无人测量船在水利工程测量中的应用

彭玉生

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230088）

1 无人测量船

1.1 无人测量船简介

无人测量船主要包括船体系统、测深系统、GNSS定位系统和岸基控制系统。船体系统包含动力、通信、导航、视频监测、智能避障等；测深系统是由安置在船上的数字测深仪完成；GNSS 定位系统采用GNSS-RTK 动态差分定位，可采用在岸基架设基准站，也可采用CORS 网络RTK；岸基控制系统由PC 设备、遥控器、无线电台等设备组成。

1.2 无人测量船工作原理

无人测量船的工作原理如图1：通过岸基系统PC 端划定测区及布设航线，无人测量船接收指令开始进行自动航行测量，也可以通过遥控器手动遥控进行测量。已知声波在水下的传播速度为v，单波束测深仪通过换能器发射和接收到波束回波的时间间隔为t，则可计算出换能器至水底的深度S 为：

图1 无人测量船工作原理图

S=vt/2

由GNSSRTK 测量可以获得GNSS 接收机相位中心实时三维坐标（X，Y，Z），GNSS 接收机相位中心到水面的高差值为h1，动态吃水和静态吃水差值极小，可忽略不计，视吃水值为h2，可实时测出水底高程H 为：

H=Z-S-h1-h2

由此可以得出GNSS 接收机正下方地形点的实时三维坐标为（X，Y，H），实现了水下地形点的测量。

2 应用实例

2.1 测区概况

解放水库属中型水库，位于安徽省定远县境内。库区现有水域面积3.6km²，深水区平均水深4.0m 左右。水库周边存在大面积浅水区域，水深不足0.5m，同时周边还分布着100 多座鱼塘，且大小、深浅不一。本次测量需要对库区水域进行1∶2000水下地形测绘，平面坐标系统采用2000 国家大地坐标系，高程系统采用1985 国家高程基准，在前期准备工作中已求得测区转换七参数。常规测量方法进入浅滩和鱼塘测量比较困难且效率低下。无人测量船体积小、重量轻、吃水浅、便于运输等特点在此次项目中发挥了重要作用。

2.2 外业实施

2.2.1 航线规划

外业实施前在PC 端打开AutoPlanner 控制软件，连接到网络并打开合适的卫星影像图。在卫星影像图中选择测区或者导入测区边界，软件自动生成航线，并可根据需要，调节航线的方向和航线间的距离。航线规划好后上传至无人测量船。

2.2.2 数据采集

在作业现场检查安装好无人测量船，打开PC 端HydroSurvey 测深软件，新建工程项目，输入相关参数，设置数据记录方式，引导无人船进入起始测量位置开始测量。作业人员需要时刻关注测量船的工作状态，根据测深软件的提示，在深水区域采用自动航行工作模式，当水深小于1.0m 时，切换遥控器手动控制进行水下数据采集。在对鱼塘进行测量时，因塘内分布各种养鱼设备，无法自动航行，故采用遥控器手动控制模式。由于鱼塘间距离较近，迁站时直接采取人工搬运的方式，便捷且大大提高了作业效率。

2.3 数据处理

外业数据采集工作完成后，在PC 端利用HydroSurvey 测深软件对所采集的数据进行处理。

（1）水深取样。将测量完的数据按照成果要求进行采样。采样前，需要对数据进行筛选，剔除非固定解及异常水深地形点，然后根据项目要求选择合适的采样间隔，生成采样文件。

（2）数据导出。将经过处理后生成的采样文件通过软件导出为需要的格式，HydroSurvey 提供了多种可选择的导出格式，也可以自定义导出格式，得到水下地形点的三维坐标、水深数据等。

2.4 精度检查

为了进行精度检查，本项目按照规范要求布置了长度不小于测深线总长度5%的测深检查线，且与测深线垂直。采用传统水下测量方式（渔船携带RTK+测深仪或测深杆）进行测量，选取检查线与测深线相交处，图上1mm 范围内的水深点的深度进行对比，无人测量船所测水深为H1,检查点水深为H2，其精度统计见表1。

表1 无人测量船精度统计表

在《水利水电工程测量规范》（SL197-2013）中规定，当水深H ＜10m 时，测点深度中误差限值为±0.15m。通过实测检验数据可以看到，利用无人测量船测量的水下地形点的精度满足工程建设要求。

3 无人测量船误差分析

3.1 传播介质的影响

声速是影响水深测量精度的关键因素，而影响声速的因素有温度、盐度和压力。声速随着温度、盐度、深度的增大而增大，其中与温度的相关性影响最大，压力次之，盐度影响最小。为减弱或消除传播介质的影响，对于深水区首先应进行声速测量，然后根据测量的声速剖面对水深数据进行改正，从而达到提高测量精度的目的。

3.2 风浪的影响

由于外界风浪的影响，船体前后或左右会发生一定的倾斜，测量误差将随着倾斜角度和水深的增加而变大，当倾斜度超过一定角度时，测量误差将会超过限差范围。因此实施测量前需根据天气预报情况选择适宜作业时间，常规经验值为风力2 级以下。

3.3 水中杂物的影响

无人测量船搭载的是单波束测深仪，水中的漂浮物和水草等杂物对测深数据影响较大。因漂浮物产生的粗差数据可利用测深软件进行剔除处理，当水草较多时不宜采用无人船进行测量。

4 结语

通过本项目的实践应用，采用无人测量船进行水下地形测量在水利工程测量中是可行的，其高效、安全、便捷等特点，特别适合在浅滩、鱼塘以及危险水域等区域使用，不仅提高了作业效率，保障了作业人员安全，同时保证了测量成果的精度，值得推广。

但是以当前现状综合分析，无人测量船也存在以下不足：（1）在有渔网和水草较多的水域，其船桨易被缠绕，无法进行测量作业。（2）当遇到障碍物时无法有效避障，测量中容易发生碰撞、搁浅等情况，在复杂水域需要作业人员时刻通过人眼或摄像头对前方水域进行观察，对作业人员的操控能力要求较高。（3）单组电池续航能力有限，须配备多组电池才能满足全天作业需求。随着科技的发展，无人测量船技术将会不断成熟，其应用也将会更加广泛■