多源数据检验无人船技术在深圳河测量应用中的精度评定

张小牛

摘  要：为适应当今经济社会发展新常态的测绘科技转型方向，提高测绘作业效率及科技創新能力，结合当前市场测绘技术方面需求，分析既有测绘技术在提供服务保障方面存在的缺陷，创新性地提出国内外测量性能领先的无人船技术应用在深港界河深圳河水下地形测量中，并对获取到的数据，运用三维激光扫描技术、双频数字测深技术手段采集的多源数据来检验无人船测深技术的精度而进行研究。

关键词：深圳河水下地形  无人船技术  检查板  双频数字测深仪  三维激光扫描  MATLAB建模

中图分类号：P715                            文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（b）-0020-03

Accuracy Evaluation of Unmanned Ship Technology in Shenzhen River Survey Application

ZHANG  Xiaoniu

（Shenzhen Geotechnical Investigation&Survey Institute （Group） Co.， Ltd.， Shenzhen， Guangdong Province， 518000  China）

Abstract： In order to adapt to the transformation direction of Surveying and mapping technology in the new normal of today's economic and social development， improve the efficiency of Surveying and mapping operation and the ability of scientific and technological innovation， combined with the current market demand for surveying and mapping technology， this paper analyzes the defects of existing surveying and mapping technology in providing service guarantee， and innovatively proposes The unmanned ship technology with leading internal and external measurement performance is applied in the underwater topographic survey of Shenzhen River， the boundary river between Shenzhen and Hong Kong. The obtained data are tested by using multi-source data collected by 3D laser scanning technology and dual frequency digital sounding technology.

Key Words： Shenzhen River underwater terrain; Unmanned ship technology; Inspection board; Dual-frequency digital depth sounder; Three-dimensional laser scanning; MATLAB modeling

近年来，测绘领域的水下地形测量无人船新技术开始在市场和生产单位大力推广应用，测绘数据的获取逐渐从传统测量手段测深杆、测深锤和回声测深仪等设备投入大量人工外业采集转向智能化、自动化获取，大量的人力作业由无人船设备新技术取代，大大提高了作业效率和获取数据的安全性，降低作业成本，在水库库容、港池测量、河道回淤监测及水下地形测量方面具备优势，同时较传统设备，无人船在船控系统、通讯定位技术、场景可视化、数据后处理、续航方面做了大量优化，采集的数据可在软件中自动剔除异常和失真情况，保障测绘数据获取的精准、直观、丰富、应用更广泛。

1  项目简介

深圳河干流为深港界河，位于珠江口东侧，深圳市南侧，从罗芳自东向西流入深圳湾，其流域面积312.5km2，深港两地政府于1995—2006年完成了3期工程的治理，全长13.5km（里程桩为：K0-850-K13+465.1）其中罗湖桥至新洲河口段长9.6km，堤防断面为复合式和直立式，平原河口至罗湖桥段全长3.9km，全部为直立式断面，河道防洪设计标准为50年一遇。为了更全面、精准、高效采集数据，在河道里程桩为8+500-6+900段作为实验区，利用无人船技术在该区域进行水下地形测量数据采集，并与船载测深仪采集数据+三维激光扫描滩涂数据进行精度对比分析研究。

2  具体技术实施

里程8+500-6+900段测量采用华微3号无人船技术进行，它具备体积小、速度快、风险低等优势，可有效地解决因测区条件和环境限制遇到的问题，降低成本高效测量，华微3号无人船由GNSS导航系统、测深系统、船体控制系统和AutoPlanner、HydroSurvey软件组成。

GNSS导航系统采用单基站RTK模式，测前在已有等级点上架设基站，通过电台发射RTCM3.0格式数据，移动站通过相同频率电台接收高精度定位数据，为无人船自动行驶和测量提供厘米级的位置信息，用同精度等级点做检查，平面较差最大值为0.019m（限差0.050m），高程较差最大值为0.015m（限差±0.060m），满足规范要求。

测深系统由搭载在无人船上的换能器发射频率为200kHz的单波束声波进行水深测量，精度为：±1cm+0.1%×h（h为水深值），测深范围：0.15～300m。结合GNSS系统提供的位置信息，由水深测量软件解算出声波发射瞬间的水下平面位置和高程。深圳河属潮汐河，每天涨潮和落潮时水的温度、含盐度及水中压强都有所不同，故声波在水中的传播速度也在变化。鉴于此原因，在水深测量前采用“检查板”直接校对法对测深仪测深数据进行综合改正，根据深度改正数与水中声速的关系求解水中声速，然后对声速进行修正后在进行水深测量。

深度改正数与水中声速的关系如下：

?hc=（c/c0-1）h

式中：

?hc—深度改正值（m）;

H—水深读数（m）;

c0—水中标准声速（m/s），其值为1500m/s;

c—水中声速（m/s）。

水中声速与水温、含盐度的关系式如下：

c=1450+4.206t-0.0366t2+1.137（s-35）

式中：c—水中声速（m/s）;

t—水温（℃）;

s—含盐度（‰）。

改正后的测深仪测深数据与“检查板”测量数据的比较，较差最大值为0.03m，符合规范要求（较差中误差：±0.05m）。

船体控制系统控制无人船的航行方向和速度，在事先规划的测线内，设定好航行速度及数据记录方式采用自主导航模式进行水深测量，对河道边缘区域为保证设备的安全性，由人工操作无人船遥控器，手动遥控无人船进行测量[1]。

3  数据采集及处理

考虑到河道周边靠近边防管控区，网络信号存在不稳定情况，测量时采用网桥模式建立无人船与平板控制系统的通讯，在平板上打开控制软件AutoPlanner，通过网桥连接无人船，打开水深测量软件HydroSurvey设置好坐标转换参数、通信端口、吃水、声速、增益、量程等参数后加载规划的测线进行数据采集，设定航行速度2.3m/s，每1m记录一次数据。

最后将水深测量软件HydroSurvey内的成果进行剔除异常和失真数据后，生成水深文件，根据导出的水深文件，按照点号、平面位置、水面高、水深数据的格式输出成图格式文件[2]。

4  HD-380双频数字测深仪测量

目前深圳河水下地形测量，主要以GPS RTK配合管养船搭载HD-380型双频数字测深仪（标称精度为±1cm+0.1%×D，D为所测之深度），采用无验潮测深法进行作业。GPS RTK配合数字化测深仪无验潮测深法已在我国各测绘单位应用多年，相关论述较多，测量精度与效率已得到公认，GPS接收机与数字化测深仪连接后，以RTK测量模式实测接收机当前平面坐标与水面高程（1956年黄海高程系），并实时传输到测深仪中，测深仪同时测量水深，内置软件计算出当前水深点的平面坐标与高程。

为了验证无人船技术采集数据的可靠性，在无人船测量区域，里程8+500-6+900段，采用GPS RTK配合测深仪进行检查数据采集，获取对比分析数据，为保证此项对比数据采集的准确性，外业测量方面将测深仪探头安装在船身中部，以消除船开动时因船身翘动而产生的探头吃水误差，开测前、测后在河道不同区域，采用检查板测水深与测深仪器读数比对，以检验测深仪的测深精度，由于深圳河道航务运输繁忙，行船较多，测线主要平行于航道。为弥补纵向数据采集不足，在河道沿“之”字形路线进行加密采集。外业数据采集完毕后，使用数据后处理软件结合GPS坐标测量数据和测深数据，计算水下地形测量数据[3]。

5  Trimble SX10三维激光扫描仪测量

三维激光扫描技术是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革新[4]。它突破了传统测量手段的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势，深圳河属潮汐河流，退潮后河道滩涂地方会裸露在外，为验证无人船在该滩涂区域采集到的数据准确性，结合现场实际情况，采用Trimble SX10三维激光扫描仪进行作业，该仪器是影像及高速3D扫描一体化的设备，数据获取速度为1000000点/s，集成内置相机，可以获取全景HDR图像，生成彩色、可量测的高精度三维激光点云数据，将外业扫描获取的原始点云数据通过移动硬盘从扫描仪手簿拷贝，后导入数据处理软件Trimble Business Center，依据外业扫描过程中同步获取的照片对点云进行噪声数据裁剪，得到真彩色点云数据，受水面反射的影响，扫描点云数据的获取量有限，为保证比对数据可靠性，在点云密集区域进行高程数据提取并与无人船采集数据进行对比分析研究[5-6]。

6  MATLAB建模软件进行多源数据衔接检查

MATLAB建模软件，主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及圖像处理，利用事先编辑好的程序，将无人船、双频数字测深仪、三维激光扫描仪获取的多源数据导入MATLAB建模软件，进行对各数据异常变化及衔接性问题检查，由于数据采集量密度大，导致人工检查工作量增加，为提高效率通过建模软件对存在异常变化数据分析剔除，而后将剔除异常点的数据再次融合分析检查至无误，通过此技术手段检查，在提高效率的同时并能保障各级比对数据衔接的准确可靠性。具体情况如图1所示。

7  基于多源数据，对无人船测量数据进行精度分析评定

（1）依据单波束测深仪数据，共选择了406个水深点与无人船测量数据进行深度比对，互差最大值为0.13m（限差±0.4m），中误差为0.06m（限差±0.2m）;

（2）依据三维激光扫描数据，共选择了182个滩涂标高点与无人船测量数据进行比对检查，互差最大值为0.16m（限差±0.4m），中误差为0.08m（限差±0.2m）。

上述实例检验表明，无人船在深圳河水下地形测量获取的数据精度可靠，满足规范要求。

8  结语

结合测深仪测深技术、三维激光扫描技术获得覆盖面广、精细高的多源数据对无人船获取的数据进行精度分析研究，证实无人船在深圳河水下地形测量应用中，可达到高效、成本低、速度快、风险低不受环境因素限制等优势而采集数据，其精度是可行可靠的，后续并将运用到我司各专项业务上，提高工作效率，提升技术实力，同时为深圳河水下定期测量项目，提供更加丰富、应用更广的基础数据。

参考文献

[1] 裴学军，陈金剑，周迎奎.河道管护中的无人机倾斜摄影技术应用浅析[J].中国水利.2019（13）：63-64.

[2] 汪仁银，李开伟，陈锐，等.三维激光扫描技术在地形测绘中的应用[J].测绘通报，2018（12）：159-162.

[3] 戚国香，孔德博，蒋志强.分析天狼星无人机航测技术在河湖划界中的应用[J].工程建设与设计，2020（4）：260-261.

[4] 蒋春利.面向河湖和水利工程划界的测绘技术研究[J].科技资讯，2018，16（14）：67，69.

[5] 姜俊野.现代测绘自动化技术在地形测量中的应用[J].科学技术创新，2018（25）：195-196.

[6] 项田龙，孙璧辉.现代测绘技术自动化技术在地形测量中的应用分析[J].世界有色金属，2018（3）：22，24.