无人测量船在淮河崩岸监测中的应用

袁国友

（安徽省淮河河道管理局测绘院 蚌埠 233000）

1 引言

无人船是一种可以无需遥控，借助精确GNSS卫星定位和自身传感即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人，英文缩写为USV。无人船系统融合了船舶、通信、自动化、机器人控制、远程监控、网络化系统等技术，实现了自主导航、智能避障、远程通信、视频实时传输和网络化监控等功能，可广泛应用于水下地形测绘、环境监测、科研勘探、搜索救援、水域巡查乃至军事领域。

2 无人船测量系统工作原理及特点

2.1 无人船测量系统工作原理

无人船系统分为船体系统和作业系统，船体系统包含避障、视频系统、导航系统、动力系统、通讯系统、船体构造，作业系统包含测深系统、GNSS定位系统。

无人船测量系统是整个无人船系统的核心，承担着水深测量和导航定位任务，整个测量系统主要由数字测深仪、姿态传感器、GNSS 接收机、全角度摄像头及距离传感器等多种高精密传感设备。

整个系统的导航定位采用GNSS-RTK 动态差分定位原理(如图1 所示)，在岸基架设GNSS 基准站接收GNSS 卫星信号并将差分数据发送给无人船上安置的GNSS 接收机，实现实时定位和导航功能。

无人船的核心设备之一是测深仪，水深测量由安置在船上的数字测深仪完成，其基本原理是利用换能器将电能转换成声能并向水底发射。声能以回波的形式从水底返回，再通过换能器检测回波电能信号，从而计算出传播时间，根据声速和时间计算出水深，在屏幕显示出来，并且显示回波图形。

2.2 无人船的特点

无人船测量系统具有以下特点：（1）独立导航功能。在无人船中装备有智能芯片，通过芯片工作人员可实时获取无人船的GNSSS 路线，并将之与预先设定的航线坐标对比，这样可以实时进行航线的调整。（2）智能避障功能。无人船的船头部分安装有摄像机和距离传感器，工作人员可以实时监控无人船的航行情况，一旦遭遇障碍物时，传感器可迅速传递距离信息给智能芯片，这时无人船会根据预设的安全距离数值，果断采取避让或停止的动作，提升了无人船测量工作的效率和安全性。（3）实时通讯功能。无人船系统还安装有数据传输设备和实时地图传输设备，依托这两种设备无人船可与岸上操控中心进行数据的实时对接。（4）具有平稳、持久的航行能力。无人测量船在硬件上作出了一些改进和调整，如将传统船只单体设计变为三体设计，降低了船只重心，显著改善了其抗风浪的能力，使船在行驶中更加平稳。

3 无人船水下地形测量实例

3.1 项目概况

安徽省淮河河道管理局测绘院承担了淮河干流安徽段10 余处崩岸的定期观测任务，其中包括颍上境内的高台孜、王台孜，凤台境内的流沙洼、乔口孜、新建队、哑巴渡，潘集境内的光明、南湖等崩岸。由于上述崩岸每年冲淤变化比较大，河岸呈现不同程度的刷岸，河床呈现不同程度下切，安徽省淮河河道管理局对此保持特别关注，要求局测绘院每年汛前采用“断面法”测量，并对崩岸变化进行断面套绘、分析，及时发现险情，采取相应措施防护处理。测绘内容包括1 ∶1000 地形图及断面图，断面间距设为25～50m。

3.2 外业数据采集

图1 无人船测量系统基本原理示意图

考虑大部分崩岸距离确保堤防较近，地形图及断面测量范围测至确保堤防背水侧，测量包括陆上及水下两个部分，陆上部分主要采用GNSSS-RTK 测量。RTK 定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，实时提供测站点在指定坐标系中相应点的X、Y、Z 三维坐标。北斗卫星的投入使用，GNSS 接收机能搜索到更多的共同解算卫星，使GNSS 接收机工作更稳定。

水下地形部分采用无人船用“断面法”进行测量。为提高水下测量的精度和效率，安徽省淮河河道管理局测绘院中海达公司IBOAT BS2 多功能智能无人船测量系统，该设备搭载卫星定位系统、波束测深仪、发射电台、智能导航系统等软硬件设备，能够实现自动设定航线、自动采集数据、自动导航及进行远程操作等功能，具有智能化高、携带方便等优点。在崩岸测量中，由于按航线自动导航作业时有一定的转弯半径，可提前在障碍物周围做好规避航线，实际外围自动导航作业后还要手动遥控贴近障碍区域采集水深数据，尽可能采集完整。作业要求按1 ∶1000 测量水下地形，航线间隔25m，航向数据采样点间距5m，地形起伏较大处适当加密。

3.3 数据处理

测量工作完成后，可以进行数据改正，数据后处理。获得的数据还不能直接使用，需要进行粗差剔除和数据抽稀，对实时获得的水面高程和水深数据进行处理得到水底正高数据。及时将实测数据转存至计算机并生成原始文件，使用南方CASS7.1 绘制出崩岸地形图。

将所有数据展绘于地形图上，并参照断面线检查数据是否遗漏，点位间距是否合适，断面点位偏离是否超限等。经初检无问题则导入Excel进行处理。将属于同一断面的数据集合在一起，并按自左岸到右岸的次序排列，计算各点在断面线上的映射点到基点之间的距离和各点偏离断面线距离，并整理成断面数据成果表。由断面成果表将数据整理为绘制断面图需要的格式，采用专业绘图软件绘制dwg 格式的横断面图。横断面图横比例尺为1 ∶1000，纵比例尺为1 ∶100。

地形图及断面图绘制完成后，利用该段崩岸历史资料中的地形图及断面进行套绘比较，并结合本段崩岸的地质及相应时段的水文、水沙特性，对该段崩岸的河岸、河床变化进行分析。

3.4 精度检核

每处崩岸采集中提取了10 个特征点，通过人工测量的方式（渔船携带中海达HDmax 测深仪）验证数据的准确性。经数据对比，平面误差均在10cm 内，水深数据误差在5cm，最大误差为8cm，满足项目要求。

4 结语

经上述实例验证，利用无人船水下测量技术获取水下地形数据，能够满足大比例尺地形图水下地形测量的精度要求，且在复杂水域条件下，能够大大降低测绘人员的劳动强度，成倍提高了外业测量效率，避免了外业人员水上作业的危险，对促进测绘单位的发展、增强市场竞争力、提高技术服务水平大有裨益，具有良好的市场前景和发展趋势■