無人船多波束測深系統應用及精度驗證

米仁歡

（廣州港工程管理有限公司，廣東廣州 510730）

0 引言

隨著國家經濟快速發展，地理信息成果數據已成為國家基礎性、戰略性信息資源，廣泛服務于政府決策、資源普查以及應急保障等領域。陸地地理信息數據可以采用不同分辨率遙感衛星、傾斜攝影測量、北斗定位系統、車載移動測量設備以及三維激光掃描儀等設備獲取原始數據，經過專業處理軟件生成定位精度高、地理信息豐富的陸地基礎地理信息產品。但水下基礎地理信息產品獲取方式相對比較單一，難以滿足經濟快速發展的要求。隨著國家“經略海洋”戰略的提出，急需優化傳統的水域測量作業方式來獲取水庫、河道、淺灘以及深海等區域水下地形數據。

傳統的有人船測量方法存在船體不穩定、復雜區域難以保障安全等問題，為了克服解決這些問題，提高水下地形測量效率，無人船搭載GNSS 傳感器、測深儀成為理想的選擇。相關學者進行了一系列研究：文獻［1］提出基于無人船的水陸一體化測量方法，該方法通過在無人船上搭載的激光掃描儀、多波束測深組合導航系統，能夠有效采集陸地和水下地形數據；文獻［2］采用單波束測深系統測量魚塘水下地形數據，通過外業RTK 方式驗證單波束測深系統精度；文獻［3］提出RTK 三維水深測量技術進行多波束測深系統潮汐改正方法，通過編程實現數據準確、便捷水深提取工作；文獻［4］提出無人艇多波束測深精度分析方法，對多波束測深系統采集的數據進行成果內符合精度、外符合精度驗證；文獻［5］提出無人船水下測量精度控制措施，分析了影響水下地形測量精度的因素，并提出對應的改進措施。上述文獻對無人船在水下測量、精度提升等方面進行研究，但對于測深成果絕對精度驗證方面研究較少。

鑒于此，本文采用無人船搭載多波束測深系統、GNSS 等傳感器快速、高效獲取水下地形信息，通過相鄰航線重疊區域交叉測深點高程數據驗證多波束測深系統內部精度，結合外業RTK 測量的高程值數據對比分析驗證多波束測深系統絕對高程定位精度。本文詳細介紹利用華測華微三號無人船測量系統和GNSS-RTK 系統對廣州某地區4.5 km2魚塘水域水下地形測量。實驗結果表明：基于無人船多波束測深系統能夠較好地獲取水下地形數據，成果精度與作業效率相比傳統測量方法有較好的提高，具有較高的實用價值。

1 無人船多波束測深系統精度驗證原理

無人船多波束水深測量系統以無人船為移動平臺，裝備高精度的GNSS、激光掃描儀、多波束測深儀、高精度慣性設備等高精度傳感器，通過系統控制模塊對規劃后的航線進行控制，確保測區全部覆蓋，對采集數據利用無線傳輸的方式實時接收。無人船多波束水深測量系統主要包括無人船、多波束測量系統和岸基系統3 個部分。

1.1 GNSS差分定位技術

由于網絡RTK 技術能夠快速、準確地獲取厘米級定位精度，所以在實際工程應用中得到廣泛應用。文中利用兩臺GNSS 接收機配合，其中一臺固定在岸邊已知位置處作為基準站，另外一臺固定在無人船上作為流動站，流動站接收導航衛星信號并將接收到的觀測數據通過網絡傳送給基準站，通過差分解算方法獲取流動站與基準站間的基線向量，最終獲取流動站空間三維坐標值。

1.2 多波束測深系統原理

多波束測深系統通過數字測深儀能夠精確測得水下地形，獲得高精度的水下三維地形圖（坐標系統：WGS-84，高程系統：大地高）。該系統具有測量速度快、范圍廣、效率與精度高的特點，適合大面積水底地形測量工作。由于受到水下環境、測量距離等因素的影響，多波束測深系統通過束控法在線陣或面陣的發射器上發射一個微窄的超聲波，在接收陣上采用米爾斯交叉原理接收水底反射形成多路回收波，進而獲取精確的水深數據。

多波束測深系統是利用無人船搭載的發射換能器、接收換能器進行水深測量，通過超聲波在水介質中的反射實現距離測量。水深值通過超聲波在水介質中傳播到海底返回接收的時間差確定，具體解算公式如式（1）所示：

式中：D為反射轉換器到水底間距離；C為水介質內超聲波的傳播速度；Δt為數字測深儀發射超聲波與接收超聲波時間差。同時利用無人船上裝載的高精度GNSS 接收機，獲取該時刻GNSS 接收機位置的高程H1，則該時刻測量水底的水深高程值H如式（2）所示：

式中：H2為GNSS 接收機到水面的高度，該值為固定值；H3為無人船放入水中吃水高度值；αi為第i個探測器與垂直方向的夾角，該值為實驗室安裝角度，需要進行標定；ΔD為水下環境帶來的測量誤差。

相比較測深系統而言，多波束測深系統通過多個轉換器單元組成線陣或面陣的方式同時發射、接收多個超聲波束對水下地形進行測量，大大降低了數據獲取成本。

1.3 多波束測深系統誤差來源與評估方法

多波束測深系統誤差來源較多，基本可以分為系統誤差和偶然誤差。主要包括GNSS 定位誤差、水深測量系統安裝誤差、系統參數標定誤差、潮汐誤差以及聲速剖面誤差等。GNSS 系統定位時間系統、多波束測深系統以及姿態傳感器時間系統不一致，會帶來測深點的平面、測深誤差，導致不同條帶的測深數據測量水深不一致；水深測量系統安裝角度難以達到理論設計指標要求，導致不同條帶數據拼接時重疊部分水深不完全重合，越靠近邊緣部分誤差越大；多波束測深經過聲速跳躍層時由于聲的折射引起的聲速剖面誤差隨波束角的變化而變化，使得不同波束角測深精度不一致。

由于國內缺少多波束測深數據處理規范、完善的多波束水深測量質量評價體系，故文中采用水深測量極限誤差、主測線與檢查線交叉點不符值2 個指標對多波束水深測量值進行統計。

1）水深測量極限誤差。

交通部多波束測深系統、IHO 海道測量標準中對水深極限誤差規定為

式中：Δ 為水深極限誤差；a為系統誤差；b為水深誤差比例系數；d為測量水深值。

2）主測線與檢查線交叉點不符值。

由于水底高程真值通常難以獲取，故難以通過測量值與真值進行直接比較。采用不同測量波束獲取交叉值進行誤差統計，成為多波束測深系統內符合精度評價的主要方法。

2 工程實例

2.1 數據采集

為了驗證無人船多波束測深系統精度，文中選用華測華微三號無人船測量系統對廣州市某地區4.5 km2魚塘水域水下地形測量。該系統安裝24 VDC 轉220 VAC 逆變器和動力電池，GNSS 定位系統RTK 定位精度平面8 mm+1 ppm、高程15 mm+1 ppm，多波束測深系統的測深范圍為0.15～300 m、測深精度為1 cm+0.1%h 等。

為了保障多波束水深測量精度，在進行水深數據采集前，需對多波束測深系統安裝參數進行檢校。多波束測深系統以多波束聲吶安裝與水面交點為原始參考點，以船頭前進方向為Y軸正方向，船右舷為X軸正向，Z軸為垂直向下方向。在測量前后分別測量各傳感器相對參考原點位置值，取兩次參數平均值為最終的傳感器安裝參數。對于多波束測深系統轉化器安裝偏差測量的儀器，選擇在水深坡度變化顯著的碼頭進行測量。通過C—Nav3050 星戰定位設備輸出ZDA、1PPS 信號，使GNSS 的時間與多波束測深處理單元的時間精確同步，減少因時間延遲導致的系統誤差。

表1 系統檢校結果

2.2 航線規劃

根據測區范圍規劃無人船自動測量的航線。航線規劃如圖1 所示。

圖1 航線規劃結果

2.3 數據處理

按照數據處理規范，對測量得到的多波束測深數據進行數據處理。處理完成后，依據需求對數據進行重采樣，具體操作如下：

1）利用HydroSurvey 測量軟件對數據進行后處理，對需要處理的水深數據文件選擇合適的參考文件，打開水深提取文件；

2）設置數據重采樣間隔，依據參數在航線方向的采樣間隔取一個測量點；

3）對所有觀測數據重采樣后，生成最終的水下三維數據，最終的成果數據如圖2 所示。

圖2 水下三維數據結果單位：m

2.4 精度分析

為了驗證無人船多波束測深系統內部精度，先對單一航線獲取的水深數據進行單獨處理，然后將相鄰航線重疊數據進行求差運算。經統計，相鄰航線交叉點共計2 975 681 個，最大高程差值為0.21 m，最小高程差值為0.02 m，中誤差為0.08 m 遠小于水深0.056 m 的限差要求，成果內符合精度滿足各種規范要求。同時，由于本次測量水深比較淺，將池塘排空水后，再隨機選取30 個點位進行人工測量高程值。假定人工測量高程值為真值，將其與無人船多波束測深系統獲取的高程值進行比較，從而評定無人船測深系統絕對測深精度（外部精度）。

由圖3 可知：DZ 高程值小于0 的有12 個點，大于0 的高程誤差值有18 個，數據分布基本符合高斯分布情況。誤差最大值為0.112 m，最小誤差0.003 m，誤差絕對值小于0.04 m 的數量占80% 以上，表明無人船多波束測深獲取水下測高數據穩定性較強。

圖3 DZ 直方圖分布

3 結語

目前，無人船多波束測深系統技術還處于發展階段，技術尚不成熟，但近年來無人船測量技術為水下地形測量提供了一種新的測量方向。本文采用無人船搭載多波束測深系統測量水下地形數據，同時，驗證多波束測深系統成果精度，結果顯示：精度符合各種規范要求，解決水下地形難以測量問題，實現水下地形新的作業模式。隨著水下技術發展，無人船多波束水下測深技術應用越來越廣泛。