山东省地质测绘院 山东省济南市 250002
摘要：水下地形测量是测量江河、湖泊、水库、港湾和近海水底点的平面位置和高程，用以绘制水下地形图的测绘工作。通过使用无人船搭载单波束测深仪、多波束测深仪、声学多普勒流速剖面仪、水质仪等多种数据采集设备进行海洋水下地形测量，可有效解决传统作业方式效率低下，受地形环境等因素限制较大的情况，能够满足传统测量方式难以完成的作业和工期要求。本文结合项目实际，通过无人船在海洋水下地形测量中的应用和数据处理研究，建立了完整的技术流程，得到符合精度要求的海洋水下地形测量成果数据。
关键词：无人船；海洋水下地形测量；应用；数据处理
引言
传统水下地形测量是将测深仪和 GNSS 接收机固定在船上，航行到指定位置，利用测深杆对水深进行测量，同时测定位置坐标信息。测量过程中由于风浪的干扰以及人为误差，常常造成数据精度低且工作效率低，作业时间长、成本高、危险性大，只适用于浅滩或浅水区域，水深较小、流速不大，无大风浪的区域。而无人测量船系统集成了 GPS 定位技术、无人船智能导航技术、自动避障技术、实时通信技术和声呐测深技术等先进的技术，完美地解决了这些问题。通过搭载 GNSS 导航设备和测深仪，无人船可以根据事先编辑任务指令在水上 GNSS自主导航，也可以随时自由切换手动和自动，适用于中小型河流、内陆江、河、湖泊等水域测量，也可应用于航道清淤、安全搜救、应急测绘等领域。
1.无人测量船技术简述
无人测量船集成了众多先进技术，主要包括 GPS 定位技术、无人船智能导航技术、自动避障技术、实时通信技术和声呐测深技术等，可对行走区域的位置、水深、流速、水质等参数进行快速准确的测量采集，适合城市中小型河流、内陆江、河、湖泊测流或测绘的超轻便型无人船。无人测量船是以无人船作为载体，主要对象为水库、河道、湖泊、港湾、海岸等水域，采用高精度 GNSS 接收机进行平面位置定位，船身自由选择搭载多种声、光、电磁高精度传感仪器，通过远距离无线遥控的方式，实时获取测区水下地形、地貌、水质和水文等信息。无人测量船由遥控无人测量船子系统和岸基控制子系统组成，遥控无人测量船子系统包括动力系统、电源系统、船上控制系统、单波束或多波束系统测深仪、ADCP、陀螺仪、GNSS 定位模块、CCD 摄像头和无线数据传输模块等；岸基控制子系统主要由交互式界面组成，通过无线传输协议，实时接收、分析、处理和显示遥测船体发送的数据，控制测量船走动或手动走线测量，并实现船只的自动回航，最后对采集的数据进行处理以及图件的绘制。
2.工程概况
项目位于长淮卫镇北侧淮河上，南岸接淮上村，北岸衔信弯村。蚌埠长淮卫淮河大桥全长 2．6 km，大桥宽 42．5 m，为双向 8 车道。大桥采用的是钢桁架结构。蚌埠市长淮卫淮河大桥是安徽省第一座钢桁架拱桥，于 2016 年底建成通车。蚌埠长淮卫淮河大桥是 S101和蚌埠中环线工程的重要控制性节点工程，建成后与G206、S306 等相连，将极大地缓解蚌埠市东部交通的通行压力。
3.无人船在水下地形测量中的应用
3.1作业流程
（1）开始作业前，首先设置测量软件的投影和坐标参数，对测深仪、笔记本等仪器设备进行检查，保证设备完好；
（2）对实验区进行观察，初步确定无人船行进路线（鉴于实验区湖泊形状不规则，部分区域水草较茂密，本次试验采取手动的航行方式）；
（3）无人船入水，操作人员站在视野开阔的地方，手动操作无人船航行，无人船每隔 5 m 进行一次水深和坐标数据采样；
（4）回收无人船，搬运至下一个试验区，进行下一个湖泊的测量；
（5）全部测量完成后，将数据导出，整理内业、编制绘图。
3.2外业数据采集
为提高水下测量的精度和效率，蚌埠市勘测设计研究院引用的无人船是中海达公司 IBOAT BS2 多功能智能无人船测量系统。
该系统搭载卫星定位系统、波束测深仪、发射电台、智能导航系统等软硬件设备，能够实现自动设定航线，自动采集数据，自动导航及进行远程操作等功能，具有智能化高、携带方便等优点。蚌埠市勘测设计研究院积极组织开展无人船测量技术培训，在蚌埠市长淮卫淮河大桥项目测量中，由于自动按航线导航作业时有一定的转弯半径，提前在障碍物周围做好规避航线，实际外围自动导航作业后还要手动遥控贴近障碍区域采集水深数据，尽可能采集完整。此次测量水面长约 1 370 m，宽 1 000 m，水域面积约 1．37 km2，水面来往船只比较多，水流比较急，水下地形因采砂变得比较复杂，南北两部较深，中部较浅，本次作业要求是按1 ∶ 1 000测量水下地形，航线间隔 50 m，航向数据采样点间距 20 m，地形起伏较大处适当加密。水下经过约 4个小时左右的作业，采集了所有的水深数据。
3.3数据处理
在所有测量工作完成后，进行数据改正，数据后处理。无人测量船同样是按一定的距离或时间间隔采集数据，对获得的数据还不能直接使用，需要进行粗差剔除和数据抽稀，对处理的水底正高数据这里采用的是无验潮模式，对实时获得的水面高程和水深数据进行处理得到水底正高数据，根据水底高程，得出 DEM，然后得出等高线和 TIN 成果，成果较直观地反映了水下地形状况。本次成功地利用了无人船技术获取了待测水下区域的数据，并通过数据处理生成了水下地形图。
3.4精度检核
本次作业区域在淮河某支流区段，测量环境晴朗无风，水面相对平静，适合无人船作业。在作业中通过遥控和自动操控中海达 BM1 无人船，按照设计的 10 条航线，共采集了 327 组数据，从中提取了 40 个特征点，通过人工测量的方式（渔船携带中海达 HDmax 测深仪）进行验证数据的准确性，无人船所测的水深数据为 H1，人工测量的水深数据为 H2。
3.5无人船的应用优势
相对于人工测量来说，无人测量船具有如下优点：
（1）租用的船只大多笨重，转场困难，需许多人协作，而无人船船体轻便，搬运方便，1—2 人即可轻松转场。
（2）人工测量在浅滩区域，船只容易搁浅，只能采取测量人员步行至指定地点进行测量的方式，耗时较长，而无人船下水方便，吃水较浅。
（3）无人船可以实现远程遥控航行或设置自动航行；人工测量，测量人员必须随船，存在安全隐患。
（4）人工测量在采集数据时，坐标数据与水深分别采集，同步性、准确性较低，而无人船可以实现自动采集数据，数据同步性、准确性较高。
（5）无人船可以设置采样间隔，在单位时间内采样数，远远高于人工测量。
（6）无人船在单位时间内，可以覆盖的水域面积远大于人工测量。
（7）无人船测量所需人工成本远低于人工测量。
结束语
综上所述，采用无人船测量系统对水塘水底高程进行了测量，并与人工测量方法进行比对，结果表明无人船测量数据精度高、稳定性强。无人船的引进，一定程度上填补了载人船在水下测量领域的空白，真正做到自动化、高精度、高效益，大大减少了野外测绘工作量，不仅提高了作业效率，也保障了作业人员的人身安全。本实验对无人船测量系统这种新的测量手段在测绘中的应用起到了很好的科技示范作用。无人测量船在抢险救灾、河道清淤、水库库容等工作中必将得到更广泛的应用，具有良好的市场前景和发展趋势。
参考文献：
[1]韦程文，杨啸宇.无人船在海洋水下地形测量中的应用和数据处理[J].北京测绘，2019，33（12）：1571-1573.
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[3]关雷，郑宝华，赵琳，勾昆，袁红.浅析无人船在水下地形测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2019，42（11）：202-204.
[4]关雷，郑宝华，赵琳，勾昆，袁红.浅析无人船在水下地形测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2019，42（11）：202-204.