楊宗澤

廣西壯族自治區(qū)百色水利電力設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 廣西 百色 533000

引言

在水利建設(shè)中，水下工程是一個(gè)至關(guān)重要的施工環(huán)節(jié)，而水下地形測(cè)量則是水下工程建設(shè)必不可少的前期作業(yè)，相對(duì)于陸地測(cè)量來(lái)說(shuō)，水下地形測(cè)量局限性更大，運(yùn)用以往的水下地形測(cè)量方法，往往會(huì)有測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性不足現(xiàn)象的出現(xiàn)，而且測(cè)量工作效率也比較低下，所以亟須通過(guò)改進(jìn)測(cè)量手段，提高水下地形測(cè)量工作效率，并優(yōu)化測(cè)量成果，有效分析和掌握無(wú)人船測(cè)量原理及其優(yōu)勢(shì)，并針對(duì)無(wú)人船測(cè)量在水利工程水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)獲取、地形圖繪制等作業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行深入研究，有助于促進(jìn)水利工程水下測(cè)量作業(yè)的高效開(kāi)展。

1 無(wú)人船測(cè)量原理

水下地形無(wú)人測(cè)量是綜合了全球定位，測(cè)深儀，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，單片機(jī)以及計(jì)算機(jī)等多種先進(jìn)設(shè)備，充分發(fā)揮全球定位載波相位差分，無(wú)線遙控和數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)深以及單片機(jī)等高端科學(xué)技術(shù)的各自優(yōu)勢(shì)，讓便攜式無(wú)人測(cè)量船通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)航和無(wú)線遙控沿著預(yù)先設(shè)計(jì)好的航線開(kāi)展水下地形測(cè)量，通過(guò)全球定位和載波相位差分得出測(cè)量位置的平面坐標(biāo)，信號(hào)接收機(jī)需要兩臺(tái)安裝于基準(zhǔn)站與流動(dòng)站的設(shè)備，公共開(kāi)放服務(wù)協(xié)議也可以實(shí)現(xiàn)這一功能，船體設(shè)置流動(dòng)站，預(yù)先設(shè)置好波特率和串口輸出，再與工控主板實(shí)現(xiàn)連接，以HY1500型號(hào)的數(shù)字測(cè)深儀為測(cè)量設(shè)備，它的作業(yè)流程需要有測(cè)深探頭并開(kāi)通電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，此外，無(wú)人船還通過(guò)自身搭載的電子羅盤(pán)通過(guò)得到與北方向的實(shí)時(shí)角度完成自動(dòng)導(dǎo)航功能，工控主板接收串口傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，無(wú)人船還搭載了控制模塊，它通過(guò)無(wú)線模塊的方式與岸基控制模塊交換數(shù)據(jù)，搭載于船體的軟件不只限于發(fā)送數(shù)據(jù)，它還負(fù)責(zé)對(duì)岸基信號(hào)進(jìn)行接收的持續(xù)檢測(cè)并向控制設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，若技術(shù)規(guī)定時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)岸基信號(hào)中斷，系統(tǒng)就會(huì)有返航指令發(fā)出，全球定位在接收數(shù)據(jù)的過(guò)程中隔一個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)有定點(diǎn)返航指令發(fā)出[1]。

2 無(wú)人船測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

由無(wú)人船實(shí)施水下測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)很多，它的水面航行可人工遙控也可設(shè)置為自主導(dǎo)航，把水下地形測(cè)量作業(yè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了無(wú)人智能化作業(yè)，最大限度弱化了人工因素，改變了傳統(tǒng)水下地形測(cè)量高強(qiáng)度作業(yè)模式，模塊化的先進(jìn)設(shè)計(jì)提高了作業(yè)質(zhì)量和效率，功能覆蓋全面。

2.1 區(qū)域測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

當(dāng)水下地形測(cè)量任務(wù)遭遇坎下或陡岸及水域面積太小的情況時(shí)，由于水下地形測(cè)量需要船載大量配套設(shè)備，還要由技術(shù)人員對(duì)計(jì)算機(jī)實(shí)施操控，為安全起見(jiàn)，通常需要超大載重的測(cè)量船完成作業(yè)，但是上述水域無(wú)法提供作業(yè)條件，讓測(cè)量作業(yè)面臨難以為繼的局面，而水域?qū)掗煹臏y(cè)量作業(yè)通常需要很長(zhǎng)的作業(yè)周期，無(wú)法適應(yīng)水下地形測(cè)量作業(yè)快捷高效的要求，無(wú)人船測(cè)量完美規(guī)避了上述問(wèn)題，以陡岸測(cè)量為例，它可在近岸水域行駛，水下地形圖紙的繪制更精確，危險(xiǎn)水域的測(cè)量由于可無(wú)人操作實(shí)現(xiàn)，最大限度保障了作業(yè)安全[2]。

2.2 攜帶運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)

相較于常規(guī)測(cè)量船，無(wú)人船的船身設(shè)計(jì)更小巧，自重更輕，便攜式的攜帶方式更方便，作業(yè)過(guò)程中船體運(yùn)動(dòng)更靈活，作業(yè)人員執(zhí)行外出測(cè)量任務(wù)時(shí)，一輛車(chē)的后備廂就可以把全部作業(yè)設(shè)備運(yùn)走。

2.3 智能避障

由于無(wú)人船的測(cè)量作業(yè)環(huán)境復(fù)雜且有很多不確定性因素，對(duì)此船體設(shè)計(jì)加裝了智能避障功能，遇到航行障礙時(shí)可自動(dòng)避讓，航行安全得到有效保障。

3 無(wú)人船水利建筑工程水下地形測(cè)量的具體應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)獲取

以百色市冬筍水廠取水口遷移工程建設(shè)勘察的水下地形測(cè)量為例。由岸基操作系統(tǒng)，船體測(cè)量系統(tǒng)共同組成無(wú)人船操作系統(tǒng)，在測(cè)量作業(yè)水域選擇下水條件較好區(qū)域泊船并平衡固定，實(shí)施發(fā)電機(jī)和平衡翼的安裝，以固定扣固定發(fā)電機(jī)，輸出接頭全部連接好，再進(jìn)行天線，攝像設(shè)備和全球定位的安裝，尤其要注意全球定位和攝像的安裝須全程雙手操作，確保不會(huì)落水。

安裝完成后便可在岸邊電腦上安裝好外置天線，啟動(dòng)電腦，架設(shè)好GPS基準(zhǔn)站，在岸基電腦打開(kāi)控制軟件，點(diǎn)擊屏幕工具欄選擇已知點(diǎn)校正，利用測(cè)量水域的坐標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合全球定位測(cè)量所得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)向系統(tǒng)輸入，由系統(tǒng)自動(dòng)生成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的匹配參數(shù)，再把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)文件導(dǎo)進(jìn)來(lái)，岸基控制軟件導(dǎo)入測(cè)量作業(yè)范圍，點(diǎn)擊繪圖工具進(jìn)行全局布線，完成無(wú)人船的航線設(shè)置，以人工遙控方式對(duì)無(wú)人船實(shí)施功能測(cè)試，確保全部功能正常后啟動(dòng)無(wú)人船發(fā)動(dòng)機(jī)，準(zhǔn)備開(kāi)始按預(yù)設(shè)航線行駛。

經(jīng)人工遙控測(cè)試無(wú)人船功能正常，船頭擺成朝向作業(yè)區(qū)域，對(duì)這一狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，此時(shí)無(wú)人船會(huì)開(kāi)始水中的自轉(zhuǎn)，持續(xù)兩三周自行停止，再在電腦上選擇校正選項(xiàng)，由無(wú)人船自主完成電子羅盤(pán)校正過(guò)程，這種對(duì)電子羅盤(pán)實(shí)施的標(biāo)定和校正，結(jié)合載波相位差分技術(shù)對(duì)無(wú)人船實(shí)現(xiàn)航線的確定，定位數(shù)據(jù)由此獲取，再結(jié)合船頭實(shí)際航向數(shù)據(jù)對(duì)位置和方向的偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的計(jì)算，動(dòng)作指令的發(fā)布即以偏移量計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)，進(jìn)而完成對(duì)無(wú)人船航行自主導(dǎo)航功能的設(shè)定。

傳統(tǒng)測(cè)量作業(yè)對(duì)電子羅盤(pán)的使用，是通過(guò)只讓電子羅盤(pán)實(shí)施一周的旋轉(zhuǎn)來(lái)確定朝北方向，無(wú)人測(cè)量船對(duì)電子羅盤(pán)的使用則是通過(guò)標(biāo)定讓電子羅盤(pán)對(duì)正北方向的確定更精準(zhǔn)，這樣可確保無(wú)人船按預(yù)設(shè)航線航行過(guò)程中航線保持更高的精確度，航程接近尾聲時(shí)以人工遙控把無(wú)人船精準(zhǔn)送入指定測(cè)量作業(yè)區(qū)域，選擇電腦上的記錄設(shè)置選項(xiàng)，把載波相位差分設(shè)置成載波相位差分固定解，對(duì)采樣間隔實(shí)施重新設(shè)置，使其保持按距離采樣設(shè)置，此時(shí)即可實(shí)施無(wú)人船沿航線走向的測(cè)量作業(yè)，通過(guò)岸基控制軟件，陸上人員可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人船實(shí)施測(cè)量作業(yè)的實(shí)況，無(wú)人船完成沿航線走向的測(cè)量作業(yè)即自動(dòng)返回啟航點(diǎn)位置，再通過(guò)人工遙控讓無(wú)人船安全回到靠岸位置。

對(duì)無(wú)人船測(cè)量作業(yè)進(jìn)行航線路徑的保存設(shè)置，一旦測(cè)量作業(yè)完成即由文件夾對(duì)航線路徑進(jìn)行保存，可實(shí)現(xiàn)載波相位差分三維坐標(biāo)的獲取，由測(cè)深儀對(duì)水深進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，結(jié)合之前的校正，所有坐標(biāo)數(shù)據(jù)均為準(zhǔn)確校正數(shù)據(jù)，鑒于無(wú)人船測(cè)量作業(yè)過(guò)程具有很大不確定性因素，外部因素影響較大，水深數(shù)據(jù)在后期實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整[3]。

打開(kāi)岸基軟件，選擇工具欄中的修改水深數(shù)據(jù)，導(dǎo)入測(cè)量時(shí)保存的航跡線文件，由水深數(shù)據(jù)推算水深范圍，據(jù)此設(shè)置水深縱向坐標(biāo)，進(jìn)而得到水深線的大致情況，由此發(fā)現(xiàn)水深線圖形顯示的水深數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤之處，可由人工操作對(duì)其進(jìn)行拖動(dòng)，使其回歸準(zhǔn)確水深線，對(duì)圖形中粗差過(guò)大的點(diǎn)位進(jìn)行刪除，對(duì)粗差進(jìn)行最大值和最小值允許范圍的設(shè)定，最后完成粗差剔除，也可由自動(dòng)修改按鈕點(diǎn)擊實(shí)施，缺陷是會(huì)錯(cuò)漏需要糾正的數(shù)據(jù)，水深數(shù)據(jù)處理完畢予以保存，系統(tǒng)會(huì)對(duì)航跡線進(jìn)行自動(dòng)生成，由文本格式文件依據(jù)X或Y以及點(diǎn)號(hào)和水底高程的樣本格式存儲(chǔ)于文件夾內(nèi)。

3.2 地形圖繪制

結(jié)合外出測(cè)量作業(yè)所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，利用對(duì)測(cè)深點(diǎn)平面位置進(jìn)行展繪，做好高程標(biāo)記，對(duì)等高和等深線進(jìn)行勾勒，最后繪制完成完整的水下地形圖紙，這是由無(wú)人船測(cè)量作業(yè)獲取水下三維坐標(biāo)的最有效應(yīng)用，水下地形無(wú)人測(cè)量無(wú)法可視化看到地形變化，也無(wú)法有效選取地形特征測(cè)量點(diǎn)位，水下地形測(cè)量圖形繪制過(guò)程如下[4]：①通過(guò)谷歌地圖對(duì)即將開(kāi)始水下地形測(cè)量作業(yè)區(qū)域進(jìn)行衛(wèi)星影像圖的下載，由于下載影像圖與測(cè)量比例不符，還要再次進(jìn)行影像圖的糾正。②目前用于影像糾正的軟件以CASS軟件技術(shù)最先進(jìn)，市場(chǎng)占有率最大，在此軟件中進(jìn)行展高程點(diǎn)的繪圖處理選擇，所有處理完畢的點(diǎn)都導(dǎo)入軟件，使其呈后置顯示，此時(shí)會(huì)看出影像圖與測(cè)量數(shù)據(jù)不匹配情況，可通過(guò)由旋轉(zhuǎn)到縮放再到平移的方式對(duì)影像圖進(jìn)行糾正，最后得到與實(shí)際測(cè)量區(qū)域完全匹配的影像圖。③由CASS軟件對(duì)水邊線進(jìn)行繪制，鑒于無(wú)人船可以實(shí)現(xiàn)水面高程的測(cè)量，可據(jù)此賦值水邊線高程，使測(cè)量點(diǎn)位與水邊線有機(jī)融入統(tǒng)一的整體系統(tǒng)。④要進(jìn)行等高線的生成，首先必須對(duì)數(shù)字地面模型進(jìn)行構(gòu)建，也就是三角網(wǎng)的構(gòu)建，剔除回車(chē)和坎高因素，系統(tǒng)會(huì)給出三角網(wǎng)過(guò)程或結(jié)果的顯示提示選項(xiàng)，徑直勾選結(jié)果顯示即可，勾選后由系統(tǒng)自動(dòng)生成三角網(wǎng)，進(jìn)而完成等高線的生成，再對(duì)等高線生成菜單進(jìn)行刪除三角網(wǎng)的勾選，把先前構(gòu)建的三角網(wǎng)全部刪除。⑤等高線的生成是不完美的，其中包含一些不合理的位置部分，要對(duì)此進(jìn)行修訂，找出等高線菜單，勾選局部替換功能，實(shí)施重新畫(huà)線作業(yè)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件會(huì)提示進(jìn)行等高線選擇，對(duì)等高線位置進(jìn)行勾選實(shí)施畫(huà)線作業(yè)，畫(huà)出合理的等高線位置，再把原等高線位置調(diào)到新畫(huà)位置，水下測(cè)量等高線繪制有很多不可視因素，導(dǎo)致等高線修改幅度較大，有時(shí)會(huì)面臨等高線的突變，這是由于前期水深的后處理沒(méi)有全部完成，這些等高線位置需要剪斷，由人工進(jìn)行修改。

3.3 精度評(píng)價(jià)

實(shí)際上，對(duì)無(wú)人船水下地形測(cè)量是有很高的精確度要求的，這個(gè)質(zhì)量控制過(guò)程的重點(diǎn)環(huán)節(jié)就是精度評(píng)定，水深測(cè)量檢測(cè)的常用方法是等精度觀測(cè)，就是設(shè)置適量數(shù)據(jù)的檢查線，使其和主測(cè)線呈垂直布設(shè)，檢測(cè)完成分別處理檢查線和主測(cè)線數(shù)據(jù)，匯集綜合分析比對(duì)數(shù)據(jù)的重合點(diǎn)和差異性，檢測(cè)其誤差范圍是否符合精度誤差的允許波動(dòng)值范圍[5]。

以某淺灘水域水下地形測(cè)量為例，設(shè)置80多個(gè)測(cè)量點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)其中40個(gè)測(cè)量點(diǎn)位數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)抽查和分析，對(duì)檢查線和主測(cè)線進(jìn)行各自統(tǒng)計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可以看到，兩種檢測(cè)線數(shù)據(jù)偏差不到0.1m有94%的占比，不到0.2m的有98%的占比，不到0.3m的全部達(dá)到，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)是0.09m，符合標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)限額0.4m的范圍。

4 誤差分析

無(wú)人船實(shí)施水下地形測(cè)量作業(yè)，載波相位差分技術(shù)是定位的關(guān)鍵依靠，這種技術(shù)雖然先進(jìn)，但是載波相位差分技術(shù)也有自身的缺陷[6]。

①受電離層影響較大，如果測(cè)量作業(yè)趕在了正午時(shí)分，此時(shí)共用衛(wèi)星數(shù)量不夠，容易造成載波相位差分固定解無(wú)法實(shí)現(xiàn)，給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差影響；②干擾因素太多，容易導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)接收不良；③岸基和船載數(shù)據(jù)交換有誤差現(xiàn)象；④受外界因素影響，測(cè)量作業(yè)在精確度和穩(wěn)定性方面都有待提高。

無(wú)人船實(shí)施水下地形測(cè)量出現(xiàn)誤差是很正常的現(xiàn)象，須在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中加以逐步克服，具體到本篇論文，影像圖都是由網(wǎng)絡(luò)下載使用的，實(shí)際操作中應(yīng)由無(wú)人機(jī)航拍完成影像拍攝再交由數(shù)據(jù)分析處理，以最終生成正射影像圖為準(zhǔn)，再把準(zhǔn)確的正射影像圖向CASS軟件導(dǎo)入，從而繪制出可信度較高的線畫(huà)圖，再結(jié)合水下地形測(cè)量實(shí)地?cái)?shù)據(jù)完成整體水下地形圖的繪制。

5 結(jié)束語(yǔ)

在具體實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，水利工程水下地形測(cè)量具備測(cè)量難度大、局限性強(qiáng)等實(shí)際特點(diǎn)，運(yùn)用傳統(tǒng)的水下地形測(cè)量方法，很難保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性與可靠性，為了有效彌補(bǔ)這一短板，相關(guān)人員應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)無(wú)人船測(cè)量技術(shù)研究，并針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在水利工程水下地形測(cè)量中的合理應(yīng)用進(jìn)行更深層次發(fā)研究與探索，以便為我國(guó)的水利工程建設(shè)提供助力。