史 磊

(哈爾濱市水文水資源勘測總站，哈爾濱 150010)

0 引 言

在江河湖泊等水域中，水下地形測量為河道疏浚工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在抗洪搶險中可以預(yù)判險情的危險程度，同時水下地形測量的數(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。水下地形測量原理是在測量船上實(shí)時進(jìn)行記錄點(diǎn)的位置定位和水深值的數(shù)據(jù)疊加。測量船上搭載GNSS-RTK與單波束測深儀的組合是當(dāng)前內(nèi)河水域應(yīng)用最為廣泛的水下地形測量技術(shù)。GNSS-RTK定位可以實(shí)時獲得厘米級的平面和高程數(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)水下地形測量的數(shù)字化。在過去的較長一段時間，水下地形測量所搭載的水上交通工具，主要以沖鋒舟和小型船只為主, 橡皮艇有時也會采用。這些水上交通工具在多數(shù)情況下測量起來是高效且安全的，但在藻類茂盛、地形復(fù)雜的小湖泊、池塘和小型水庫等淺水水域進(jìn)行水下地形勘測工作時，利用上述水上交通工具來完成測區(qū)任務(wù)就會遇到許多困難。例如水域獨(dú)立封閉時，船只無法進(jìn)入測區(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，同時也給船上工作人員帶來一定安全風(fēng)險。因此，在淺水水域下能夠得到實(shí)時、高效、安全、精準(zhǔn)、完整的水下地形數(shù)據(jù)，是水下勘測工作人員面臨的新課題。

1 iBoat BM1型無人測量船概述

構(gòu)成智能無人船測量系統(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深船水上勘測三大部分，其中主要核心系統(tǒng)有船載平臺、船載操控、定位與測深、無線傳輸、岸基控制、智能避障、視頻可視系統(tǒng)等。運(yùn)用無線電通訊實(shí)現(xiàn)岸基控制與測深船之間的交互。岸基操控部分可以通過控制軟件對船體姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時控制，結(jié)合水深數(shù)據(jù)實(shí)時顯示地形變化。而GNSS-RTK基站與流動站的通訊，與常規(guī)RTK工程測量一致，可選主基站為電臺模式UHF或者CORS網(wǎng)模式。

本次性能試驗(yàn)選用的iBoat BM1型智能無人測量船，船體尺寸為1.8 m×0.84 m×0.48 m(長×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級風(fēng)，3級浪，三體船型設(shè)計，船身流線型可以使水流對船體產(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，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)時多角度視頻傳輸當(dāng)前測量船視野內(nèi)的高清圖像；無人船內(nèi)置的HD-MAX測深模塊量程范圍為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案例概況及需求分析

本次進(jìn)行水下地形測量測區(qū)選在松花江哈爾濱段中的支流水域，該段水域位于陽明灘大橋東側(cè)，屬于水源保護(hù)區(qū)范圍。水下地形圖的獲得是通過需要的測圖比例尺，按照相應(yīng)的河道斷面測量要求進(jìn)行帶狀河道斷面測量而得到水底高程，經(jīng)過數(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，測區(qū)沒有可供測量用的船只。

3) 水下藻類大量繁殖，螺旋槳容易被纏繞。

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

根據(jù)以上分析，無人測量船能夠較好地克服水深過淺、水草藻類大量繁殖、近岸淤泥較深的惡劣測區(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)，滿足水下地形測量的規(guī)范要求。

3 無人船試航數(shù)據(jù)采集方法及難點(diǎn)解決

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

圖1 iBoat無人船衛(wèi)星影像地圖

2) 水域條件復(fù)雜。地形規(guī)整的區(qū)段選擇自動航線進(jìn)行測量，而對障礙物多且貼岸水邊線不規(guī)整區(qū)段以手動控制無人船行走路線的方式補(bǔ)測完整。見圖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人船信號的覆蓋范圍更大，避免重復(fù)調(diào)整角度，增加搬站時間，從而提高作業(yè)效率。

圖2 無人船數(shù)據(jù)采集自動與手動操控記錄

4) 在測區(qū)直道斷面和彎道斷面處各測一個來回，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由測量員人工實(shí)測采集。

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

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

測深儀軟件優(yōu)點(diǎn)：

1) 測深點(diǎn)可進(jìn)行顏色漸變設(shè)置，直觀感受水域地勢深淺變化。

2) 測深點(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，紅色帶狀是模擬信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，讓兩者進(jìn)行匹配即可。在按距離采集數(shù)據(jù)時，遇有陡峭地形通過任意手動加點(diǎn)功能把漏掉的特征點(diǎn)進(jìn)行處理，使后處理時更加方便地準(zhǔn)確反映地貌特征。

圖3 測深儀軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理

4) 可通過采集數(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，潮位改可以根據(jù)當(dāng)前范圍內(nèi)測量時間段水位觀測站的水位進(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，還可在輸出成果時預(yù)覽，見圖4。

圖4 經(jīng)過簡單處理的帶狀河道地形預(yù)覽

4 結(jié) 語

在對松花江陽明灘大橋東側(cè)水域進(jìn)行水下地形測量數(shù)據(jù)采集時，對于藻類水草叢生、正常船只容易擱淺的測區(qū)，采用智能無人船是非常好用的一種測量方式。無人船界面可以整體合理設(shè)計測區(qū)工作航線，作業(yè)時操作靈活，可自由切換手動與自動控制模式，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)滿足測量精度要求。

本次試航的中海達(dá)iBoat智能無人測量船，其測深部件可拆卸替換。作為一種水上監(jiān)測平臺，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)測任務(wù)。

5 建 議

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

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

3) 在無人船與船控人員距離較遠(yuǎn)時，對船控人員的操作水平要求很高。手動模式下加裝一個可以在遙控器上實(shí)時顯示當(dāng)前無人船位置和視頻畫面的顯示屏，使操控人員能夠清楚監(jiān)控到無人船的周邊環(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)時播報，提高手動遙控的可操作性，更加準(zhǔn)確地判斷前方障礙。