袁國友

（安徽省淮河河道管理局測繪院 蚌埠 233000）

1 引言

無人船是一種可以無需遙控，借助精確GNSS衛(wèi)星定位和自身傳感即可按照預(yù)設(shè)任務(wù)在水面航行的全自動(dòng)水面機(jī)器人，英文縮寫為USV。無人船系統(tǒng)融合了船舶、通信、自動(dòng)化、機(jī)器人控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自主導(dǎo)航、智能避障、遠(yuǎn)程通信、視頻實(shí)時(shí)傳輸和網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控等功能，可廣泛應(yīng)用于水下地形測繪、環(huán)境監(jiān)測、科研勘探、搜索救援、水域巡查乃至軍事領(lǐng)域。

2 無人船測量系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

2.1 無人船測量系統(tǒng)工作原理

無人船系統(tǒng)分為船體系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)，船體系統(tǒng)包含避障、視頻系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、船體構(gòu)造，作業(yè)系統(tǒng)包含測深系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)。

無人船測量系統(tǒng)是整個(gè)無人船系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著水深測量和導(dǎo)航定位任務(wù)，整個(gè)測量系統(tǒng)主要由數(shù)字測深儀、姿態(tài)傳感器、GNSS 接收機(jī)、全角度攝像頭及距離傳感器等多種高精密傳感設(shè)備。

整個(gè)系統(tǒng)的導(dǎo)航定位采用GNSS-RTK 動(dòng)態(tài)差分定位原理(如圖1 所示)，在岸基架設(shè)GNSS 基準(zhǔn)站接收GNSS 衛(wèi)星信號并將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給無人船上安置的GNSS 接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和導(dǎo)航功能。

無人船的核心設(shè)備之一是測深儀，水深測量由安置在船上的數(shù)字測深儀完成，其基本原理是利用換能器將電能轉(zhuǎn)換成聲能并向水底發(fā)射。聲能以回波的形式從水底返回，再通過換能器檢測回波電能信號，從而計(jì)算出傳播時(shí)間，根據(jù)聲速和時(shí)間計(jì)算出水深，在屏幕顯示出來，并且顯示回波圖形。

2.2 無人船的特點(diǎn)

無人船測量系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）獨(dú)立導(dǎo)航功能。在無人船中裝備有智能芯片，通過芯片工作人員可實(shí)時(shí)獲取無人船的GNSSS 路線，并將之與預(yù)先設(shè)定的航線坐標(biāo)對比，這樣可以實(shí)時(shí)進(jìn)行航線的調(diào)整。（2）智能避障功能。無人船的船頭部分安裝有攝像機(jī)和距離傳感器，工作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人船的航行情況，一旦遭遇障礙物時(shí)，傳感器可迅速傳遞距離信息給智能芯片，這時(shí)無人船會根據(jù)預(yù)設(shè)的安全距離數(shù)值，果斷采取避讓或停止的動(dòng)作，提升了無人船測量工作的效率和安全性。（3）實(shí)時(shí)通訊功能。無人船系統(tǒng)還安裝有數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和實(shí)時(shí)地圖傳輸設(shè)備，依托這兩種設(shè)備無人船可與岸上操控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)對接。（4）具有平穩(wěn)、持久的航行能力。無人測量船在硬件上作出了一些改進(jìn)和調(diào)整，如將傳統(tǒng)船只單體設(shè)計(jì)變?yōu)槿w設(shè)計(jì)，降低了船只重心，顯著改善了其抗風(fēng)浪的能力，使船在行駛中更加平穩(wěn)。

3 無人船水下地形測量實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

安徽省淮河河道管理局測繪院承擔(dān)了淮河干流安徽段10 余處崩岸的定期觀測任務(wù)，其中包括潁上境內(nèi)的高臺孜、王臺孜，鳳臺境內(nèi)的流沙洼、喬口孜、新建隊(duì)、啞巴渡，潘集境內(nèi)的光明、南湖等崩岸。由于上述崩岸每年沖淤變化比較大，河岸呈現(xiàn)不同程度的刷岸，河床呈現(xiàn)不同程度下切，安徽省淮河河道管理局對此保持特別關(guān)注，要求局測繪院每年汛前采用“斷面法”測量，并對崩岸變化進(jìn)行斷面套繪、分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，采取相應(yīng)措施防護(hù)處理。測繪內(nèi)容包括1 ∶1000 地形圖及斷面圖，斷面間距設(shè)為25～50m。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

圖1 無人船測量系統(tǒng)基本原理示意圖

考慮大部分崩岸距離確保堤防較近，地形圖及斷面測量范圍測至確保堤防背水側(cè)，測量包括陸上及水下兩個(gè)部分，陸上部分主要采用GNSSS-RTK 測量。RTK 定位技術(shù)就是基于載波相位觀測值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，實(shí)時(shí)提供測站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中相應(yīng)點(diǎn)的X、Y、Z 三維坐標(biāo)。北斗衛(wèi)星的投入使用，GNSS 接收機(jī)能搜索到更多的共同解算衛(wèi)星，使GNSS 接收機(jī)工作更穩(wěn)定。

水下地形部分采用無人船用“斷面法”進(jìn)行測量。為提高水下測量的精度和效率，安徽省淮河河道管理局測繪院中海達(dá)公司IBOAT BS2 多功能智能無人船測量系統(tǒng)，該設(shè)備搭載衛(wèi)星定位系統(tǒng)、波束測深儀、發(fā)射電臺、智能導(dǎo)航系統(tǒng)等軟硬件設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)設(shè)定航線、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)導(dǎo)航及進(jìn)行遠(yuǎn)程操作等功能，具有智能化高、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。在崩岸測量中，由于按航線自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)時(shí)有一定的轉(zhuǎn)彎半徑，可提前在障礙物周圍做好規(guī)避航線，實(shí)際外圍自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)后還要手動(dòng)遙控貼近障礙區(qū)域采集水深數(shù)據(jù)，盡可能采集完整。作業(yè)要求按1 ∶1000 測量水下地形，航線間隔25m，航向數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)間距5m，地形起伏較大處適當(dāng)加密。

3.3 數(shù)據(jù)處理

測量工作完成后，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)改正，數(shù)據(jù)后處理。獲得的數(shù)據(jù)還不能直接使用，需要進(jìn)行粗差剔除和數(shù)據(jù)抽稀，對實(shí)時(shí)獲得的水面高程和水深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到水底正高數(shù)據(jù)。及時(shí)將實(shí)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至計(jì)算機(jī)并生成原始文件，使用南方CASS7.1 繪制出崩岸地形圖。

將所有數(shù)據(jù)展繪于地形圖上，并參照斷面線檢查數(shù)據(jù)是否遺漏，點(diǎn)位間距是否合適，斷面點(diǎn)位偏離是否超限等。經(jīng)初檢無問題則導(dǎo)入Excel進(jìn)行處理。將屬于同一斷面的數(shù)據(jù)集合在一起，并按自左岸到右岸的次序排列，計(jì)算各點(diǎn)在斷面線上的映射點(diǎn)到基點(diǎn)之間的距離和各點(diǎn)偏離斷面線距離，并整理成斷面數(shù)據(jù)成果表。由斷面成果表將數(shù)據(jù)整理為繪制斷面圖需要的格式，采用專業(yè)繪圖軟件繪制dwg 格式的橫斷面圖。橫斷面圖橫比例尺為1 ∶1000，縱比例尺為1 ∶100。

地形圖及斷面圖繪制完成后，利用該段崩岸歷史資料中的地形圖及斷面進(jìn)行套繪比較，并結(jié)合本段崩岸的地質(zhì)及相應(yīng)時(shí)段的水文、水沙特性，對該段崩岸的河岸、河床變化進(jìn)行分析。

3.4 精度檢核

每處崩岸采集中提取了10 個(gè)特征點(diǎn)，通過人工測量的方式（漁船攜帶中海達(dá)HDmax 測深儀）驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。經(jīng)數(shù)據(jù)對比，平面誤差均在10cm 內(nèi)，水深數(shù)據(jù)誤差在5cm，最大誤差為8cm，滿足項(xiàng)目要求。

4 結(jié)語

經(jīng)上述實(shí)例驗(yàn)證，利用無人船水下測量技術(shù)獲取水下地形數(shù)據(jù)，能夠滿足大比例尺地形圖水下地形測量的精度要求，且在復(fù)雜水域條件下，能夠大大降低測繪人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，成倍提高了外業(yè)測量效率，避免了外業(yè)人員水上作業(yè)的危險(xiǎn)，對促進(jìn)測繪單位的發(fā)展、增強(qiáng)市場競爭力、提高技術(shù)服務(wù)水平大有裨益，具有良好的市場前景和發(fā)展趨勢■