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

黎林

江苏龙腾空间信息技术有限公司  江苏南京  210000

摘要：传统的水下地形测量方法是将测量器与GNSS接收装置固定到船舶上，使船沿着一定的方向航行，但由于受到自然、人工等多种因素的干扰，使得测量工作开展成效不高。同时，在自动化、信息化不断发展推动下，目前，我国的水下测量一体化研究正处于高速发展阶段，其中GNSS-RTK与水深测量仪的结合是实现该技术革新的关键。此外，无人测量船系统中还包括了大量的精密仪器，可为有效测量复杂、高危险的水下地形奠定基础，并可获取精确的水下地形数据。

关键词：无人测量船系统；水下地形测量；应用分析

前言

无人测量船系统开展水下地形测量工作有着重要影响作用，可以偶小弥补传统测量方法存在的缺陷，保障测量人员的安全，并促使测量工作得以高质量开展。因此，本文就以无人测量船系统为重点，分析了该系统在水下地形测量中的应用，希望能对相关人员开展工作提供帮助。

一、无人船测量系统相关分析

（一）系统组成

①船体。无人测量船的船体是由聚合物聚脂碳素制成的，它的重量轻，吃水浅，抗风浪，防水，防尘，耐腐蚀，以装载各类仪器和传感器为主。②通信控制系统。该系统可以将无人测量船与岸上控制系统进行高效连接，并将无人测量船的运行情况及收集到的信息进行实时传送。操作人员既可以通过人工远程操作，也可以通过自动导航来实现对无人测量船运行轨迹的控制。③定位系统。利用GNSS接收器对无人测量船进行定位，以便精确确定出测量船的位置，从而获得无人测量船的运行路线。④测深系统。该系统的主要功能是根据相关作业开展要求，收集、分析了水深数据信息，并使用有关软件对测得的水深数据信息进行了加工处理[1]。⑤岸基操纵装置。整个控制体系由三个部分组成：参考站，控制软件，通讯装置。参考数值可由用户自己设定，也可与正在运行的卫星集成操作系统联接；控制软件的构成主要包括两个方面，一是船体控制软件，二是数据采集处理软件，通信装置为一个用来接收和展示无人测量船运动信息的４Ｇ信号。

（二）测量系统基本原理

该系统以GNSS-RTK动态差分定位为核心开展导航定位工作，并构建基准站，以便确保相关差分数据高质量传输到测量船系统中，或将基准站与省级连续移动平台集成，实现对无人测量船的实时定位与导航。水下深度的测定采用了一套在舰船上的单波束测深仪，其基本原理是回声定位。同时，由于测量船航行环境的变化，往往在实际航行中会发生横、纵倾问题，从而使水深数据的位置与实际无人船的位置出现一定偏差，并且水深观测值也有一定的偏差，这种偏差还会随水深而逐渐扩大，进而导致最终测量结果出现严重误差。另外，水体温度、水质和浑浊度等均会对水声信号的传输速率产生影响，从而对水声信号的测量结果产生较大影响，进而直接影响测深的精度。所以，为了保证无人测量船所测到的水深数据的可靠性，需要采用姿态传感器方法来校正水深数据，且在每项工作开始之前，都要通过声速轮廓来进行一次声速测试，以便来反映出测区内的真实声速变化规律，并在此基础上来开展校正工作。

二、无人测量船系统在水下地形测量中的应用

（一）做好准备工作

在实际应用无人测量船系统开展水下测量工作前，还需要相关工作人员做好准备工作，要定位时间选择、水下测量软件调试以及坐标系统精度修正工作，以便降低系统在实际应用过程中出现问题的概率。等GNSS系统建立起来后就可以开始工作了，然后就是让无人测量船在指定的区域内进行开展测点和测深工作，且在此过程中还需要将智能控制技术引入其中，预先设定好测量船运行航道，以便确保其能够实现自动化测量。具体而言，在风速小于6级的条件下都可以对河道展开水下地形测量工作，测量者需要利用有关的软件对河流和湖泊的状况进行分析，并对断面的计划线进行科学设定，确保计划线与水流流向保持一致。另外，在无人测量船作业时，还要求船舶运行始终处于一条笔直状态且运行速度均匀，在改变航道测线时要做好准确的定位[2]。同时，在进行测量水下地形时，也要注意做好风浪高度的控制工作。要想解决以上在无人测量船系统在水下地形测量中出现的一些问题，就需要负责测量的技术人员对测量前准备工作开展给予足够的关注，并对探测装置所测到的相关信号进行完整、精确地采集与整理，从而得到测量地点的精确水深及三维坐标等数据资料。

（二）布设主测深线和检查线

要想高效运用无人测量船系统开展水下地形测量工作，此外还必须由有关的测量员根据有关规范标注要求来布置主测深线和检查线，如果利用单波束测仪器进行水深探测，则主测深线应该与等深线的大致方位相垂直，如果利用多波束测仪器进行水深探测，则其应该与等深线方位相平行。同时，测深线的选取要考虑到测量区域的重要程度、水体的地貌特点以及河流的水深等多种要素，在采用单波束测深器的情况下，主要的测量线距通常为1—2厘米，测量点间距通常为0.8—1.5厘米。检查线的走向与主测深线的走向尽垂直，对主测深线进行全面检测，并且检查线的长度不能低于主测深线全长的5%。检查线上的位置间隔可以根据测量比例来确定，将其加密到与测深相一致的区域，并确保其在一定距离上与测深相一致，以便使检查线在整个区域中的位置都具有均衡、合理性。此外，检验线测点距离不能超过主测深线测点点距0.5倍，在检查线和主测深线交叉的地方水深点之间的互差应小于1毫米。

（三）处理水下地形测量数据和绘图

在对测量数据进行编辑、校正后，还需通过有关软件进行专业性的分析，根据科学的计算对水位和地下地形地势进行分析，并做好数据的总结和整理。在对测绘数据进行分级整理时，能够对清除污染前后的水下地形进行比较和分析，并与无人测量船所获得的数据相结合来进行图纸设计，以便为后续工作的展开打下良好基础，同时也方便形成科学的技术比较报告。另外，在数据处理完毕后，有关人员要将数据信息及时传送至JSCORS系统，并利用此软件生成等高线及剖面图。在这个过程中工作人员应该将等深线距离设为0.5m，且还要对水下地形及其他数据信息作适当的标出，这样才能画出不符合标准要求的地形图。在绘图的时候，要根据相关的标注指示进行分幅绘制，然后由现场的质量监督员进行全面检查，检查无误后才可进行地形图的绘制。

三、实验案例分析

（一）实验目标

利用省级卫星导航的定位基准服务来对无人测量船系统提供精确的定位数据信息，以便确保能够对水坝及其周围区域进行综合观测，获得水坝周围区域的声波速度廓线，为测量系统提供可靠的声波修正数据，并对该系统在水坝及周边区域的测量结果进行验证，从而评价无人船测量系统应用的水平。

（二）实验区概况

以某河道的实际测量工作为例，该河道的水下面积约为4.85km2，对该河道开展水下测量工作，其目标是通过对河流剖面图的测绘，获得这条河流的水下地形、地貌等资料，从而有效掌握河流水下高程模型，为后续工作的顺利进行提供相关参考。但由于采用传统测量方法不仅难以保证测量的精度，还会增加工作人员的作业难度，因此就需要将无人测量船系统合理应用在水下地形测量中[3]。

（三）作业流程

无人测量船系统作业流程如图1所示。

图1无人测量船系统作业流程图

（四）数据采集

此次测量所使用的仪器设备主要是华测公司水上探测无人船为主，采用了GNSS自动导航系统，其设备持续续航时间可达6个小时，速度最高可达5m/s，其船体密封良好，耐腐蚀，可抵御6级以上风力，其测试结果可由无线网桥传输至基站来进行存储、分析以及开展测量监测工作。在初步的测量计划中，以GPS坐标系为基础来开展高程测量，但需要相关工作人员在开展工作前对船舶承载装置的工作状况进行检验，并对其参数进行调试。经过设备的装配，船身的总质量为15kg，为更好地保证测量工作开展的安全性，必须在船身上加装一个浮体，最后的池水深度小于18cm，这也给水下测量工作开展带来了更多空间和可能，在无人船下水后可以通过人工和自主导航来完成相关测量工作。基于已有的测量计划，还需要相关工作人员为无人测量船设计出一条能够自动规避障碍物的航线，以便确保其能够自主完成测量任务，从而降低人工对水下测量工作的掌控力。要想设计出高质量的水下测量作业规划路径，需要采用卫星地图自动产生路径，并通过轨迹分析来对所设计的航线路径进行修正。在此次水下地形测量工作中，该无人测量船采用2.4G网桥以及2W电台实现了信号的准确定位与传送。全部数据资料存储于地面控制基站监控中心内，数据查询及整理皆借由水声监测系统完成。在此过程中还需要与参数所形成的横纵坐标相结合，并要基于验潮文件进行完成光滑数据检测，防止水面波浪对测量造成的影响，且在测线的误差处理完毕后，即可进行间隔取样。另外，还需要将存储后的数据转化为工程文档，在全部测量数据集成后再将文档进行成果数据转换。

（五）数据成果

从实验结果来看，三维激光扫描可获取较高的水面点云，多波束测深可获取较全面的水下地形数据，综合测试可实现二者的高精度融合，从而得到可全面体现水上水下地形地貌特征的综合测试结果。从点云资料可以看到水上和水下拼接处地形能够吻合，水上水下成果点云拼接效果良好，纵向和横向的拼接偏差分别为0.1米和0.6米，满足了设计要求。

（六）精度检查

工作人员在实际开展工作中，为了对测量的准确性进行全面、深入检测，必须先设定多条检查线，而且所设置的检查线的长度必须在主测线的5%以上，而且必须与测量线路垂直。在实施过程中，要注重使用符合主测深线的方式和精度，科学合理地将检查线和主测深的接触面的实测数据与图示数据进行对比。而对于一些不连续的点位，工作人员在比较时则应采用等高线图解的方法。在此项工作中，工作人员应该事先选取100个点位进行相关的数据分析，其最大偏差不超过29cm，以满足《工程测量规范》的相关要求[4]。同时还需要将一个自动潮汐计安装在测量起始点，并对相同的特征点位可以采用人工验潮的方法进行水深测定，并将所得的数据与无人测量船系统所获得的信息进行对应比较，研究发现，两种方式所获得的数据信息差异只有5 cm左右，这也说明了无人测量船系统可以在不依赖于验潮工作开展的情况下有效测量水下地形，继而在某种意义上可以避免诸如水位落差等因素造成的干扰，从而提高测量工作开展精度。

四、结语

总的来说，相对于常规测量系统而言，无人船测量系统在实际应用中具有诸多优点，可有效地克服大坝等水岸构筑物测量不完整、水上和水下测量存在裂缝、浅水区不能测量等难题，并可一次获取高精度、高密度、统一坐标体系的真三维型地形数据，从而达到水下和水上的整体性真三维地形景观重现。因此，如果有关工作人员要想更好地对水下地形展开测量，就必须要注重发挥出无人测量船系统的优点，这样不仅可以让节约大量的人力资源，还可以缩短水下地形测量工作开展时间。现在无人测量船在许多方面都得到了逐步的普及和使用，而且也获得了较好的应用结果。

参考文献

[1]许成义,孙栋,张金营,等.基于无人船测量系统的水下地形测量研究与应用[J].山东国土资源,2023,39(2):50-55.

[2]胡翔志.智能无人测量船在河道水下地形测量中的应用[J].工程技术研究,2020,5(13):107-108.

[3]彭小强,苏晓刚,陈卫卫,等.无人船在水下地形测量中的应用[J].经纬天地,2019(6):16-20.

[4]潘伦渊.无人船测深系统在水下地形测量中的应用[J].大众标准化,2022(19):58-60.