无人测量船系统在水下地形测量中的应用

无人测量船系统在水下地形测量中的应用

李欢

宜兴市荆邑测绘有限公司，江苏无锡 214200

摘要:无人测量船系统搭载多种水文和测绘传感器,适合在近海、海湾、河道、水库、码头等多种水域联合作业,完美的解决了危险水域和浅滩水下地形测量的难题。 本文结合某河道工程水下地形测量的应用实例,介绍了无人测量船系统的工作原理及实施全过程, 同时验证了该系统在测量精度上完全满足《工程测量规范》(GB50026-2007)的要求, 此外,该系统省去了传统方式的验潮流程,节约了人力物力并大大提高了水下地测量的工作效率。

关键词:水下地形测量; 无人船; 测深仪; 验潮

1引言

水下地形测量是一种特定的工程测量工作,其内容主要包括平面定位和深度测量两部分,可为水库的清淤、河道疏浚、水上安全搜救以及抗洪抢险等工程提供基础测绘数据。 单波束测深仪与GPS 网络RTK进行组合是当前主流的水下地形测量技术, 其采用的观测平台通常为橡皮艇和载人船只,载人船只在大范围水域测量任务中发挥出高效的优势, 但遇到浅水、浅滩区域由于难以靠近岸边会存在作业空白区,尤其是在湍急的水域, 常常会影响到作业人员的安危。 无人测量船系统是新一代智能化综合作业平台,可搭载多种水文和测绘传感设备, 相对于传统载人船只,具有投放迅速、运输方便、机动灵活等优势,自动避障的功能还可确保船只和人员的安全, 适合于近海、海湾、河道、水库、码头等多种水域联合作业,不仅提高了水下地形测量的工作效率, 还较好的解决了浅滩和危险水域的作业难题。

2无人测量船技术简述

2.1作业原理

无人测量船系统主要由岸基控制单元和测量船两部分组成,包括船体、船载主控、推进、供电系统、测绘设备、岸基控制以及无线传输系统等。 该系统以无人遥控船为基础,船身搭载了超声波避障系统、陀螺仪、单波束测深仪、高精度GPS-RTK接收机、高清CCD摄像机等多种高精度传感器。 操作过程中,岸基控制单元通过无线电与测量船进行通信,岸基控制系统接收实时的水深数据和船体的航向、坐标、横摇、纵摇等运行参数,并控制测量船沿着设计航向自动或手动进行作业。 该系统还具有一键返航功能,采集的数据通过专业软件进行处理后最终得到水下地形图件。该系统的水深测量原理为:已知声波在水下的传播速度为v,换能器发射和接收声波的往返时间为t,即可计算出换能器至水底的深度为:

h=1/2vt (1)

已知换能器顶部到GPS天线顶端的高差为固定值a,无人船吃水深为固定值为b,可忽略不计动吃水和静吃水的差值,如果GPS-RTK接收机天线测得的高程为H,进而可以计算出水下地形点的高程为:

H_水底=H-a-b-h (2)

从(2)式看出,H水面值由GPS-RTK实时测出,H_水底只和a、b、h值相关, 与当时的潮位无关,较好的消除了水位落差、波浪、潮汐等因素,省去了传统方式的验潮流程, 节约了人力物力并大大提高了水下地形测量的工作效率。

3应用实例

3.1项目简介

受我市河道管理处委托,我公司需要对某河道的一段水域进行水下地形测量,长度约为4.3千米。本项目的目的是通过该河道的横断面测绘,掌握该河段的水下地形地貌特征,获取到该河段的水下高程模型,为下一步的规划和设计工作提供基础数据。 考虑到使用常规测绘方法比较困难,本项目采用无人测量船系统进行作业,坐标系统采用2000国家大地系,1985国家高程基准,利用南方Cass9.1和无人船随机处理软件进行数据后处理。

3.2数据采集

本项目采用华测华微3号无人测量船系统进行作业,该无人船采用三体船型,航行非常平稳,能抗3级浪5级风。该无人测量船系统具有两种导航模式,在自动导航模式下,用户可根据设计好的路线自主走线和换线测量,对于测绘水下地形地貌尤为重要; 手动模式下,用户可以遥控船进行航行,对于测量浅滩区域和纵断面非常实用,本次作业的具体方法和步骤如下:

(1)作业应选择6级风以下的天气进行,采用断面法进行施测,测量前校对好时间,设置好投影参数和坐标系统,并将测船引导进入起始位置并连接基站PC端,通讯状态正常后再连接上JSCORS系统; 将布置好的航线数据导入到系统随机软件中,设置好船体吃水深度和GPS天线高,当测量状态为固定解时即可进行下一步的作业。

(2)根据之前布设好的航线参数(主测线按照垂直等深线方向布设, 间隔为5m,测线等深距为1m,测点间隔为10m)进行数据采集, 根据岸基测深软件的提示,在深水区域采用自动导航模式采集水下地形数据; 在浅水区作业应切换成手动遥控模式,此种情况下,应避免船底触礁而受损,因为浅水区的水下地形地貌变化无常,同时应注意控制好船的速度不要太快。

3.3数据处理与成果编绘

(1)采集的水下地形测量数据通过取样,剔除掉位置和时间异常及有粗差的点位,可视情况进行修正,所有测点经过检查、校正无误后,使用专业测量软件进行水位改正和计算,最后生成符合绘图软件格式的坐标数据文件。

(2)将处理后的数据导入到南方Cass9.1制图软件中,自动生成等深线、断面图等图件,等深线间距设定为0.5米,并注记水下地形信息,从而完成水下地形图的绘制。 水下地形图按标准进行分幅,最后由质检人员逐项检查后编绘出图。

3.4精度检查

在本项目中,为了检验测量精度,作业的同时布置了多条检查线,检查线的长度大于主测线的5%并垂直于主测线进行布置, 作业时采用和主测线相同的方法和精度进行测量,将检查线与主测深线的交叉点实测数据与图解数据进行比较, 对于无法比较的一些离散点,则采用等高线图解的方法进行比较,本项目共取样了100个点进行计算，较差最大差值只有29cm, 符合《工程测量规范》(GB50026-2007)的规定。在作业起始的位置安放自动潮位仪,对同一个特征点位利用人工验潮的方式测量水深, 将测量的数据与无人船采集的数据进行比较,差值只有5cm,说明无人船系统进行水下地形测量时无需进行验潮, 较好的消除了水位落差、波浪、潮汐等因素的影响,提高了水下地形测量的精度。

4结束语

(1)实践证明,无人测量船系统具有无需验潮、机动灵活、体积小巧、高度自动化的特点, 并且在精度上完全满足《工程测量规范》(GB50026-2007)关于水域测量的相关要求, 其不仅提高了水下地形测量的工作效率,完美的解决了危险水域和浅滩水下地形测量的难题, 保障了作业人员的安全。

(2)应用中我们发现,无人测量船系统的推进器抗鱼线和渔网的缠绕能力比较差,需要对硬件进行改造和升级,以提高作业中的抗缠绕能力。 此外,可考虑在遥控器上增加视频传输模块,这样可将船体上的实时摄像视频传输到遥控器,结合超声波自动避障功能,操控手可更加准确地判断前方的障碍。

参考文献：

[1]梁开龙. 水下地形测量[M]. 北京：测绘出版社,1995.

[2]原大为，宿良君，周开元等.水下地形测量的发展趋势概述[J].黑龙江水利科技，2005,33(1):10-12.

[3]姜仁辉，佰春明.GPS结合测深仪在水下地形测量中的应用[J].甘肃水利水电技，2011,47(12):44-47.