无人船在水下地形测量中的应用与探究

孙强

上海迅翔水利工程有限公司 上海市 200231

摘要：在我国科技的发展，各领域的技术水平逐渐提高的今天，传统水下地形测量通过船只从水面测量水下地形地貌，而且为了克服水面的不稳定性,部分采用涉水测量的方法，但是无论是船只或涉水测量,安全风险性都较大，而且传统水下测量方式得到的水底高程数据容易受淤泥的影响，测量的高程误差较大，需要对水下测量技术进行改进。

关键词：无人船；水下地形；测量；应用

引言

无人船遥感(unmanned ship remote sensing)，即利用先进的无人船舶航行技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、GPS差分定位技术及遥感应用技术，实现自动化、智能化、专用化快速获取海洋环境、水下地形、水质情况等遥感信息，并且完成遥感数据处理、建模及应用分析的应用技术。近年来，随着大数据、云计算、人工智能等新理念的发展，无人船自动化的程度不断提高，使得无人船遥感技术有了科技的支持。无人船遥感技术，在海洋环境保护、航道测量和海洋搜救、水质监测等方面得到了广泛的应用。

1单波束与多波束测深原理及优缺点

测深系统是无人船测量系统的核心组成部分，目前应用比较广泛的有单波束和多波束测深系统。单波束与多波束测深的工作原理，在本质上都是利用换能器垂直向下发射出的脉冲声波，遇到水下地物发生反射这一原理进行水下地形测量。但是，多波束测深系统在换能器上与单波束有区别，多波束利用多个换能器单元组成阵列，在测深过程中可以同时发射和接收多个波束，并对水下地形进行条带式测量。单波束测深系统的优点是设备组成及安装简单，在外业测量过程中通常只需要进行定位和动吃水改正，内业数据处理也比较简单，能输出不同数据格式的成果;缺点是水下相邻两点间的微地形不能探测到，若要提高作业区水下地形测量的精度，只有加密测线，这无形中增加了生产成本。多波束测深系统在测量范围、速度、精度和效率上优于单波束测深系统。多波束将测深技术从点、线扩展到面，并逐步发展到三维立体测深及自动化成图，广泛应用于大面积海底地形测量，但多波束设备组成及安装较复杂，外业操作较烦琐且内业处理耗时较长。因此，在实际生产中，若单波束测深和多波束测深都满足作业要求，则优先选择单波束更为便捷。

2无人船在水下地形测量中的应用

2.1海底地形地貌探测

地形地貌是海洋调查、港口建设、输油管道检测等重要工作的参考数据，无人船遥感系统在获取水下地形信息数据方面有明显优势。无人船通过搭载GNSS、单波束测深仪、侧扫声呐，合成孔径雷达等设备，获取水深数据、地形的声呐图像、地形的三维雷达图形，可直观地了解水下地形情况且用于完成海底目标物检测和沉积环境调查等任务。通过对图像的处理和分析，检测海底输油管道、海底电缆等设施，为安全的运输石油和海底电缆工程提供数据保证。

2.2数据采集

测量之前需要进行航线布设。航线布设有2种方法:一种是事先设计好计划线，直接导入到无人船操作电脑端，这种方法比较方便，但是不能根据实测环境进行布设，会导致测线过短或者过长，影响测量效果;另一种是根据实测地理环境现场布设测线，这样做虽然比较麻烦，但是却能布设适合测区的计划线，保证测量效果。计划线布设好，检查船体仪器连接正常无误后，操控电脑端或遥控器进行数据采集。

2.3水下淤泥厚度勘测

水利工程可为附近的地区提供自来水及灌溉用水，其水坝上的水力发电机还能产生电力，水利工程还具有防洪效益。随水流而来的污泥自然堆积较大程度地影响水库的储水容量，会降低水库库容导致水库洪水灾害，工作人员需要对水库下的地形及积淤情况进行勘测。人工测量的方法费时费力，而且难以得到精确的水下地形空间分布。无人船通过搭载多频测深仪、多波束声呐等设备探测水下淤泥情况，可弥补传统测绘和调查在环境复杂、恶劣的水域作业的局限性，在淤泥监测方面呈现巨大的优势。

2.4施测方法

首先根据《水运工程测量规范》,沿湖泊周边设置控制点，控制点位置选择在地势开阔便于保存的沥青路面上，控制点中心位置使用钢钉并用红色油漆标注。对每个控制点须进行2组GPS观测（要求在不同时间段、使用不同仪器进行观测），两组观测值的点位互差在限差之内取中数，若不满足限差精度则要重新测量。无人船的所有测量任务在南方测绘提供的无人船基站软件上进行，仔细校对设备定位时间，下载测区范围的底图，连接基站软件与无人船，合理的设置坐标系统与投影参数，在测区范围内布设航线，部分航线可能会穿越陆地、大面积芦苇等地方，需要人工手动加减任务点以适应实际地形。设置完成后，把航线发送到无人船上，无人船就会在自动模式下按照任务点进行自主航行。外业人员在岸边上的岸基软件上实时监测无人船传回的三维数据，来确定无人船的工作状态以及水下的地形数据。在数据采集过程中实验了手动和自动航行两种模式。因为测区的边缘水深较浅，需要用遥控器手动操作无人船行驶一段距离，然后再切换到自动模式，在岸边利用岸基软件操作无人船航行和进行数据采集。施测的水面不大，潮汐对数据的影响较小，所以数据的采集使用的是无验潮模式。在航行完所有的任务点后或者电池即将耗尽时，无人船会自动返回到起始点。在无人船测中，检查线要和主测深线垂直，长度不能小于主测深线，二者要在某位置相交，高程差值不能超过0.2m。同时，根据《水运工程测量规范》，确保测量误差在规范允许范围内。以上获得的数据不能直接使用，需要进行粗差剔除和数据抽稀，根据岸边控制点的高程数据，然后对获得的水面数据和水深数据进行处理，得到水面和水底的1985国家高程。根据水底高程，得到DEM，绘制等深线和TIN成果，成果可以非常直观反映水下地形。

2.5数据处理

采用南方测绘公司自行开发的“自由行”软件进行数据后处理；将采集到的水下数据导入软件中，开始水深采集取样处理。首先对数据进行自动处理，很明显的假水深，无效水深点将会被整合。自动水深处理结束就需要手动再检查一遍，修改高频水深。造成这种误差可能是水下鱼群反射，或是水中介质的折射结果；遇到这样的情况要修改，保障后期图纸绘制的精准度。接下来进行综合改正输出，将处理完成的水下数据进行测深仪改正、动态吃水改正、坐标系统误差改正、水深系统误差改正。RTK数据导出的具体流程如下：打开数据采集仪器-点击工程-文件导入导出-选择文件导出类型-点击测量文件-点击成果文件（后缀为.dat）-点击导出。然后再将SD卡插入电脑复制出来即可。此时数据为原始数据，处理后的表格为：输入点号、经度、纬度、椭球高、编码、天线高、解状态、HRMS、VRMS、卫星数、PDOP。

结语

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。

参考文献

[1]付明亮.无人船在水下地形测量中的应用与探讨[J].城市地理,2017(20):59-60.

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[3]李杰方.无人船搭载多波束在水下地形测量中的应用[J].工程技术研究,2020,5(13):109-110.