该水库实测航线图（如图5所示），生成的水下DEM成果图（如图6所示），从DEM成果图中可以看出该水库的水底地形情况，中间区域较平滑，说明该水库水底较平坦。

图4 水库自动航线分区图

图5 水库实测航线图

图6 水库水下DEM成果

3.2 成果质量检查

对该水库水下测量成果依据成果质量检查内容和质量元素进行检查，其中，测量精度检查是一项最受关注的检查内容。在对该水库水下测量的精度检查时，采用测深检查线与主测深线相交处重合点的高程较差进行比对检查，设置测深检查线与主测深线相交处重合点间距为1m，满足条件的检查点数为174个点，全部参与精度评定，计算高程中误差为±0.079m，未有超限点，各项精度指标均满足设计书及相应规范要求。

4.结束语

本文以实际水下测量工程项目为例，详细阐述了水下测量的过程，研制了水下测量自动化多功能的数据处理软件，为水下测量工作提供了极大便利。水下测量工作不同于传统的陆地测量，水下测量就像在一个黑匣子里摸索，往往给人一种不确定的感觉，其实在水下DEM与陆地DEM进行接边时，如果接边区域的地形符合比较好，在一定程度上可以确定水下测量成果的正确性。此外，作者认为在水上水下一体化DEM生产时，陆地部分可以采用新型的无人机载LiDAR技术进行测量，通过获取的点云数据与无人船水下测量的测点数据进行融合，然后统一生成DEM效果更好，待条件成熟将在这方面做进一步试验研究。