无人船测量系统在河道水下地形测量中的应用.pdf

2024 年第 1 期92中国高新科技地理信息|GEOGRAPHIC INFORMATION无人船测量系统在河道水下地形测量中的应用薛伟马鞍山测绘技术院有限公司，安徽 马鞍山 243000摘要：为减少河道水下地形人工涉水测量的误差和风险，提升测量精度和测量效率，文章基于徒骇河水下地形测量工程实例，对河道水下地形测量中无人船测量系统的应用展开研究。首先阐述徒骇河的河道自然地理情况和工程特点，然后从无人测量船系统架构、作业流程、测深时间延迟三方面说明基于无人测量船的河道水下地形测量方法，最后通过深度互差统计和地形图精度验证的方法，验证无人船测量系统在实际河道水下地形测量中具有测深误差小、地形图精度高、测量稳定的应用优势。关键词：河道水下地形；地形测量；无人船测量文献标识码：A中图分类号：P217文章编号：2096-4137（2024）01-92-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.01.25Application of unmanned ship survey system in underwater terrain survey of river channelXUE WeiMaanshan Surveying and Mapping Technology Institute Co.,Ltd.,Maanshan 243000,ChinaAbstract:In order to reduce the error and risk of manual wading survey of underwater topography of river channel,and improve the accuracy and efficiency of survey,this paper studies the application of unmanned vessel survey system in underwater topographic survey of river channel based on the Tuhai underwater topographic survey project.Firstly,the natural geographical conditions and engineering characteristics of Tuhai River are described,and then the structure,operation process the underwater topographic survey method of river channel based on the unmanned survey ship is illustrated in three aspects of the time delay of sounding.Finally,through the method of depth mutual difference statistics and the accuracy verification of topographic map,it is verified that the unmanned survey system has the application advantages of small sounding error,high accuracy of topographic map and stable measurement in the actual underwater topographic survey of river channel.Keywords:underwater topography of river;topographic survey;unmanned vessel survey在对河道水下地形进行实际测量的过程中，分为深水测量和浅水测量两类。其中，深水测量主要采取多波束测深系统进行测量，利用广角度发射、多通道接收与阵处理技术，可以单次形成高密度的条幅式数据，测深效率大幅提高，在水下资源调查、海洋划界等领域具有重要的应用价值。浅水测量主要采取人工测量的方法，通过测深杆、测深锤等测深工具进行涉水测量，劳动强度大、测量效率低，并且具有一定施工风险。1工程概况徒骇河发源于山东省西部，向东北注入渤海，位于黄河北岸，属海河流域，从西南向北呈窄长带状流经山东省多个县市，干流在山东滨州市沾化区与秦口河汇流后，经东风港于暴风站入海。徒骇河总流域面积 13902km2，干流总长度436.35km，河道堤距 210 260m，河槽上口宽 129m，底宽99 144m，平均深 7m，防洪水位 20.16m，流量 955m/s，除涝水位 18.7m，流量 625m/s。本文主要研究徒骇河济南段，该段河道的主要功能为防汛和灌溉。受水土流失、支流拉沟和黄河入水的影响，该段徒骇河逐渐出现淤泥积蓄、防洪水位抬高、水位骤升、农田倒灌等问题。该河道水下地形测量工程具有河道测量区域狭长、河道测量环境复杂、测量工期紧张的特点，若不能及时掌握河道内的具体地形情况，制定有效的排淤措施，可能会造成巨大的经济损失。2基于无人船测量的河道水下地形测量2.1无人船测量系统架构根据徒骇河河道的工程特点，本项目使用中海达 iBoat系列无人船测深系统进行测量，该无人测量船系统的硬件架构主要由数据传输天线、遥控器天线、安全气囊、船体开关、GPS 接收天线和差分天线 6 个部分组成，具体如图 1 所示。图1中海达iBoat系列无人船测深系统架构由于工程测量工期紧张，在中海达 iBoat 系列无人船测深系统中搭载高精度的 RTK 定位系统和专业级测深仪，进而提升无人船测深系统对浅水河道的适应性，提升测量效率。2.2无人船测量系统测量原理该无人船测量系统集成了 GPS 定位技术、无人船智能导航技术、自动避障技术、实时通信技术和声呐测深技术。其中，GPS 定位技术和无人船智能导航技术需要在地面布设的连续2024 年第 1 期93中国高新科技GEOGRAPHIC INFORMATION|地理信息运行的多个固定基准站，通过基准站获取的观测信息实现无人船实时定位，进而实现 24h 全天候的三维定位结果，定位精度能够达到厘米级。声呐测深技术是进行河道水下测量的主要技术基础，原理是将无人船的卫星定位技术和声呐测深技术有机结合，通过声呐回馈数据获取水底平面坐标和高程数据。声呐测深原理示意图如图 2 所示。图2声呐测深原理示意图由图 2 可知，中海达 iBoat 系列无人船漂浮在河道水面上，声呐系统位于船底中心位置 O3点，GPS 定位装置位于O1点，船表面到 GPS 定位装置的高度差为 h1，水面到船底的高度差为 h2，船底到河道底部的高度差为 h3。设声波发射时间为 t0，无人船接收声波反射信号的时间为 t1，声波速度为 v，那么 h3可以通过式（1）进行计算：h3=v（t1 t0）/2 （1）保持 O1、O2、O3和 O4 4 点位置在同一垂直线，O1处的三维坐标（x，y，H），那么 O4高程 h 可以通过式（2）进行计算：h=H h1 h2 h3 （2）根据式（1）和式（2）可以获得 O4点的空间三维坐标（x，y，h），多个 O4点的空间三维坐标集合就是无人船测量系统的河道水下地形测量成果。2.3作业流程中海达 iBoat 系列无人船测深系统的作业流程有测前准备、设备调试、软件设置、参数设置、外业测量、数据后处理和成果输出 7 个环节，其中测前准备工作包括总体踏勘、天气查询、作业规划等；设备调试主要是针对硬件设备的调试，包括各类天线调整、安全气囊检查、船体开关检查等；软件设置和参数设置主要是对 GPS 定位系统和声呐测深系统进行初始化处理，确保作业稳定；外业测量需要按照严格测线规划进行测量，最后将测量数据转换成数字数据集进行成果输出。2.4无人测量船测深时间延迟无人测量船测深时间延迟主要是为了减少无人船测量误差，提升测量精度。无人船测量误差主要分为粗差、系统误差和随机误差 3 种。其中，粗差是无人船测量系统自身硬件老化造成的误差；系统误差是测量设备偏移产生的误差；随机误差是受河道地形变化和气候变化产生的不可控误差。基于此，本文使用时间延迟探测方法减少粗差和系统误差，也就是通过建立测量模型，计算合理的系统作业时间延迟，计算方法如式（3）所示：t=L/（v1+v2）（3）式中，t 代表延迟时间；L 代表同一个测量点的往返测距距离；v1和 v2代表往测和返测的测量船行驶速度，通过对若干个特征点对的时间延迟值取算术平均值，即可得到最终的时间延迟 t。在中海达 iBoat 系列无人船测深系统参数设置过程中，提前修改时间延迟 t，能够减少测量误差，提升测量精度。3测量成果精度验证为进一步验证测量成果的精度，使用深度互差统计和地形图精度验证两种方式分别验证河道测深数据精度和地形图测量精度。3.1深度互差统计根据国家水运工程的标准测量规范，当水深点的深度比对互差在水深 H 不大于 20m、深度比对互差的限差为 0.4m、深度比对超限点数超过参加比对总点数的 20%时需要重新测量。基于此，本文通过统计分析河道检测范围内的检查点和侧身点的测深互差，进而判断河道深度测量精度，其中 0 5m 深度范围内的检查点数为 148 个，5 10m 深度范围内的检查点数为 80 个，具体测深互差统计表见表 1。表1测深互差统计表深度范围（m）检查点数（个）超限点数（个）超限点比例（%）0514821.355108011.25总计22831.3根据表 1 可知，0 5m 深度范围内的超限点数为 2 个，超限点比例为 1.35%；5 10m 深度范围内的超限点数为 1 个，超限点比例为 1.25%，说明测深互差较小，河道测深精度较高。3.2地形图精度验证该段河道的水下地形起伏较大，起伏波动主要通过水下等高线表示，所以可以通过等高线高程体现地形图精度。该段河道的水下地形高度波动较大，最大差值超过 10m，并且河道断面主要呈梯形，常有陡坎。基于此，本文设定高程误差校验点共计 395 个，以高程值 H1代表真值，以高程值 H2代表测量值，以|H|代表误差值，具体高程误差统计表见表2，误差统计分布图如图 3 所示。2024 年第 1 期94中国高新科技地理信息|GEOGRAPHIC INFORMATION表2高程误差统计表序号X/（m）Y/（m）H1/（m）H2/（m）|H|/（m）1111785.2611614.18153.902154.0420.142111751.9611585.76155.125155.2750.153111751.7811572.24153.288153.4080.124111751.8111548.74154.195154.2450.055111751.5411533.66153.895153.9250.03197111743.9111589.96156.258156.3680.11198111744.0011599.05156.594156.7640.17199111744.0911602.05155.817155.9070.09200111744.0711614.13158.061157.9810.08201111743.7711623.11158.949158.8890.06391111733.6611734.22161.838161.7680.07392111733.5611746.34161.457161.3670.09393111734.5411748.44161.876161.7960.08394111733.3411756.51161.356161.2760.08395111734.3211766.67161.581161.5310.05图3高程误差分布图由表 2 和图 3 可知，在 395 个高程误差测量点统计中，最低高程误差值为 0m，最高高程误差值为 0.42m，其中误差值主要集中在 0.02 0.14m 区间内。由此可以证明，无人船测量系统在实际河道水下地形测量中具有地形图精度高、测量稳定的应用优势。4总结综上所述，本文针对目前测量面临的问题，提出使用无人船代替人工进行浅水河道水下地形测量，通过 GNSS 定位技术、声呐测深技术、无人船导航通讯技术等前沿科技组成无人船测量系统，进而利用无人船测量适应性强、测量效率高、测量精度高、自动化程度高的特点，助力水环境的生态保护。作者简介：薛伟（1989-），男，安徽全椒人，马鞍山测绘技术院有限公司工程师，研究方向：工程测量、不动产测绘。参考文献1 刘国徽，徐启恒，康正求深圳河湾流域定期水下地形测量思路探讨 J测绘与空间地理信息，2022，45（7）：195-1982 佟中石，音涛，冯孝无人船测量 一种新型水下地形测量方法 J测绘与空间地理信息，2022，45（S1）：305-3073 张运鑫，赵卫丽，王群多波束水下扫测水底地形测量方法研究 J测绘与空间地理信息，2022，45（S1）：302-3044 江木春，韩亚民，林剑锋无人机机载激光雷达测绘技术在航道整治工程中的应用 J水运工程，2022（4）：157-160，165（责任编辑：周羿廷）对于钻进期间水量不大的渗水应继续施钻，待钻进至设计深度后将钻杆抽出，再通过 0.2 0.8MPa 的压力水冲孔，直至流出净水。在渗水量较大时，应洗孔后分段灌注水泥砂浆固壁。分段时锚固段应单独为 1 段，张拉段则结合实际吸浆梁划分成 2 3 段。待水泥砂浆达到设计强度后，重新钻进至设计深度。4.2效果评价该水库溢洪道预应力锚索施工时布设多处墙位移计及传感器，展开施工过程中及工后运行期间锚索受力及稳定情况监测。根据监测结果，在锚索安装后张拉前，溢洪道墙体处于受拉状态，主要向坡外位移；而锚索张拉后，墙体从受拉转为受压，开始向坡内位移。这种受压及位移趋势随时间的推移逐渐减小，其中，变幅最大的1根锚索从张拉前的0.17kN变为张拉后的 45.87kN，说明锚索加固效果显著。在锚索应力作用下，墙体蠕变较小，锚索加固效果得到较好发挥。5结语工程应用结果表明，该水库溢洪道边坡采用大长度锚索高强度低松弛钢绞线加固后，锚索受力稳定，边坡蠕变量小，边坡和挡墙均无明显变形和失稳；与其余加固方式相比，预应力锚索加固施工受地形地质限制小，施工机械基本为轻型，锚索制安及张拉可在脚手架上展开，施工灵活便捷，安全程度高，作业干扰小。根据长期监测结果，水库溢洪道运行期间无边坡变形及失稳情况出现，预应力锚索加固技术在水工建筑物高边坡防护中应用效果良好，取得了较好的经济效益和社会效益。作者简介：李美虹（1992-），女，广东广州人，广州市白云区水务工程建设管理中心助理工程师，研究方向：水利技术管理。参考文献1 孙宁宁锚墩式主动防护网及预应力锚索库岸边坡加固效果对比分析 J陕西水利，2023（7）：152-154，612 尚教洪自由式单孔多锚头预应力锚索在边坡加固中的应用 J技术与市场，2023，30（7）：116-1193 陈红如水利工程高边坡预应力锚索创新与试验J中国水能及电气化，2023（7）：26-304 郭果，陈再谦，余波，等锚索长期预应力变化规律统计分析 J水电与抽水蓄能，2023，9（S1）：12-195 费智锋，杨自跃浅析水库溢洪道预应力锚索施工技术的应用 J技术与市场，2017，24（7）：252，254（责任编辑：周羿廷）（上接第91页）