无人船在水下地形测量中的应用研究

无人船在水下地形测量中的应用研究

龙大平,杨显会,李世山,贺连军

重庆市水利水电建筑勘测设计研究院有限公司  重庆

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摘要: 伴随着国家科学技术发展，各行业的科技含量都在逐步提高。目前，传统的水下地形测量是利用船只从水面对水下地形地貌进行测量，并且，为了克服水面的不稳定性，还会在一定程度上采用涉水测量的方法。但不管是哪种方法，都有很大的风险，另外，采用常规水下测量方法获取的海底高程资料易受到泥沙等因素的干扰，测量结果存在很大的偏差，亟待完善。

关键词：无人船；水下地形；测量应用

引言

无人船遥测是指运用先进的无人船导航技术，利用遥感传感器技术和遥感应用技术，能够快速、自动化、智能化和专业化的对海洋环境，海底地形，水质等进行监测，并在此基础上，对遥感数据进行处理、建模和应用分析。近年来，在大数据、云计算和人工智能等新兴技术的推动下，无人船的自动驾驶水平逐步提升，为无人船遥感技术提供了科学和技术支撑。无人船遥感技术在海洋环境保护、水质监控等方面有着重要的应用。

1单波束和多波束测量的基本原理及其利弊

在无人船行器中，水深测深系统是最重要的一部分，其中，单波束测深和多波束测深是最常用的两种测量方法。单、多波束水深测量技术的主要工作机理是利用探针在与水下目标接触时产生的脉冲声波的反射，来检测水下地形[1]。然而，多光波测深仪在换能器方面不同于单波束，多波束探测技术采用多个传感器元件构成的阵列阵，实现了多波束同步收发，实现了对水底地貌的条状探测。单波束测深仪具有设备构成和安装简便的优势，在现场测量中，一般情况下，只要对现场进行定位、动水校正就可以进行测量。同时，对现场数据的处理也相对简单，可以输出多种数据格式的结果。其不足之处在于，在水中两个邻近的点之间，无法发现微小的地形，要想在施工现场进一步提高海底地貌的测量精度，必须对其进行加密测线，这样做无疑会加大施工费用。在测量距离、速度、精度、效率等方面，与单波束测深仪相比，多波束测深仪具有更大的优越性。多波束探测技术使探测技术由点、线扩展到面，并逐渐发展到立体探测和自动成图，在大范围的水下地形探测中得到了广泛的应用。但是，多波束装置的组装和安装比较复杂，在现场运行比较麻烦，在现场运行比较费时。所以，在实际应用中，如果单波束或多波束都能达到工作的需要，那么就应该采用单波束的方式来进行测量。

2无人船在水下地形测量中的具体应用

2.1水下地形测量

海底地形是海洋勘测、海港建造、石油管道检测等工作中的基础资料，而无人船遥感技术在获得海底地形信息上具有独特的优势。通过 GNSS、合成孔径雷达等设备，无人船能够获取水深数据、地形的三维雷达图像，如此一来，就可以更加直观的了解到海底的地形。也可用于对海床上的目标物进行探测，并对沉积环境进行研究。利用这些影像进行处理与分析，可侦测海底石油管线、水下缆线，为石油和海缆工程的安全运输提供数据保证[2]。

2.2数据收集

在进行测量前，必须先做好航路布置。航线布置的方式有两种：一种是提前将规划线设计好，然后将它直接输入到无人船的控制计算机端，这样做会更加简便，但是，不能根据实际的测量情况进行具体布设，就会造成测线太短或太长，从而影响到测量结果；二是在实际测量的地理条件下，就地布置测线，虽然这种方法有些繁琐，但也可以在一定范围内布置出合适的测线，以确保测量结果的准确性。在布置好线路后，确认船舶上的仪表联接是否正确，操作计算机或遥控进行数据的收集。

2.3水底泥沙厚度测量

水力发电项目可以给周围的居民提供自来水和灌溉用水，其大坝上的水轮机也可以发电，同时也起到防洪的作用。随着水流而来的淤泥，会对水库的蓄水能力造成很大的影响，从而减少了水库的库容，从而造成了水库的洪水灾害，因此，工作人员必须对水库下面的地形和积情况进行勘察[3]。 传统的人工测量方式耗时耗力，且很难获得准确的海底地貌的空间分布。无人船携带多频率测深仪、多波束声纳等对水底泥沙进行检测，该方法能有效地解决传统测量方式在复杂、恶劣环境中的局限性，对水底沉积物的探测有着巨大的优势。

2.4施测方法

首先按照《水运工程测量规范》，在湖泊泊位周围布设控制点，布设在平坦、易养护的柏油路面上，控制点中央用红漆和铁钉标出。在每一个控制点上，必须对其进行2套 GPS观测（需要在不同的时间，使用不同的仪器），两套观测点的互差取极限范围内的中间值，如果极限范围内的误差不符合极限范围，就需要再测一次。对无人船的全部探测工作都是由地图绘制所提供的无人船基地台软件完成的，认真核对仪器定位的时间，下载测量区域的底层地图，把基地台的软件和无人船联系起来，正确设定坐标系和投影参数，在测区内布设航线时，有些航线会穿越陆地或大片的芦苇，为了符合真实的地形，必须通过人工的增加和减少工作点。设定好之后，将路线传给相应无人船，无人船便会根据自己的任务地点，以全自动的方式前进。现场工作人员利用岸上的计算机系统，对无人船传回来的3D资料进行实时监控，从而判断其工作状况和水下地形。在数据采集时，分别进行了人工操作和自动驾驶操作两种方式。由于探测范围内的边缘水域比较浅，所以只能通过人工遥控，让无人机在航行一段时间后，才能进入自动航行状态

[4]。在岸上使用岸基控制系统，控制无人船在岸边行驶，并进行资料收集。由于被测量的海面微潮对测量结果的影响很小，因此采用了无验潮模式进行测量。当完成了全部的任务点，或是能源快用光了，这艘无人飞船就会自动回到起点。在进行无人船舶测量时，检验线必须与主测深线相垂直，且长度不得比主测深线短，两者必须有一个交点，且两者之间的高度差不得大于规定值。并按照《水运工程测量规范》的要求，对其进行详细的分析，以保证其精度在规定的容许之内。上面得到的资料不能立即应用，必须对其进行粗差的去除，在此基础上，利用沿岸控制点测高、水位资料及水深资料，计算出水面及水下高。在此基础上，建立DEM，并画出等深线及深度图，其结果能很好地反应出海底的地貌特征。

2.5数据处理

将采集到的水底资料输入系统中，进行深度采集与采样工作。首先，对已知的虚假深度值进行自动分析，并对无效深度值进行合成。在进行了一次深度调整后，还需要人工重新进行深度调整。这也许是因为水底的鱼群的反射，或者是水下介质折射导致的误差。为了保证以后的图纸精度，必须做出相应的调整。然后，对已处理过的水底资料进行综合校正，并对水深进行校正。

结语

总体来说，利用无人船进行水下地形测量，可以在极少的时间内完成测量工作，还可以改善水下地形的测量效果，这种检测方式可以防止或降低人工检测时的安全隐患。同时，采用无人船舶进行水下地形测绘具有安全性高、机动灵活等优点，可以应用于常规测量平台无法实现的领域。

参考文献

[1]肖杰. 智能无人船单波束测深系统在水下地形测量中的应用[J]. 测绘工程,2023,32(01):63-70.

[2]于刚. 无人船搭载多波束测量技术在水下地形测量中的应用[J]. 河南水利与南水北调,2022,51(06):97-99.

[3]赵美玲,郑亚运,曹慧. 智能无人船在水下地形测量中的应用[J]. 科技创新与应用,2022,12(18):193-196.

[4]贾治平. 无人船测深系统在水下地形测量中的应用[J]. 经纬天地,2021,(04):20-23.