鄭全平

（福建省港航勘察科技有限公司，福建 福州 350009）

0.引言

在傳統(tǒng)水深測(cè)量工程中，作業(yè)方式主要為測(cè)深儀+定位設(shè)備+動(dòng)力船。淺灘區(qū)域大部分采用測(cè)量員隨身攜帶RTK蹚水作業(yè)，水下情況復(fù)雜多變，蹚水作業(yè)較為危險(xiǎn)并且作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)；對(duì)于皮劃艇，測(cè)深系統(tǒng)難以固定，而且會(huì)造成船舷一側(cè)偏重，無(wú)法平衡，不好操作，故淺灘區(qū)域作業(yè)往往使測(cè)量員感覺頭疼；而在租船上，每次測(cè)前的準(zhǔn)備時(shí)間通常會(huì)花費(fèi)2—3小時(shí)之久，而且租的船往往吃水比較深，在淺區(qū)會(huì)打到螺旋槳，租船和養(yǎng)船的費(fèi)用相對(duì)較高，有些特殊區(qū)域就連找船也是個(gè)問(wèn)題。傳統(tǒng)作業(yè)方式已經(jīng)很難滿足項(xiàng)目工期要求和作業(yè)要求。

為了解決上述問(wèn)題，無(wú)人船搭載測(cè)深設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。最早無(wú)人船搭載小型的單波束，隨著小型多波束的不斷發(fā)展，無(wú)人船也搭載了小型多波束。

1.常規(guī)多波束的安裝及使用

目前常規(guī)的多波束主要是安裝在有人駕駛的動(dòng)力船上，通過(guò)支架、桿子固定，駕駛員按照計(jì)劃測(cè)線行駛。

1.1 常規(guī)多波束的安裝

目前大部分測(cè)量單位都沒(méi)有自有大型船只，外業(yè)多波束作業(yè)時(shí)，通常是雇用當(dāng)?shù)亟煌ù?、漁船等，幾乎是采用船舷外安裝，舷外安裝必須裝在船上牢固及不活動(dòng)的部位，裝位置遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)等噪音源，安裝桿要在盡量靠近水線的地方設(shè)置固定點(diǎn)，多波束探頭要超出船底，使用支架后，還需借助鋼絲繩等固定收緊。要做必要的試驗(yàn)以檢查回收和放下聲納頭后聲納頭校準(zhǔn)是否有改變，所以船舷外安裝具有非常容易受振動(dòng)和噪音的影響，可能被其他船撞壞或觸底導(dǎo)致不容易維持多波束校正結(jié)果的缺點(diǎn)。安裝多波束時(shí)船上至少需要4名工作人員。

1.2 常規(guī)多波束的測(cè)量使用

多波束系統(tǒng)安裝完成以后，量取各設(shè)備之間的位置關(guān)系輸入采集系統(tǒng)，由于每個(gè)船安裝位置不同，每次進(jìn)場(chǎng)施測(cè)前均需準(zhǔn)確量取。各個(gè)參數(shù)設(shè)置好后，在導(dǎo)航界面導(dǎo)入計(jì)劃導(dǎo)入測(cè)線，駕駛員按照測(cè)線行駛，保證覆蓋。船上至少需要配備2名技術(shù)人員（負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集）和2名船員（負(fù)責(zé)駕駛及安全瞭望），且對(duì)駕駛員技術(shù)水平有較大要求，通常安裝桿吃水要達(dá)到1m左右，且本身雇用的船只吃水也要達(dá)到1m以上。每次設(shè)備安裝以后均需對(duì)橫搖（roll）、縱傾（pitch）、艏向（yaw）進(jìn)行校準(zhǔn)。主要適用于5 m以上水深。

2.無(wú)人船搭載多波束

無(wú)人船搭載多波束測(cè)深系統(tǒng)由無(wú)人船系統(tǒng)和多波束系統(tǒng)組成，無(wú)人船系統(tǒng)包含船體、動(dòng)力、自動(dòng)控制、遙控、視頻、雷達(dá)避障等，多波束系統(tǒng)包含測(cè)深系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)傳感器（小型多波束基本是測(cè)深與姿態(tài)傳感器集成在一起）。無(wú)人船搭載多波束是船體根據(jù)配備的多波束按模型量身定制，將小型多波束無(wú)縫嵌入船體中，吃水僅為0.1 m至0.2 m。全套系統(tǒng)放入水中，可由2名工作人員協(xié)作完成。在船體配備電腦主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，操作人員在岸上通過(guò)船體控制系統(tǒng)在電腦或者手機(jī)、平板上通過(guò)無(wú)線傳輸操作無(wú)人船采集記錄數(shù)據(jù)。測(cè)線的行駛可通過(guò)遙控操作，轉(zhuǎn)向靈活方便，也可按計(jì)劃測(cè)線自動(dòng)直線行駛。安裝后校準(zhǔn)參數(shù)一致，每次作業(yè)可直接使用該校準(zhǔn)參數(shù)，省去了大半天的安裝校準(zhǔn)時(shí)間[1]。

3.工程實(shí)例

某內(nèi)河航道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)約76.21 km，按滿足500噸級(jí)干貨-Ⅱ（吃水不超過(guò)1.6 m）干流標(biāo)準(zhǔn)船型通航要求建設(shè)；建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為航道水深取1.9 m，其中河床底質(zhì)為卵石和巖石航段航道水深取2.1 m；單線航道寬度取25.0 m，雙線航道寬度50.0 m，船閘門檻最小水深2.5 m，航道彎曲半徑取220 m。此航道經(jīng)施工后需進(jìn)行第三方交工掃測(cè)，按要求需要進(jìn)行多波束全覆蓋掃測(cè)。施工段水深非常淺，且底質(zhì)為礁石區(qū)，內(nèi)河小船較小寬度普遍都是1 m—2 m，測(cè)區(qū)條件比較惡劣。項(xiàng)目組測(cè)前商討了兩種方案：第一種方案是用常規(guī)的多波束搭載在兩條小船中間；第二方案是使用新引進(jìn)的無(wú)人船搭載多波束?？紤]到此航段有多處電站阻攔，需要頻繁換小船，且在兩條小船拼接安裝上很難做到非常牢固，因此選取了第二種方案。

3.1 無(wú)人船搭載多波束外業(yè)實(shí)施

3.1.1 無(wú)人船搭載安裝多波束

本工程項(xiàng)目組采用的是華微6號(hào)無(wú)人船搭載NORBIT小型多波束的組合方式，如圖1所示。整船自重15 Kg，搭載方案總重不超過(guò)40 Kg，現(xiàn)場(chǎng)僅需配備2名技術(shù)人員。華微6號(hào)無(wú)人船獨(dú)有的絕對(duì)直線技術(shù)、自適應(yīng)水流技術(shù)、定點(diǎn)懸停技術(shù)、淺灘倒車、慣導(dǎo)等新技術(shù)的應(yīng)用拓展了客戶的應(yīng)用場(chǎng)景。手動(dòng)、自動(dòng)模式自由切換。自動(dòng)模式下，船體定位定姿配合精密算法，在船體遭遇水流的情況下，能夠根據(jù)船體受水流的推力大小及方向，控制螺旋槳進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)，保證繼續(xù)按照計(jì)劃航線進(jìn)行切流作業(yè)。轉(zhuǎn)彎時(shí)，船體自動(dòng)降速，無(wú)人船航線與計(jì)劃線保持高度一致，確保作業(yè)過(guò)程中水下數(shù)據(jù)的完整性。對(duì)搭載的多波束也是采用嵌入式的安裝方式，最大限度保護(hù)換能器陣的同時(shí)還有吃水淺的優(yōu)勢(shì)，適合各類淺灘作業(yè)，船體前配備了防撞導(dǎo)流板，即使船體擱淺也能保證多波束換能器安全。

圖1 無(wú)人船搭載多波束示意圖

3.1.2 無(wú)人船搭載多波束的校準(zhǔn)

無(wú)人船搭載的多波束是姿態(tài)與聲吶基陣集成安裝，出廠姿態(tài)及聲吶零安裝偏差，無(wú)需外業(yè)找特殊地形水域跑校準(zhǔn)線，內(nèi)業(yè)軟件計(jì)算Roll、Pitch、Heading、Time偏差，減少外業(yè)及內(nèi)業(yè)工作量，使用更簡(jiǎn)單，測(cè)量更高效。經(jīng)項(xiàng)目組按照常規(guī)多波束校準(zhǔn)方式多次驗(yàn)證，校準(zhǔn)參數(shù)均一致。由于該航道窄、特殊地形較少，無(wú)法像海上一樣隨處可找校準(zhǔn)區(qū)，本系統(tǒng)的組成大大簡(jiǎn)化了作業(yè)方式且解決了此難題。

3.1.3 航道水下地形信息采集

NORBIT內(nèi)置了Applanix研發(fā)的POS MV定位定向系統(tǒng)，能夠?yàn)槎嗖ㄊ鴾y(cè)量和海洋船只的高可靠性、高精度定位和姿態(tài)艏向提供完美的解決方案。POS MV作為工藝水平和精度超高的陀螺儀，同外部輔助的GPS相結(jié)合，可為工作船只和傳感器提供連續(xù)的、精確的位置和方向數(shù)據(jù)。在GPS信號(hào)被阻擋或者信號(hào)不連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)，由于多路效應(yīng)導(dǎo)致GPS接收機(jī)無(wú)法有效接收衛(wèi)星信號(hào)的區(qū)域，希望在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)位置漂移必須減小或者需要更快速重新獲取位置及方向信息的條件下，POS MV都能夠輸出可靠的位置和方向信息。本項(xiàng)目?jī)?nèi)河航區(qū)跨江橋梁較多，橋下信號(hào)被擋，此設(shè)備很好地解決了這一問(wèn)題。導(dǎo)航軟件采用QPS。QPS軟件包含多波束數(shù)據(jù)采集軟件Qinsy和多波束數(shù)據(jù)后處理軟件Qimera，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)調(diào)整多波束控制軟件參數(shù)使多波束探頭達(dá)到最佳狀態(tài)后，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及船控軟件。調(diào)試完成后，按當(dāng)日計(jì)劃工作量執(zhí)行。本項(xiàng)目在內(nèi)河水庫(kù)庫(kù)區(qū)，水位一般無(wú)變化，可采用無(wú)驗(yàn)潮方式。在本航道掃測(cè)特別注重淺區(qū)及邊坡。

掃測(cè)過(guò)程中，測(cè)量員只需在岸邊操作平板，根據(jù)導(dǎo)入的計(jì)劃測(cè)線，無(wú)人船自動(dòng)按計(jì)劃測(cè)線上線掃測(cè)，自動(dòng)切換測(cè)線。若遇到重點(diǎn)區(qū)域需臨時(shí)手動(dòng)操作可自由切換，小型無(wú)人船若不在視線內(nèi)，可開啟攝像頭，跟蹤測(cè)量。其余采集記錄和常規(guī)多波束流程一致?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)照片如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)照片

采集完成后可采用QPS軟件中的Qimera模塊或者Caris軟件進(jìn)行處理，同樣是通過(guò)加載聲速、潮位進(jìn)行合并計(jì)算，對(duì)導(dǎo)航和姿態(tài)信息進(jìn)行檢查，對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行剔除，最后輸出為xyz格式的水深數(shù)據(jù)。通過(guò)處理后的掃測(cè)3D效果圖如圖3所示。

圖3 掃測(cè)效果圖

3.2 數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)

項(xiàng)目組在無(wú)人船搭載多波束測(cè)量的同時(shí)，也布設(shè)了一定的外符合檢查線（采用常規(guī)的單波束測(cè)量方式），通過(guò)精度比對(duì)，表明精度優(yōu)于《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS131—2012）的要求。水深比對(duì)誤差分布圖如圖4所示。精度統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

圖4 水深比對(duì)誤差分布圖

表1 精度統(tǒng)計(jì)表

比對(duì)點(diǎn)數(shù):82對(duì)；合格點(diǎn)數(shù)：77對(duì)；不合格點(diǎn)數(shù)：5對(duì)；差值平均值：0.061米；5cm以內(nèi)誤差占比：37.80%；5～10cm誤差占比：20.73%；10～20cm誤差占比：20.73%；20cm以上限差誤差占比：14.63%；合格率：93.90%。

10～20 cm誤差占比：20.73%；20 cm～限差誤差占比：14.63%；合格率：93.90%。

根據(jù)《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS131—2012）要求測(cè)深檢查線與主測(cè)深線相交處、單波束測(cè)深不同作業(yè)組相鄰測(cè)段或同一作業(yè)組不同時(shí)期相鄰測(cè)深段的重復(fù)測(cè)深線的重合點(diǎn)處，圖上1 mm范圍內(nèi)水深點(diǎn)的深度比對(duì)互差均應(yīng)符合表8.4.6的規(guī)定。即水深H≤20 m時(shí)，比對(duì)互差≤0.4，H>20 m時(shí)，比對(duì)互差≤0.02 H，從表1統(tǒng)計(jì)可知：本項(xiàng)目采用小型無(wú)人船搭載多波束的測(cè)深精度滿足深度比對(duì)互差要求，質(zhì)量合格，可供使用。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文采用無(wú)人船搭載多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)內(nèi)河航道進(jìn)行交工掃測(cè)驗(yàn)收，并通過(guò)與傳統(tǒng)測(cè)深技術(shù)比對(duì)分析，根據(jù)精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：無(wú)人船搭載多波束定位精度高，水深數(shù)據(jù)可靠，安全穩(wěn)定，節(jié)約了人工及成本，大大提高了效率及經(jīng)濟(jì)效益，為本項(xiàng)目?jī)?nèi)河航道安全通航交工提供了基礎(chǔ)資料，可供決策者及相關(guān)部門全面、準(zhǔn)確地評(píng)判航道工程施工質(zhì)量提供了依據(jù)。無(wú)人船搭載多波束在內(nèi)河淺水區(qū)的優(yōu)勢(shì)在于安全性更高，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、運(yùn)輸便攜性更好，吃水淺，不需要找船，外業(yè)作業(yè)人員少等；缺點(diǎn)是續(xù)航能力不足，抗流水能力較差等。小型無(wú)人船目前在海上應(yīng)用場(chǎng)景和效果較差。

隨著無(wú)人船技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)，無(wú)人船搭載多波束水下檢測(cè)技術(shù)將廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)（城市河道及橋梁、岸坡、綠化、建筑數(shù)字三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集）、港口應(yīng)用（港口、港池水下精細(xì)測(cè)量和礙航物、淺點(diǎn)檢測(cè)等）、航道應(yīng)用（數(shù)字化航道水下基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)采集、通航安全水域礙航物檢測(cè)、航標(biāo)水下測(cè)繪等）、水下工程應(yīng)用（疏浚、拋石等工程土石方量的精確計(jì)算；水下建筑物等形態(tài)精細(xì)測(cè)量；炸礁事后殘存物精細(xì)化測(cè)量等）、水文應(yīng)用（數(shù)字水文建設(shè)，如，水文信息化建設(shè)的數(shù)據(jù)清查和校核；江河湖泊水下基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)采集；水庫(kù)庫(kù)容的精細(xì)化測(cè)量；水下地形數(shù)據(jù)采集等）、海洋石油應(yīng)用（海洋平臺(tái)地基形態(tài)及周邊海底沖淤狀況精細(xì)化測(cè)量；海底管線鋪設(shè)、檢測(cè)等相關(guān)測(cè)量工作；海底管線路由精細(xì)化勘察等）、水下目標(biāo)探測(cè)應(yīng)用（水下危險(xiǎn)目標(biāo)精細(xì)化測(cè)量、水下礙航物精細(xì)化測(cè)量、沉船打撈應(yīng)用等）。