摘 要：水下地形測(cè)量是航道整治作業(yè)的重要內(nèi)容，需要對(duì)水下地形測(cè)量相關(guān)內(nèi)容展開深入研究?；诖耍瑢⑺碌匦螠y(cè)量作為研究對(duì)象，分析無人船測(cè)量系統(tǒng)，研究其應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)，從架設(shè)基準(zhǔn)站、規(guī)劃航線、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、誤差分析、精度評(píng)價(jià)等維度，系統(tǒng)性分析無人船測(cè)量系統(tǒng)在水下地形測(cè)量的應(yīng)用，旨在為更多測(cè)量單位提供技術(shù)指導(dǎo)，提高水下地形測(cè)量質(zhì)量，建立安全可靠的航道系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：無人船測(cè)量系統(tǒng)；水下地形測(cè)量；技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P258 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-6903（2024）07-0082-03

1 無人船測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.1 船體

為提升無人船移動(dòng)的靈活性，在選擇船體材質(zhì)時(shí)，可以優(yōu)先考慮聚酯碳纖維材質(zhì)。船體質(zhì)量相對(duì)較小，在抗風(fēng)浪、防水防塵等均有較好表現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以根據(jù)搭載儀器設(shè)備數(shù)量、規(guī)格，對(duì)無人船大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加無人船測(cè)量系統(tǒng)的適用性

1.2 定位系統(tǒng)

利用發(fā)送GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）信號(hào)的方式，讓無人船在水域上實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。測(cè)量人員可以通過軟件系統(tǒng)確認(rèn)無人船當(dāng)前所處位置，查看是否偏離航道，以便快速調(diào)整無人船運(yùn)動(dòng)軌跡，降低測(cè)量數(shù)據(jù)誤差。

1.3 測(cè)深系統(tǒng)

根據(jù)水域測(cè)量的具體需求，設(shè)置測(cè)深系統(tǒng)的工作指標(biāo)，精準(zhǔn)獲取水域深度信息。無人船測(cè)量系統(tǒng)本身不承擔(dān)數(shù)據(jù)分析或處理工作，在獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后，會(huì)立刻傳遞給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到軟件系統(tǒng)中，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)做精細(xì)化處理，從源頭上實(shí)現(xiàn)快速提高測(cè)量數(shù)據(jù)處理效率目標(biāo)。

1.4 控制系統(tǒng)

測(cè)量人員在水域岸邊搭建由基準(zhǔn)站、通信設(shè)備等構(gòu)成的控制系統(tǒng)。在實(shí)踐當(dāng)中，測(cè)量人員可以根據(jù)場(chǎng)地條件，選擇自行架設(shè)用于通信、控制的基準(zhǔn)站。對(duì)于無人船運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)控制軟件、測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件，可以考慮直接引入相應(yīng)的軟件系統(tǒng)即可。

對(duì)于通信設(shè)備，則要確認(rèn)水域是否存在信號(hào)干擾源，是否需要做信息保護(hù)處理，選擇合適的通信設(shè)備，進(jìn)行無人船與基準(zhǔn)站的通信聯(lián)絡(luò)[1]。無人船測(cè)量系統(tǒng)可以應(yīng)用于潛水物種監(jiān)測(cè)、水下地質(zhì)勘探、水下地形測(cè)量等領(lǐng)域，本文將從水下地形測(cè)量的角度開展相關(guān)研究。

2 無人船水下測(cè)深系統(tǒng)分析

作為無人船測(cè)量系統(tǒng)核心組成部分，現(xiàn)階段應(yīng)用的測(cè)深系統(tǒng)可以細(xì)化為單波束與多波束兩類。兩者工作原理均是通過安裝在無人船上的換能器，以垂直向下的方式，向水域發(fā)射脈沖聲波。在聲波撞擊到水下物體時(shí)發(fā)生反射，再獲取回波，通過對(duì)比兩種波形的方式，完成水下地形的測(cè)量任務(wù)。

2.1 單波束測(cè)深系統(tǒng)

單波束測(cè)深系統(tǒng)是采用若干換能器，系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)簡單，在實(shí)踐中需要對(duì)無人船進(jìn)行定位處理，調(diào)整吃水?dāng)?shù)據(jù)，不會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)。在面對(duì)水下環(huán)境較為接近的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)位時(shí)，單波束測(cè)深系統(tǒng)無法獲取微地形數(shù)據(jù)，即測(cè)量精度相對(duì)較低。如果提高測(cè)量精度，就要提高測(cè)線的密度，這在一定程度上提升了無人船測(cè)量系統(tǒng)的投資成本。

2.2 多波束測(cè)深系統(tǒng)

多波束測(cè)深系統(tǒng)是采用多個(gè)換能器單元，通過構(gòu)成換能器陣列的方式，對(duì)水域發(fā)射若干波束，并接收不同方向的回波波束，以條帶測(cè)量方式，確認(rèn)水下地形的真實(shí)情況。多波束測(cè)深系統(tǒng)在應(yīng)用中，可以極大提升測(cè)量范圍，獲取擁有較高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量效率較高。而且多波束測(cè)深系統(tǒng)成功打破單波束測(cè)深系統(tǒng)僅能處理點(diǎn)、線等測(cè)量技術(shù)壁壘，以面的方式開展高精度測(cè)量，現(xiàn)階段可以達(dá)到對(duì)水下地形的三維立體化測(cè)量，強(qiáng)化水下地形的描述效果。

如果對(duì)接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化成圖。正因?yàn)槎嗖ㄊ鴾y(cè)深系統(tǒng)擁有這樣的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用在以海底為代表的大范圍水下地形測(cè)量作業(yè)中。不過多波束測(cè)深系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，實(shí)踐操作步驟多，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理相對(duì)較難。如果在無人船測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用中，單波束與多波束測(cè)深系統(tǒng)均可以應(yīng)用，優(yōu)先選擇單波束測(cè)深系統(tǒng)，不僅有利于提高使用便捷性，還可降低無人船測(cè)量系統(tǒng)的投資成本[2]。

3 無人船水下測(cè)繪的優(yōu)缺點(diǎn)分析

在以往的水下測(cè)繪作業(yè)中，需要測(cè)量人員通過儀器設(shè)備，確認(rèn)各個(gè)測(cè)量點(diǎn)位的深度數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的整理，確認(rèn)水下地形。但這種方法對(duì)于測(cè)量人員的工作經(jīng)驗(yàn)、儀器設(shè)備測(cè)量精度等有較高要求。而且搭乘測(cè)量人員的船只規(guī)模相對(duì)較大，不能移動(dòng)到一些面積相對(duì)較小的水域中。如果遇到大霧、暴雨等天氣，測(cè)量人員可能會(huì)面臨較大的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。

在應(yīng)用無人船水下測(cè)繪后，測(cè)量人員在岸上控制無人船移動(dòng)到指定測(cè)量點(diǎn)位，獲取相應(yīng)的深度數(shù)據(jù)即可。測(cè)量人員在獲得由無人船搭載儀器設(shè)備傳輸?shù)纳疃葦?shù)據(jù)后，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)驗(yàn)證與分析，極大降低對(duì)測(cè)量人員的專業(yè)能力依賴。相比于可以搭乘測(cè)量人員的船只，無人船體積更小，可以抵達(dá)湖泊、水庫、河道等水域開展測(cè)量作業(yè)，極大提升水下測(cè)繪作業(yè)的可行性。

無人船水下測(cè)繪也存在一定的缺點(diǎn)，即測(cè)量單位需要采購無人船設(shè)備，為保障測(cè)量數(shù)據(jù)精度，需要購置更先進(jìn)的儀器設(shè)備，對(duì)于測(cè)量單位的資金能力提出一定要求。以華微3號(hào)pro無人船為例，其采購價(jià)為20萬元，如果對(duì)測(cè)量具有其他要求，還需要額外購置例如防水倉、防水涂料等。如果是傳統(tǒng)的測(cè)量儀器，其采購價(jià)格在1 000元左右，租用船只價(jià)格為3 000～15 000元。通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，無人船測(cè)量系統(tǒng)的前期投入相對(duì)較大。

4 無人船測(cè)量系統(tǒng)在水下地形測(cè)量的應(yīng)用

在2022年度石屏縣異龍湖水下測(cè)量項(xiàng)目中，主要工作通過開展異龍湖界樁范圍內(nèi)水體的1：1 000水下地形測(cè)量，獲取DEM成果，為異龍湖水環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)，為信息化平臺(tái)“一張圖”奠定基礎(chǔ)。2023年度個(gè)舊市金湖水下測(cè)量項(xiàng)目中，主要工作通過開展個(gè)舊金湖水體的1：500水下地形測(cè)量，獲得DEM成果，為個(gè)舊金湖水環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)。這就需要掌握該項(xiàng)目所在的水下地形真實(shí)情況。

在異龍湖水下測(cè)量項(xiàng)目中，需要測(cè)量面積為36 km2的水域，最大水深為8 m。因?yàn)楸卷?xiàng)目所處的水域面積較大，平均水深相對(duì)較淺，流態(tài)相對(duì)較亂，無法采用常規(guī)的水下地形測(cè)量技術(shù)，所以在綜合分析后，決定使用無人船測(cè)量系統(tǒng)。

華微3號(hào)pro無人船的船身材料選擇聚酯碳纖維，搭載單波束測(cè)深儀+三維激光掃描儀，對(duì)水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)做實(shí)時(shí)化采集。根據(jù)測(cè)算，該無人船在搭載設(shè)備情況下，擁有6 m/s的最大航行速度。使用CORS基準(zhǔn)站通信模式，有效控制距離可達(dá)2 000 m，探測(cè)深度在0.15～300 m。

4.1 架設(shè)基準(zhǔn)站

通常情況下，在無人船測(cè)量系統(tǒng)的基準(zhǔn)站架設(shè)作業(yè)中，可以考慮使用網(wǎng)絡(luò)、CORS（Cross-Origin Resource Sharing，跨域資源共享）、電臺(tái)等通信模式。本項(xiàng)目水域周邊擁有較為開闊的地形條件，GNSS信號(hào)不會(huì)受到構(gòu)筑物的過多遮擋，無大功率的信號(hào)干擾源，可以在水域周邊建設(shè)CORS基準(zhǔn)站。

對(duì)本項(xiàng)目開展平面定位，用于輔助水下地形測(cè)量作業(yè)。在視野開闊的位置選擇一處控制點(diǎn)位，架設(shè)CORS基準(zhǔn)站，連接用于發(fā)射控制信號(hào)等設(shè)備，通過調(diào)整信號(hào)頻率，連接無人船搭載設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)校核處理。達(dá)到水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)精度后，再進(jìn)行無人船的組裝、設(shè)備的安裝作業(yè)。再次調(diào)整無人船定位數(shù)據(jù)與設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)，確認(rèn)控制臺(tái)信息滿足水下地形測(cè)量預(yù)測(cè)方案后，將無人船推入水域中，正式開始后續(xù)的水下地形測(cè)量作業(yè)[3]。

4.2 規(guī)劃航線

在水下地形測(cè)量作業(yè)中，需要做好無人船的航線規(guī)劃工作。通常情況下，增加測(cè)量點(diǎn)位的密度，就可以獲得更為精準(zhǔn)的水下地形數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分析水下地形真實(shí)情況。

在設(shè)置測(cè)量點(diǎn)位密度時(shí)，需要根據(jù)航線間隔、測(cè)量點(diǎn)位間距兩種因素綜合分析。考慮在使用測(cè)深儀的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）-RTK（Real - time kinematic，載波相位差分技術(shù)）技術(shù)，以適當(dāng)控制航線上的測(cè)量點(diǎn)位間隔方式，匹配多種比例尺標(biāo)準(zhǔn)的水下地形測(cè)量需求。如果測(cè)量點(diǎn)位間隔過大，獲取的水下地形可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的誤差；如果測(cè)量點(diǎn)位間隔過小，則會(huì)增加后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作量。

在本項(xiàng)目中，水域形狀狹長，測(cè)量單位將水域劃分成5個(gè)測(cè)量區(qū)域，參考河道走向，以垂直方向設(shè)置各個(gè)測(cè)量區(qū)域的測(cè)線，并且在每個(gè)測(cè)量區(qū)域設(shè)置2～3條的重合測(cè)線。參考《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》（JTS 131-2012），以垂直測(cè)線的方式，設(shè)置檢查線。在本項(xiàng)目中，設(shè)置400條測(cè)線+10條檢查線。

4.3 數(shù)據(jù)采集

在完成無人船的航線規(guī)劃工作后，確認(rèn)無人船是否連接牢固，儀器設(shè)備是否正常運(yùn)行，做好無人船與設(shè)備的加固處理后，通過控制臺(tái)，引導(dǎo)無人船沿著航線，根據(jù)距離進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)位間距保持在5 m左右即可。在這個(gè)過程中，儀器設(shè)備獲取的水下地形數(shù)據(jù)，會(huì)通過CORS基準(zhǔn)站進(jìn)行傳輸，完成遠(yuǎn)程無人船控制與精準(zhǔn)數(shù)據(jù)獲取。

4.4 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理過程中，需要根據(jù)儀器設(shè)備獲取的各類數(shù)據(jù)，對(duì)無人船的水位、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等進(jìn)行調(diào)整，提高數(shù)據(jù)獲取精準(zhǔn)。在本項(xiàng)目中，水域深度相對(duì)較淺，擁有較大的流速，在無人船航行過程中，無人船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)不需要做過大調(diào)整，即可獲取精度較高的水下地形數(shù)據(jù)。

在無人船測(cè)量系統(tǒng)中，搭載回聲探測(cè)測(cè)深儀，通過發(fā)射聲波-捕獲回波的方式，確認(rèn)水域水下地形的真實(shí)情況。但是，在聲波發(fā)射過程中，可能會(huì)遇到水草、魚群等障礙物，也會(huì)產(chǎn)生水下地形類似的回波。針對(duì)這種情況，可以通過數(shù)字濾波技術(shù)，將異常回波數(shù)據(jù)篩除，保留正常的水下地形回波數(shù)據(jù)即可。對(duì)于特殊的回波數(shù)據(jù)，則要依靠測(cè)量人員進(jìn)行人工檢查與篩除作業(yè)。

4.5 誤差分析

將無人船測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用到水下地形測(cè)量作業(yè)中，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差，誤差來源可以細(xì)化為無人船定位、運(yùn)動(dòng)等誤差。為提高本文內(nèi)容的參考價(jià)值，將對(duì)無人船運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的平面位置誤差與水下地形測(cè)量的聲速誤差進(jìn)行詳細(xì)分析。

對(duì)于平面位置誤差，是在無人船運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的船體姿態(tài)變化，造成GNSS的天線、換能器出現(xiàn)位置偏差，產(chǎn)生相應(yīng)的平面位置誤差問題。平面位置誤差D可以通過公式（1）表示。

D=（H+L）sinδ （1）

其中，δ是無人船在橫搖、縱搖期間發(fā)生的角度偏差；H是測(cè)深儀測(cè)量水下地形深度；L是GNSS天線與水面的距離。若想有效降低平面位置誤差，測(cè)量人員在控制無人船時(shí)，需要保持勻速航行。如果遇到風(fēng)浪，則要降低無人船的運(yùn)動(dòng)速度；在轉(zhuǎn)彎位置，則要做到緩慢轉(zhuǎn)彎，避免出現(xiàn)拐死角的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

對(duì)于聲速誤差，則受水體溫度、含鹽度、渾濁度等多種因素影響，計(jì)算公式可以參考公式（2）。

C=1 450+4.206T2-0.0366+1.137×（S-35） （2）

其中，C為水體中的平均聲速；T為水體溫度；S為水體含鹽度。在本項(xiàng)目中，水體含鹽度相對(duì)穩(wěn)定，需要關(guān)注水體溫度問題。建議在清晨開展水下地形測(cè)量作業(yè)，避免陽光輻射提高局部水體的問題，影響聲波傳遞與回波捕獲效果。

在水下地形測(cè)量實(shí)踐中，可能出現(xiàn)跳點(diǎn)現(xiàn)象，即測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)。測(cè)量人員需要在數(shù)據(jù)處理過程中，將引起跳點(diǎn)現(xiàn)象的測(cè)量數(shù)據(jù)手動(dòng)刪除，避免影響后續(xù)數(shù)據(jù)分析，降低水下地形測(cè)量誤差。

5 基于無人船測(cè)量系統(tǒng)的水下地形測(cè)量技術(shù)數(shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)

基于無人船測(cè)量系統(tǒng)的水下地形測(cè)量作業(yè)，需要做好數(shù)據(jù)精度的評(píng)價(jià)工作，確認(rèn)測(cè)量數(shù)據(jù)是否可以真實(shí)反映水下地形真實(shí)情況。一般情況下，會(huì)使用等精度觀測(cè)方法檢測(cè)水下地形深度測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，即前期通過設(shè)置與測(cè)線垂直的檢查線，后期處理測(cè)線數(shù)據(jù)與檢查線數(shù)據(jù)，檢查兩者的重合點(diǎn)位數(shù)據(jù)差異，確認(rèn)是否處于數(shù)據(jù)測(cè)量誤差精度范圍。在本項(xiàng)目中，設(shè)置400條測(cè)線+10條檢查線，以隨機(jī)選擇的方式，抽取500個(gè)測(cè)量點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，計(jì)算測(cè)線與檢查線標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)。

通過數(shù)據(jù)整理，可以確認(rèn)測(cè)線與檢查線標(biāo)準(zhǔn)差為0.09 m，小于0.4 m的標(biāo)準(zhǔn)限差。其中，誤差＜0.1 m的數(shù)據(jù)占比約為97%；誤差＞0.3 m的數(shù)據(jù)占比為0%，符合技術(shù)指標(biāo)?？梢宰C明，基于無人船測(cè)量系統(tǒng)的水下地形測(cè)量方案，可以反映該航道整治構(gòu)筑物修復(fù)項(xiàng)目的水下地形真實(shí)情況。

6 結(jié)束語

將無人船測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用到水下地形測(cè)量作業(yè)中，需要根據(jù)實(shí)際測(cè)量條件，選擇合適的無人船型號(hào)及搭載設(shè)備，結(jié)合本文理論內(nèi)容，設(shè)計(jì)出一套完善的水下地形測(cè)量方案。在方案執(zhí)行過程中，需要做好前期數(shù)據(jù)采集、后期數(shù)據(jù)處理工作，合理控制數(shù)據(jù)誤差，通過數(shù)據(jù)真實(shí)還原水下地形情況，方便后續(xù)對(duì)航道系統(tǒng)進(jìn)行整治作業(yè)。希望更多測(cè)量單位可以對(duì)無人船測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行多角度分析，加強(qiáng)系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 于南洋，董堰川，孔淋淋.水下地形測(cè)量中無人船測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國水運(yùn)，2023（9）：93-95.

[2] 喬晨輝，何小安.輕型無人船水下三維地形測(cè)量方法探討[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2023（16）：123-125.

[3] 毛鎮(zhèn)南.黃龍帶水庫庫容曲線復(fù)核及淤積現(xiàn)狀分析對(duì)策[J].云南水力發(fā)電，2023，39（8）：299-303.