无人船测深系统在潮间带地形测量中的应用

　　摘要：常规测量船在大潮期才能进行潮间带地形测量，但由于潮间带地形复杂多变，存在一定的安全风险，因此对其进行地形测量一直是工作难点。无人船吃水浅、轻便灵活、效率高，可有效克服常规测量船存在的问题，给潮间带地形测量工作带来了较大便利。介绍了无人船测深系统的组成与原理，并结合实例分析了无人船测量的优势与不足，可为今后潮间带地形测量工作提供参考。

　　关键词：无人船测深系统;地形测量;潮间带

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　　潮间带是指平均最高潮位与最低潮位的海岸或河口感潮区域[1]。低潮时潮间带地形的常规测量采用人工RTK或全站仪方式，高潮时采用常规测量船方式，进行岸上与水下的衔接[2]。因此，潮间带地形测量的最佳时间段一般选在大潮期间，如果在小潮期间测量，岸上与水下衔接困难，作业受到很大的限制。此外，潮间带地形复杂多样，如遇淤泥滩或水下障碍物多的情况，人工RTK和常规测量船作业方式安全风险均高。潮间带地形测量传统作业方式存在诸多局限性，亟待研究更加便捷、安全的潮间带地形测量作业方式。

　　无人船测深系统集合了无人驾驶、无线电实时通讯、数据自动采集传输等先进技术[3]。测量人员无需跟随测量船载体，而是采用手动遥控和自动测量相结合的方式。该方式增加了作业的灵活性、便捷性，支持单人作业，很大程度上降低了安全风险。随着无人船测深系统技术的成熟，在各个领域都得到应用。粱昭阳[4]利用无人船测量系统进行水库地形测量，减少了测量空白区，提高水库库容测量的精度。黄国良等[5]将无人船测量技术应用到内河航道测量中，设计出一套适合内河航道测量的无人船测量系统，大大降低了安全风险。无人船系统在潮间带地形测量中的应用研究较少，本文就此展开探讨。

　　1 无人船测深系统组成及原理

　　无人船测深系统集合了CNSS接收机、单波束测深仪、数据传输系统以及其他测量传感器，同时具备即时通讯功能、自动导航功能以及数据自动采集功能等。整个无人船系统可以分为船体、动力系统、通讯系统、数据自动采集系统以及控制系统[6]。各系统相互协作，保证了无人船测深系统测量工作的进行。船体为整个系统的载体，一般采用轻巧、强度高的玻璃钢材質。在设计时，需要保证一定的抗风浪能力。动力系统为无人船航行提供持续动力，通常采用锂电池供电。由于潮间带往往存在水草、渔网、地笼等水下障碍物，无人船在动力设计时，其螺旋桨需要安装保护罩。通讯系统通过电台将无人船航行信息以及测量数据传输到岸台系统，使测量人员实时了解无人船的作业状态。控制系统由笔记本、遥控器等组成，控制无人船的工作状态以及航行路线。工作状态分为手动和自动。数据自动采集系统为核心部分，保障了整个系统的测深数据和GNSS定位数据的采集和记录，为工作的便利，数据记录格式与常规测量船作业方式保持一致。

　　无人船测深系统测量采用的是RTK三维水深测量原理，见图1。利用GNSS RTK(实时动态)测量技术获取厘米级定位，水深测量获取水深数据，将GNSS天线和测深换能器置于同一垂直线上，计算测深换能器的瞬时位置和高程，再减去水深值，即可获得换能器下点的水底高程。

　　GNSS RTK测量获取的是大地高，需要将其转换为正常高。GNSS RTK三维水深测量通常采用布尔莎七参数模型或者高程拟合模型。采用布尔莎七参数模型，需要在作业开始前设置转换参数，在高程控制点上进行外符合检验，保证高程转换的精度。对于RTK信号失锁的情况，采用PPK后处理技术进行解算。

　　2 实例应用分析

　　2.1 项目概况

　　本文实例应用为上海轨道交通崇明线越江通道1：500水下地形测量，项目要求水下与陆地进行无缝衔接，地处长江南支河段，属于感潮河段。测区受码头影响，常规测量船无法到达内档区域。该处潮间带为淤泥质滩地，低潮人工RTK作业方式安全风险极高，采用常规测量船作业方式需要等待大潮期，利用高潮位进行数据采集，作业条件受限。基于此，选择无人船作业方式进行潮间带水深测量。

　　2.2 施测过程

　　项目初期，对于整个区域进行GNSS静态控制测量，求解出适合测区的转换参数，大地高转换为正常高采用布尔莎七参数模型。为检验高程转换精度，利用计算好的转换参数在控制点上进行RTK测量，转换模型的外符合精度σt[7]为

　　检验结果见表1，高程外符合检验精度3.9 cm，平面外符合检验精度3.6 cm，优于JTS 131-2012《水运工程测量规范》规定的7 cm。

　　作业开始前，在采集软件中设置转换参数、静吃水、声速以及采样间距等。对于无障碍的开阔水域，无人船采用自动导航模式，事先布置好轨迹线，无人船按轨迹线进行数据采集。对于码头引桥附近有障碍物的区域，采用手动遥控模式。由于保存的数据与常规测量船采集的数据格式一致，直接利用原先的水深处理软件进行处理提取。数据检查无误，交内业编辑成图。

　　2.3 测量精度分析

　　为检验无人船水深测量的质量，采用两种方式进行比对。①将无人船测深数据与无锡海鹰的常规单波束测深系统HY1600采集的数据进行比对;②与丹麦RESON公司的SeaBat7125多波束系统采集的数据进行比对。详细统计结果见表2，按公式(1)分别计算出中误差为9.1 cm和12.3 cm，符合相应的规范要求。

　　3 结语

　　本文介绍无人船测深系统的组成以及基本测量原理，从实例出发分析无人船测量数据的精度，总结无人船具有吃水浅、灵活轻便、安全高效等优点，弥补了常规测量船在潮间带地形测量中的短板，填补了人工RTK的空白。然而，无人船测深系统仍存在一些亟待改进之处，具体如下。

　　(1)无人船续航能力不足，需要多组电池轮换才能保障其长时间作业。

　　(2)虽然无人船吃水浅，可以到达极浅的水域，但常规单波束测深仪存在盲区，小于0.5 m测深仪采集不到数据，故需配备超浅型测深仪。

　　(3)目前通常通过人工干预的方式进行避障，更加智能化的自动避障无人船测量系统是未来无人船研究方向。

　　(4)尽管无人船采集的数据格式与传统方式一致，但是目前水深编辑软件处理数据过程中，容易错过一些地形特征点，需要开发专门处理软件。

　　参考文献：

　　[1]吴敬文，张正明，杜亚南.基于多技术融合的潮间带地形测量应用实践[J].现代测绘，2018，41(2)：44-47.

　　[2] 崔竹沅，刘刚，奚萌，浅谈潮间带地形测量方法[J].北京测绘，2015.38(6)：141-142.

　　[3]林旭波，丁继胜，唐秋华.基于GPS高精度定位的便携遥控水上测量船技术研究及集成[J].测绘通报，2012(S1)：706-708.

　　[4] 梁昭阳，无人船测量系统在水库地形测量中的应用[J].城市勘测，2018(1)：132-135.

　　[5]黄国良，徐恒，熊波，等.内河无人航道测量船系统设计[J].水运工程，2016(1)：55-59.

　　[6] 吴然，雷成彦，刘伟伟.无人测量船在实际水深测量作业中的应用研究[J].经纬天地，2018(2)：85-89.

　　[7]吴敬文，周儒夫，陈建明，等.RTK三维水深测量的实施与精度控制[J]现代测绘，2016，39(4)：18-20.