陈 鹏，刘存信，张世见

（山东省地矿测绘有限公司，山东 济南 250002）

近些年来，随着我国经济的快速发展，国家加大了水利等基础设施工程建设的投入力度，相应的一些测量技术也受益于此，并获得很大的优化和完善。无人船测量在水下测量技术中是非常成熟和高效的技术，利用装设电子测量和信息处理设备，使得无人船能够更加有效完成水下测量任务。因为其存在的一些技术优势，也得到业界高度的认同，并成为目前广泛采用的水下测量方式。而电子信息技术的不断进步，也会推动无人船水下地形测量技术升级，无人船水下测量具备更广阔的发展空间。

1 无人船水下地形测量技术概述

无人船水下地形测量技术中，无人测量船为载体，并加装了一套性能强大的水域测绘系统，该系统软硬件结合，船载设备包括声纳测深设备、GNSS、罗盘仪等，同时还需要配备岸基电脑操作导航及控制软件。在测量时，无人船会在待测水域根据设定航线以固定速度行驶，行驶过程中对水下地形信息进行数据的即时采集，相关测量数据最后经过数据处理，自动生成测绘文件。通常情况下，水下地形测量方式大多采用单波束测深仪，该仪器被安装在船上，与GNSS、后处理软件设备等共同完成导航、定位、数据采集、信息处理等功能，并将所获得数据信息自动生成三维坐标。

在实际的工程水下测量过程中，需要解决一些技术性难题，包括测量船难以靠近的浅水区域、水流湍急区域、河流阻断水域等，此时，利用无人测量船是比较适宜的测量方式，无人船既能够沿着设定航线进行测量工作，也可以通过遥控方式完成测量作业，各种测量环境都可以很好地适应。

2 无人船水下地形测量案例分析

采用无人船进行水下地形测量，需要根据具体测量对象和内容研究作业的船型和实施方式。为更有效阐述相关流程，文章通过实际测量案例进行相应的解释和说明，进而提高文章的针对性和实用性。

2.1 无人船测量水域基本情况

本次测量水利工程为某水库，该水库水域共4.8 km2，位于某河流支流上游。整个水库工程规模为中型水库，实际设计功能主要包括：供水、防洪、灌溉、观光、养殖等。无人船测量区域的水下平均深度约5.2 m，其最深处可以达到15 m左右。水下地形比较复杂，整体呈东北部深西南部浅的形状，且拥有大小不一几个孤岛。水库西南部较浅区域有许多鱼类养殖围网，水库北部近岸区有大量芦苇。测量作业时段为10月份，是水库捕鱼期，对整个作业过程有一定影响。

测量作业任务是完成水库水域内水下地形的测量，并将测量结果按照比例尺规格为1∶2000标准输出。为保证达到测量精度，无人船航线以40 m作为间隔，在测量航线上间隔10 m设置数据采样点。因为本次测量选用无人船测量设备具有自动采集功能，其自动设置的采样间隔会比人工设定的间隔稍小，因此，在最终获得数据的处理上需要适当进行抽稀。实际测量中，对于水下地形有比较大的起伏或地形复杂的情况，测量中会根据具体情况适当降低航线间隔和测量采样点间距，以保证地形测量的充分精确。

2.2 无人测量船的硬件组成及其技术内容

本次测量任务所选用的无人测量船主要包括两个组成部分：一是探测船。探测船主要的构成部分又分为船体、推进器、船载主控系统、测量系统、基础电源以及无线传输系统等，其中，船体、推进器和船载主控系统主要完成无人船的航行及航行控制功能，而测量系统、基础电源及无线传输系统负责测量、通信及相关辅助功能。二是岸基础控制系统。岸基础控制系统主要构成部分包括三个：笔记本电脑、基础性通讯单元、基站，用于对测量数据的收集整理，同时对进行测量船遥控操作。

通信技术对于整个测量作业实施有着至关重要的影响，在通信技术选择方面必须确保探测船与岸基础控制系统的通信链接高效稳定，才能充分保障对测量过程的完全控制，同时，大量测量数据实时传输，控制软件通过无线通信设备实现高质量互动，岸基础控制系统将来自测量船的运行参数和水下地形测量数据完整接收，为数据处理可信度奠定技术基础。数据处理技术具有高度兼容特点，与RTK这种常规化工程测量技术相比，可以支持电台模式和网络模式，能够充分表现出管控完整性优势，同时在运行系统化方面，其优势也非常显著。

2.3 无人船水下测量技术路线的选择

本次水库水下地形测量选用的无人测量船具有比较先进的智能避障功能，但在实际操作中发现这些避障功能还不具备完全自动化和智能化的运转水平，遇有特殊情况难以自主处理，还需要通过人工干预方式完成相应的测量工作。尤其是与障碍物非常接近，或者对近岸水下地形进行测量作业时，当无人船安全系统检测到警戒距离范围内有障碍物时会自动停机，以防与障碍物发生碰撞。此时，需要切换到人工遥控作业模式，将船内装设的避障系统屏蔽，才能继续完成测量任务。因此，船体避障设备可以当作是一种辅助性作业方式，在对水库进行水下地形测量的航线设计时，要充分考虑到这一问题，航线需要绕开障碍物较多的水面区域。在对无人船测量航线进行设计前，需要首先对测区进行人工踏勘，对水面的障碍区以及围网区等区域进行标注，确保航线的可行性和合理性。

内业的任务首先是通过收集的地形图资料与卫星影像进行套合，卫星影像要确保是最新整理的资料。就目前的无人船测量技术而言，一些测量无人船的软件可以直接下载目标地域的影像资料，非常方便地在影像地图上直接完成航线的设定。对于没有待测区域地形图的情况，可充分利用外业中采集到的现场特征点坐标，再在内业中利用CASS软件对坐标进行调整和校正，再利用经过校正的卫星影像来确定测量要避开的障碍区，对无人船的航线进行设计。设计完成的航线要通过软件进行转化并导入到岸基操控软件中，文件以dxf格式进行存放。测量前就能够依据套合影像对航线中的那些障碍区进行识别，包括浅滩、围网、孤岛和其他一些人工设施等。

在实际测量作业时，无人船会在超出操作者视线范围时发生各种问题，诸如靠岸贴边、搁浅、挂住围网等情况几乎不可避免，通过手动方式对测量无人船进行遥控以有效回复正常作业状态是非常麻烦的事情。为尽量避免这些问题的频繁发生，在外业操作前尽可能做好充分准备，对潜在风险区可直接采用人工遥控方式完成作业任务，防止搁浅等问题发生。

2.3.1 外业数据采集

在外业数据采集过程中，必须确保无线通信质量，使得岸基基站数据、无人船GNSS坐标数据、无人船测深数据等重要数据信息在数据采集过程中可以高效准确传送。首先，船载GNSS会接收到岸基基站发送的GNSS数据，并实时完成测量船坐标的精确定位，同时，船载电脑也会对所获得的各种重要数据信息进行采集，包括船体的坐标数据、水深数据以及无人船运转参数等，这些数据信息都要实时进行传送，岸基基站的笔记本电脑接收相关信息，根据测量作业需要发送各种指令。其次，要确保整个系统各节点不发生任何问题，如果任意一个环节出现问题，都将对采集数据的精确性和可用性造成负面影响。为此，在外业作业过程中会选择使用远距数据传输天线，使得传输质量得到根本保障。在自动巡航测量作业时，要考虑到设置合理的转弯半径，在障碍物和潜在障碍区域预先做好航线的设置，使得转弯半径可以满足正常测量要求。必要时还需手动遥控完成对特定区域的测量，保证采集数据完整可用。

2.3.2 数据处理

在对测量数据进行处理时，需要考虑测量精度的问题，因此在测量的距离间隔和时间间隔上，要有非常严格的控制。无人测量船测量获取的数据无法直接用作最终的效果图中，必须通过粗差剔除、数据抽稀等一些数据处理操作，才能有效使用。本次测量的数据处理，针对水下地形数据通过无验潮模式进行处理，水面高程数据以及水深数据经过进一步处理形成水下地形的正高数据。处理后，获得水下地形等高线，这些等高线能够非常直观地描述出水库水下地形。

2.4 测量精度检核

对测量精度进行检核，这是核对测量数据精确性的必要工作流程，也是确定测量准确性和可用度的关键环节。在本次测量中，对测量数据的检核通过两种方式完成：一是无人船检校航线自检测校验，就是通过对无人船布设校验航线将已经测量过的水下地形数据再次检测，并与先前数据进行对照，完成自检校；二是自动记录测深仪检测进行校验，选择机船搭载自动记录测深仪对所测量数据进行检校，该校验方式可以保证校验精度。

3 无人船水利工程水下地形测量应用分析

基于实际测量案例的具体操作，可以对无人船水利工程水下地形测量的具体应用状况进行分析，从中得出测量作业的技术要点，对于其他测量作业有一定参考借鉴价值。

3.1 确保操作人员的有效参与

无人船对水下地形进行测量，这已经是非常成熟并广泛采用的技术方式，在作业过程中，有一些技术标准和操作流程需要得到严格落实。从前述水库测量案例已经看出，整个测量过程中所涉及到的数据采集、处理和校验环节，都需要人与设备的有效配合，才能最终保证测量结果达到预期目标。测量工作要将操作人员与水利工程测量作业的具体要求相结合，基于水域条件对水下地形进行测量数据信息的深度处理和融合考虑到测量中对无人船航线造成干扰的影响因素较多且存在较大不确定性，完全依赖自动航线测量难以保证其有效实施，需要人工采用遥控干预方式完成地形测定工作。整个测量过程中，基站操作要与无人船外业操作保持充分数据共享，包括无线通信和操作指令能够实时完成。

3.2 确保数据信息准确可靠

为确保测量精度和准确性，包括岸基系统和测量船的定位系统，都应该能够提供精确的位置信息，这些信息内容是整个测量的定位标准，如果这些数据不够精确，那么整个测量的数据都将失真。为此，作业人员对于岸基系统基站位置的定位，必须在确保定位系统工作状态良好的情况下严格根据操作流程来确定，这对于无人测量船完成测量工作流程达到设定标准是必不可少的助力。在无线通信保障方面，也需要加强质量控制，通过提升设备的性能使得测量船与岸基控制系统的数据交流保持完整性和实时性。为此，可以考虑在适合环境中使用远距数据传输天线，通过设备功能强化以加强整个测量过程中无线通信的保障能力。

4 优化无人测量船应用效果的建议

无人测量船对水利工程的水下地形进行测量，这是目前业内高度认可的技术模式，随着相关技术的进一步完善，测量精度、准确性等方面都有显著提升。而就目前发展水平来看，要优化无人船测量效果，提升测量效率和准确度很有必要。具体来说，无人船测量的应用优化措施可以从三个方面进行：

4.1 优化无人测量船的技术体系和运行效率

优化无人测量船的技术体系和运行效率，实现其全面升级，重点在于对避障功能进行完善，提高无人船在复杂障碍环境中的运行质量。在实际操作中，更多采用人工遥控方式进行操作来规避障碍物，但受视野盲区的限制，很难对障碍物的距离作出准确判断，这也是测量作业的安全隐患。通过优化技术和操作保障无人船避障运行能力，这是提升测量质量的一个重要方向。

4.2 重视岸基系统的信息模块质量

无线通信对于整个测量作业而言是最重要的保障技术手段，通信质量与岸基系统和无人测量船通信单元密不可分，确保信息模块达到测量实时通信所需的完整性和有效性。一是要提升设备的整体技术性能，选用更高质量的通信模块设备完成相应的功能；二是要加强操作管理，在通信过程中做好各种情况的预判和预案，出现问题能够即时有效予以解决。

5 结束语

综上所述，采用无人船对水利建设工程水下地形进行测量，可以达到较高的自动化和智能化水平，同时在测量精度和准确性方面也有比较显著的优势。在实际测量中，要根据具体情况进行具体分析，水面障碍物以及水深对测量的影响，都应该作出准确预判，并在航线设置过程中给予体现。在航线间隔和数据采集点距离设置上，要确保满足测量的精度要求。数据处理和数据校验也是测量的重点环节，应该在实际测量中按照要求加以严格控制。