卢自来，朱运权

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，成都 610017）

1 引言

传统的水下地形测量是将GPS 接收机和测深仪同时固定在船上，航行到指定位置，利用测深仪对水深进行测量，同时，利用GPS 测定水深值位置坐标信息。由于机动船是人为操作，经常出现船只不能按照预设的航线进行测量的问题，从而造成反复测量，作业时间长、成本高；在滩险的地方进行测量时，测量过程中由于风浪的干扰，常常造成船只不稳定并且存在倾翻的危险，且工作效率低、危险性大，只适用于流速不大，且无大风大浪的区域。

大至江河，小到内流，不同环境，不同水情，流速流量监测一直是水文测量比较头痛的领域，直到声学多普勒流速剖面仪（ADCP）的出现，得到了水文学界的高度重视，它的应用揭示了水流的时空分布特征，利用多普勒频移原理，完美地弥补了传统测流的局限性。从流速流量日常测报、养殖捕捞、防灾减灾到能源开发，凡与水文有关的事务均需河流环境要素的观测与数据，而ADCP 能够提供高分辨率、高精度、信息海量且完整的观测与数据，在实时监测河流流场的水文监测、科学研究、水域经济建设和国防建设等方面都具有重要意义。大断面流量测量常用的方式是机动船走航测验，而弊端也在应用中逐步显现出来，如人员、机械维护成本高、效率低下；船体姿态不稳定，精度差；机动船在浅滩受限，岸边测不到等。

2 无人船测量技术简介

无人船集成了众多先进技术，主要包括无人船智能导航技术、自动避障技术流速感知全自动、一键悬停、测流全直线、GPS 定位技术、实时通信技术和声呐测深技术等，可对行走区域的流速、位置、水深等参数进行快速准确的测量采集，适合山区河流、内河湖泊、水库、城市中小型河流等。无人船测量是以无人船为载体，内置4G 通信网络、定位定向板卡、高清摄像头，以及可搭载测深仪、GNSS、ADCP 走航仪等测量设备，实时获取水下位置、水深、流量等信息。

3 项目概况

岷江（龙溪口枢纽至宜宾合江门）航道整治工程一期工程施工图设计测量位于岷江龙溪口枢纽至屏山岷江大桥。为进一步挖掘岷江航运潜能，发展岷江航运，根据国务院批复的《全国内河航道与港口布局规划》，结合岷江特点和特性，四川省人民政府确定乐山至新民81 km（简称“上段”）按照以航为主的老木孔、东风岩、犍为、龙溪口四级梯级方案开发，工程完成后达到Ⅲ级航道标准，通航千吨级船舶；新民至宜宾合江门81 km（简称“下段”）河道，因受生态环境保护和达氏鲟（东方美人鱼）、胭脂鱼（水中熊猫）、白鲟（珍稀鱼种）3 种鱼类的繁衍生息的需要，该段航道采用整治措施，达到内河Ⅲ级航道尺度标准，常年通行1 000 t 级船舶。岷江龙溪口枢纽至宜宾合江门81 km 航段，总落差44.3 m，平均比降0.55‰，其中，龙溪口枢纽至斑竹林滩为单一河槽与岔流相间的宽浅型河道，水流不甚集中，是滩险水深不足的根本原因，该段枯水河宽150～350 m。斑竹林滩以下河流进入峡谷，河岸固定，水面窄、水流平顺。但是，河口段的铜锣湾滩群受无序采沙影响，原本较为稳定的边滩被破坏，导致水流分散、航槽易变，滩情明显恶化。

4 无人船水深测量

对岷江（龙溪口枢纽至宜宾合江门）航道整治一期工程河段的水域进行水深测量，测图比例为1∶2 000。水深测量采用无人船及有模拟记录的单波速回声测深仪。单波速主测深线宜垂直于等深线总方向或岸线，也可布置成平行线、螺旋线或45°斜线，一个测区范围内至少布设2 条纵向测深检查线[1]。测深时的平面定位采用GPS。用GPS 进行水深测量平面定位时，要注意坐标系统和转换参数的设置是否正确，开工前和收工后均要进行平面定位精度校核。

4.1 外业采集作业步骤

1）准备设备，主要有无人船、电池、操控器、天线、GPS 设备、笔记本电脑、串口线。

2）现场勘查，需熟悉现场河流情况，例如，下水点、上岸点、水的流速、滩坝、水深、河岸道路、通视条件。

3）仪器调试，调试好GPS 接收机（RTK 和千寻cors 均可）；采集公共点；使用华测设置通信参数，在无人船上安装好GPS接收机，等待固定。

4）水深数据采集，无人船下水，采用断面法采集水深值。

5）内业数据处理，采用华测无人船自研AutoPlanner 水下地形测绘数据采集及后处理软件Hydro Surver 导出水深数据，使用公共点把经纬度坐标转到岷江独立坐标系中。

4.2 水深测量注意事项

1）在水深测量前，首先测量水中的声速，用声速仪测量当天本河段有代表性的水中声速，并把声速值等相关数据输入测深仪中进行参数设置。水深测量正式开始前还要通过用杆测的方式对测深仪水深进行比对检查，并做好比测记录，确认精度满足要求后才能开始测量。

2）测深线布设：主测深线方向与水流方向大体垂直，布设成平行线，在河流转弯处根据河道弯曲幅度适当旋转测深线，确保主测深线与等深线总方向基本垂直，主测深线间距按图上1.0 cm 布置。另外，在不同作业组的相邻测段布设1 条重合测深线，同一作业组不同时期测深的相邻测深段布设2 条重合测深线。以便于分析重合段平面及高程的一致性。同时，根据河段的具体情况布置测深检查线，测深检查线垂直于主测深线布设，范围为河段水深测量的上、下游范围。检查线长度不小于主测深线总长度的5%，计划布置不少于2 条。

3）水深测量：无人船沿布设的测深计划线匀速航行，其自带测量软件根据GPS 和测深仪采集到的数据实时记录各断面水下测点的平面位置及相应的水深数据，定位点距不大于图上1.0 cm，并由计算机同时记录存盘。测量过程中同时锁定工作卫星不低于5 颗，其几何强度因子PDOP 值小于5，卫星高度角大于10°[2]。测量过程中保证流动站定位模式处于固定解模式，当RTK 定位模式为浮点解或单点定位时，则停止作业，重新初始化GPS 接收机。

4）每天测量结束前，作业组还需按规范要求进行纵断面测深检查线测量，范围为当天的横断面水深测量范围，检查线垂直于主测深线，长度占主测深线总长度的5%以上。

4.3 内业数据处理

水深数据后处理：使用AutoPlanner 水下地形测绘数据采集及后处理软件Hydro Surver 的后处理功能对野外采集数据中的位置坐标和水深数据进行编辑，在对水深量化值与模拟记录器的记录水深值进行检误后，对比较明显的水深变化特征点进行插补，以保证测深精度并如实反映水下地貌。当发现水深异常而又无法判定其正确与否时，采取重测或补测。剔除粗差水深点后，使用软件后处理功能生成水深改正文件和后处理文件。后处理软件根据采集到的各点实时水面高程和水深，自动计算出相应点的河底高程。

5 无人船大断面流量测量

全河段布置水文断面应满足施工图设计要求，断面流量开始测验前，宜采用流速仪法与声学多普勒流速剖面仪同垂线的流速、流量、流向等项目的比较检测，其方法是用流速仪施测不同垂线位置、相对水深0.6h（h 为水深）处的点流速30点以上，每点历时100 s；用声学多普勒剖面仪在相同位置定点施测流速，记录30 组数据以上（摘录水深0.6h 处的流速）。然后进行误差统计，比测结果的相对系统差在±1%以内，相对标准差不超过1.5%。

本项目大断面流量测量采用华微4 号无人自动测量船搭载瑞江600ADCP 走航仪分别在多个滩段进行测量。华微4 号无人船是华测自主研发的最新一款超轻便型水文测验无人船，适配市面绝大多数ADCP。总长1.2 m，质量只有9 kg 的船体使得运输更加方便，可轻易放入汽车后备厢，整体方案质量约20 kg，可以轻松装入轿车后备厢，运输方便。无人船下水后，首先手动操控无人船，将船开往江中央；此时停止控制，让无人船顺流漂3 s 获取水流方向，之后手动开到距岸边2 m 处悬停，使用ADCP 软件配置基础信息。配置完成后选择解除悬停，无人船便自动沿垂直河流的方向向对岸自动驶去，到达了预先设置好的对岸岸边距距离后，无人船自动悬停，此时ADCP 软件停止测验，开始第二个断面测验。测流流程要求如下：

1）无人船在GPS 实时导航下按预置的断面线进行施测，测船始终保持慢车且尽量保持匀速运动[3]；

2）两岸测至岸边ADCP 盲区水深处，以提高测量精度；

3）每次施测均从左岸→右岸、右岸→左岸，施测2 个来回，取所测断面流量的平均值作为实测流量值，并对施测时间及断面流量进行现场记录。

4）在走航过程中当测船在GPS 实时导航下到达的垂线流速观测点位区域后，无人船保持船位相对不动，此时ADCP 开始实施垂线流速和流向观测，采集30 个观测数据以上，取其平均值作为垂线实测流速流向值。

顶层、底层盲区处理：施测中对于ADCP 顶层、底层盲区的处理采用幂指数法进行估算，幂指数均采用0.166 7（经验值，适用于大部分河流），对于岸边流量的估算则根据实测的大断面图形分别采用0.5～0.9 系数进行处理。

华微4 号无人船搭载瑞江600ADCP 在10 min 内完成1 个断面流量测验，流量误差最大为0.55%，远小于水文规范要求的5%[4]，可以在较短时间内完成岷江一期工程的所有测流断面，解决了岷江施工图测量对水文测验要求在同一流量级下的难点问题。

6 无人船测量的优势

相对于机动船测量来说，无人测量船具有如下优点：

1）机动船由于吃水问题，在浅滩区域，机动船容易搁浅且无法到达，导致无法保证水域的全覆盖测量；而无人船吃水只有约10 cm，可以实现山区河流水域的全覆盖测量。

2）机动船只大多为渔船，每天要重复进行测深仪及GPS的安装固定，浪费时间，而无人船船体轻便，搬运方便下水即可轻松开展测量工作。

3）机动船测量为人工操作，航线不能完全按照规划航线行驶，经常出现反复测量，造成工期延长；而无人船可以严格按照规划航线进行测量，避免重复测量，从而提高工作效率。

4）机动船测量，测量人员必须实时在船上，在滩险及浪大区域测量，存在安全隐患；而无人船采用实时自动采集水深及测量数据，无须人员上船，无人员安全隐患。

5）无人船在单位时间内，可以覆盖的水域面积远大于机动船，无人船测量只需要1 名测量人员即可操作，测量所需要的人工成本远低于机动船测量。

6）无人船自带测流绝对直线技术、自适应流速技术、自动悬停技术，且无人船吃水只有10 cm，可以完全到达岸边，使得测流数据更加精确。

7 结语

综上所述，采用无人船测量系统对岷江局部区域进行水下地形测量及断面流量测量，并与机动船测量方法进行比对，结果表明，无人船测量水深数据及断面流量数据精度高、稳定性强，无人船测量时间更短。无人测量船的引进，真正做到了山区河流测量的安全性、高精度、高效率、自动一体化，大大减少了外业测量人员及工作时间，既保障了测量人员水上作业的人身安全，又提高了水上测量的作业效率，并在一定程度上填补了机动载人船在山区河流航道测量领域的空白。

本文介绍无人测量船系统这种新的测量手段在山区河流测量中起到了明显的示范作用。无人测量船在山区河流的航道整治、抢险救灾、原型观测等工作中必将得到更为广泛的应用，在山区河流水下地形及水文测验中具有良好的发展前途。