基于无人船的水陆一体化测量技术研究与应用

王宵雷，温 旭，解全波，倪蔚瑜

（1. 浙江省测绘科学技术研究院，浙江 杭州 311100；2. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590）

随着测绘科学的发展，测绘技术已涉及海陆空各领域；同时人工智能、大数据、自动化技术的进步也为测绘行业的发展注入了新的活力。国家“经略海洋”战略的提出，使得对水下以及水陆交接区域地形数据的需求日益强烈，给测量技术提出了更高的要求。在浅海、岛礁等水域，测量船作业存在危险，且测量效率低下，复杂的测区环境导致测量精度难以满足生产需求。为克服困难水域的测量难题、提高测量工作效率，无人船[1-3]技术成为一个理想选项，为测量人员提供了极大的便利，国内也在这方面取得了重大成果[4-5]。无人船在环境监测[6]、资源勘察[7]、科学研究和应用[8]等领域发展迅速，能在恶劣条件下成功完成各种工作，成为当前研究、发展和应用的热点之一[9-10]。

水陆结合部的数据采集工作一般分为水上和水下两个独立的工程[11]，水上部分多为人工利用实时动态RTK技术跑点或采用三维激光扫描技术、航空/天摄影测量技术、无人机遥感技术等获取数据；而水下工程则一般利用单波束测深仪、多波束测深仪等采集水深数据。这种作业方法存在作业效率低，水上水下坐标基准不统一且数据精度不一致，沿岸悬崖陡坡泥地等困难区域人员无法到达而导致水上水下数据不连续、地形数据不完整等问题。水上水下一体化测量技术[12]通过集成激光扫描系统、多波束水深测量系统和惯性导航系统，在同一坐标基准下同步获取水上激光点云和水下多波束点云数据，为海岛（礁）[13]、码头、水中建筑物的测量提供了新的方法和思路，具有重大意义。

为解决浅滩、环境复杂的水陆结合部测量困难和危险系数高等问题，提高工作效率和地形数据的完整度，本文将无人船技术与水上水下一体化测量系统相结合，实现了一套基于无人船的水陆一体化测量技术方案，并通过实际应用验证了该技术的可行性和有效性。基于无人船的水陆一体化测量系统能很好地适应各种复杂水域环境，可同时获取水上水下数据，作业效率和精度较高，能实现测区全覆盖，具有很好的实用价值。

1 基于无人船的水陆一体化测量系统

基于无人船的水陆一体化测量系统以无人船为载体，集成了GNSS、多波束测深仪、激光扫描仪、高精度惯性导航等多种高精度传感器，可选用自动驾驶和远程遥控两种方式对无人船进行控制，采用无线传输的方式，可实时接收并分析处理所采集数据。系统主要由无人船系统、水上水下一体化测量系统和岸基系统3个部分组成，具体如图1所示。

图1 基于无人船的水陆一体化测量系统构成

1.1 无人船系统

无人船系统为水上水下一体化测量系统的载体，同时具备远程遥控技术、无线通信和高精度定位导航功能，整个系统主要由船体、通信系统、定位导航系统和控制系统4个部分组成。

1）船体。无人船船体采用合金材质，具有船体轻、易搬运、易冲洗、吃水浅、耐腐蚀、耐碰撞等特点，主要承载各类通信设备和传感器，船型设计可保证其在3～5级的风浪条件下平稳航行。

2）通信系统是链接无人船系统和岸基控制系统的重要窗口。无人船通过电台通信的方式，实时地将无人船的工作任务状态、航行姿态位置信息传输至岸基系统。另外，用户也可实时获取数据信息并进行浏览查看。

3）定位导航系统。由高精度GNSS接收机提供位置信息，实时定位船体位置。通过通信系统，测量员可在加载了测区底图的软件中实时查看无人船的行驶轨迹和当前位置。

4）控制系统主要负责控制无人船的航线。测量人员可根据测区的实际情况在手动遥控控制和自动控制两种模式下自由切换，以适应复杂的水域。同时，测量人员通过实时掌握船体状态和测量数据，便于发现错误信息，及时调整航行路线。

1.2 水上水下一体化测量系统

水上水下一体化测量系统为整个测量系统的核心，主要负责采集和记录各类传感器数据。其设计原理如图2 所示，主要包括激光扫描仪、多波束测深系统和组合导航系统。测量人员通过操控软件，控制安装在无人船上的水上水下一体化测量系统进行数据采集。具体传感器参数如表1所示。

表1 核心传感器参数指标

图2 水上水下一体化测量系统设计原理

系统采用RIEGL VMQ-1HA 激光扫描仪进行高效率高分辨率高精度的三维移动测量。其基本原理是根据激光脉冲测得的空间距离、水平方向和垂直方向的步进角距值，计算得到目标点的三维坐标；同时利用全景相机拍摄物体的彩色照片，记录物体的颜色信息，通过将图像与点云数据进行匹配，得到物体的彩色三维信息。

系统采用Sonic 2024 多波束测深仪，具有60 kHz的信号带宽，具有较高的分辨率、数据精度和图像质量。其基本原理是由换能器发射声波，测量发射波与反射波之间的时间差，再根据声速完成水深测量。Sonic 2024 具有在线连续调频的优点，测量过程中可根据实际环境调整系统频率，从而实现最佳的量程和条带覆盖宽度。根据实际作业测区情况，覆盖角度可在10～160°范围内选择。

POSMV 组合导航系统（GNSS/IMU）为数据采集系统提供了位置姿态信息。POSMV 通过对GNSS 与IMU 的角速度和加速度数据进行融合，为其他系统提供精确且稳定的定位和定向数据；采用微秒级的时间精度对位置（经度、纬度和高程）、方向（横摇角、纵摇角和航向角）、涌浪、速度和性能指标进行同步，具有定位精度高、稳定性强的优点，绝对定位精度小于5 cm。在遇到GPS 信号接收不连续或多路径效应的情况下，具有消除定位漂移和快速重新获取信号的功能。

1.3 岸基系统

岸基系统由基准站、岸基控制软件和通信系统组成。基准站可根据实际需求自由架设，并向流动站实时提供差分数据链，以获取无人船高精度的位置信息；岸基控制软件主要为PC 版软件控制系统，包括参数设置模块、数据采集模块、船体控制模块、数据显示模块、数据处理模块等；通信系统可实时接收、分析、处理和显示无人船的各项瞬时动态信息以及各传感器的工作状态。

2 测量应用与精度分析

2.1 测区概况

小湖南镇水库位于浙江省衢州市衢江区（图3），大坝高129 m，水域面积为2 151 km2，储水可达20亿m3。水库整体地势陡峭，水上水下地形变化较大，养殖拦网区较少，通航性较好，水草等浮游生物较少，通航安全性高；最深处在100 m以上，近岸处水深为4～5 m，能保证无人船在近岸行驶时的安全性，最大程度地保证近岸水下地形覆盖的完整度。由于水库面积和水面风浪较大，将对无人船的测量工作带来一定的影响。

图3 小湖南镇水库

2.2 作业流程

本文主要对水库大坝及其周围岸边水上水下进行数据采集，测量系统承载平台采用无人船上安装的刚性结构。外业操作主要包括基准点建立、多传感器链接、参数设置、航线布置、设备初始化、水上水下数据采集等过程。基站架设在岸上开阔地带，基于无人船的水上水下一体化测量系统和RTK实测均采用同一个岸上的基准点。坐标系统为WGS84基准和高斯3°带投影，高程系统为WGS84椭球高。数据处理主要包括POS数据解算、水深数据融合、点云数据滤波、水上水下数据拼接等步骤。

2.3 测量结果与分析

本文主要对水库水下以及水陆交接区域进行数据采集，包括水上激光扫描点云数据和水下多波束点云数据两个部分。水库水上水下整体点云数据如图4 所示，岸边区域和大坝区域水上水下拼接效果如图5、6所示，可以看出，基于无人船的水上水下一体化测量系统通过同步采集水上水下数据，极大程度地保证了地形的完整度，可实现水上水下区域的无缝拼接。

图4 水上水下点云数据

图5 岸边区域数据

图6 大坝区域数据

本文利用检核点对系统精度进行检测和分析。检核点一般选取水库大坝上方护栏拐角、路灯、电线杆、独立石头等明显且易测量的地类地物点，部分地类地物检核点如图7所示。首先利用RTK实测采集这些检核点的坐标，然后对基于无人船的水上水下一体化测量系统中采集的检核点坐标进行提取，最后对地类地物同名点的两套坐标进行精度统计分析。

图7 部分检核点的选取

本文共采集50个检核点，每个点都是有效点，从中随机抽取10个点作为样本点，样本检核点的坐标差值对比结果如表2所示，可以看出，平面和高程的最大偏差均小于10 cm，其中E方向最大偏差为9.1 cm，N方向最大偏差为8.6 cm，U 方向最大偏差为8.9 cm。根据《水利水电工程测量规范》中地形点的图上精度为0.5～0.6 m，基于无人船的水上水下一体化系统的实测精度满足水利水电工程大比例尺地形图的测图精度要求。

表2 样本检核点精度对比

通过对小湖南镇水库一体化测量数据的分析可知，基于无人船的水上水下一体化测量系统在小湖南镇水库区域采集的数据比较完整，实现了平面和垂直基准的统一，重点地物已实现水上水下无缝拼接，顺利完成了该区域水上水下地形的采集任务。船载激光点云位置和高程精度符合1∶2 000地形图测量的基本精度要求，点云重复测量精度优于10 cm@100 m，水深精度优于0.1 m，符合相关测量规范要求。

3 结 语

本文利用基于无人船的水上水下一体化测量系统对小湖南镇水库进行数据采集，数据成果能很好地反映沿岸水上水下地形情况，尤其是在水陆相接的部分，达到了无缝拼接的效果。根据本次实际测量结果，基于无人船的水上水下一体化测量系统具有以下优势：

1）系统能很好地适应测区复杂的水域环境，无需人工干预，可实现全自动作业。

2）系统能很好地保证测量人员的安全，有效避免涉水危险，对浅滩、水质污染、悬崖等人工测量困难或无法到达的区域具有很高的适应性。

3）系统实现了水上水下数据的同步采集，提高了外业数据采集效率。

基于无人船的水上水下一体化测量系统集成了多波束测深仪、激光扫描仪和惯性导航系统等多种传感器，实现了水上水下地形的快速、精准测量，解决了水陆交接区域数据覆盖完整度低的问题，为实现基础测绘数据的完整覆盖、建设水陆完整地形数据库，提供了优质、高效的地理信息服务保障。