李冠軍

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434）

目前廣泛使用的傳統(tǒng)水下地形測量方法是在載人船只上安裝單波束測深儀和GNSS定位裝置來獲得相應(yīng)點位的水下地形坐標(biāo)信息[1]。由于載人船只體積大、吃水深，不能靠岸和勘測淺灘地區(qū)，而靈活輕便的皮劃艇在水流湍急的水域又相對危險，因此水下地形測量就受到技術(shù)和地形限制而無法測繪出完整的水下地形圖[2]。通過引入無人船水下測量技術(shù)，配合水質(zhì)儀、多普勒流速剖面儀以及單波束測深儀等各種水下參數(shù)收集設(shè)備，就能夠有效解決傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中遇到的精確度低和測量受限等問題，盡可能地滿足水下測量項目的預(yù)期作業(yè)目標(biāo)和工期時限[3]。

1 無人船水下測量技術(shù)概述

無人船的水下測量技術(shù)是指將無人船作為工作載具，以湖泊、海岸、河道、水庫等水域為測量對象，利用GNSS高精度接收機來對平面方位進行定位，無人船體綜合搭載各種光、電磁、聲音傳感設(shè)備，以無線操控的形式動態(tài)獲得待測區(qū)域的水下地形、水質(zhì)、地貌等水文數(shù)據(jù)。無人船測量系統(tǒng)包括無人船遙控測量子系統(tǒng)和岸上基站控制子系統(tǒng)[4]，其中無人船遙控測量子系統(tǒng)由電力系統(tǒng)、船體操控系統(tǒng)、單波或多波束測量儀、GNSS定位設(shè)備、陀螺儀、數(shù)據(jù)輸送模塊等部分組成，岸上基站控制子系統(tǒng)采以互動界面的方式來對船體發(fā)出的數(shù)據(jù)信息進行接收、處理、分析和繪圖等操作，并操控測量模式的自動和手動切換，以及監(jiān)控?zé)o人船只的自動回航情況。

本文運用的無人船單波束測量模式的工作原理與傳統(tǒng)單波束測量原理一致，都是利用聲吶的回聲定位原理。設(shè)定換能器到水體底部的距離為h，換能器發(fā)射一束聲波到接收器接收到反射的回波所需的時間為t，聲波在水體中傳播的速度為v，就可通過公式h=vt/2獲得h的值。再結(jié)合GPS定位設(shè)備采集到的位置信息和高程信息，匹配得到水體底部的三維坐標(biāo)信息。

無人船的測量工作流程分為以下5個步驟：

1）設(shè)置參數(shù)：參數(shù)的設(shè)置包括走線、偏航、遙控、通信等基礎(chǔ)操作的預(yù)設(shè)，以及三維坐標(biāo)的投影和編輯。

2）采集數(shù)據(jù)：采集數(shù)據(jù)要保證對采集開始到結(jié)束的整個流程進行把控。

3）控制船只：控制船只包括自動回航和控制走線。

4）處理數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)處理的流程包括數(shù)據(jù)的初步篩選、修訂、以及數(shù)據(jù)格式和坐標(biāo)信息的轉(zhuǎn)化。

5）顯示數(shù)據(jù)：目前比較通用的顯示方式為實時信息顯示、水下地形顯示和軌跡圖顯示。

2 實例分析

2.1 項目背景

項目案例以上海橫沙東灘圈圍工程—護灘堤、保灘監(jiān)測及分析為例。上海橫沙東灘圈圍位于長江口最東端島嶼上，測量任務(wù)為新建護灘堤及外側(cè)圍區(qū)的長期監(jiān)測。其測量的主要難點包括：（1）測量海域位于長江口區(qū)域，未經(jīng)申報的載人船只不準隨意進入；（2）水深僅為1—5m，容易造成船只擱淺；（3）該海域受潮汐影響大且流向復(fù)雜多變，區(qū)域有人工拋石，載人船只通行的難度較高?？紤]到這些測量的技術(shù)難點，本項目選擇采取無人船進行水下地形的測量。

2.2 測量方法

基于測區(qū)手機信號較差，無法采用網(wǎng)絡(luò)RTK的模式進行無人船測量，本次測量采用架設(shè)基站配合網(wǎng)橋傳輸控制無人船的方式進行測量。

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計應(yīng)遵循模數(shù)協(xié)調(diào)原則，建立標(biāo)準化結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)化建筑空間尺寸[13]。項目建筑設(shè)計未嚴格遵循選材的模數(shù)要求，在項目圍護體系制作過程中，材料出現(xiàn)多次裁剪，造成了一定的浪費。通過項目實踐深切體會到，模數(shù)化是建筑工業(yè)化的基礎(chǔ)，實現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件和內(nèi)裝部品的標(biāo)準化、系列化和通用化[9]13，有利于組織生產(chǎn)、提高效率、降低成本。

無人船選擇華測華微六號無人型海洋探測船，船體配備GNSS自動導(dǎo)航系統(tǒng)，航行平穩(wěn)，續(xù)航時間長，最高航行速度可以達到5m/s。船體采用含纖維的高強度材質(zhì)，具備抗腐蝕、重量輕、防碰撞等優(yōu)點，是淺水海域水下測量的優(yōu)秀設(shè)備。無人船由控制系統(tǒng)進行自動和智能控制，其具體水下測量流程及方法如下：

1）船體下水

船體的總重量大約為15kg，為保障船體安全裝上浮體后只需要兩個人就可以完成下水作業(yè)，輕便靈活的船體和低吃水也為下水作業(yè)環(huán)境提供了更多選擇。船體下水完成后，可以自主選擇手動操控或自動巡航的方式航行。本項目采取斷面法實施測量，首先在Hydro Survey軟件的幫助下，按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準進行斷面區(qū)域計劃線的設(shè)置，計劃線需要按照工程實際情況盡量設(shè)置為與防浪堤成90°垂直的方向，斷面之間的間隔設(shè)置為100m。

2）巡航路徑規(guī)劃

由于待測區(qū)域被拋石劃分為多個區(qū)域，無人船作業(yè)時每個需要單獨規(guī)劃航線，劃分好待測區(qū)域，并為船只預(yù)設(shè)好巡航路徑和工作目標(biāo)之后，無人船就會開始自主巡航、障礙規(guī)避和完成工作，減少或完全排除了人力活動的參與。自動巡航的路徑規(guī)劃方法主要有兩種：一種是根據(jù)電子地圖來自動生成和規(guī)劃航線，另一種是根據(jù)軌跡分析結(jié)果來自動生成和規(guī)劃航線。

3）測量過程控制

無人船測量過程中應(yīng)保證風(fēng)力小于6級，如出現(xiàn)巨大風(fēng)浪使得船體左右搖晃程度過高，則應(yīng)立即暫停作業(yè)。無人船在進行水下測量時，應(yīng)做到盡可能保持直線和勻速航行，在轉(zhuǎn)換測線時切換手動，緩慢轉(zhuǎn)動，按照規(guī)范要求，實際航行線路和原計劃測線之間的偏移距離不應(yīng)超過測線間隔的50%[5]，靠近拋石時也需要切換到手動控制，保障無人船安全。本次測量過程中實際航線與計劃航線不超過5%。

4）數(shù)據(jù)記錄與傳輸

工作過程中可能會因預(yù)先設(shè)定的測點選擇不精確而導(dǎo)致出現(xiàn)漏測關(guān)鍵測點，因此需要導(dǎo)入模擬信號來對原始數(shù)據(jù)進行一定程度的補充和完善。完成記錄后，無人船利用相距大約1km的2.4G網(wǎng)橋或相距大約5km的2W電臺來進行水下的數(shù)據(jù)測量和三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的回傳，在實際工作中可按照實際需求和預(yù)算來選擇可行的數(shù)據(jù)記錄與回傳方式。

2.3 數(shù)據(jù)處理分析

1）數(shù)據(jù)處理與產(chǎn)出

數(shù)據(jù)處理的過程主要流程為：首先，過濾無人船在非固定解的情況下收集到的數(shù)據(jù)信息；其次，由于無人船巡航時發(fā)出的聲波可能在傳入海底的途中碰到水草群和移動的大型魚群就被反射回來，導(dǎo)致測量得到的水深數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，此時要根據(jù)原有資料和模擬數(shù)據(jù)對異常數(shù)值進行修正以保證水底的高程點數(shù)據(jù)得到展示；之后，考慮到無人船只在巡航過程中會受到海面波浪的影響導(dǎo)致船體發(fā)生搖擺，就要利用姿態(tài)傳感設(shè)備對獲取的測量數(shù)值進行自我糾正；此外，如果發(fā)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)點數(shù)過于密集，就可以通過提前設(shè)置濾波模式和間隔來對其進行“抽稀”，方便之后的數(shù)據(jù)產(chǎn)出和繪圖。

數(shù)據(jù)處理中使用到的軟件是Hydro Survey，操作時要首先選擇等待加工的水下測量數(shù)據(jù)文件，將需要加工的數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)換至適合的橫縱軸坐標(biāo)，觀察測線的數(shù)據(jù)信息，如有異常數(shù)據(jù)將其平滑并返回到正常的區(qū)間內(nèi)。待設(shè)定并測試好測線后，以5m為間隔設(shè)置數(shù)據(jù)的采集間隔，并完成數(shù)據(jù)的采集和處理。按照順序?qū)⒚恳粋€測線的水深數(shù)據(jù)都選取樣本后按日期分類保存到指定位置，在經(jīng)過修改和編輯后產(chǎn)出數(shù)據(jù)成果，并繪制水下地形圖。

2）精度檢查

水下地形測量，一個很重要的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)是精度評定。一般采用“等精度觀測”的方式對水深測量精度進行檢測，即布設(shè)不少于5%主測線的檢查線，且與主測線垂直[6]。水下地形測量完成后，分別對主測線和檢查線的數(shù)據(jù)進行處理，檢查主測線與檢測線重合點的高程差異，是否在規(guī)范允許的誤差范圍內(nèi)。項目主測線總長為8km，檢測線總長為1.8km，檢測線占主測線的22.5%，精度檢查時要選擇主要測線和檢測線相交的高程點進行比較，分別從海域的上、中、下游區(qū)域平均選擇50對點進行水下測量精度的檢查統(tǒng)計，見表1。

表1 主測線和檢測線重合點水深值比對統(tǒng)計表

經(jīng)檢測，合限點個數(shù)占總點數(shù)100%，水深中誤差為0.08m。統(tǒng)計結(jié)果顯示，無人船測量得到的海洋水下地形高程點數(shù)據(jù)精度高、結(jié)果可靠，滿足《水運工程測量規(guī)范》[7]的技術(shù)標(biāo)準要求。

3）成果分析

本次選用2020年7月至8月的2次測量數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果見圖1。

如圖1所示，本文選取連續(xù)四條斷面數(shù)據(jù)進行兩期對比，分別為7月份單波束測量數(shù)據(jù)和8月份無人船測量數(shù)據(jù)，縱軸為斷面數(shù)據(jù)高程信息，橫軸為斷面長度信息。選取對比數(shù)據(jù)的區(qū)域地勢比較平緩，兩次測量數(shù)據(jù)平面位置差異較小，高程信息也能夠反映出無人船測得數(shù)據(jù)與單波束測得數(shù)據(jù)比較一致，說明無人船測量數(shù)據(jù)精度可靠，能夠滿足本項目測量需求。

圖1 兩期測量數(shù)據(jù)斷面對比圖

3 結(jié)語

綜上所述，案例表明無人船測量在實際生產(chǎn)中完全可以按照《水運工程測量規(guī)范》[7]的相關(guān)標(biāo)準進行水下地形測量，測量結(jié)果同時具備準確性和可靠性。無人船最明顯的優(yōu)勢就在于其可以在危險、淺談、近岸等水域進行航行作業(yè)，可以補充載人船只在水下地形測量方面的空白區(qū)間，進而大幅度降低水下地形測量的工作周期，保障了測量工作的質(zhì)量和效率。盡管無人船水下測量具有可以預(yù)見到的市場潛力和發(fā)展方向，但這種測量方式目前仍處于實驗研究和推廣改進的階段，并不能做到大規(guī)模的投入使用。在進行正式的水下地形測量作業(yè)時，仍然存在各種技術(shù)難題，如數(shù)據(jù)接收存在時間差而導(dǎo)致其計算和傳輸?shù)南嗷オ毩?，并使得測點數(shù)據(jù)與水深不匹配等問題，這一問題可以通過采取特征點配對的算法來進行克服。總的來說，在不斷地實驗和推廣改進的過程中，目前無人船水下測量技術(shù)存在的問題和不足會一一得到改進，并在未來以高機動性和高安全度等優(yōu)點逐步取代傳統(tǒng)的水下地形測量方式，進而在海洋的航道測量、海洋地質(zhì)勘察和地貌繪制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?！?/p>