陳 鵬，劉存信，張世見

（山東省地礦測(cè)繪有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

近些年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家加大了水利等基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的投入力度，相應(yīng)的一些測(cè)量技術(shù)也受益于此，并獲得很大的優(yōu)化和完善。無人船測(cè)量在水下測(cè)量技術(shù)中是非常成熟和高效的技術(shù)，利用裝設(shè)電子測(cè)量和信息處理設(shè)備，使得無人船能夠更加有效完成水下測(cè)量任務(wù)。因?yàn)槠浯嬖诘囊恍┘夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，也得到業(yè)界高度的認(rèn)同，并成為目前廣泛采用的水下測(cè)量方式。而電子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，也會(huì)推動(dòng)無人船水下地形測(cè)量技術(shù)升級(jí)，無人船水下測(cè)量具備更廣闊的發(fā)展空間。

1 無人船水下地形測(cè)量技術(shù)概述

無人船水下地形測(cè)量技術(shù)中，無人測(cè)量船為載體，并加裝了一套性能強(qiáng)大的水域測(cè)繪系統(tǒng)，該系統(tǒng)軟硬件結(jié)合，船載設(shè)備包括聲納測(cè)深設(shè)備、GNSS、羅盤儀等，同時(shí)還需要配備岸基電腦操作導(dǎo)航及控制軟件。在測(cè)量時(shí)，無人船會(huì)在待測(cè)水域根據(jù)設(shè)定航線以固定速度行駛，行駛過程中對(duì)水下地形信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的即時(shí)采集，相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)生成測(cè)繪文件。通常情況下，水下地形測(cè)量方式大多采用單波束測(cè)深儀，該儀器被安裝在船上，與GNSS、后處理軟件設(shè)備等共同完成導(dǎo)航、定位、數(shù)據(jù)采集、信息處理等功能，并將所獲得數(shù)據(jù)信息自動(dòng)生成三維坐標(biāo)。

在實(shí)際的工程水下測(cè)量過程中，需要解決一些技術(shù)性難題，包括測(cè)量船難以靠近的淺水區(qū)域、水流湍急區(qū)域、河流阻斷水域等，此時(shí)，利用無人測(cè)量船是比較適宜的測(cè)量方式，無人船既能夠沿著設(shè)定航線進(jìn)行測(cè)量工作，也可以通過遙控方式完成測(cè)量作業(yè)，各種測(cè)量環(huán)境都可以很好地適應(yīng)。

2 無人船水下地形測(cè)量案例分析

采用無人船進(jìn)行水下地形測(cè)量，需要根據(jù)具體測(cè)量對(duì)象和內(nèi)容研究作業(yè)的船型和實(shí)施方式。為更有效闡述相關(guān)流程，文章通過實(shí)際測(cè)量案例進(jìn)行相應(yīng)的解釋和說明，進(jìn)而提高文章的針對(duì)性和實(shí)用性。

2.1 無人船測(cè)量水域基本情況

本次測(cè)量水利工程為某水庫(kù)，該水庫(kù)水域共4.8 km2，位于某河流支流上游。整個(gè)水庫(kù)工程規(guī)模為中型水庫(kù)，實(shí)際設(shè)計(jì)功能主要包括：供水、防洪、灌溉、觀光、養(yǎng)殖等。無人船測(cè)量區(qū)域的水下平均深度約5.2 m，其最深處可以達(dá)到15 m左右。水下地形比較復(fù)雜，整體呈東北部深西南部淺的形狀，且擁有大小不一幾個(gè)孤島。水庫(kù)西南部較淺區(qū)域有許多魚類養(yǎng)殖圍網(wǎng)，水庫(kù)北部近岸區(qū)有大量蘆葦。測(cè)量作業(yè)時(shí)段為10月份，是水庫(kù)捕魚期，對(duì)整個(gè)作業(yè)過程有一定影響。

測(cè)量作業(yè)任務(wù)是完成水庫(kù)水域內(nèi)水下地形的測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果按照比例尺規(guī)格為1∶2000標(biāo)準(zhǔn)輸出。為保證達(dá)到測(cè)量精度，無人船航線以40 m作為間隔，在測(cè)量航線上間隔10 m設(shè)置數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。因?yàn)楸敬螠y(cè)量選用無人船測(cè)量設(shè)備具有自動(dòng)采集功能，其自動(dòng)設(shè)置的采樣間隔會(huì)比人工設(shè)定的間隔稍小，因此，在最終獲得數(shù)據(jù)的處理上需要適當(dāng)進(jìn)行抽稀。實(shí)際測(cè)量中，對(duì)于水下地形有比較大的起伏或地形復(fù)雜的情況，測(cè)量中會(huì)根據(jù)具體情況適當(dāng)降低航線間隔和測(cè)量采樣點(diǎn)間距，以保證地形測(cè)量的充分精確。

2.2 無人測(cè)量船的硬件組成及其技術(shù)內(nèi)容

本次測(cè)量任務(wù)所選用的無人測(cè)量船主要包括兩個(gè)組成部分：一是探測(cè)船。探測(cè)船主要的構(gòu)成部分又分為船體、推進(jìn)器、船載主控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、基礎(chǔ)電源以及無線傳輸系統(tǒng)等，其中，船體、推進(jìn)器和船載主控系統(tǒng)主要完成無人船的航行及航行控制功能，而測(cè)量系統(tǒng)、基礎(chǔ)電源及無線傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)量、通信及相關(guān)輔助功能。二是岸基礎(chǔ)控制系統(tǒng)。岸基礎(chǔ)控制系統(tǒng)主要構(gòu)成部分包括三個(gè)：筆記本電腦、基礎(chǔ)性通訊單元、基站，用于對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的收集整理，同時(shí)對(duì)進(jìn)行測(cè)量船遙控操作。

通信技術(shù)對(duì)于整個(gè)測(cè)量作業(yè)實(shí)施有著至關(guān)重要的影響，在通信技術(shù)選擇方面必須確保探測(cè)船與岸基礎(chǔ)控制系統(tǒng)的通信鏈接高效穩(wěn)定，才能充分保障對(duì)測(cè)量過程的完全控制，同時(shí)，大量測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，控制軟件通過無線通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量互動(dòng)，岸基礎(chǔ)控制系統(tǒng)將來自測(cè)量船的運(yùn)行參數(shù)和水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)完整接收，為數(shù)據(jù)處理可信度奠定技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)具有高度兼容特點(diǎn)，與RTK這種常規(guī)化工程測(cè)量技術(shù)相比，可以支持電臺(tái)模式和網(wǎng)絡(luò)模式，能夠充分表現(xiàn)出管控完整性優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在運(yùn)行系統(tǒng)化方面，其優(yōu)勢(shì)也非常顯著。

2.3 無人船水下測(cè)量技術(shù)路線的選擇

本次水庫(kù)水下地形測(cè)量選用的無人測(cè)量船具有比較先進(jìn)的智能避障功能，但在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)這些避障功能還不具備完全自動(dòng)化和智能化的運(yùn)轉(zhuǎn)水平，遇有特殊情況難以自主處理，還需要通過人工干預(yù)方式完成相應(yīng)的測(cè)量工作。尤其是與障礙物非常接近，或者對(duì)近岸水下地形進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)，當(dāng)無人船安全系統(tǒng)檢測(cè)到警戒距離范圍內(nèi)有障礙物時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)，以防與障礙物發(fā)生碰撞。此時(shí)，需要切換到人工遙控作業(yè)模式，將船內(nèi)裝設(shè)的避障系統(tǒng)屏蔽，才能繼續(xù)完成測(cè)量任務(wù)。因此，船體避障設(shè)備可以當(dāng)作是一種輔助性作業(yè)方式，在對(duì)水庫(kù)進(jìn)行水下地形測(cè)量的航線設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到這一問題，航線需要繞開障礙物較多的水面區(qū)域。在對(duì)無人船測(cè)量航線進(jìn)行設(shè)計(jì)前，需要首先對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行人工踏勘，對(duì)水面的障礙區(qū)以及圍網(wǎng)區(qū)等區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，確保航線的可行性和合理性。

內(nèi)業(yè)的任務(wù)首先是通過收集的地形圖資料與衛(wèi)星影像進(jìn)行套合，衛(wèi)星影像要確保是最新整理的資料。就目前的無人船測(cè)量技術(shù)而言，一些測(cè)量無人船的軟件可以直接下載目標(biāo)地域的影像資料，非常方便地在影像地圖上直接完成航線的設(shè)定。對(duì)于沒有待測(cè)區(qū)域地形圖的情況，可充分利用外業(yè)中采集到的現(xiàn)場(chǎng)特征點(diǎn)坐標(biāo)，再在內(nèi)業(yè)中利用CASS軟件對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整和校正，再利用經(jīng)過校正的衛(wèi)星影像來確定測(cè)量要避開的障礙區(qū)，對(duì)無人船的航線進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成的航線要通過軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)化并導(dǎo)入到岸基操控軟件中，文件以dxf格式進(jìn)行存放。測(cè)量前就能夠依據(jù)套合影像對(duì)航線中的那些障礙區(qū)進(jìn)行識(shí)別，包括淺灘、圍網(wǎng)、孤島和其他一些人工設(shè)施等。

在實(shí)際測(cè)量作業(yè)時(shí)，無人船會(huì)在超出操作者視線范圍時(shí)發(fā)生各種問題，諸如靠岸貼邊、擱淺、掛住圍網(wǎng)等情況幾乎不可避免，通過手動(dòng)方式對(duì)測(cè)量無人船進(jìn)行遙控以有效回復(fù)正常作業(yè)狀態(tài)是非常麻煩的事情。為盡量避免這些問題的頻繁發(fā)生，在外業(yè)操作前盡可能做好充分準(zhǔn)備，對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)可直接采用人工遙控方式完成作業(yè)任務(wù)，防止擱淺等問題發(fā)生。

2.3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，必須確保無線通信質(zhì)量，使得岸基基站數(shù)據(jù)、無人船GNSS坐標(biāo)數(shù)據(jù)、無人船測(cè)深數(shù)據(jù)等重要數(shù)據(jù)信息在數(shù)據(jù)采集過程中可以高效準(zhǔn)確傳送。首先，船載GNSS會(huì)接收到岸基基站發(fā)送的GNSS數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)完成測(cè)量船坐標(biāo)的精確定位，同時(shí)，船載電腦也會(huì)對(duì)所獲得的各種重要數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，包括船體的坐標(biāo)數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)以及無人船運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)等，這些數(shù)據(jù)信息都要實(shí)時(shí)進(jìn)行傳送，岸基基站的筆記本電腦接收相關(guān)信息，根據(jù)測(cè)量作業(yè)需要發(fā)送各種指令。其次，要確保整個(gè)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)不發(fā)生任何問題，如果任意一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都將對(duì)采集數(shù)據(jù)的精確性和可用性造成負(fù)面影響。為此，在外業(yè)作業(yè)過程中會(huì)選擇使用遠(yuǎn)距數(shù)據(jù)傳輸天線，使得傳輸質(zhì)量得到根本保障。在自動(dòng)巡航測(cè)量作業(yè)時(shí)，要考慮到設(shè)置合理的轉(zhuǎn)彎半徑，在障礙物和潛在障礙區(qū)域預(yù)先做好航線的設(shè)置，使得轉(zhuǎn)彎半徑可以滿足正常測(cè)量要求。必要時(shí)還需手動(dòng)遙控完成對(duì)特定區(qū)域的測(cè)量，保證采集數(shù)據(jù)完整可用。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，需要考慮測(cè)量精度的問題，因此在測(cè)量的距離間隔和時(shí)間間隔上，要有非常嚴(yán)格的控制。無人測(cè)量船測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)無法直接用作最終的效果圖中，必須通過粗差剔除、數(shù)據(jù)抽稀等一些數(shù)據(jù)處理操作，才能有效使用。本次測(cè)量的數(shù)據(jù)處理，針對(duì)水下地形數(shù)據(jù)通過無驗(yàn)潮模式進(jìn)行處理，水面高程數(shù)據(jù)以及水深數(shù)據(jù)經(jīng)過進(jìn)一步處理形成水下地形的正高數(shù)據(jù)。處理后，獲得水下地形等高線，這些等高線能夠非常直觀地描述出水庫(kù)水下地形。

2.4 測(cè)量精度檢核

對(duì)測(cè)量精度進(jìn)行檢核，這是核對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)精確性的必要工作流程，也是確定測(cè)量準(zhǔn)確性和可用度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在本次測(cè)量中，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的檢核通過兩種方式完成：一是無人船檢校航線自檢測(cè)校驗(yàn)，就是通過對(duì)無人船布設(shè)校驗(yàn)航線將已經(jīng)測(cè)量過的水下地形數(shù)據(jù)再次檢測(cè)，并與先前數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，完成自檢校；二是自動(dòng)記錄測(cè)深儀檢測(cè)進(jìn)行校驗(yàn)，選擇機(jī)船搭載自動(dòng)記錄測(cè)深儀對(duì)所測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校，該校驗(yàn)方式可以保證校驗(yàn)精度。

3 無人船水利工程水下地形測(cè)量應(yīng)用分析

基于實(shí)際測(cè)量案例的具體操作，可以對(duì)無人船水利工程水下地形測(cè)量的具體應(yīng)用狀況進(jìn)行分析，從中得出測(cè)量作業(yè)的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)于其他測(cè)量作業(yè)有一定參考借鑒價(jià)值。

3.1 確保操作人員的有效參與

無人船對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)量，這已經(jīng)是非常成熟并廣泛采用的技術(shù)方式，在作業(yè)過程中，有一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作流程需要得到嚴(yán)格落實(shí)。從前述水庫(kù)測(cè)量案例已經(jīng)看出，整個(gè)測(cè)量過程中所涉及到的數(shù)據(jù)采集、處理和校驗(yàn)環(huán)節(jié)，都需要人與設(shè)備的有效配合，才能最終保證測(cè)量結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。測(cè)量工作要將操作人員與水利工程測(cè)量作業(yè)的具體要求相結(jié)合，基于水域條件對(duì)水下地形進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)信息的深度處理和融合考慮到測(cè)量中對(duì)無人船航線造成干擾的影響因素較多且存在較大不確定性，完全依賴自動(dòng)航線測(cè)量難以保證其有效實(shí)施，需要人工采用遙控干預(yù)方式完成地形測(cè)定工作。整個(gè)測(cè)量過程中，基站操作要與無人船外業(yè)操作保持充分?jǐn)?shù)據(jù)共享，包括無線通信和操作指令能夠?qū)崟r(shí)完成。

3.2 確保數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確可靠

為確保測(cè)量精度和準(zhǔn)確性，包括岸基系統(tǒng)和測(cè)量船的定位系統(tǒng)，都應(yīng)該能夠提供精確的位置信息，這些信息內(nèi)容是整個(gè)測(cè)量的定位標(biāo)準(zhǔn)，如果這些數(shù)據(jù)不夠精確，那么整個(gè)測(cè)量的數(shù)據(jù)都將失真。為此，作業(yè)人員對(duì)于岸基系統(tǒng)基站位置的定位，必須在確保定位系統(tǒng)工作狀態(tài)良好的情況下嚴(yán)格根據(jù)操作流程來確定，這對(duì)于無人測(cè)量船完成測(cè)量工作流程達(dá)到設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)是必不可少的助力。在無線通信保障方面，也需要加強(qiáng)質(zhì)量控制，通過提升設(shè)備的性能使得測(cè)量船與岸基控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交流保持完整性和實(shí)時(shí)性。為此，可以考慮在適合環(huán)境中使用遠(yuǎn)距數(shù)據(jù)傳輸天線，通過設(shè)備功能強(qiáng)化以加強(qiáng)整個(gè)測(cè)量過程中無線通信的保障能力。

4 優(yōu)化無人測(cè)量船應(yīng)用效果的建議

無人測(cè)量船對(duì)水利工程的水下地形進(jìn)行測(cè)量，這是目前業(yè)內(nèi)高度認(rèn)可的技術(shù)模式，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步完善，測(cè)量精度、準(zhǔn)確性等方面都有顯著提升。而就目前發(fā)展水平來看，要優(yōu)化無人船測(cè)量效果，提升測(cè)量效率和準(zhǔn)確度很有必要。具體來說，無人船測(cè)量的應(yīng)用優(yōu)化措施可以從三個(gè)方面進(jìn)行：

4.1 優(yōu)化無人測(cè)量船的技術(shù)體系和運(yùn)行效率

優(yōu)化無人測(cè)量船的技術(shù)體系和運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)其全面升級(jí)，重點(diǎn)在于對(duì)避障功能進(jìn)行完善，提高無人船在復(fù)雜障礙環(huán)境中的運(yùn)行質(zhì)量。在實(shí)際操作中，更多采用人工遙控方式進(jìn)行操作來規(guī)避障礙物，但受視野盲區(qū)的限制，很難對(duì)障礙物的距離作出準(zhǔn)確判斷，這也是測(cè)量作業(yè)的安全隱患。通過優(yōu)化技術(shù)和操作保障無人船避障運(yùn)行能力，這是提升測(cè)量質(zhì)量的一個(gè)重要方向。

4.2 重視岸基系統(tǒng)的信息模塊質(zhì)量

無線通信對(duì)于整個(gè)測(cè)量作業(yè)而言是最重要的保障技術(shù)手段，通信質(zhì)量與岸基系統(tǒng)和無人測(cè)量船通信單元密不可分，確保信息模塊達(dá)到測(cè)量實(shí)時(shí)通信所需的完整性和有效性。一是要提升設(shè)備的整體技術(shù)性能，選用更高質(zhì)量的通信模塊設(shè)備完成相應(yīng)的功能；二是要加強(qiáng)操作管理，在通信過程中做好各種情況的預(yù)判和預(yù)案，出現(xiàn)問題能夠即時(shí)有效予以解決。

5 結(jié)束語

綜上所述，采用無人船對(duì)水利建設(shè)工程水下地形進(jìn)行測(cè)量，可以達(dá)到較高的自動(dòng)化和智能化水平，同時(shí)在測(cè)量精度和準(zhǔn)確性方面也有比較顯著的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際測(cè)量中，要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析，水面障礙物以及水深對(duì)測(cè)量的影響，都應(yīng)該作出準(zhǔn)確預(yù)判，并在航線設(shè)置過程中給予體現(xiàn)。在航線間隔和數(shù)據(jù)采集點(diǎn)距離設(shè)置上，要確保滿足測(cè)量的精度要求。數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)校驗(yàn)也是測(cè)量的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，應(yīng)該在實(shí)際測(cè)量中按照要求加以嚴(yán)格控制。