史 磊

(哈爾濱市水文水資源勘測(cè)總站，哈爾濱 150010)

0 引 言

在江河湖泊等水域中，水下地形測(cè)量為河道疏浚工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在抗洪搶險(xiǎn)中可以預(yù)判險(xiǎn)情的危險(xiǎn)程度，同時(shí)水下地形測(cè)量的數(shù)據(jù)信息也是智慧城市在水務(wù)基礎(chǔ)信息建設(shè)方面的重要組成部分。水下地形測(cè)量原理是在測(cè)量船上實(shí)時(shí)進(jìn)行記錄點(diǎn)的位置定位和水深值的數(shù)據(jù)疊加。測(cè)量船上搭載GNSS-RTK與單波束測(cè)深儀的組合是當(dāng)前內(nèi)河水域應(yīng)用最為廣泛的水下地形測(cè)量技術(shù)。GNSS-RTK定位可以實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)的平面和高程數(shù)據(jù)，配合數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航、后處理軟件得到相應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)水下地形測(cè)量的數(shù)字化。在過(guò)去的較長(zhǎng)一段時(shí)間，水下地形測(cè)量所搭載的水上交通工具，主要以沖鋒舟和小型船只為主, 橡皮艇有時(shí)也會(huì)采用。這些水上交通工具在多數(shù)情況下測(cè)量起來(lái)是高效且安全的，但在藻類茂盛、地形復(fù)雜的小湖泊、池塘和小型水庫(kù)等淺水水域進(jìn)行水下地形勘測(cè)工作時(shí)，利用上述水上交通工具來(lái)完成測(cè)區(qū)任務(wù)就會(huì)遇到許多困難。例如水域獨(dú)立封閉時(shí)，船只無(wú)法進(jìn)入測(cè)區(qū)，沖鋒舟的螺旋槳很容易被水藻纏繞或是碰撞到水下障礙物導(dǎo)致螺旋槳損壞，同時(shí)也給船上工作人員帶來(lái)一定安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在淺水水域下能夠得到實(shí)時(shí)、高效、安全、精準(zhǔn)、完整的水下地形數(shù)據(jù)，是水下勘測(cè)工作人員面臨的新課題。

1 iBoat BM1型無(wú)人測(cè)量船概述

構(gòu)成智能無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)的框架體系包括岸基操控部分、GNSS基準(zhǔn)站定位解算部分和測(cè)深船水上勘測(cè)三大部分，其中主要核心系統(tǒng)有船載平臺(tái)、船載操控、定位與測(cè)深、無(wú)線傳輸、岸基控制、智能避障、視頻可視系統(tǒng)等。運(yùn)用無(wú)線電通訊實(shí)現(xiàn)岸基控制與測(cè)深船之間的交互。岸基操控部分可以通過(guò)控制軟件對(duì)船體姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，結(jié)合水深數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示地形變化。而GNSS-RTK基站與流動(dòng)站的通訊，與常規(guī)RTK工程測(cè)量一致，可選主基站為電臺(tái)模式UHF或者CORS網(wǎng)模式。

本次性能試驗(yàn)選用的iBoat BM1型智能無(wú)人測(cè)量船，船體尺寸為1.8 m×0.84 m×0.48 m(長(zhǎng)×寬×高)，靜水吃水深度為0.2 m，遙控距離約為2 km。船速在4節(jié)狀態(tài)下航行其續(xù)航時(shí)間可達(dá)到6 h左右，續(xù)航里程可達(dá)30 km；航行平穩(wěn)，可以抗5級(jí)風(fēng)，3級(jí)浪，三體船型設(shè)計(jì)，船身流線型可以使水流對(duì)船體產(chǎn)生的阻力減小。碳纖維材料使整船重量更輕，采用凱夫拉防彈布高強(qiáng)度玻璃鋼材質(zhì)可以使船體抗碰撞能力更好，尾部螺旋槳和船底齊平設(shè)計(jì)，適應(yīng)淺水區(qū)域，底部水刀可以防止水草、垃圾殘留物纏繞；可實(shí)時(shí)多角度視頻傳輸當(dāng)前測(cè)量船視野內(nèi)的高清圖像；無(wú)人船內(nèi)置的HD-MAX測(cè)深模塊量程范圍為0.15～300 m；基站通訊5 km，遙控器2 km，視頻傳輸5 km；超聲波避障。

2 松花江淺水水域?qū)崪y(cè)案例概況及需求分析

本次進(jìn)行水下地形測(cè)量測(cè)區(qū)選在松花江哈爾濱段中的支流水域，該段水域位于陽(yáng)明灘大橋東側(cè)，屬于水源保護(hù)區(qū)范圍。水下地形圖的獲得是通過(guò)需要的測(cè)圖比例尺，按照相應(yīng)的河道斷面測(cè)量要求進(jìn)行帶狀河道斷面測(cè)量而得到水底高程，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)后處理得到最終的水下地形圖。本次試驗(yàn)可能遇到以下幾種困難情況發(fā)生：

1) 測(cè)區(qū)的淺水區(qū)淺水處水深不足1 m。

2) 水域周邊及河底淤泥較厚，測(cè)區(qū)沒(méi)有可供測(cè)量用的船只。

3) 水下藻類大量繁殖，螺旋槳容易被纏繞。

4) 實(shí)測(cè)期間處于低水位，江面高度低于過(guò)水壩無(wú)法將測(cè)量船只駛?cè)霚y(cè)區(qū)。

根據(jù)以上分析，無(wú)人測(cè)量船能夠較好地克服水深過(guò)淺、水草藻類大量繁殖、近岸淤泥較深的惡劣測(cè)區(qū)環(huán)境，且能夠在保障人員安全的情況下獲取到完整的水下高程數(shù)據(jù)。無(wú)人船配備的HD-MAX后處理軟件能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，從而得到精度較高的水下數(shù)據(jù)，滿足水下地形測(cè)量的規(guī)范要求。

3 無(wú)人船試航數(shù)據(jù)采集方法及難點(diǎn)解決

1) 通過(guò)實(shí)地踏勘以及軟件自帶功能，可以加載測(cè)區(qū)衛(wèi)星影像地圖，見(jiàn)圖1。對(duì)無(wú)人船測(cè)量航線進(jìn)行路線規(guī)劃設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)地情況設(shè)定測(cè)量比例尺為1∶2 000，垂直于河道中心線布設(shè)測(cè)深線，測(cè)深線間距40 m，拐彎處加密斷面，斷面間距為20 m，河道中心線記為測(cè)深檢測(cè)線，測(cè)深定位點(diǎn)間距為10 m。

圖1 iBoat無(wú)人船衛(wèi)星影像地圖

2) 水域條件復(fù)雜。地形規(guī)整的區(qū)段選擇自動(dòng)航線進(jìn)行測(cè)量，而對(duì)障礙物多且貼岸水邊線不規(guī)整區(qū)段以手動(dòng)控制無(wú)人船行走路線的方式補(bǔ)測(cè)完整。見(jiàn)圖2。

3) 岸基架設(shè)位置選址。河道多數(shù)為帶狀地形，考慮到通訊要求，本次試航基站選在岸邊位置相對(duì)較高且距上下游適中的地方，目的是讓岸基通訊裝置接收無(wú)人船信號(hào)的覆蓋范圍更大，避免重復(fù)調(diào)整角度，增加搬站時(shí)間，從而提高作業(yè)效率。

圖2 無(wú)人船數(shù)據(jù)采集自動(dòng)與手動(dòng)操控記錄

4) 在測(cè)區(qū)直道斷面和彎道斷面處各測(cè)一個(gè)來(lái)回，校核水深數(shù)據(jù)采集是否正確；水面與陸地相接的水涯線采用GNSS-RTK由測(cè)量員人工實(shí)測(cè)采集。

5) 在數(shù)據(jù)采集時(shí)，距岸基較遠(yuǎn)和有障礙物遮擋時(shí)有數(shù)據(jù)回傳丟失，不能及時(shí)傳回岸基電腦里。通過(guò)電腦里的測(cè)深數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，可將未記錄的點(diǎn)重新進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

在本次淺水水域水下地形測(cè)量試驗(yàn)中，野外數(shù)據(jù)采集耗時(shí)半天，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)后處理半天。

測(cè)深儀軟件優(yōu)點(diǎn)：

1) 測(cè)深點(diǎn)可進(jìn)行顏色漸變?cè)O(shè)置，直觀感受水域地勢(shì)深淺變化。

2) 測(cè)深點(diǎn)取樣分析，排除非正常值。

3) 內(nèi)業(yè)處理人員可以根據(jù)模擬回波信號(hào)精確地進(jìn)行數(shù)據(jù)改正。圖3中藍(lán)色的線是數(shù)字信號(hào)，紅色帶狀是模擬信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，讓兩者進(jìn)行匹配即可。在按距離采集數(shù)據(jù)時(shí)，遇有陡峭地形通過(guò)任意手動(dòng)加點(diǎn)功能把漏掉的特征點(diǎn)進(jìn)行處理，使后處理時(shí)更加方便地準(zhǔn)確反映地貌特征。

圖3 測(cè)深儀軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理

4) 可通過(guò)采集數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行多項(xiàng)改正。如轉(zhuǎn)換參數(shù)改正、延遲改正、水面高程改正、吃水改正、聲速改正，依次把需要改正的數(shù)值輸入軟件。同時(shí)，潮位改可以根據(jù)當(dāng)前范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)間段水位觀測(cè)站的水位進(jìn)行相應(yīng)處理。

5) 整理完成的數(shù)據(jù)。根據(jù)需要的數(shù)據(jù)格式，可自定義輸出數(shù)據(jù)并導(dǎo)出成果，還可在輸出成果時(shí)預(yù)覽，見(jiàn)圖4。

圖4 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理的帶狀河道地形預(yù)覽

4 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)松花江陽(yáng)明灘大橋東側(cè)水域進(jìn)行水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)采集時(shí)，對(duì)于藻類水草叢生、正常船只容易擱淺的測(cè)區(qū)，采用智能無(wú)人船是非常好用的一種測(cè)量方式。無(wú)人船界面可以整體合理設(shè)計(jì)測(cè)區(qū)工作航線，作業(yè)時(shí)操作靈活，可自由切換手動(dòng)與自動(dòng)控制模式，數(shù)據(jù)采集界面直觀反映地形起伏變化，所采集的數(shù)據(jù)滿足測(cè)量精度要求。

本次試航的中海達(dá)iBoat智能無(wú)人測(cè)量船，其測(cè)深部件可拆卸替換。作為一種水上監(jiān)測(cè)平臺(tái)，根據(jù)任務(wù)需要可以搭載如側(cè)掃聲吶、水質(zhì)采樣設(shè)備等多種設(shè)備，可以靈活地完成多種水上監(jiān)測(cè)任務(wù)。

5 建 議

iBoat無(wú)人測(cè)量船仍有許多功能有待加強(qiáng)并在以下方面提出了幾點(diǎn)建議：

1) 無(wú)人船智能控制系統(tǒng)有待提高。在本次河道地形勘測(cè)試驗(yàn)中，仍出現(xiàn)了遇有障礙物沒(méi)有及時(shí)躲避的情況發(fā)生，在障礙物露出水面很小時(shí)或障礙物被水淹沒(méi)時(shí)，人工智能避障系統(tǒng)無(wú)法判斷前方是否有障礙物，造成無(wú)人船與之發(fā)生碰撞。建議水上水下各加裝一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控障礙物的避障裝置，以便為遠(yuǎn)距離時(shí)水下地形勘測(cè)提供安全保障，避免刮碰。

2) 無(wú)人船在與岸基進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，由于受岸基接收裝置的覆蓋范圍所限，需要實(shí)時(shí)調(diào)整岸基接收裝置的方向，當(dāng)無(wú)人船不在岸基接收數(shù)據(jù)范圍內(nèi)時(shí)，岸基軟件應(yīng)及時(shí)提示操作人員數(shù)據(jù)中斷或給出相應(yīng)解決辦法，避免漏測(cè)的情況發(fā)生。

3) 在無(wú)人船與船控人員距離較遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)船控人員的操作水平要求很高。手動(dòng)模式下加裝一個(gè)可以在遙控器上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前無(wú)人船位置和視頻畫(huà)面的顯示屏，使操控人員能夠清楚監(jiān)控到無(wú)人船的周邊環(huán)境。在數(shù)據(jù)采集中遇到有死角的地方，能夠運(yùn)用超聲波避障功能將前方障礙物與船體的距離進(jìn)行實(shí)時(shí)播報(bào)，提高手動(dòng)遙控的可操作性，更加準(zhǔn)確地判斷前方障礙。