智能无人测量船在水下地形测绘中的应用_许新海.pdf

第 33 卷第 1 期2023 年 3 月安徽地质Geology of AnhuiMar.2023Vol.33 No.1文章编号：1005-6157（2023）01-0引言传统的水上测量作业方法比较单一，通常是在船底安装单（多）波束测深仪，配合GNSS定位产品，进行测深测量，效率较低。由于是水上作业，必须有安全适用的载人工具，近年来水生态环境保护要求越来越严格，测绘区域常常没有适合安全作业的载人船舶。而且一些水流湍急或岸堤崩塌的区域则比较危险，有些河道航行的大型船舶较多，作业人员的安全及相关仪器的使用安全得不到保障。利用智能无人测量船系统，可以很好地解决上述问题。该系统具有体积小、重量轻，适应河流、湖泊、水库等多种水域作业，可搭载丰富多样的测绘、水文仪器及传感器等1，通过自主导航及手动控制，自动避障，测量水深精准，人员安全也得到保障。程剑刚2利用网络RTK进行定位，联合声波测深仪对湖底水下地形进行了数据采集，提供了一套城市湖泊测量的技术流程，避免了水草的影响和波浪对湖底地形勘测的影响。赵薛强3综合应用计算机、自动化、测量学等先进技术，研发了适用于浅滩、湖泊、池塘等困难水域，具备自动过滤渔网、自动避障、油电混合动力系统等功能的全自动无人测量船系统，并应用于珠江流域等水下地形测量。邹学海4等通过单波束水深测量定点取样技术在CAD平台的应用，解决了准确标注特征点水深的问题，实现了航道、港池等港口基础设施在设计坡脚线、变坡线等重要位置的精确水深标注，实现检查线与主测深线水深互差的批量计算。在工程实践中，通过无人测量船系统的应用，提高了水域测量速度、精度5，同时获取了丰富的数据，取得了很好的效果6。1智能无人测量船系统组成、优势分析1.1 智能无人测量船系统组成智能无人测量船系统一般由船体、通信控制系统、测量定位系统、测深系统、动力系统等组成。通信控制系统主要是对无人船的自动航行实施智能控制+遥控器主动控制；定位系统由GNSS设备为船体及测量仪器提供位置信息；测深系统测量水深数据；动力系统为无人船提供动力。以中海达某型号无人测量船为例（所搭载的测深仪位于船底部未显示），各系统组成如图1所示。图1无人测量船系统组成Figure 1.Composition of unmanned survey ship system智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用智能无人测量船在水下地形测绘中的应用许新海（安徽省蚌埠市勘测设计研究院，安徽蚌埠233000）摘要：工程建设需要获取水下地形数据，GNSS+智能无人船测绘系统应用非常广泛，可获取翔实的水下地形数据，为科学设计提供基础资料。本文介绍了智能无人船系统组成、与传统作业模式对比分析、测深仪的基本原理，通过测绘工程实例，介绍了无人船水下地形测量航线规划，自动测深作业，采用中值滤波来进行水深测量点粗差剔除，数据处理取样。通过对布设检查线数据的分析，检查断面与测深断面相交处水深点的深度较差，结果均满足规范要求。实现了智能无人测量船代替人工完成水下地形的测量工作，大大提高测量精度与效率并减少人员涉水风险。同时提出了目前仍存在的一些问题以及对未来的展望。关键词：测绘新技术；智能无人船测量系统；水深测量中图分类号：P217文献标志码：B收稿日期：2022-7-26作者简介：许新海（1985），男，安徽安庆人，高级工程师，主要从事城市测量工作。E-mail：087-4安徽地质2023年1.2 优势分析本次选用智能无人测量船，相比于传统水上作业设备，优势明显。（1）提高作业效率。智能无人船采用平板电脑等与遥控器Wi-Fi连接，实时数据通信。彻底摆脱传统基站、电源、三脚架等模式束缚，实现无缆化通信。遥控器集控制、通信于一体，实时切换工作模式、控制船速、转向、图像查看、数据采集等多项功能，相比于传统作业模式，操作更方便，可大幅提高工作效率。（2）作业更加安全。无人船控制软件可实时显示船体方向、船体实时速度、电压、距下一航点距离、GPS 卫星数据等，智能规划航线并实时记录航行轨迹7。当无人船出现通信失联、电量过低等情况可实现多种方式自动返航。配备高清云台摄像头，实时监控测量现场，当出现突发情况，实时控制，紧急避险。（3）同步获取丰富的视频资料。在测量过程中，同步拍摄现场视频，并集成至测深软件中，后期视频数据可下载保存，提供给相关部门作为水面执法等的有力证据。2测深仪基本原理测深仪的工作原理是利用超声波穿透介质并在不同介质表面产生反射的现象，利用超声波换能器发射超声波，通过测出发射波与回波的时间差来计算水深，如图2所示。图2测深仪基本原理Figure 2.Basic principle of depth sounder换能器返回值 h3=vt/2(v为水中声速；t为换能器从发出信号到接收信号所用的时间)，水深 D=h2+h3(h2为船的吃水深度；h3为换能器返回值)，水底高程H=h-h1-D(h为GNSS天线高；h1为天线至水面高)。3智能无人测量船在水下地形测绘中的应用本次测区为某市区一大型水库。该水库东西长约为450 m，南北宽约为150 m，主要作用是为附近农田灌溉。近期水利改造，需要掌握该水库的水下地形情况。本次测绘内容为绘制1 1 000地形图，水下部分是本次测绘的重点。经过实地踏勘，水库区域基本无船只，无影响航行安全的障碍物，近岸部分区域有较多水草，非常适合无人船作业，可手控操作，中心区域适用于自动测量。3.1 航线规划根据测绘范围及委托方要求，测区有航飞实景三维数据，根据基础三维数据绘出水草分布区域，在适宜无人船自动航行的区域沿水库纵向布设测线，间距为20 m，在水库横向布设检查线。水库近岸水草区域采用手控方式，保证无人船作业安全。测线布设如图3所示。图3无人船航线与检查线布设Figure 3.Layout of the route and inspection line ofunmanned ship3.2 水下地形测量根据现场的实际情况，我们确定采用中海达iBoat BS3 无 人 测 量 船，采 用 中 海 达 IRTK3 接 收AHCORS 网络数据进行定位8。无人船标配的遥控器内置通信电台，实时射频点对点通信，通过无线电传输的方式来实现遥控器对船体的控制及对测量设备数据的接收。外业平板与遥控器Wi-Fi连接实现数据通信。由于测区水域深度较浅，测深测量设置中声速为平均声速值，吃水值设置为说明书建议的0.1 m，测深仪软件采用Hi-max软件，采样间隔为3 m，设置固定解采集模式。输入坐标转换参数，设置完毕后进行测深作业。外业工作照片如图4所示。船下水后，作业人员保持关注测深测量界面，尤其是右上角的时间、解状态、水深数据是否正常。在当前水域情况下，设置“自动功率、自动增益、自动门88第33卷第1期槛、自动跟踪、自动量程”，测量过程中右下角的水深显示窗口显示水深干净无明显杂波，测量状态正常。图4外业测绘现场Figure 4.Field mapping site无人船自动测量作业完成后，对于近岸水草区域采用手控方式，整个外业测绘由2人配合完成，外业用时约为3.5 h，极大地提高了测绘外业效率。3.3 数据处理无人船测量系统的测深仪属于回声探测仪，在发射声波过程中难免会遇到水草、鱼群、水中杂物等而返回错误回波，导致个别数据有明显异常9。本次数据处理采用Hi-max软件中值滤波来进行水深测量点粗差剔除10-12，滤波后，大部分假水深数据已经被处理掉13，然后再拖动窗口下方的进度条，找蓝线与红线不匹配的地方，不匹配时，用鼠标左键拖动蓝线，跟红线匹配即可。采样设置按照5 m的间距来进行数据取样。3.4 精度验证根据 工程测量规范（GB 500262020）要求：测深结束后，应对测深断面进行检查，检查断面应与测深断面垂直相交，检查点数不应小于5%，检查断面与测深横断面相交处，图上1 mm范围内水深点的深度较差不超过0.4 m（本次测量水深均小于20 m）。为了验证无人船测量的精度，前期布设检查线14-15，检查断面与测深断面相交处图上1 mm范围内水深点的深度较差。实地对比检查145点，深度均小于规范允许的0.4 m，具体深度较差见表1。由表1可得出，无人测量船水下地形测量成果均满足 工程测量规范（GB 500262020）的要求，精度可靠，可以提供委托方使用，满足水利工程改造的相关需要。4结论与展望通过上述工程测绘实践，无人船相比于传统水深测绘方法效率较高，对于平静大水面测量，可以提高数倍效率，对于部分危险水域尤其适用。本次测量河道流速较缓，水深为36 m，水中声速变化不大，测绘结果通过检测，比较可靠。在作业的过程中，同时也发现了一些问题，如无人船搭载的RTK在近岸部分区域被树木遮挡，RTK不能固定，测深数据不准确。一些区域水草茂密，无人船被水草缠绕，失去动力，因此在推进器系统的设计上还需要进一步优化。在一些大型河流，水深较大区域，水温分层，各水层的声速不一致，采用平均声速可能带来较大的误差，需要测量声速剖面并对测深数据进行声速改正。从目前来看，随着测绘技术的发展，无人船除了可搭载测深仪外，还可搭载声学多普勒流速剖面仪、分体式侧扫声呐等各种设备，融合其他相关技术应用会更加广泛，未来发展方向也更为广阔。参考文献：1梁娟，史文华，杜朝.基于卫星通信和无人船的海洋监测技术研究J.计算机测量与控制，2019，27(8)：12-15，20.2程剑刚.网络RTK联合声波测深仪在水下地形测量中的应用J.测绘工程,2014，23(3)：63-65，80.3赵薛强.无人船水下地形测量系统的开发与应用J.人民长江，2018，49(15)：54-57.4邹学海，吴柏宣，王卫东.单波束水深测量的定点取样技术实现J.海洋测绘，2014，34(1)：27-29.5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(4)：69-726江波，樊稳州，孙瑜，等.无人船系统在富春江水库及其回水区的水文应用J.浙江水利科技，2018，46(2)：34-36.7余歆睿，李志峰智能化iBoat BS2无人船在现代水利工程观测中的应用与拓展J.江苏水利，2018(9)：64-67.8张孝盛，薛敏霞，王军晖.CORS技术在大比例尺水下地形表1深度检测分析对比Table 1.Analysis and comparison of depth detection序号JC1JC2JC3JC4JC140JC141JC142JC143JC144JC145实测深度H13.715.785.523.053.213.325.186.011.782.52检测深度H23.965.685.623.273.293.445.446.182.102.80H-0.250.10-0.10-0.22-0.08-0.12-0.26-0.17-0.32-0.28规范允许值深度检查较差限差0.4 m（水深D20 m)许新海：智能无人测量船在水下地形测绘中的应用89安徽地质2023年测量中的应用J.科技资讯，2015，13(16)：78-79.9姚冬.水下测量中延时效应的探测与改正方法探讨J.科技信息，2014(3)：92-93.10 张双慧，孟杰GPS配合测深仪进行水下测量原理J.科技信息，2010(1)：18，2511 卢荣，徐顺明.GZCORS在广州地铁三号线水下地形测量中的应用J.科技创新导报，2010，7(25)：92-93.12 李刚.无验潮模式下应用RTK技术的长江航道水下地形测量技术研究J.科技资讯，2010，8(26)：40-41.13 任志刚无验潮模式下GPS水下地形测量技术应用分析J科技促进发展，2012(4)：55，5814 路武生.基于GPS技术的航道水下地形测量研究J.科技资讯，2009，7(24)：35.15 HORVEI B,NILSEN K E.A new high resolution widebandmultibeamechosounderforinspectionworkandhydrographicmappingC/OCEANS2010MTS/IEEESEATTLE.September 20-23,2010,Seattle,WA,USA.IEEE,2010：1-7.Application of intelligent unmanned survey ship in underwater terrainmappingXU Xinhai(Survey and Design Institute of Bengbu City of Anhui Province,Bengbu,Anhui 233000,China)Abstract：Engineering construction requires the acquisition of underwater terrain data.GNSS+intelligent unmanned shipsurveyingandmappingsystemiswidelyused,whichcanobtaindetailedunderwaterterraindataandprovidebasicinformation for scientific design.This paper introduces the composition of intelligent unmanned ship system,the comparativeanalysis with traditional operation mode,and the basic principle of sounding instrument.Through surveying and mappingengineeringexamples,itintroducestherouteplanningofunderwatertopographicsurveyofunmannedship,automaticsounding operation,the use of median filter to eliminate the gross error of water depth measurement points,data processingand sampling.Analysis of the data of the laid inspection line,and the depth discrepancy at the water depth point of theintersection between the inspection section and the sounding section indicate that the results meet the requirements of thespecification.The intelligent unmanned survey ship can complete the underwater terrain survey instead of manual work,greatly improving the accuracy and efficiency of the survey and reducing the risk of personnel wading into the water.Finally,some existing problems and prospects for the future are put forward.Key words：new surveying and mapping technology；intelligent unmanned ship measurement system；sounding（上接第 77页）应用J.遥感技术与应用，2010，25(4)：451-457.13 吴焕娟，郭明珠，张皎.遥感技术在防震减灾领域中的应用J.地震工程与工程振动，2006，26(3)：267-269.14 石菊松，吴树仁，石玲.遥感在滑坡灾害研究中的应用进展J.地质论评，2008，54(4)：505-514.15 王盛利，于立，倪晋鳞，等.合成孔径雷达的有源欺骗干扰方法研究J.电子学报，2003，31(12)：1900-1902.16 张继贤，黄国满，刘纪平.玉树地震灾情SAR遥感监测与信息服务系统J.遥感学报，2010，14(5)：1038-1052.17 魏永明，郭华东，陈玉，等.甘肃省舟曲特大泥石流的遥感影像特征及古泥石流遥感识别的地质意义J.第四纪研究，2014，34(2)：325-335.Application of remote sensing technology in geological hazard monitoringand managementZHU Weiwei(No.1 Institute of Hydrogeological and Engineering Geological Exploration,Bureau of Geology and Mineral Exploration of AnhuiProvince,Wuhu,Anhui 241000,China)Abstract：Remote sensing technology has always been in a rapid development and more and more used in geological hazardinvestigation and monitoring.This paper introduces the concept，working principle and development process of the technologyand its advantages in information acquisition in the disaster-hit areas.The function of remote sensing technology is analyzedthrough its application in earthquake,landslide,debris flow and water and soil loss,and its development trend is pointed out.Key words：remote sensing technology；geological hazard；monitoring；prevention90