無人測量船在水利工程測量中的應用

彭玉生

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 無人測量船

1.1 無人測量船簡介

無人測量船主要包括船體系統、測深系統、GNSS定位系統和岸基控制系統。船體系統包含動力、通信、導航、視頻監測、智能避障等；測深系統是由安置在船上的數字測深儀完成；GNSS 定位系統采用GNSS-RTK 動態差分定位，可采用在岸基架設基準站，也可采用CORS 網絡RTK；岸基控制系統由PC 設備、遙控器、無線電臺等設備組成。

1.2 無人測量船工作原理

無人測量船的工作原理如圖1：通過岸基系統PC 端劃定測區及布設航線，無人測量船接收指令開始進行自動航行測量，也可以通過遙控器手動遙控進行測量。已知聲波在水下的傳播速度為v，單波束測深儀通過換能器發射和接收到波束回波的時間間隔為t，則可計算出換能器至水底的深度S 為：

圖1 無人測量船工作原理圖

S=vt/2

由GNSSRTK 測量可以獲得GNSS 接收機相位中心實時三維坐標（X，Y，Z），GNSS 接收機相位中心到水面的高差值為h1，動態吃水和靜態吃水差值極小，可忽略不計，視吃水值為h2，可實時測出水底高程H 為：

H=Z-S-h1-h2

由此可以得出GNSS 接收機正下方地形點的實時三維坐標為（X，Y，H），實現了水下地形點的測量。

2 應用實例

2.1 測區概況

解放水庫屬中型水庫，位于安徽省定遠縣境內。庫區現有水域面積3.6km2，深水區平均水深4.0m 左右。水庫周邊存在大面積淺水區域，水深不足0.5m，同時周邊還分布著100 多座魚塘，且大小、深淺不一。本次測量需要對庫區水域進行1∶2000水下地形測繪，平面坐標系統采用2000 國家大地坐標系，高程系統采用1985 國家高程基準，在前期準備工作中已求得測區轉換七參數。常規測量方法進入淺灘和魚塘測量比較困難且效率低下。無人測量船體積小、重量輕、吃水淺、便于運輸等特點在此次項目中發揮了重要作用。

2.2 外業實施

2.2.1 航線規劃

外業實施前在PC 端打開AutoPlanner 控制軟件，連接到網絡并打開合適的衛星影像圖。在衛星影像圖中選擇測區或者導入測區邊界，軟件自動生成航線，并可根據需要，調節航線的方向和航線間的距離。航線規劃好后上傳至無人測量船。

2.2.2 數據采集

在作業現場檢查安裝好無人測量船，打開PC 端HydroSurvey 測深軟件，新建工程項目，輸入相關參數，設置數據記錄方式，引導無人船進入起始測量位置開始測量。作業人員需要時刻關注測量船的工作狀態，根據測深軟件的提示，在深水區域采用自動航行工作模式，當水深小于1.0m 時，切換遙控器手動控制進行水下數據采集。在對魚塘進行測量時，因塘內分布各種養魚設備，無法自動航行，故采用遙控器手動控制模式。由于魚塘間距離較近，遷站時直接采取人工搬運的方式，便捷且大大提高了作業效率。

2.3 數據處理

外業數據采集工作完成后，在PC 端利用HydroSurvey 測深軟件對所采集的數據進行處理。

（1）水深取樣。將測量完的數據按照成果要求進行采樣。采樣前，需要對數據進行篩選，剔除非固定解及異常水深地形點，然后根據項目要求選擇合適的采樣間隔，生成采樣文件。

（2）數據導出。將經過處理后生成的采樣文件通過軟件導出為需要的格式，HydroSurvey 提供了多種可選擇的導出格式，也可以自定義導出格式，得到水下地形點的三維坐標、水深數據等。

2.4 精度檢查

為了進行精度檢查，本項目按照規范要求布置了長度不小于測深線總長度5%的測深檢查線，且與測深線垂直。采用傳統水下測量方式（漁船攜帶RTK+測深儀或測深桿）進行測量，選取檢查線與測深線相交處，圖上1mm 范圍內的水深點的深度進行對比，無人測量船所測水深為H1,檢查點水深為H2，其精度統計見表1。

表1 無人測量船精度統計表

在《水利水電工程測量規范》（SL197-2013）中規定，當水深H ＜10m 時，測點深度中誤差限值為±0.15m。通過實測檢驗數據可以看到，利用無人測量船測量的水下地形點的精度滿足工程建設要求。

3 無人測量船誤差分析

3.1 傳播介質的影響

聲速是影響水深測量精度的關鍵因素，而影響聲速的因素有溫度、鹽度和壓力。聲速隨著溫度、鹽度、深度的增大而增大，其中與溫度的相關性影響最大，壓力次之，鹽度影響最小。為減弱或消除傳播介質的影響，對于深水區首先應進行聲速測量，然后根據測量的聲速剖面對水深數據進行改正，從而達到提高測量精度的目的。

3.2 風浪的影響

由于外界風浪的影響，船體前后或左右會發生一定的傾斜，測量誤差將隨著傾斜角度和水深的增加而變大，當傾斜度超過一定角度時，測量誤差將會超過限差范圍。因此實施測量前需根據天氣預報情況選擇適宜作業時間，常規經驗值為風力2 級以下。

3.3 水中雜物的影響

無人測量船搭載的是單波束測深儀，水中的漂浮物和水草等雜物對測深數據影響較大。因漂浮物產生的粗差數據可利用測深軟件進行剔除處理，當水草較多時不宜采用無人船進行測量。

4 結語

通過本項目的實踐應用，采用無人測量船進行水下地形測量在水利工程測量中是可行的，其高效、安全、便捷等特點，特別適合在淺灘、魚塘以及危險水域等區域使用，不僅提高了作業效率，保障了作業人員安全，同時保證了測量成果的精度，值得推廣。

但是以當前現狀綜合分析，無人測量船也存在以下不足：（1）在有漁網和水草較多的水域，其船槳易被纏繞，無法進行測量作業。（2）當遇到障礙物時無法有效避障，測量中容易發生碰撞、擱淺等情況，在復雜水域需要作業人員時刻通過人眼或攝像頭對前方水域進行觀察，對作業人員的操控能力要求較高。（3）單組電池續航能力有限，須配備多組電池才能滿足全天作業需求。隨著科技的發展，無人測量船技術將會不斷成熟，其應用也將會更加廣泛■