无人船测深仪在大断面测量中的应用

杨凯，曹雅昌，杨晓亮，郭振霆

（海河水利委员会海河下游管理局，天津 300061）

水文测验断面的测量又称为大断面测量，是水文测验的基础要求之一[1]。通常在水文站设站之前，对河床进行大断面测量；在汛期前后进行2次测量，在发生大洪水后和断面发生明显变化时要组织开展校测。水文断面测量包括横断面测量和纵断面测量，其中历史最高洪水位与河床线之间所包括的面积为大断面。断面测量是测定河床各点的起点距和高程，绘制断面图。通常起点距测量，使用全站仪直接测量水平距离。水下点高程测量[2]一般在水深较浅、流速较小区域，采用测深杆测深；在水深较深、流速较大区域，采用铅鱼测深；在面积较大水域，采用回声测深仪测深。断面测量精度直接影响流量测量，但如果采用常规测量方法需要多名水文人员配合操作，会导致对水深测量数据产生误差，并且存在人员安全隐患问题。

本文以J水文站为例，在断面测量中使用无人船测深技术对水底高程进行测量。通过将智能控制技术、无线通信技术与小型化遥控测量船结合起来，搭载测深仪传感器，实现对断面水下地形地貌的快速测量，以检验无人船测深方法的可操作性和数据准确性。

1 无人船测深仪介绍

1.1 无人船测深仪组成

无人船测深仪由无人船、测深仪、RTK和地面站组成。无人船为BlueSounderT-Boat2多功能测量无人船[3]。该船为双体流线船型，具有硬度高、重量轻，重心低，航行稳，防沉、防颠覆、防水、防撞、防腐、防磨损特性，主要应用于江河湖泊、水岸、海岸、码头等水域，通过人工遥控或自主巡航，实现常规或应急水下地形地貌测绘、水文流量测量、水质采样、水质监测、水下暗管探测等水下作业。测深仪采用单波束测深仪，具有小巧、携带方便、使用简单等特点，可搭载在无人船上进行河道、湖泊、近海等水域精密水深测量。RTK选用iRTK5GNSSRTK，支持星站差分，采用全向电台天线，内置多协议电台，为4 W超大发射功率，移动站支持网络中继和电台中继。设备支持4 G全网通信和4 G网络天线。地面站使用PC安装无人船智能控制软件和测深仪软件进行设备控制与数据采集。

1.2 无人船系统连接

无人船系统连接，如图1所示。将通信天线和通信模块通过串口连接到地面站后，即可运行无人船智能控制软件平台。

图1 无人船系统连接示意

无人船智能控制软件平台主要有4项功能：①串口通信管理；②控制模式选择；③航线管理、预设航线下发；④控制指令下发。

1.3 航线管理

航线管理是无人船智能控制软件平台的重要功能之一，主要分为手动设置航线和自动路径规划两种模式。

（1）手动控制航线。一般情况下，采用手动设置航线，实现航线路径的自动规划。通过电脑端软件设置航点，在航点设置完成后，按照设置顺序自动生成航线。

（2）自动路径规划。在特定的水域内有规则地进行航点布置与航线规划。通过电脑端软件设置多个标记点，形成一个多边形的围栏，调整测量参数，确认区域中航点布置与航线规划。

1.4 操作流程

主要操作流程[4]如下。

（1）网络连接测试。将测深仪主机通过网络与电脑连接，在电脑端选择设备型号、配置网络地址设置，联通系统。

（2）测深仪参数设置。设置天线高度和换能器吃水深度。

（3）声速校准。本试验在淡水水域进行测量，选取温盐深公式进行计算，通过测量水域的温度、盐度、深度，计算出正确的声速值，下发参数。

（4）进行水深测量，得到水底高程。

2 无人船测深仪测量与常规方法测量对比分析[5]

2.1 无人船测深法

在陆地架设地面站与无人船进行通信，在电脑端规划测量路径，将无人船行驶至航线路径，测深仪实时记录路径上各点水深，并通过软件后处理功能计算数值。

2.2 铅鱼测深法

使用现有缆道和铅鱼测量水底高程，通过水位换算高程数据。测量人员利用对讲机时刻进行联系，记录数值。其中，水下点高程=水面高程（水位）-水深。

2.3 测量结果对比分析

选取南闸上、北闸下2个缆道断面2020年11月24日测量结果，南闸上测时水位4.2 m，北闸下测时水位5.04 m。以南闸上水下24个测量点进行数据比对，大断面测量结果及误差详见表1。

表1 南闸上大断面测量结果及误差

由表1可知，最大误差为0.03 m。选取北闸下水下18个测量点进行数据比对，北闸下大断面测量结果及误差详见表2。由表2可知，最大误差为0.01 m。通过上述无人船和铅鱼测深数据对比，试验最大误差为±0.03 m，绘制南闸上、北闸下断面河底模型如图2—3所示。

表2 北闸下断面测量结果及误差

由图2—3可知，无人船与铅鱼测深的曲线基本重合，基本反映了河底高程情况，证明无人船测深数据较为准确。因此，无人船测深仪可用于河道断面监测中。

图2 南闸上断面河底模型

图3 北闸下断面河底模型

3 结论

通过无人船测深仪在水下大断面高程测量中的应用，得出如下结论。

（1）无人船测深可以实现水深数据的自动采集，测量精度可达到1cm±0.1%h（h为水深）。

（2）对河道大断面进行快速测量且航线固定、测数充足。自动航测系统按照规划航线进行数据采集，在单位时间内采样数远远高于人工测量。

（3）设备轻便，工作安全可靠。无人船系统设备集成度较高，单人便可开展户外测量作业，与常规水下地形测量方式相比，测量工作更加安全可靠。

但是目前还存在一些缺陷：①在水深小于50 cm的水域，存在吃水问题，无人船无法进行作业，需要人工测量；②在水草、芦苇较多的水域，其船桨可能被缠绕，无法进行测量作业；③在较为广阔水域内，网络信号存在覆盖不足问题，造成数据无法同步到陆地站。下一步将探索无人船测深系统在抢险救灾、河道清淤、水库库容计算等工作中应用。