卓鎮(zhèn)權(quán)

廣東省有色地質(zhì)環(huán)境中心 廣東 廣州 510080

水庫(kù)自身的地形環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，加上水位會(huì)不斷發(fā)生變化，這使得淺灘、沼澤等地形不斷形成，這對(duì)于獲得水庫(kù)下方的三維地形數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)是非常困難的。由于水庫(kù)水下地形測(cè)量需要借助船只，而大船的吃水量較大，難以讓測(cè)量人員攜帶相應(yīng)的儀器和設(shè)備到達(dá)淺水沼澤區(qū)域附近，此外，使用人工測(cè)量的精度也比較低，效率差，還伴隨著很多的危險(xiǎn)，面對(duì)小區(qū)域內(nèi)的泥濘區(qū)域還可以采用人工插值的方式，但是想要獲得大范圍內(nèi)的水下地形數(shù)據(jù)，就需要進(jìn)行一定密度的實(shí)測(cè)，這樣工作量非常大，并且伴隨了很多的危險(xiǎn)。使用記載藍(lán)綠光雷達(dá)能夠快速高效的完成淺水地區(qū)的數(shù)據(jù)采集，但是由于成本過(guò)高，難以大范圍普及儀器的應(yīng)用，并且淺水區(qū)和沼澤區(qū)的面積只占水庫(kù)的一小部分，投入和回報(bào)不成正比。

隨著近些年基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人測(cè)量船以及無(wú)人機(jī)技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用，通過(guò)使用無(wú)人機(jī)無(wú)人船配合的方式，能夠有效解決大船吃水深的問(wèn)題，并且無(wú)人機(jī)成本很低，操作非常方便，能夠很好地對(duì)空間進(jìn)行分辨，在測(cè)量沼澤區(qū)的時(shí)候，能夠提高測(cè)量的精度，降低測(cè)量人員的危險(xiǎn)。

1 水庫(kù)水下地形測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)備

完成水庫(kù)中淺灘水域以及沼澤區(qū)域的測(cè)量工作，需要準(zhǔn)備多波束測(cè)深儀、智能無(wú)人測(cè)量船以及旋翼無(wú)人機(jī)。多波束測(cè)深儀是一種集成設(shè)備，它能夠發(fā)射和接受信號(hào)，同時(shí)還搭載了姿態(tài)儀和表面聲速儀，具有體積小、操作方便、安裝快捷的優(yōu)勢(shì)，能夠快速的將水下地形的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，該儀器最大工作深度可以達(dá)到300m，有效工作深度達(dá)到75m，能夠很好地滿足淺水區(qū)域的測(cè)量。智能無(wú)人測(cè)量船以測(cè)量船為載體，搭載了測(cè)深系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)，能夠快速自動(dòng)的將水下三維數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并且由于船體尺寸較少，重量輕，操作和運(yùn)輸都非常方便，在淺水區(qū)測(cè)量能夠發(fā)揮出很大的作用。無(wú)人機(jī)中具有控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)輔助測(cè)量的作用。

2 水下地形測(cè)量

2.1 技術(shù)路線

庫(kù)區(qū)測(cè)量范圍的最外圍范圍線是水庫(kù)大壩頂部，高程所在的等高線，測(cè)量主要分為陸域地形測(cè)量以及水下地形測(cè)量。

進(jìn)行陸域測(cè)量的時(shí)候使用，豐水期時(shí)候可以采用無(wú)人機(jī)航空拍攝完成攝影工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集，在枯水期的時(shí)候就需要把水位下降形成的陸域空白區(qū)域以及沼澤區(qū)域使用旋翼無(wú)人機(jī)再次進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)于水域地形測(cè)量，可以采用多波束測(cè)深系統(tǒng)完成對(duì)深水區(qū)的測(cè)量，對(duì)于淺水區(qū)則使用無(wú)人測(cè)量船進(jìn)行測(cè)量，二者測(cè)量完成后將數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，將深水測(cè)量和淺水測(cè)量的邊界進(jìn)行拼接得出完整的測(cè)量數(shù)據(jù)，整個(gè)技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程

2.2 采用無(wú)人機(jī)對(duì)陸域沼澤區(qū)域進(jìn)行測(cè)量

水庫(kù)高水位地區(qū)在枯水期會(huì)形成沼澤灘涂，測(cè)量人員很難進(jìn)入該區(qū)域，通常區(qū)域內(nèi)還會(huì)生長(zhǎng)低矮的灌木和草地。規(guī)定測(cè)圖比例尺為1:2000，無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中應(yīng)該始終保持飛行高度一致，控制高度在200m，同時(shí)還應(yīng)該對(duì)航拍路線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，使得航線重疊率能夠保持在65%以上，旁向重疊率保證在50%以上。無(wú)人機(jī)飛行路線應(yīng)該根據(jù)沼澤灘涂區(qū)域的地勢(shì)地形來(lái)決定，飛行路徑應(yīng)該和水流流域相垂直，采用折線矩形的“己”字型飛行方式，保證測(cè)區(qū)能夠被完全覆蓋[1]。利用RTK連接上LNCORS系統(tǒng)，將測(cè)區(qū)內(nèi)的像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行均勻的散布。在水涯線區(qū)域進(jìn)行航拍的時(shí)候，應(yīng)該使用RTK對(duì)水涯線的高程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

在測(cè)量之前應(yīng)該做好儀器設(shè)備的準(zhǔn)備工作。首先應(yīng)該保證無(wú)人機(jī)的電池電量能夠滿足測(cè)量需求，其次是檢查地面站的系統(tǒng)電量是否充足，做好地面站所使用的軟件的檢查。無(wú)人機(jī)飛行盡可能選擇地勢(shì)相對(duì)平坦，具有平坦鋪裝材料的場(chǎng)地作為無(wú)人機(jī)的起降場(chǎng)，保證起降場(chǎng)地和任務(wù)區(qū)之間距離不超過(guò)一公里。

在地面站和無(wú)人機(jī)組裝調(diào)試結(jié)束后就可以開始進(jìn)行航攝工作，如果電臺(tái)設(shè)置在地形較高的位置，應(yīng)該根據(jù)沼澤灘涂區(qū)的實(shí)際情況，確定起飛路線以及測(cè)量路線，在無(wú)人機(jī)起飛之后，將地面站的系統(tǒng)啟動(dòng)，通過(guò)通信連接和GPS連接，讓無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)傳輸，實(shí)施無(wú)誤后即可開始沿線飛行完成拍攝工作。

2.3 多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量深水區(qū)水下地形

在使用多波束測(cè)深系統(tǒng)之前，需要先完成對(duì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)和測(cè)量，同時(shí)還應(yīng)該選擇合適的測(cè)量時(shí)間，以風(fēng)力較小、水面流速較慢的時(shí)間測(cè)量為宜。校準(zhǔn)儀器有規(guī)定的順序，首先應(yīng)該完成對(duì)橫搖偏差和縱搖偏差的校正，隨后完成艏向偏差，在校正下一個(gè)參數(shù)之前，應(yīng)該先完成對(duì)上一項(xiàng)參數(shù)的輸入工作，排除校正時(shí)候被其他因素所干擾[2]。時(shí)間延遲偏差由生產(chǎn)商制定，直接輸入數(shù)據(jù)即可。按照規(guī)范的要求，每一組數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行三遍以上的校準(zhǔn)，多次校準(zhǔn)的結(jié)果誤差都應(yīng)該滿足規(guī)范的要求。

在天氣情況良好的時(shí)間進(jìn)行水下地形的測(cè)量工作，能夠保證船速平穩(wěn)，控制在合理的范圍內(nèi)。主測(cè)線方向應(yīng)該和水流方向一致，測(cè)量路線依然采用“己”字形測(cè)量方式，每一條主航線都應(yīng)該至少覆蓋上一條航線15%以上的區(qū)域，這樣能夠確保水下地形能夠被全覆蓋的測(cè)量，還能夠讓邊緣波束測(cè)量的精度提升。在使用多波束測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，還應(yīng)該配合應(yīng)用水砣，實(shí)時(shí)檢測(cè)水庫(kù)的深度，同時(shí)還要均勻的布設(shè)不小于測(cè)繪面積5%的檢測(cè)線路，檢測(cè)線的方向應(yīng)該和水流方向相垂直，通過(guò)檢測(cè)能夠確保水下地形檢測(cè)的精度得到保障。

2.4 無(wú)人測(cè)量船測(cè)量淺水區(qū)域水下地形

無(wú)人船測(cè)量淺水區(qū)域的時(shí)候?qū)μ鞖庖灿幸?，盡可能在水面波動(dòng)小，風(fēng)力較小的天氣下完成測(cè)量工作，理論上測(cè)量時(shí)當(dāng)?shù)仫L(fēng)力不應(yīng)該大于四級(jí)，如果超過(guò)了四級(jí)風(fēng)，應(yīng)該立即停止作業(yè)，將無(wú)人船進(jìn)行回收。無(wú)人船測(cè)量淺水區(qū)域的時(shí)候，主測(cè)線應(yīng)該和河岸的方向保持垂直，測(cè)線間的間距控制為15m，定位點(diǎn)之間的間距設(shè)置為5m。使用無(wú)人測(cè)量船進(jìn)行測(cè)量的測(cè)區(qū)需要和多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)量區(qū)內(nèi)至少有兩個(gè)重合點(diǎn)，保證測(cè)量更加準(zhǔn)確[3]。無(wú)人測(cè)量船的檢測(cè)線長(zhǎng)度不得小于測(cè)量總長(zhǎng)度的5%，方向和主測(cè)線相互垂直。

在測(cè)量開始之前，應(yīng)該將無(wú)人測(cè)量船上的通信系統(tǒng)和基站進(jìn)行連接，把GPS系統(tǒng)和LNCORS系統(tǒng)連接起來(lái)，在確定通信系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)連接正常之后，就可以開始測(cè)量工作。這時(shí)候需要把已經(jīng)設(shè)置好的測(cè)深線導(dǎo)入軟件之中，使用自動(dòng)導(dǎo)航測(cè)量和手動(dòng)遙控測(cè)量相結(jié)合的方式，完成對(duì)淺水區(qū)域的水下地形測(cè)量。

3 水下地形測(cè)量過(guò)程中遇到的困難與解決辦法

3.1 水下勘測(cè)定位不準(zhǔn)，航線易偏

水下測(cè)量最常遇到的問(wèn)題就是勘測(cè)船難以在水面上找到適當(dāng)?shù)膮⒄瘴?，這時(shí)就需要使用RTK完成對(duì)勘測(cè)船只的全程實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航。在水面非常廣闊的時(shí)候，如果沒(méi)有導(dǎo)航技術(shù)，就非常容易出現(xiàn)勘測(cè)船偏移航線的情況，難以保證航線始終是一條直線。想要解決這一問(wèn)題就應(yīng)該在勘測(cè)之前，在水庫(kù)岸邊設(shè)置可見的參照物，讓勘測(cè)船能夠按照向著參照物進(jìn)行前進(jìn)，這能夠有效的保證勘測(cè)船檢測(cè)的有效性。同時(shí)如果發(fā)現(xiàn)了勘測(cè)船偏離了航線，不應(yīng)該大幅度的猛烈校準(zhǔn)，應(yīng)該保持小幅度的修正，使得航行路線能夠平滑，達(dá)到測(cè)量的目標(biāo)。

3.2 RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)深儀測(cè)深數(shù)據(jù)難以匹配

在實(shí)際進(jìn)行操作的時(shí)候，水庫(kù)的水面不會(huì)是平靜的，而是會(huì)上下起伏，這就會(huì)讓測(cè)量水深和真實(shí)值之間存在著誤差，因此在測(cè)量水深的同時(shí)，還應(yīng)該使用輔助測(cè)量設(shè)備進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，例如水砣、測(cè)深尺和探測(cè)桿等?？梢詫⑵浜虶PS連接在一起，保證二者相對(duì)位置不變，當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)浪的時(shí)候，測(cè)深儀獲得的水深數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生變化，GPS的高程數(shù)值也會(huì)同步發(fā)生變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

在大比例尺下進(jìn)行水下地形的測(cè)量，需要靈活的應(yīng)用多種智能測(cè)量設(shè)備，這樣才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性、易用性和安全性。使用多波束測(cè)深系統(tǒng)檢測(cè)深水區(qū)域的效率較高，精確度得到了保證，使用無(wú)人測(cè)量船進(jìn)行淺水區(qū)域的測(cè)量解決了淺水區(qū)域測(cè)量船只難以進(jìn)入的問(wèn)題，還提高了測(cè)量的安全性，使用無(wú)人機(jī)航拍可以將水庫(kù)邊緣的沼澤地形進(jìn)行測(cè)量，三種方式相結(jié)合即可完成對(duì)水庫(kù)水下地形的全覆蓋測(cè)量，并且測(cè)量精度能夠得到保障。