焦 旺

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710000）

1 概述

水下地形测量是工程测量的一种特殊形式,是测量江河、湖泊、水库、港湾和近海水底点的平面位置和高程,用以绘制水下地形图的测绘工作。水下地形测量具有不可见、不易直接接触的特性,因此其测量方式与陆地地形测量有很大差异［1］。

水下地形测量可采用常规模式和自动化模式。常规模式通常采用交会法、极坐标法、断面索法等进行平面定位,采用测深杆、测深锤、模拟探测仪进行水深测量。自动化模式一般采用GNSS方法进行平面定位,采用数字化单波束测深仪或多波束测深仪进行水深测量,并同步采集。

水下测量无人船通过在船体上集成定位装置、测深装置和自驾装置,使其实现像无人机一样的自动导航定位,高效获取水下地形数据。随着无人测量船技术的日益成熟,其在水下地形测量中的应用越来越广泛［2］。

塘巴水库位于新疆阿勒泰市东南20 km红墩镇境内,是一座平原水库,水域面积约16 km3,扩建工程计划加坝扩容,需要测量库区水下1∶1000地形图。

2 水下地形测量

2.1 华微3号无人船简况

华微3 号无人船系统由无人船船体、操作平板电脑、遥控器、配套GNSS接收机组成。无人船体长1 m,带电总重15 kg,吃水0.1 m,搭载单波束测深仪,水深测程0.3 m~300 m,标称测深精度1cm+0.1%h。操作平板电脑为Win10 系统,安装有配套任务规划软件AutoPlanner和海洋测量软件HydroSurvey。遥控器可切换自动和手动模式,自动模式时,无人船按照预设航线自动行驶并测量,手动模式下,可用遥控器操纵杆控制无人船前进、停车、倒车及转向。配套GNSS接收机为无人船提供参考基准站及坐标转换参数。

2.2 无人船水下测量原理

无人船水下测量的原理是,在无人船固定位置搭载GNSS接收机和测深仪,GNSS接收机测量水面某点位的坐标和高程,测深仪发射声波到水底并接收回波,根据声波传递时间和速度计算水深。两者同步观测,通过高程换算,即可得到水底对应点位的高程。

如图1所示,h为GNSS天线中心至水面的高度,为已知固定值；H为船载GNSS接收机天线中心正常高高程,为测量值；S为水底P点对应水深,为测量值；B为水底P点实际高程,为目标值。水底P点高程通过如下关系式计算：

图1 无人船水下测量原理示意图

2.3 水下地形测量的实施

2.3.1测线规划

测线是无人船在自动驾驶测量时遵循的路线,需在测量前布设。测线分主测线和检测线,主测线用于获取水下地形数据,检测线用于检验主测线数据精度。将测量范围边线导入AutoPlanner软件,输入测线间距和方位角,即自动生成主测线。根据《水利水电工程测量规范》（SL 197-2013）［3］,进行水下地形测量,河流、湖泊、水库一般水域的测深线间距应为15 m~30 m（1∶1000地形图）。塘巴水库项目规划的主测线,间距取30 m,垂直于水库南北分割线,总长度约540 km,垂直主测线,在水域内均匀布设检测线约28 km。

2.3.2下水测量。

下水前,对无人船进行调试,向无人船主控写入测线。任务写入后,设置Home点。Home点是无人船遭遇紧急情况或触发自动返航时自动追踪的点位,设置合适的Home点是保障无人船航行安全的重要一环。无人船通过运营商网络与HydroSurvey软件实时通讯。测量时,无人船连接CORS或参考基准站,实现实时动态测量。

2.3.3数据处理

无人船测量数据由测深数据和波形数据组成,两者一一对应。无人船每开关机一次,记录一组数据。

数据处理使用HydroSurvey软件。处理流程是载入水深数据和波形数据、剔除不合格数据、按间隔采样、生成*.htt格式中间数据、导出成果数据。图2为数据处理界面,图中横轴为时间轴,纵轴上半轴为水面高程,绿色水平线表示无人船测量的水面高程随时间变化,纵轴下半轴为水深,绿色曲线表示无人船测量的水深随时间的变化。图2中有两处水深异常变化处,明显为不合格数据,应予以剔除。导出的成果数据为南方Cass软件支持的*.dat格式。

图2 HydroSurvey软件水下测量数据处理模块

3 精度分析

水下地形测量精度使用重合点深度较差进行评价,重合点即主测线与检测线的交点。主测线与检测线测出的成果点是离散的,不存在绝对的重合点。为降低因位置偏差造成的重合点高程不符,提高精度检验可靠性,以1 m为采样间距,输出成果点,将主测点和检测点展绘于图上,在主测线和检测线的每个交点处保留一对主测点与检测点。计算保留的每对主测点和检测点的距离,当距离≤1 m（图上1 mm）,认定其为一对合格重合点,参与重合点高程较差计算。

塘巴水库项目合格重合点共计928 个,其中,水深0 m~20 m范围内557 个,水深20 m~40 m范围内371 个。利用合格重合点计算水深较差。

0 m~20 m水深重合点水深较差分布见图3。

图3 0m~20m水深重合点水深较差分布

图4 20m~40m水深重合点水深较差分布

式（2）中,n为样本个数,Δi为第i对重合点的水深较差。深度检查较差中误差统计结果见表1。

表1 塘巴水库水下地形测量精度统计

根据《水利水电工程测量规范》（SL 197-2013）［3］,水深检查较差限差见表2。

表2 深度检查较差限差 单位：m

根据表1和表2,在0 m~20 m深度范围内,无人船测深较差中误差为0.168 m,在20 m~40 m深度范围内,无人船测深较差中误差为0.235 m,均优于规范规定的限差。表明塘巴水库水下地形测量精度符合《水利水电工程测量规范》（SL 197-2013）的规定。

4 结语

（1）在塘巴水库水下地形测量中,使用华微3号无人船,在-10℃～0℃气温条件下,垂直水库南北岸按30m间距布设主测线540 km,垂直主测线布设检测线28 km。利用主测线和检测线重合点的高程值对无人船测深精度进行检查,结果表明无人船测深精度可靠,符合规范要求。

（2）无人船水下测量安全、简便、测点均匀。操作人员无需下水,通过遥控和航行控制软件对无人船进行操控,最大限度降低了人员落水的可能。无人船重量轻、体积小,运输和装卸简便,工作时只需安装电池和天线,即可下水。无人船按照航线行驶并对水下进行测量,航线间距均匀可控,不易造成漏测。

（3）随着各类涉水工程建设和人类活动向水下空间的不断拓展,无人船作为一种新兴的水下地形测量工具,作为对“机动船+测深仪”模式和人工探测方式的重要补充,必将得到更加广泛的应用。