于南洋，董堰川，孔淋淋

（長(zhǎng)江重慶航道工程局，重慶 400011）

在傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量過(guò)程中，主要在船體上固定測(cè)深儀及GNSS 接收機(jī)，待船體航行至指定方位后施測(cè)，測(cè)量過(guò)程受外界因素及人為因素的影響較大，耗時(shí)，危險(xiǎn)系數(shù)高，且工作量大，測(cè)值精度無(wú)保證。測(cè)繪技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)及人工智能的發(fā)展推動(dòng)了水下測(cè)量過(guò)程的集成化，搭載單波束測(cè)深儀、多波束測(cè)深儀、姿態(tài)傳感器等精密儀器的無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)在水下地形測(cè)量中開(kāi)始得到應(yīng)用，還能同時(shí)實(shí)現(xiàn)水上自動(dòng)測(cè)繪，可安全、快速、精確地獲取水下地形數(shù)據(jù)。

1 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)概述

1.1 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)主要由船體、定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)深系統(tǒng)等組成，能準(zhǔn)確高效獲取水下地形數(shù)據(jù)，在多種水域測(cè)量方面普遍適用。

（1）船體。出于便捷、靈活、安全等方面的考慮，無(wú)人船通常以高分子聚酯碳纖維為主要材質(zhì)，抗風(fēng)浪，防水防腐，自重輕，吃水淺，船體同時(shí)搭載多種監(jiān)測(cè)設(shè)備及傳感儀器。

（2）定位系統(tǒng)。一般借助GNSS 接收機(jī)展開(kāi)定位，并借助軟件對(duì)船體具體位置展開(kāi)監(jiān)測(cè)，以查詢船體運(yùn)行軌跡。

（3）控制系統(tǒng)。其中，通訊控制系統(tǒng)將無(wú)人船與岸上控制系統(tǒng)相連，保證測(cè)船工作狀態(tài)及測(cè)值數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；操作人員也可通過(guò)自動(dòng)航行和人工遙控等方式操控測(cè)船。岸邊控制系統(tǒng)則由通訊設(shè)備、軟件及基準(zhǔn)值組成，其中基站一般自行架設(shè)，并與CORS（Continuously Operating Reference Stations，即連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)參考站）系統(tǒng)相連；控制軟件則包括數(shù)據(jù)采集處理、船體操控兩個(gè)模塊；通訊設(shè)備主要為無(wú)人船施測(cè)提供信號(hào)。

1.2 測(cè)量原理

無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)依據(jù)GNSS-RTK 動(dòng)態(tài)差分定位原理展開(kāi)導(dǎo)航定位，具體見(jiàn)圖1。差分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)基準(zhǔn)站由無(wú)人船接收機(jī)接收，同時(shí)借助與CORS 的連接，實(shí)現(xiàn)定位及導(dǎo)航。水深測(cè)量主要通過(guò)船體搭載的單波束測(cè)深儀根據(jù)回聲定位原理展開(kāi)[1]。任一測(cè)量時(shí)刻和位置下河底高程均可按下式計(jì)算：

圖1 無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)原理

式中：H 為任一測(cè)量時(shí)刻和位置下河底高程（m）；HG 為測(cè)船GNSS 接收機(jī)的高程（m）；Hg 為接收機(jī)與水面高度（m）；Hd 為水面與換能器底部的距離（m）；Hv 為測(cè)深儀所測(cè)求出的換能器與河底水深（m）；為無(wú)人船的姿態(tài)改正（m）；為無(wú)人船的聲速改正（m）。

無(wú)人船實(shí)際航行施測(cè)的過(guò)程中，受外界環(huán)境因素影響較大，船體也會(huì)表現(xiàn)出橫縱向搖擺，引發(fā)實(shí)際水深和測(cè)量結(jié)果的誤差以及船位誤差，且各種誤差均隨水深的增大而增大。應(yīng)用姿態(tài)傳感器進(jìn)行水深校正[2]，可提升水深測(cè)量結(jié)果的可靠性，姿態(tài)改正過(guò)程具體由系統(tǒng)軟件進(jìn)行，即每次施測(cè)時(shí)均通過(guò)聲速剖面儀測(cè)量聲速，反映出測(cè)區(qū)聲速變動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律，并使用系統(tǒng)軟件進(jìn)行聲速改正。

2 工程河段概況

2023 年度長(zhǎng)江上游航道整治建筑物維修項(xiàng)目主要位于長(zhǎng)江上游宜賓至重慶河段，表面流速較大，本項(xiàng)目主要采取塊石拋筑壩體、扭王字塊護(hù)面等措施對(duì)原損毀的整治建筑進(jìn)行修復(fù)，在施工過(guò)程必須全面掌握水下地形情況。此次測(cè)量水域長(zhǎng)500m 左右，凈寬25～50m，水深不超過(guò)15m，采用無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)施測(cè)并采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

結(jié)合工程河段流速大、流態(tài)亂的實(shí)際情況及檢測(cè)要求，決定采用華微3 號(hào)Pro 無(wú)人船展開(kāi)水下地形測(cè)量。該型號(hào)無(wú)人船空間大，搭載多，全碳船身較為輕便；標(biāo)配單波束測(cè)深儀，并集成搭載三維激光掃描儀以實(shí)時(shí)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該測(cè)船船體長(zhǎng)1.05m、寬0.55m、高0.39m，吃水9cm；360°全向視頻，并能實(shí)時(shí)回轉(zhuǎn)；最大航行速度可達(dá)到6.0m/s；采用電臺(tái)&網(wǎng)絡(luò)&CORS 的基站通訊模式，可在2000m 范圍內(nèi)智能遙控；數(shù)據(jù)采用本地存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程存儲(chǔ)兩種模式；測(cè)深范圍為0.15～300m，測(cè)深精度可達(dá)±1cm+0.1%h（h 為水深）；其定位精度見(jiàn)表1。

表1 華微3 號(hào)pro 無(wú)人船水下地形測(cè)量定位精度

3 數(shù)據(jù)采集及處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

該工程河段形狀狹長(zhǎng)，為便于施測(cè)，將河道分區(qū)布設(shè)為5 個(gè)測(cè)區(qū)，各測(cè)區(qū)測(cè)線向均與河道走向垂直，且各測(cè)區(qū)均設(shè)置2～3 條重合測(cè)線。分區(qū)內(nèi)按《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS 131-2012）及垂直于測(cè)線的方向布設(shè)檢查線，長(zhǎng)度為總測(cè)線長(zhǎng)度的5%左右。此次待測(cè)河道共布設(shè)400 條測(cè)線和10 條檢查線。

河道四周地形開(kāi)闊，GNSS 信號(hào)基本不受遮擋和干擾，同時(shí)以河道附近CORS 站展開(kāi)平面定位。工程河段水深較淺，水體水溫變動(dòng)小，故取河道聲速值均值。使用無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)完成整個(gè)河道數(shù)據(jù)采集耗時(shí)短，測(cè)量效率高，工作時(shí)間大大節(jié)省。施測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)人船水下地形施測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

3.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)采集到的測(cè)值進(jìn)行聲速、水位、姿態(tài)、吃水等改正[3]。該河道水深淺，流速較大，施測(cè)期間水文數(shù)據(jù)基本一致，故各項(xiàng)改正值通過(guò)1 個(gè)總值反應(yīng)。總改正值采用校正法得出，即使用測(cè)深桿在不同水深區(qū)探測(cè)水深，并通過(guò)無(wú)人船在相同位置測(cè)量水深，兩次測(cè)值的差值便是該深度下的總改正值。

無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)采用回聲探測(cè)測(cè)深儀，聲波發(fā)射后遇到水草、魚(yú)群、懸浮物后會(huì)產(chǎn)生回波，接收到的測(cè)值可能存在異常，這種異常點(diǎn)大部分能通過(guò)數(shù)字濾波得到處理[4]。剩余的異常點(diǎn)只能借助人工篩查方式應(yīng)對(duì)。具體而言，將經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入EPS2018 繪圖軟件，構(gòu)建三角格網(wǎng)并生成0.5m 高距的等高線，線圖中所存在的異常密集區(qū)即為異常點(diǎn)所致；將所對(duì)應(yīng)的高程點(diǎn)刪除，采用同樣方式二次創(chuàng)建格網(wǎng)和等高線；如此循環(huán)往復(fù)，直至圖形內(nèi)無(wú)任何等高線異常密集區(qū)，則完成異常點(diǎn)處理。見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)值異常點(diǎn)處理前后的比較

3.3 精度驗(yàn)證

為確保測(cè)值精度及測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須展開(kāi)測(cè)深比對(duì)互差統(tǒng)計(jì)以及地形圖精度的驗(yàn)證。

3.3.1 測(cè)深比對(duì)互差統(tǒng)計(jì)

結(jié)合《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS 131-2012），當(dāng)水深在20m 以下時(shí)，測(cè)量圖上1mm 以內(nèi)水深點(diǎn)的深度比對(duì)互差限差取0.4m，如果深度比對(duì)超限點(diǎn)數(shù)比參加比對(duì)的總點(diǎn)數(shù)多20%，則應(yīng)重新施測(cè)。

以測(cè)深線和檢查線的交點(diǎn)為圓心，以1mm 為半徑在測(cè)圖上確定采樣范圍，計(jì)算采樣范圍內(nèi)的檢查點(diǎn)和測(cè)深點(diǎn)的測(cè)深互差。此次測(cè)量共設(shè)置檢查點(diǎn)216 個(gè)，其中3 個(gè)為超限點(diǎn)，占比達(dá)到1.3%，未超出20%的規(guī)范限值，故測(cè)量精度符合規(guī)范。

3.3.2 地形圖精度驗(yàn)證

考慮到此次水下地形測(cè)量的目的，確保測(cè)量的精度，待水位下降后必須對(duì)漏出水面壩面及部分邊坡進(jìn)行驗(yàn)證此次驗(yàn)證采用全站儀極坐標(biāo)法展開(kāi)壩體地形圖的抽檢。

一般通過(guò)等高線表示水下地形起伏狀況，故通過(guò)等高線高程誤差以驗(yàn)證水下地形圖高程精度。壩面為平面，邊坡為1:2 的斜坡，起伏形狀不大。結(jié)合實(shí)際情況，通過(guò)全站儀免棱鏡模式采集到各河段檢校點(diǎn)，并在地形圖上推求檢校點(diǎn)高程插值。以全站儀實(shí)測(cè)高程值為真值H1，以高程插值為測(cè)量值H2，誤差統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

表2 誤差統(tǒng)計(jì)情況

根據(jù)高程誤差分布情況，其最小誤差為0.43m，最大誤差為1m，按照計(jì)算高程中誤差，其中M為高程中誤差，為高程較差，n 為檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。將該河道水下地形相關(guān)參數(shù)值代入后可以 得出此次測(cè)量高程的中誤差取±0.13m。因河道水下地形圖繪制時(shí)采用1:500的比尺，并按照0.5m 的取值確定基本等高距，故根據(jù)規(guī)范所確定的水域高程中誤差為0.33m。通過(guò)比較看出，通過(guò)無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)得的水下地形圖高程精度符合規(guī)范。

4 結(jié)論

綜上所述，無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)在河道水下地形測(cè)量中的應(yīng)用可行高效，且該測(cè)量技術(shù)具有智能化、模塊化、自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)，測(cè)量精度有保證。通過(guò)對(duì)測(cè)深互差的比較以及對(duì)地形圖精度的驗(yàn)證，測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測(cè)深數(shù)據(jù)精度高，相關(guān)結(jié)果均符合規(guī)范。應(yīng)用過(guò)程也表明，無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)基本搭載有電子羅經(jīng)，能夠?qū)崟r(shí)記錄測(cè)船位置、姿態(tài)、穩(wěn)定性等基本參數(shù)，對(duì)于流速及風(fēng)浪過(guò)大的施測(cè)環(huán)境，船體搖晃幅度較大時(shí)，必須展開(kāi)高精度姿態(tài)校正。鑒于本文所測(cè)河道水流流速小，測(cè)船船體施測(cè)期間基本穩(wěn)定，并未涉及船體姿態(tài)校正，故無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)姿態(tài)校正問(wèn)題有待進(jìn)一步分析探討。