無人船測深系統在潮間帶地形測量中的應用

　　摘要：常規測量船在大潮期才能進行潮間帶地形測量，但由于潮間帶地形復雜多變，存在一定的安全風險，因此對其進行地形測量一直是工作難點。無人船吃水淺、輕便靈活、效率高，可有效克服常規測量船存在的問題，給潮間帶地形測量工作帶來了較大便利。介紹了無人船測深系統的組成與原理，并結合實例分析了無人船測量的優勢與不足，可為今后潮間帶地形測量工作提供參考。

　　關鍵詞：無人船測深系統;地形測量;潮間帶

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　　潮間帶是指平均最高潮位與最低潮位的海岸或河口感潮區域[1]。低潮時潮間帶地形的常規測量采用人工RTK或全站儀方式，高潮時采用常規測量船方式，進行岸上與水下的銜接[2]。因此，潮間帶地形測量的最佳時間段一般選在大潮期間，如果在小潮期間測量，岸上與水下銜接困難，作業受到很大的限制。此外，潮間帶地形復雜多樣，如遇淤泥灘或水下障礙物多的情況，人工RTK和常規測量船作業方式安全風險均高。潮間帶地形測量傳統作業方式存在諸多局限性，亟待研究更加便捷、安全的潮間帶地形測量作業方式。

　　無人船測深系統集合了無人駕駛、無線電實時通訊、數據自動采集傳輸等先進技術[3]。測量人員無需跟隨測量船載體，而是采用手動遙控和自動測量相結合的方式。該方式增加了作業的靈活性、便捷性，支持單人作業，很大程度上降低了安全風險。隨著無人船測深系統技術的成熟，在各個領域都得到應用。粱昭陽[4]利用無人船測量系統進行水庫地形測量，減少了測量空白區，提高水庫庫容測量的精度。黃國良等[5]將無人船測量技術應用到內河航道測量中，設計出一套適合內河航道測量的無人船測量系統，大大降低了安全風險。無人船系統在潮間帶地形測量中的應用研究較少，本文就此展開探討。

　　1 無人船測深系統組成及原理

　　無人船測深系統集合了CNSS接收機、單波束測深儀、數據傳輸系統以及其他測量傳感器，同時具備即時通訊功能、自動導航功能以及數據自動采集功能等。整個無人船系統可以分為船體、動力系統、通訊系統、數據自動采集系統以及控制系統[6]。各系統相互協作，保證了無人船測深系統測量工作的進行。船體為整個系統的載體，一般采用輕巧、強度高的玻璃鋼材質。在設計時，需要保證一定的抗風浪能力。動力系統為無人船航行提供持續動力，通常采用鋰電池供電。由于潮間帶往往存在水草、漁網、地籠等水下障礙物，無人船在動力設計時，其螺旋槳需要安裝保護罩。通訊系統通過電臺將無人船航行信息以及測量數據傳輸到岸臺系統，使測量人員實時了解無人船的作業狀態。控制系統由筆記本、遙控器等組成，控制無人船的工作狀態以及航行路線。工作狀態分為手動和自動。數據自動采集系統為核心部分，保障了整個系統的測深數據和GNSS定位數據的采集和記錄，為工作的便利，數據記錄格式與常規測量船作業方式保持一致。

　　無人船測深系統測量采用的是RTK三維水深測量原理，見圖1。利用GNSS RTK(實時動態)測量技術獲取厘米級定位，水深測量獲取水深數據，將GNSS天線和測深換能器置于同一垂直線上，計算測深換能器的瞬時位置和高程，再減去水深值，即可獲得換能器下點的水底高程。

　　GNSS RTK測量獲取的是大地高，需要將其轉換為正常高。GNSS RTK三維水深測量通常采用布爾莎七參數模型或者高程擬合模型。采用布爾莎七參數模型，需要在作業開始前設置轉換參數，在高程控制點上進行外符合檢驗，保證高程轉換的精度。對于RTK信號失鎖的情況，采用PPK后處理技術進行解算。

　　2 實例應用分析

　　2.1 項目概況

　　本文實例應用為上海軌道交通崇明線越江通道1：500水下地形測量，項目要求水下與陸地進行無縫銜接，地處長江南支河段，屬于感潮河段。測區受碼頭影響，常規測量船無法到達內檔區域。該處潮間帶為淤泥質灘地，低潮人工RTK作業方式安全風險極高，采用常規測量船作業方式需要等待大潮期，利用高潮位進行數據采集，作業條件受限。基于此，選擇無人船作業方式進行潮間帶水深測量。

　　2.2 施測過程

　　項目初期，對于整個區域進行GNSS靜態控制測量，求解出適合測區的轉換參數，大地高轉換為正常高采用布爾莎七參數模型。為檢驗高程轉換精度，利用計算好的轉換參數在控制點上進行RTK測量，轉換模型的外符合精度σt[7]為

　　檢驗結果見表1，高程外符合檢驗精度3.9 cm，平面外符合檢驗精度3.6 cm，優于JTS 131-2012《水運工程測量規范》規定的7 cm。

　　作業開始前，在采集軟件中設置轉換參數、靜吃水、聲速以及采樣間距等。對于無障礙的開闊水域，無人船采用自動導航模式，事先布置好軌跡線，無人船按軌跡線進行數據采集。對于碼頭引橋附近有障礙物的區域，采用手動遙控模式。由于保存的數據與常規測量船采集的數據格式一致，直接利用原先的水深處理軟件進行處理提取。數據檢查無誤，交內業編輯成圖。

　　2.3 測量精度分析

　　為檢驗無人船水深測量的質量，采用兩種方式進行比對。①將無人船測深數據與無錫海鷹的常規單波束測深系統HY1600采集的數據進行比對;②與丹麥RESON公司的SeaBat7125多波束系統采集的數據進行比對。詳細統計結果見表2，按公式(1)分別計算出中誤差為9.1 cm和12.3 cm，符合相應的規范要求。

　　3 結語

　　本文介紹無人船測深系統的組成以及基本測量原理，從實例出發分析無人船測量數據的精度，總結無人船具有吃水淺、靈活輕便、安全高效等優點，彌補了常規測量船在潮間帶地形測量中的短板，填補了人工RTK的空白。然而，無人船測深系統仍存在一些亟待改進之處，具體如下。

　　(1)無人船續航能力不足，需要多組電池輪換才能保障其長時間作業。

　　(2)雖然無人船吃水淺，可以到達極淺的水域，但常規單波束測深儀存在盲區，小于0.5 m測深儀采集不到數據，故需配備超淺型測深儀。

　　(3)目前通常通過人工干預的方式進行避障，更加智能化的自動避障無人船測量系統是未來無人船研究方向。

　　(4)盡管無人船采集的數據格式與傳統方式一致，但是目前水深編輯軟件處理數據過程中，容易錯過一些地形特征點，需要開發專門處理軟件。

　　參考文獻：

　　[1]吳敬文，張正明，杜亞南.基于多技術融合的潮間帶地形測量應用實踐[J].現代測繪，2018，41(2)：44-47.

　　[2] 崔竹沅，劉剛，奚萌，淺談潮間帶地形測量方法[J].北京測繪，2015.38(6)：141-142.

　　[3]林旭波，丁繼勝，唐秋華.基于GPS高精度定位的便攜遙控水上測量船技術研究及集成[J].測繪通報，2012(S1)：706-708.

　　[4] 梁昭陽，無人船測量系統在水庫地形測量中的應用[J].城市勘測，2018(1)：132-135.

　　[5]黃國良，徐恒，熊波，等.內河無人航道測量船系統設計[J].水運工程，2016(1)：55-59.

　　[6] 吳然，雷成彥，劉偉偉.無人測量船在實際水深測量作業中的應用研究[J].經緯天地，2018(2)：85-89.

　　[7]吳敬文，周儒夫，陳建明，等.RTK三維水深測量的實施與精度控制[J]現代測繪，2016，39(4)：18-20.