無人船測(cè)深儀在大斷面測(cè)量中的應(yīng)用

楊凱，曹雅昌，楊曉亮，郭振霆

（海河水利委員會(huì)海河下游管理局，天津 300061）

水文測(cè)驗(yàn)斷面的測(cè)量又稱為大斷面測(cè)量，是水文測(cè)驗(yàn)的基礎(chǔ)要求之一[1]。通常在水文站設(shè)站之前，對(duì)河床進(jìn)行大斷面測(cè)量；在汛期前后進(jìn)行2次測(cè)量，在發(fā)生大洪水后和斷面發(fā)生明顯變化時(shí)要組織開展校測(cè)。水文斷面測(cè)量包括橫斷面測(cè)量和縱斷面測(cè)量，其中歷史最高洪水位與河床線之間所包括的面積為大斷面。斷面測(cè)量是測(cè)定河床各點(diǎn)的起點(diǎn)距和高程，繪制斷面圖。通常起點(diǎn)距測(cè)量，使用全站儀直接測(cè)量水平距離。水下點(diǎn)高程測(cè)量[2]一般在水深較淺、流速較小區(qū)域，采用測(cè)深桿測(cè)深；在水深較深、流速較大區(qū)域，采用鉛魚測(cè)深；在面積較大水域，采用回聲測(cè)深儀測(cè)深。斷面測(cè)量精度直接影響流量測(cè)量，但如果采用常規(guī)測(cè)量方法需要多名水文人員配合操作，會(huì)導(dǎo)致對(duì)水深測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，并且存在人員安全隱患問題。

本文以J水文站為例，在斷面測(cè)量中使用無人船測(cè)深技術(shù)對(duì)水底高程進(jìn)行測(cè)量。通過將智能控制技術(shù)、無線通信技術(shù)與小型化遙控測(cè)量船結(jié)合起來，搭載測(cè)深儀傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷面水下地形地貌的快速測(cè)量，以檢驗(yàn)無人船測(cè)深方法的可操作性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1 無人船測(cè)深儀介紹

1.1 無人船測(cè)深儀組成

無人船測(cè)深儀由無人船、測(cè)深儀、RTK和地面站組成。無人船為BlueSounderT-Boat2多功能測(cè)量無人船[3]。該船為雙體流線船型，具有硬度高、重量輕，重心低，航行穩(wěn)，防沉、防顛覆、防水、防撞、防腐、防磨損特性，主要應(yīng)用于江河湖泊、水岸、海岸、碼頭等水域，通過人工遙控或自主巡航，實(shí)現(xiàn)常規(guī)或應(yīng)急水下地形地貌測(cè)繪、水文流量測(cè)量、水質(zhì)采樣、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水下暗管探測(cè)等水下作業(yè)。測(cè)深儀采用單波束測(cè)深儀，具有小巧、攜帶方便、使用簡單等特點(diǎn)，可搭載在無人船上進(jìn)行河道、湖泊、近海等水域精密水深測(cè)量。RTK選用iRTK5GNSSRTK，支持星站差分，采用全向電臺(tái)天線，內(nèi)置多協(xié)議電臺(tái)，為4 W超大發(fā)射功率，移動(dòng)站支持網(wǎng)絡(luò)中繼和電臺(tái)中繼。設(shè)備支持4 G全網(wǎng)通信和4 G網(wǎng)絡(luò)天線。地面站使用PC安裝無人船智能控制軟件和測(cè)深儀軟件進(jìn)行設(shè)備控制與數(shù)據(jù)采集。

1.2 無人船系統(tǒng)連接

無人船系統(tǒng)連接，如圖1所示。將通信天線和通信模塊通過串口連接到地面站后，即可運(yùn)行無人船智能控制軟件平臺(tái)。

圖1 無人船系統(tǒng)連接示意

無人船智能控制軟件平臺(tái)主要有4項(xiàng)功能：①串口通信管理；②控制模式選擇；③航線管理、預(yù)設(shè)航線下發(fā)；④控制指令下發(fā)。

1.3 航線管理

航線管理是無人船智能控制軟件平臺(tái)的重要功能之一，主要分為手動(dòng)設(shè)置航線和自動(dòng)路徑規(guī)劃兩種模式。

（1）手動(dòng)控制航線。一般情況下，采用手動(dòng)設(shè)置航線，實(shí)現(xiàn)航線路徑的自動(dòng)規(guī)劃。通過電腦端軟件設(shè)置航點(diǎn)，在航點(diǎn)設(shè)置完成后，按照設(shè)置順序自動(dòng)生成航線。

（2）自動(dòng)路徑規(guī)劃。在特定的水域內(nèi)有規(guī)則地進(jìn)行航點(diǎn)布置與航線規(guī)劃。通過電腦端軟件設(shè)置多個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，形成一個(gè)多邊形的圍欄，調(diào)整測(cè)量參數(shù)，確認(rèn)區(qū)域中航點(diǎn)布置與航線規(guī)劃。

1.4 操作流程

主要操作流程[4]如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)連接測(cè)試。將測(cè)深儀主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與電腦連接，在電腦端選擇設(shè)備型號(hào)、配置網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置，聯(lián)通系統(tǒng)。

（2）測(cè)深儀參數(shù)設(shè)置。設(shè)置天線高度和換能器吃水深度。

（3）聲速校準(zhǔn)。本試驗(yàn)在淡水水域進(jìn)行測(cè)量，選取溫鹽深公式進(jìn)行計(jì)算，通過測(cè)量水域的溫度、鹽度、深度，計(jì)算出正確的聲速值，下發(fā)參數(shù)。

（4）進(jìn)行水深測(cè)量，得到水底高程。

2 無人船測(cè)深儀測(cè)量與常規(guī)方法測(cè)量對(duì)比分析[5]

2.1 無人船測(cè)深法

在陸地架設(shè)地面站與無人船進(jìn)行通信，在電腦端規(guī)劃測(cè)量路徑，將無人船行駛至航線路徑，測(cè)深儀實(shí)時(shí)記錄路徑上各點(diǎn)水深，并通過軟件后處理功能計(jì)算數(shù)值。

2.2 鉛魚測(cè)深法

使用現(xiàn)有纜道和鉛魚測(cè)量水底高程，通過水位換算高程數(shù)據(jù)。測(cè)量人員利用對(duì)講機(jī)時(shí)刻進(jìn)行聯(lián)系，記錄數(shù)值。其中，水下點(diǎn)高程=水面高程（水位）-水深。

2.3 測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

選取南閘上、北閘下2個(gè)纜道斷面2020年11月24日測(cè)量結(jié)果，南閘上測(cè)時(shí)水位4.2 m，北閘下測(cè)時(shí)水位5.04 m。以南閘上水下24個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，大斷面測(cè)量結(jié)果及誤差詳見表1。

表1 南閘上大斷面測(cè)量結(jié)果及誤差

由表1可知，最大誤差為0.03 m。選取北閘下水下18個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，北閘下大斷面測(cè)量結(jié)果及誤差詳見表2。由表2可知，最大誤差為0.01 m。通過上述無人船和鉛魚測(cè)深數(shù)據(jù)對(duì)比，試驗(yàn)最大誤差為±0.03 m，繪制南閘上、北閘下斷面河底模型如圖2—3所示。

表2 北閘下斷面測(cè)量結(jié)果及誤差

由圖2—3可知，無人船與鉛魚測(cè)深的曲線基本重合，基本反映了河底高程情況，證明無人船測(cè)深數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。因此，無人船測(cè)深儀可用于河道斷面監(jiān)測(cè)中。

圖2 南閘上斷面河底模型

圖3 北閘下斷面河底模型

3 結(jié)論

通過無人船測(cè)深儀在水下大斷面高程測(cè)量中的應(yīng)用，得出如下結(jié)論。

（1）無人船測(cè)深可以實(shí)現(xiàn)水深數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，測(cè)量精度可達(dá)到1cm±0.1%h（h為水深）。

（2）對(duì)河道大斷面進(jìn)行快速測(cè)量且航線固定、測(cè)數(shù)充足。自動(dòng)航測(cè)系統(tǒng)按照規(guī)劃航線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在單位時(shí)間內(nèi)采樣數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工測(cè)量。

（3）設(shè)備輕便，工作安全可靠。無人船系統(tǒng)設(shè)備集成度較高，單人便可開展戶外測(cè)量作業(yè)，與常規(guī)水下地形測(cè)量方式相比，測(cè)量工作更加安全可靠。

但是目前還存在一些缺陷：①在水深小于50 cm的水域，存在吃水問題，無人船無法進(jìn)行作業(yè)，需要人工測(cè)量；②在水草、蘆葦較多的水域，其船槳可能被纏繞，無法進(jìn)行測(cè)量作業(yè)；③在較為廣闊水域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)存在覆蓋不足問題，造成數(shù)據(jù)無法同步到陸地站。下一步將探索無人船測(cè)深系統(tǒng)在搶險(xiǎn)救災(zāi)、河道清淤、水庫庫容計(jì)算等工作中應(yīng)用。