轻型无人船水下三维地形测量方法研究

高得力

中国葛洲坝集团第六工程有限公司 云南昆明 650000

水下地形测量是大坝工程测量的重要组成部分，是为坝工设计服务的一项重要技术工作。对保障大坝设计质量具有不可替代的作用。

在水电工程建设中，大坝的设计阶段需要对坝址区进行水下河床地形测量，当坝址处于河道不规则、水流急、流速快、落差大的河段时（河流条件见图1），采用常规测量船进行坝址水下地形测量的方法难以实施。测量船在复杂水情河面很难稳定进行水下地形测量数据采集，同时因此类河段一般暗礁遍布形成多个暗流漩涡以及水中气泡水花等，影响测深仪超声波的测深数据的真实性，也影响地形数据点采集分布密度的完整性；一般水深测量平面位置采用岸上测量仪器采集或采用GPS单点定位获取，该类河段水下地形测量还存在水下地形数据平面位置与深度数据难以同步匹配的问题；同时在此类河段利用测量船进行水下地形测量给船上的测量人员带来较大安全风险，如采用无人摇控测量浮船进行作业，在复杂水流条件河段将难以受控，将严重影响到测量数据的精度和完整性，必须研制一种轻型无人船通过岸上人员手动牵引操控来实现其移动以及在急流水面上任一点能稳定就位，数据采集过程中浮船不发生漂移和倾覆。

图1 复杂水流条件的河流

为了解决上述问题，选用无人测量浮船并进行改造使其在复杂水流条件下能平稳作业，同时搭载先进的高精度测量仪器进行水下地形测量，并研究出可靠的浮船操控及测量方法，实现了急流大落差河段坝址水下精确测量，并在安哥拉卡古路卡巴萨水电站项目成功应用，形成了一套成熟的急流大落差河段水下地形测量方法。为类似的水下地形测量提供了技术支持，具有一定的指导意义。

1 测量步骤、方法及原理

1.1 工艺流程

水下地形测量具体步骤是：准备工作（现场踏勘、资料收集、观测计划、仪器人员组织、仪器配置与检查）→技术设计（设计依据、精度、基准）→外业实施（布设断面、现场施测）→外业数据传输、数据预处理→数据处理→检查、精度评定→资料整理与提交。

1.2 主要设备配置

（1）增设配重装置的简易浮船。浮船见图2。

（2）GPS设备。GPS机器通过全球定位系统GPS工作。基本原理是卫星不断发送其星历参数和时间信息，在接收到这些消息之后，用户使用测距切除原理来计算接收。用于定位和导航的3D坐标，运动速度和时间等信息。

（3）测深仪。测深仪是单光束发声装置，工作原理是使用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物并被反射回换能器时，声波根据声波的时间和测量水中的声波传播，速度可用于找到障碍物和换能器之间的距离。根据使用的声波数量，可以分为单频和双频，单频发声器仅用于一般水深测量，双频发声器可以同时测量岩石的表面深度和深度。

图2 牵引式浮船船图

1.3 测量方法

水下地形测量是使用测量仪器确定水下地形点的三维坐标的过程。在“GPS +计算机（包括数据处理软件）+数字测深仪”的测量模式中，GPS的RTK功能（Real TimeKinematic，实时载波相位差技术是两点载波相位实时处理的差异）该方法可实时获取现场厘米级定位精度，大大提高野外作业效率，获得水面点的平面坐标和高程，通过发声器获取水深。 ，最后计算垂直对应点的水。地形点的三维坐标如下：

第一，在测量开始之前，将参考站设置在测量区域附近地形较高的位置，并相应地设置相应的局部投影和椭球参数，并使用较高级别的控制点进行校正；第二，设置RTK后，选择较窄的河道，用细线将对岸牵引钢丝绳穿过河道，并将钢丝绳固定在铺设剖面线两端附近的大石块上；第三，用约5米长的尼龙绳的一端用锁固定在船上，另一端用箍连接，箍放在穿过河的钢丝绳上。环可以在钢丝绳上移动并用作安全绳，以防止水冲走船；第四，为了防止浮船向前或向后转动，可将扣环固定在船首或船尾，并用足够厚的尼龙绳固定在浮船的两侧，以改变浮动船的力点。浮船。浮桥可以在绳索的牵引下沿预先设置的剖面线平稳地移动，以进行水下地形测量；第五，进行水下地形测量时，左右两侧设有一名技师和两名辅助测量员进行操作；左右两侧使用对讲机在拉绳和松绳的过程中进行通信，并听取专业技术人员的统一指挥。使船在铺设的部分上平稳移动；第六，探测数据直接存储在仪器中，并通过无线信号实时传输到岸边笔记本电脑。实时显示测量区域的水深曲线，及时发现仪器采集的数据，确定数据是否有异常，数据可以随时重新测试。异常区域，数据故障排除和及时处理，大大提高了数据的可靠性；第七，字段数据收集完成后，字段收集的数据将被导出，并简单地处理成．dat数据格式。商业软件Southern CASS绘图软件将用于开发轮廓以生成轮廓线或轮廓线。在区域的实际情况下，应对地形图进行编辑和修改，轮廓线或等深线应平滑，符合自然变化规律，形成最终的水下地形测量结果。

具体操作如3示意图所示：

图3 牵引式浮船船工作平面示意图

1.4 原理

（1）为便于人员在两岸通过绳锁对无人浮船进行牵引，选用的浮船为轻小型无人船，在水流湍急且暗流漩涡遍布的河面该浮船难以操控和就位，为解决此问题，在浮船上部安装了配重装置，将船体重量适当增加，配重装置采用角钢制作成型，安装固定在船体上部，调整该配重装置的位置，使船体的重心稍偏向前端，并将牵引绳挂点设置在配重装置前端，浮船在运行时，船体在水面为逆水方向牵引移动，加之配重作用，船体可以稳定受控。船体运行情况见图4。

图4 测量浮船运行图

（2）通过岸上两侧由人工同时对浮船施加外力牵引，使有效控制测量浮船的移动轨迹、使测点可以任意遍布水面各坐标，实现测区水域的有效全覆盖。同时船体的移动速度和船体姿态易于控制，能获取完整的水下地形数据。

（3）一般水深测量平面位置采用岸上测量仪器采集或采用GPS单点定位获取，存在水下地形数据平面位置与深度数据不同步匹配的问题，通过在船体中搭载GPS仪，与测水深仪器同步进行数据采集，获取高精度三维坐标。船体中搭载的GPS仪做好有效固定和防水措施，防水采用塑料膜包裹密封处理，同时为解决GPS仪器数据传输，在岸边架设GPS基站获取船上GPS仪传递的数据。

2 测量精度控制

水下地形测量的准确性受测量参数精度，空间电磁环境，船体摇摆，测深仪采样率，GPS和测深仪测量时间差等因素的影响，可以通过技术手段削弱或消除一些影响。一些效果一般不可以消除。

坐标变换参数和高程拟合参数精度与RTK定位测量的精度直接相关。参数精度不仅与已知点的精度有关，而且与已知点的位置和数量有关。已知点的精度要求应与调查区域和工程技术相适应。一方面不可能追求高精度。水下地形测量的精度要求低于陆上地形，现有的控制测量结果用于确定参数。可以满足要求。坐标转换参数可以是4个参数；测量范围约为1万，不需要表面拟合，高程表面可以平移或加权平均拟合。

RTK定位的过程是基站和移动台之间的单个基线过程，并 且必须确保基站和移动台之间的无线电信号传输是连续和平滑的。在整个调查区域应考虑基站的位置。应远离各种产生强电磁辐射的设施，如无线电发射设施，高压线路，变电站等，并应在广阔的地形和高地形中竖立。

在测量过程中，GPS流动站应保持RTK的固定解决方案。当锁定的卫星数量不足或卫星信号质量不好时，应立即停止测量，当锁定的卫星数量和卫星信号质量满足要求时，应继续测量。

RTK接收天线和测深仪传感器尽可能安装在同一探测杆上，使传感器吃水深度与RTK天线高度之和为固定值，便于测量吃水深度和天线高度，可以减少负荷由船舶的速度和航向的变化引起的船舶起伏摇摆造成的水深测量。为了防止水下障碍物刮擦测深仪传感器，传感器不应低于船底。通常，在靠近岸边测量时，水应不小于 0．5 米。

应该在每天工作前调整发声器的声速。由声速引起的水深测量的绝对误差与水深值成比例。淡水中的理论声速为1500米闰秒，通常在1300到1650之间；海水中的声速略大于淡水中的声速。声速随着水温的升高而增大，声速的变化率随着水温的升高而降低。在0℃和35℃之间，声速的变化率从5m/℃降低到2m/℃。当声速误差为10米/秒时，当水深为2米时，水深测量的绝对误差约为14毫米，当水深为10米时水深测量的绝对误差达到约70毫米，水深50米时水深测量的绝对误差达到340毫米左右。根据测量区域的水深，可以通过测量杆，钢尺或发声锤测量水深。在与发声器测量的水深进行比较之后，调整并重复发声器的声速，直到满足水深测量精度。

船舶测量和深度测量在导航状态下进行。 RTK和发声器不一定是同步的。 RTK采样通常在水深采样之后。在水下地形条件下，测量精度影响不大；当地的潜力很大。更改时，测量引起的测量误差很大，导致绘制的轮廓线呈波浪状。测量时，速度应稳定。当RTK测量频率为1秒时，速度不应大于每秒的采样间隔，这样每次水深采样间隔都有RTK采样数据，当内部数据处理时，水深可以全面处理。船速校正功能得到纠正。

测量应在小风浪期间进行。转弯时，船体大大摆动。不应使用数据。尝试转到测试区域外。

由于水下漂浮物体的影响，在采集水深样本时，或者在形成三维数据文件之后，可以消除水深测量数据中的误差，根据等深线的平滑度和间距绘制等高线图。找出后删除错误的水深数据。

为了确保可靠的测量结果，在测试之前和之后需要对GPS和测深仪进行数据检查。对于GPS，流动站可用于测量已知点并与已知坐标进行比较以满足精度要求。对于测深仪，应通过测量绳测量水深，并与测深仪面板上显示的深度进行比较。

另外，在不同时间段对相同水域进行重复测量，并比较相邻测量点的高度。如果差异不大，则在测量过程中始终保持相同的测量精度，并且通常在没有事故的情况下执行测量操作。测量结果也可以通过常规方法检查，例如使用全站仪。全站在岸上竖立，统治者乘船到水中的垂直镜杆。当杆高度不够时，绳索可用于辅助。映射后比较相邻点的高程。

数据验证通常采用多种方法相结合，以确保测量数据的准确性，提高测量结果的可靠性。

3 安全控制

根据施工安全规定，主要针对水下地形测量工作采取以下安全措施：第一，严格按照设备的使用说明操作设备，确保设备的安全性能，检查浮船的密封性能，确保船体不渗透，并固定牵引尾端绳索到岸边的树木或岩石[1]。绳索保护用于冲洗仪器漏水，造成严重损坏；第二，水下地形测量人员必须配备合格的救生衣和防滑鞋。严禁在河边玩耍，在河里游泳；河岸上密布着石块，始终注意脚下的安全，防止瘀伤和跌落；在河岸上放置带绳索的救生圈，以防止在发生事故时及时救援；雨天的石头表面很滑，严禁水下地形。

4 环保措施

本方法充分考虑了环保要求，动力为绳索牵引力，GPS和测深仪均为可充电锂电池提供电源，对河流无污染，主要是岸上人员生活垃圾的收集处理，确保施工现场清洁。

5 结语

安哥拉卡古路卡巴萨水电站项目采用简易浮船和高精度仪器相结合的方法即牵引式船载GPS测深仪一体化装置进行水下地形测量工作，操作简单、方便、快捷、轻松、高效、经济，同时由于测船速度较慢，船体稳定，容易控制，测量方法合理、测量质量优良、内业采用科学严密的方法进行数据分析及专业软件进行数据处理，各项测量指标及成果都达到测量规范要求的精度，成果精确可靠。