无人船水下地形测量与精度评估_杨亮.pdf

四 川 水 利2023.No.3无人船水下地形测量与精度评估杨 亮1，2，任 玖2，谭 詹2(1.四川晟堡途工程技术服务有限公司，成都，611131;2.四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)【摘要】水下地形测量能真实反映水底地形，传统水下地形测量作业难度大，效率低。文章采用无人船水下测量技术，对某人工湖进行 1 500 水下地形测量，并对测量精度进行评估。结果表明，基于无人船的水下测量技术可安全高效、准确地完成水下地形测量，且精度满足作业要求。该方法可自动、及时、高效地为行洪防洪、水域生态监测等工作提供精确的基础数据。【关键词】水下地形测量无人测量船精度验证中图分类号:P217文献标志码:A文章编号:20951809(2023)030160050引言准确、快速、高效地获取水底数据可以为河湖勘察测绘提供准确可靠的基础数据。传统的水下测量利用测深杆、测深锤等测量方式已经不能满足现在测绘的要求1;利用 GPSTK 与测深仪固定在船上的方式局限性较大，由于很多河湖不通航，也没有可使用的船只。而无人测量船系统集成了卫星定位技术、智能无人船导航技术、实时通信技术和声呐测深等先进的技术，完美地解决了以上问题2。通过搭载 GPS 导航设备和测深仪等设备，无人船可以根据事先规划好的航线通过 GNSS 自主导航，也可以通过遥控器或者电脑端无人船控制软件随时自由切换手动和自动，适用于不通航的中小型河流、湖泊、水库等水域测量，也可广泛应用于航道清淤、安全搜救、应急测绘、水文测绘等领域。本文根据实际案例利用IBoat BS3 智能无人测量船对某湖泊进行水下测量，从而验证无人测量船在水下地形测量中的实用性与准确性，同时利用交叉线法、高程点内插法、人工实测法三个方法对测量成果进行精度验证。1无人船测量技术1.11.1无人测量船系统无人测量船系统1.1.11.1.1测深仪系统测深仪系统无人船系统集成了包括卫星定位系统、智能无人船导航技术、实时通信技术和声呐测深等先进的技术3，可以在行驶过程中，获取平面坐标以及水深、流速、流向等基础数据，广泛用于内陆中小型河流、湖泊、水库等水域测量。利用 GPSTK 定位系统可以实时获取船体所在位置的三维坐标45，利用船体所搭载的设备可实时获取水深、水质、流速等数据，无人船控制系统包括动力系统、电力系统、陆地控制系统、船上控制系统、测深仪、陀螺仪、GPS 定位模块、数据传输模块等3。无人测量船是将测深仪放置于无人船内，通过遥控器控制或者按照提前规划好的航线航行，然后通过数据传输模块将所获取的数据实时传输到电脑端。测量设备与数据存储分离，便于实时查看数据，监测设备运行状态，适时对无人测量船发出相关指令，同时有效地保证了数据存储的安全性，以防数据丢失。1.1.2GPSTK1.1.2GPSTK 系统系统载波相位差分技术，高精度的 GPS 测量必须采用载波相位差分技术，TK 定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地测量出测站点的三维坐标，且能达到厘米级0612023.No.3四 川 水 利精度67。GPS 模块可以为无人测量船提供准确的定位信息，从而可以保证无人测量船能够自动航行，同时也为测量工作提供了高精度三维坐标。以便于水下测量时获取水底地形散点数据。1.21.2无人船测量的原理无人船测量的原理无人测量船是以无人船为载体，同时可搭载测深仪、ADCP、侧扫声呐等多种测量设备。通过全向高增益天线进行数据传输。利用测深仪发射具有指向性的声波，声波在触碰到水底后通过反射、折射返回到测深仪，同时测深仪会记录发射和接收到回波时的相关数据8。通过测深仪发出和接收到回波信号的时间差与声波在水中的传输速度，可计算出声波的传输距离即水深9。D=VT2(1)式中，D 为声波的传输距离即水深，V 为声波在水中的传输速度，T 为发射和接收到回波的时间差。通过 GPSTK 测量出移动站的高程值和移动站到换能器之间的高差即可计算出水面高程。Hs=HH(2)式中，HS为水面高程，H 为 GPSTK 测量出移动站的高程值，H 为移动站到换能器之间的高差7。然后利用水面高程和水深数据即可得出水底高程HSD=HSD(3)式中，HSD为水底高程，HS为水面高程，D 为水深。1.31.3作业流程作业流程无人测量船作业流程如图 1 所示。图 1无人测量船作业流程1.41.4精度评定方法精度评定方法通过布设与主测线垂直的检查线对测量数据进行精度检查，看其是否符合测量要求，从而判定无人测量船进行水下地形测量的准确性，然后根据对比差值进行平差。在平差之前要先剔除粗差值。粗差是指大于 2 倍中误差的值1011。平差公式如下:m=ni12i2n(4)式中，m 为测深点中误差，i为第 i 个检查点与测深点差值，n 为检查点个数。根据 水运工程测量规范(JTS 1312012)水下地形测量的精度限差如表 1表 3 所示12:表 1测深定位点点位中误差测图比例尺定位点点位中误差限值(mm)1 5000图上 1.51 5000图上 1.0注:对 1 2001 500 测图可放宽至图上 2.0mm。表 2深度误差限值水深范围(m)深度误差限值(m)H200.2H200.01H注:H 为水深值(m);对山区、河流水深小于 5m 的硬底质水域，深度误差不应大于 0.15m。表 3深度对比互差水深 H(m)深度对比互差(m)H200.4H200.02H2应用实例2.12.1实例数据实例数据测区位于城郊的一个人工湖泊，该人工湖水深较深，测量方式难以进行、不通航，地方管理部门出于安全考虑不允许在湖面私自使用船只，而且任务紧迫。技术人员在进行实地踏勘及研究后决定采用中海达 IBoat BS3 无人测量船进行水底数据采集，由于湖中有水草，所以数据采集过程中使用遥控器控制测量船航行，数据采集用时约2h，经数据后处理后保留散点 899 个。2.22.2作业方法作业方法(1)在获取任务后首先搜集资料、设备检查与准备，现场踏勘选定无人测量船入水点。(2)现场组装无人测量船以及相关测量设备。161杨 亮，任 玖，谭 詹:无人船水下地形测量与精度评估2023.No.3图 2IBoat BS3 无人测量船数据采集(3)打开遥控器、打开无人测量船并检查遥控器是否能控制无人测量船，虚拟串口连接，然后连接 GPS 并查看 GPS 数据传输是否正常、连接测深设备同时查看测深仪中数据信息是否正确、连接船控软件查看无人测量船相关参数和检查无人测量船状态。(4)新建工程、设置坐标系、输入转换参数包括平面转换参数，高程转换参数，同时在测深软件HIMAX 中设置 GPS 高度及 GPS 距测量点的距离、无人测量船吃水深度，设置测量参数采样间隔为 5m，记录条件为固定解。(5)使用水温计量取水温，通过水温和盐度(内陆淡水默认盐度为 1)，计算出声波在水中的传播速度 V。(6)查看测深界面中 TK 是否为固定解，测深设备是否运行正常。(7)船只下水前再次检查遥控器是否能控制船只，确认无误后船只入水，然后查看测深仪软件中水面高程与 TK 实测高程值是否达到限差要求。(8)根据需要进行数据采集，由于湖面有水草，所以采用手动控制的方式进行数据采集。(9)采集结束收回船只，并关机。(10)数据后处理进行水深取样，数据改正，测量数据导出。(11)整理测量数据，绘制地形图成果。图 3水下地形成果3精度评估通过交叉线法与高程点内插法、人工实测对比法对无人船所测量的数据进行精度检查。3.13.1交叉线法交叉线法通过布设与主测线垂直的检查线对测量数据进行检查，选取检查线与主测线交叉处图上 1mm范围内的点进行对比10，检查线与主测线的交点处有定位点的可以直接将测量点与检查点进行对比13，由于主测线与检查线都是使用的同一种设备且在相同环境条件下进行的数据精度检查，所以可以将其视为等精度观测。本次共选取 64 对相交定位点进行对比，最终检查得出粗差值为 0个，平面中误差为 0.027m，高程中误差为 0.18m。部分对比结果如表 4 所示。表 4检查线与主测线交点处定位点误差对比单位:m点号XYH点号XYH10.0250.0420.1390.0280.0240.120.0540.0340.1100.0390.0150.1330.060.0250.11110.030.0230.1840.050.0430.08120.0250.0250.1650.0250.0420.09130.0410.046060.0150.0520.17140.0410.0250.1570.050.060.08150.0520.0480.1880.080.0250.16160.0630.0510.113.23.2高程点内插法高程点内插法2612023.No.3四 川 水 利将主测线的高程数据通过建立三角网生成等高线，然后再将检查线的高程点数据加载到生成的等高线图中，通过内插高程点的方式比较检查线高程点与内插高程点的高程差值，本次共选取178 个均匀分布的对比点，其中粗差点个数为 5，最终计算得出平面中误差 0.042m，高程中误差为0.146m，满足地形图测绘的要求，部分点位对比结果如表 5 所示。表 5内插点与检查线定位点对比单位:m点号XYH点号XYH10.030.020.161300.010.1420.050.150.12140.020.020.130.120.130.14150.0200.1540.210.210.15160.010.010.1350.210.410.131700.020.1460.150.340.11180.010.010.1270.060.120.06190.010.020.1180.140.160.04200.0200.0990.320.140.15210.010.020.17100.150.060.08220.010.020.05110.170.240.11230.010.020.2120.240.310.14240.020.020.13.33.3人工实测对比人工实测对比在作业完成后，根据需要相关部门对该湖泊进行放水，待放水结束后，我方再次组织相关技术人员，对测区进行散点数据采集。然后将采集的实测散点数据与无人船测量的数据进行对比。由于人工测量较为困难，所以本次共选取 35 对点进行对比。最终得出平差后结果平面位置中误差为0.037m，高程中误差为 0.177m。符合测图精度要求。部分点位对比结果如表 6 所示。表 6实测点位与无人船测量点位对比单位:m点号XYH点号XYH10.0280.0240.1140.050.0140.1420.0390.0150.13150.0250.0250.1130.030.0230.18160.0370.0250.1340.0250.0250.16170.0680.0240.0350.0410.0460180.0470.0470.1160.0410.0250.15190.0250.0260.1470.0520.0480.18200.0150.0340.1680.0630.0510.04210.0520.0350.1590.0250.0240.12220.0630.0360.13100.0280.0040.16230.050.0370.17110.0340.0250.07240.020.0380.11120.0250.0360.18250.050.0390.14130.0250.0410.14260.0140.040.15交叉点法和高程点内插法进行精度验证都是用检查线与主测线的高程数据进行对比，从而得出点位差值，计算出点位中误差。人工实测对比是通过将实测值与无人船测量值进行对比得出点位差值，计算出点位中误差。三种精度检查方式都能够很好地对测量数据进行检查，但是其优劣性各有不同。(1)交叉点法:简单快捷，是目前常用的方法，但由于主测线与检查线相交处的定位点数量少，其分布不均匀有可能会造成精度检查结果存在局限性。(2)高程点内插法:可以获取大量分布均匀检查点，选择点位不受限制，可根据需要在适当的位置选取检查点，选点过程复杂，工作量大。(3)人工实测对比:精度检验最可靠，最直接，人工测量难度大，测量人员安全保障性差不能达到快速安全开展作业的原则。4结论(1)通过实际案例可知无人测量船完全可以达到水下地形测量的要求。并且能够高效快速地获取原始测量数据，同时能够保证测绘人员的人身安全。从而改变了传统水下测量的方式方法，促进社会更快发展。无人测量船的出现更好地促进了水域保护、水域开发、水域规划利用等工作开展。(2)通过三种精度验证方法可知高程点内插法比较适用于水下测量精度检查，其精度高，点位选取不受限制可自由选择，所选点位均匀分布。从而得出更准确更科学的检验结果。参 考 文 献 1 周 明，谭 智，熊 剑，等结合无人船与传统方式的武汉市水下地形测量 J 地理空间信息，2018，16(09):3033，10 2 周尚伟测深仪与 GPS 组合在水下地形测量中的应用 J 中国住宅设施，2020(12):8586 3 关 雷，郑宝华，赵 琳，等浅析无人船在水下地形测量中的应用 J 测绘与空间地理信息，2019，42(11):202204 4 文小勇GPSTK 技术结合 Hi MAX 数字化测深仪在测量水下地形中的应用J 科技创新与应用，2019(33):175177，180 5 高 艳无人船在水下地形测量中的应用与探讨 J 城市勘测，2019(04):173175，179 6 刘志俭GPS 载波相位差分技术、捷联惯性导航系统初始对准技术及其组合技术研究 D 中国人民解放军国防科学技术大学，2003(下转第 168 页)361史丽敏，李艳君，高向前，周琳知，张 伟:电网无功补偿优化系统应用研究2023.No.3的集成系统来构成配网无功优化平台，其中的运行参数是整个配电网基础参数的重要组成部分。配电网无功优化平台将及时监测到的数据发送到控制中心，调度员远方控制设备，进行处理数据，远方监测控制、报警处理、数据管理及报表生成等功能。GPS 通信的高速通道可以实现数据的实时传输和永远在线。5.35.3应用效果应用效果根据某县电力公司运行实践，电网无功优化系统提高了设备的使用寿命，减轻了检修强度、功率因数提高、增压降损，减少误差，综合自动化水平提高。纯软件构成新系统，不用维护硬件，自动控制系统可靠性高。该系统自适应的能力强，可以自纠错、自闭锁、实时生成动作数据等。报警处理、数据管理及报表生成等功能，高速的 GPS 通信通道，可以实现数据的实时传输和永远在线，还可以将装置、网络、Internet、EMS 接成整体;路由器和 Internet 相结合，实现配电网 EMS 的信息交换，利用计算机技术、通信和信号处理技术对电网无功补偿进行自动实时监视、测量、控制等综合性的自动化功能。6结语中国农村配电网为县级区域内的县城、村镇、农垦区及林牧区用户 110kV 及以下的配电网，农电网的电压波动幅度大、供电质量相对较差、网络损耗大，供电成本较高。采用配电监测仪，采集三相正弦交流电压、电流信号，跟踪系统中无功的变化，参考限量值，依据补偿理论，及时投切电容器组合，精准无误地利用“取平补齐”原则，实现投切装置的智能指挥，提高其精度。无功优化系统能够及时完成数据采集，完成数据处理，及时判断补偿容量，是进行维持电力系统电压水平的首要条件，提高电网的经济运行效率。参 考 文 献 1 冷 怡，陈晓东，鲍云浮基于 GPS 通信的配电网无功补偿系统研究 J 四川电力技术，2013，36(02):2731 2 王承民，刘 莉配电网节能与经济运行M 北京:中国电力出版社，2012 3 张曙云，匡洪梅，唐婷媛，等农村配电网无功补偿最佳优化配置 J 电源学报，2018，16(3):8490 4 黄晓彤，陈文炜，林舜江，等低压配电网无功补偿分散配置优化方法 J 南方电网技术，2015，09作者简介:史丽敏(197611)，女，陕西白水人，副教授，电气工程硕士，主要研究方向:电力系统自动化;李艳君(1987.08)，女，黑龙江桦南人，讲师，硕士研究生，主要研究方向:电力系统自动化;高向前(1980.02)，男，四川仁寿人，副教授，大学，主要研究方向:水电建筑工程建设与管理;周琳知(1997.07)，男，四川仁寿人，助教，大学，主要研究方向:水利水电智能制造;张 伟(1968.11)，男，四川西充人，高级工程师，大学，主要从事水利水电工程建设与管理工作。(上接第 163 页)7王守彬，王新洲，刘晓东，GPSTK 与数字测深集成技术在水下地形测量中的应用 J 测绘信息与工程，2004(06):3031 8 舒晓龙，黎 银无人船在水下地形测量中的应用与探讨 J 内蒙古煤炭经济，2020(10):170171DOI:1013487/jcnkiimce017539 9 彭小强，苏晓刚，陈卫卫，等无人船在水下地形测量中的应用 J 经纬天地，2019(06):1620 10 袁建飞无人测量船在水下地形测量中的应用研究J 北京测绘，2017(04):6972DOI:1019580/jcnki10073000201704017 11王玉振河道水库测量精度评估与质量控制 D 解放军信息工程大学，2007 12 JTS 1312012，水运工程测量规范 S 13 林 红，廖建英论水下地形测量中的检查线布设与精度评定方法 C/江苏省测绘学会，江苏省通信学会，江苏省仪器仪表学会，江苏省电子学会，江苏省计算机学会地理信息与物联网论坛暨江苏省测绘学会 2010年学术年会论文集 现代测绘 编辑部，2010:5052作者简介:杨 亮(1992.04)，男，汉，四川西昌人，工程师，研究方向:无人机测绘、水下地形测绘等。Email:861