無人船測(cè)深系統(tǒng)在潮間帶地形測(cè)量中的應(yīng)用

錢輝　舒國棟　王露

摘要：常規(guī)測(cè)量船在大潮期才能進(jìn)行潮間帶地形測(cè)量，但由于潮間帶地形復(fù)雜多變，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)其進(jìn)行地形測(cè)量一直是工作難點(diǎn)。無人船吃水淺、輕便靈活、效率高，可有效克服常規(guī)測(cè)量船存在的問題，給潮間帶地形測(cè)量工作帶來了較大便利。介紹了無人船測(cè)深系統(tǒng)的組成與原理，并結(jié)合實(shí)例分析了無人船測(cè)量的優(yōu)勢(shì)與不足，可為今后潮間帶地形測(cè)量工作提供參考。

關(guān)鍵詞：無人船測(cè)深系統(tǒng);地形測(cè)量;潮間帶

中圖法分類號(hào)：TV221.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10. 15974/j.cnki.slsdkb.2019.10.004

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(qū)域[1]。低潮時(shí)潮間帶地形的常規(guī)測(cè)量采用人工RTK或全站儀方式，高潮時(shí)采用常規(guī)測(cè)量船方式，進(jìn)行岸上與水下的銜接[2]。因此，潮間帶地形測(cè)量的最佳時(shí)間段一般選在大潮期間，如果在小潮期間測(cè)量，岸上與水下銜接困難，作業(yè)受到很大的限制。此外，潮間帶地形復(fù)雜多樣，如遇淤泥灘或水下障礙物多的情況，人工RTK和常規(guī)測(cè)量船作業(yè)方式安全風(fēng)險(xiǎn)均高。潮間帶地形測(cè)量傳統(tǒng)作業(yè)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(cè)量作業(yè)方式。

無人船測(cè)深系統(tǒng)集合了無人駕駛、無線電實(shí)時(shí)通訊、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)[3]。測(cè)量人員無需跟隨測(cè)量船載體，而是采用手動(dòng)遙控和自動(dòng)測(cè)量相結(jié)合的方式。該方式增加了作業(yè)的靈活性、便捷性，支持單人作業(yè)，很大程度上降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著無人船測(cè)深系統(tǒng)技術(shù)的成熟，在各個(gè)領(lǐng)域都得到應(yīng)用。粱昭陽[4]利用無人船測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行水庫地形測(cè)量，減少了測(cè)量空白區(qū)，提高水庫庫容測(cè)量的精度。黃國良等[5]將無人船測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到內(nèi)河航道測(cè)量中，設(shè)計(jì)出一套適合內(nèi)河航道測(cè)量的無人船測(cè)量系統(tǒng)，大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。無人船系統(tǒng)在潮間帶地形測(cè)量中的應(yīng)用研究較少，本文就此展開探討。

1 無人船測(cè)深系統(tǒng)組成及原理

無人船測(cè)深系統(tǒng)集合了CNSS接收機(jī)、單波束測(cè)深儀、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及其他測(cè)量傳感器，同時(shí)具備即時(shí)通訊功能、自動(dòng)導(dǎo)航功能以及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能等。整個(gè)無人船系統(tǒng)可以分為船體、動(dòng)力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)[6]。各系統(tǒng)相互協(xié)作，保證了無人船測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量工作的進(jìn)行。船體為整個(gè)系統(tǒng)的載體，一般采用輕巧、強(qiáng)度高的玻璃鋼材質(zhì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證一定的抗風(fēng)浪能力。動(dòng)力系統(tǒng)為無人船航行提供持續(xù)動(dòng)力，通常采用鋰電池供電。由于潮間帶往往存在水草、漁網(wǎng)、地籠等水下障礙物，無人船在動(dòng)力設(shè)計(jì)時(shí)，其螺旋槳需要安裝保護(hù)罩。通訊系統(tǒng)通過電臺(tái)將無人船航行信息以及測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨杜_(tái)系統(tǒng)，使測(cè)量人員實(shí)時(shí)了解無人船的作業(yè)狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)由筆記本、遙控器等組成，控制無人船的工作狀態(tài)以及航行路線。工作狀態(tài)分為手動(dòng)和自動(dòng)。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)為核心部分，保障了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)深數(shù)據(jù)和GNSS定位數(shù)據(jù)的采集和記錄，為工作的便利，數(shù)據(jù)記錄格式與常規(guī)測(cè)量船作業(yè)方式保持一致。

無人船測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量采用的是RTK三維水深測(cè)量原理，見圖1。利用GNSS RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）測(cè)量技術(shù)獲取厘米級(jí)定位，水深測(cè)量獲取水深數(shù)據(jù)，將GNSS天線和測(cè)深換能器置于同一垂直線上，計(jì)算測(cè)深換能器的瞬時(shí)位置和高程，再減去水深值，即可獲得換能器下點(diǎn)的水底高程。

GNSS RTK測(cè)量獲取的是大地高，需要將其轉(zhuǎn)換為正常高。GNSS RTK三維水深測(cè)量通常采用布爾莎七參數(shù)模型或者高程擬合模型。采用布爾莎七參數(shù)模型，需要在作業(yè)開始前設(shè)置轉(zhuǎn)換參數(shù)，在高程控制點(diǎn)上進(jìn)行外符合檢驗(yàn)，保證高程轉(zhuǎn)換的精度。對(duì)于RTK信號(hào)失鎖的情況，采用PPK后處理技術(shù)進(jìn)行解算。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 項(xiàng)目概況

本文實(shí)例應(yīng)用為上海軌道交通崇明線越江通道1：500水下地形測(cè)量，項(xiàng)目要求水下與陸地進(jìn)行無縫銜接，地處長(zhǎng)江南支河段，屬于感潮河段。測(cè)區(qū)受碼頭影響，常規(guī)測(cè)量船無法到達(dá)內(nèi)檔區(qū)域。該處潮間帶為淤泥質(zhì)灘地，低潮人工RTK作業(yè)方式安全風(fēng)險(xiǎn)極高，采用常規(guī)測(cè)量船作業(yè)方式需要等待大潮期，利用高潮位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，作業(yè)條件受限?；诖耍x擇無人船作業(yè)方式進(jìn)行潮間帶水深測(cè)量。

2.2 施測(cè)過程

項(xiàng)目初期，對(duì)于整個(gè)區(qū)域進(jìn)行GNSS靜態(tài)控制測(cè)量，求解出適合測(cè)區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，大地高轉(zhuǎn)換為正常高采用布爾莎七參數(shù)模型。為檢驗(yàn)高程轉(zhuǎn)換精度，利用計(jì)算好的轉(zhuǎn)換參數(shù)在控制點(diǎn)上進(jìn)行RTK測(cè)量，轉(zhuǎn)換模型的外符合精度σt[7]為

檢驗(yàn)結(jié)果見表1，高程外符合檢驗(yàn)精度3.9 cm，平面外符合檢驗(yàn)精度3.6 cm，優(yōu)于JTS 131-2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的7 cm。

作業(yè)開始前，在采集軟件中設(shè)置轉(zhuǎn)換參數(shù)、靜吃水、聲速以及采樣間距等。對(duì)于無障礙的開闊水域，無人船采用自動(dòng)導(dǎo)航模式，事先布置好軌跡線，無人船按軌跡線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)于碼頭引橋附近有障礙物的區(qū)域，采用手動(dòng)遙控模式。由于保存的數(shù)據(jù)與常規(guī)測(cè)量船采集的數(shù)據(jù)格式一致，直接利用原先的水深處理軟件進(jìn)行處理提取。數(shù)據(jù)檢查無誤，交內(nèi)業(yè)編輯成圖。

2.3 測(cè)量精度分析

為檢驗(yàn)無人船水深測(cè)量的質(zhì)量，采用兩種方式進(jìn)行比對(duì)。①將無人船測(cè)深數(shù)據(jù)與無錫海鷹的常規(guī)單波束測(cè)深系統(tǒng)HY1600采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì);②與丹麥RESON公司的SeaBat7125多波束系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。詳細(xì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2，按公式（1）分別計(jì)算出中誤差為9.1 cm和12.3 cm，符合相應(yīng)的規(guī)范要求。

3 結(jié)語

本文介紹無人船測(cè)深系統(tǒng)的組成以及基本測(cè)量原理，從實(shí)例出發(fā)分析無人船測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，總結(jié)無人船具有吃水淺、靈活輕便、安全高效等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了常規(guī)測(cè)量船在潮間帶地形測(cè)量中的短板，填補(bǔ)了人工RTK的空白。然而，無人船測(cè)深系統(tǒng)仍存在一些亟待改進(jìn)之處，具體如下。

（1）無人船續(xù)航能力不足，需要多組電池輪換才能保障其長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。

（2）雖然無人船吃水淺，可以到達(dá)極淺的水域，但常規(guī)單波束測(cè)深儀存在盲區(qū)，小于0.5 m測(cè)深儀采集不到數(shù)據(jù)，故需配備超淺型測(cè)深儀。

（3）目前通常通過人工干預(yù)的方式進(jìn)行避障，更加智能化的自動(dòng)避障無人船測(cè)量系統(tǒng)是未來無人船研究方向。

（4）盡管無人船采集的數(shù)據(jù)格式與傳統(tǒng)方式一致，但是目前水深編輯軟件處理數(shù)據(jù)過程中，容易錯(cuò)過一些地形特征點(diǎn)，需要開發(fā)專門處理軟件。

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（編輯：李曉漾）