無人船測深系統在水下地形測量中的應用

賈治平

（山西省測繪地理信息院，山西 太原 030001）

0.引言

智能無人船是一套以無人船為載體，搭載GNSS、IMU、測深系統等設備，通過操控軟件進行航線規劃來實施水下測量的智能系統[1]。目前，自然資源部門為加強生態文明建設、推動河長制管理工作，在多地開展了湖泊水庫水下地形測量工作，為河道治導規劃、河道管理范圍定界等工作提供基礎數據和空間定位服務。

水下地形測量所需采集的水下地形要素主要包括：反映水下地表特定位置的高程、等高線、連續反映水下地面或地表特定形態或地貌特征的水下地形特征線要素、航行障礙物要素及助航標志要素等，與周邊陸地地形地貌要素經基準統一后可完整表達固體地球表面形態。

采用智能無人船進行水下測量，相比傳統的水下測量方法，具有快捷高效、投入成本少、施測精度高、外業測量安全等優勢。本文根據智能無人船的技術特點詳細闡述其水下地形測量的技術流程，水下測量數據處理與流程化軟件研制，最后以山西某水庫為例，介紹其水下測量與數據處理流程。

1.智能無人船水下測量技術流程

水下測量作業流程主要包括準備工作、數據采集、數據處理、質量檢查等幾方面工作，根據智能無人船工作特點，其主要技術流程如下：

（1）準備工作：制定工作方案，收集測區資料、編寫技術設計書、準備測量設備、人員培訓等；

（2）測區踏勘，了解測區工作環境，對測區控制點點位情況進行踏勘；

（3）基站架設（或網絡RTK）、設備聯通、按規劃測線進行測量；

（4）數據導出，將外業采集數據應用無人船自帶數據處理軟件進行數據噪點刪除處理，導出數據后并進行數據匯總，檢查所測區域數據是否完整；

（5）數據整理與處理，對所測數據進行合并整理、數據格式轉換等操作。如要將水下測量的WGS84坐標系大地高轉換為1985國家高程基準，需利用似大地水準面精化軟件進行轉換，則需對數據按照軟件要求格式進行編輯整理等；

（6）DEM生產，應用GIS軟件制作DEM成果；

（7）成果質量檢查、資料整理與成果提交。

水下地形測量施測技術流程圖（如圖1所示）：

圖1 水下測量工藝流程

1.1 資料收集

資料收集主要包括：水庫或湖泊地形圖、水庫正常蓄水位、壩頂壩尾高程、豐水期水位、枯水期水位、庫容量、高程系統信息、測區的自然、地理、人文信息，以及與測區測量相關的資料。

1.2 測區踏勘

為合理確定施測方案，需對測區實地情況有必要了解，因此，進行測區踏勘也是施測前的一個必要環節，一方面可以核實收集資料的準確性；另一方面可以收集缺失的資料數據。測區踏勘主要了解內容如下：

（1）調查測區的行政區劃、人文地理、交通情況、水文氣象，以及通信等情況[2]；

（2）實地勘察測區現有可利用的控制點情況；

（3）了解測區電磁場對無線電定位儀的干擾情況；

（4）了解測區無人船工作環境，合理確定施測方案。

1.3 測線布設

測線布設是水下測量前期的重要工作環節，測線布設過寬一方面不足以反映水下地形地貌變化；另一方面也會降低插值點精度，進而影響最后成果精度。測線布設過窄會降低工作效率[3]。因此，合理進行測線布設是保證最后測繪成果精度的一個重要因素，經綜合分析，本文采用的布設方法如下：

（1）測區主縱線確定。根據踏勘采集到的水域范圍線，以及收集到已有的影像、DEM等資料確定水流走向、河道走向、挖槽軸線等作為測區主縱線，若這些方向難以確定，也可選測區較長邊作為測區主縱線；

（2）主測線布設。單波束測深主測線宜垂直于主縱線方向進行布設，測深線間距可按水下地形測量成果的用途、比例尺大小、DEM精度要求等設置其間距大??；

（3）如果測區范圍較大，可進行多作業組測量，不同作業組鄰接處應布設一條重合測深線（參照《水運工程測量規范》（JTS131-2012）8.2.6節）；

（4）檢查線布設。檢查線布設宜垂直于主測線，布設條數視實際工程具體情況而定，一般檢查線布設間距不大于250m。

1.4 水下測量外業施測

利用單波束無人船測深系統進行水下地形測量，一般采用斷面法進行測量，通過在地面架設GNSS基站或利用網絡RTK測量模式，以及無人船測深系統實時獲取測深點的平面位置、水面高程和水深數據。

馬克思指出，“問題就是公開的、無畏的、左右一切個人的時代聲音。問題就是時代的口號，是它表現自己精神狀態的最實際的呼聲”。習近平總書記也指出，“每個時代總有屬于它自己的問題，只要科學地認識、準確地把握、正確地解決這些問題，就能夠把我們的社會不斷推向前進”。講好習近平新時代中國特色社會主義思想的課程，要堅持理論聯系實際的學風，堅持問題導向，注重解答黨員干部思想上的疙瘩。要旗幟鮮明，圍繞主業主課，提出好問題、真問題、新問題、深問題，通過分析問題傳遞正能量，信息觀點與時俱進，切中黨員干部急需回應的困惑，并啟發學員們的深層思考。

水下測量外業施測，在進入測區，首先需進行庫區水域的范圍線測量，范圍線測量主要服務于測線布設：范圍線測量可采用傳統的RTK測量、無人船+RTK測量、大船拖無人船+RTK的方法進行測量，實際作業中可根據庫區實際情況靈活選擇測量方式。

無人船開機航行時，需滿足一定的要求：（1）無人船航線盡量按設計線路保持勻速、直線航行，在轉彎處要緩慢轉彎；（2）在測量過程中，若遇大風天氣要立即停止作業；（3）實際測線與規劃航線偏移不宜過大，一般不超過測線間距的1/4[4]。

開始測量前，需首先將各設備進行規范連接，檢查所有的通訊接口是否正常；然后打開控制軟件，將設備與控制軟件進行通訊連接，設置定位參數、記錄參數、數據存儲位置、航線布設等，所有設置經校對無誤后即可讓無人船下水開始按規劃航線測量[5]。

外業施測結束后，作業組需當場對測線數據的完整性進行檢查，檢查測量記錄是否完整、數據質量是否可靠，并進行數據傳輸與備份，檢查合格后方可收工進行內業數據處理。

1.5 水深測量數據處理流程

水深測量數據處理流程主要包括：

（1）將采集數據導入無人船配套軟件進行數據處理，主要是進行無人船吃水改正和數據的濾波處理；

（2）主測線與檢查線交叉點較差檢查；

（3）將處理后數據按照“點號、經度、緯度、水底大地高”格式導出為文本文件；

（4）坐標系統轉換。由于采集到的坐標數據，其高程為WGS84坐標系下的大地高，需要應用大地水準面精化模型將其轉換為1985國家高程基準正常高，并將WGS84坐標系的大地坐標轉換為CGCS2000坐標系下的平面坐標；

（5）應用GIS軟件導入坐標轉換后數據，進行展點操作、構建TIN、生成DEM。需要注意的是利用展點數據構建TIN時，即不規則三角網構建，首先需要在三維GIS軟件中根據地形的起伏變化情況勾畫出地形的坡腳線，避免在地形突變的溝、坎等處出現不合理的三角形，此外三角形盡量以銳角為宜，不宜出現鈍角或小于20°的銳角。若局部區域內數據點數稀疏需要進行合理內插，目前一般的GIS軟件或CAD中也可實現內插操作，在本文研制的數據處理軟件中也可實現內插功能。

1.6 DEM接邊處理

要實現水上水下地形一體化，首先需要進行水上水下DEM融合處理，將水下測量生成的DEM成果與水域周邊的DEM成果進行無縫拼接。在拼接之前首先需統一DEM分辨率。在實際拼接的過程中，可能水上DEM與水下DEM接邊處會存在“縫隙”，如果縫隙較小，可以用內插的方式進行處理，如果縫隙較大，則需要對空缺部分地形進行補測，補測方法可采用地面三維激光掃描儀或其他測量方法來完成。

1.7 成果質量檢查

水下測量成果質量檢查是衡量測量成果能否投入應用的一個重要環節，依據規范和技術設計書中規定的技術和質量要求，對成果的各質量元素所包括的檢查項進行檢查。檢查內容主要包括數據質量和文檔資料質量。

（1）數據質量，主要包括外業觀測數據的質量和最后DEM成果質量，具體來講，涉及數據的數學基礎是否正確、選擇的測量設備是否在有效期內、儀器標稱精度是否滿足工程項目要求、測線間距和測點間距是否滿足相應規范要求、數據成果精度是否滿足技術設計和規范要求[6]；

（2）文檔資料質量，主要包括電子數據文檔和紙質文檔，主要檢查其歸檔、文件命名、數據格式的正確與否；技術文檔編寫是否全面、規范；項目成果資料是否齊全；成果圖件資料是否繪制合理規范等。

2.水下測量自動化數據處理實現

對于大型的水下測量工程項目，一般會由多個作業組同時作業，使用儀器設備也會略有差異，此外大區域的水域測量有時可能會采集上百萬個測點數據，因此需要對外業測量成果數據進行匯總整理、格式轉換、展點等操作，如果用人工方法，其工作量巨大，且易于出錯，本文基于AutoCAD強大的繪圖和二次開發功能，開發了水下測量自動化數據處理程序，大大減輕了人力、物力投入，有效提高了作業效率。圖2為開發的水下測量流程化數據處理軟件界面，其主要功能有：

圖2 水下測量流程化數據處理軟件

（1）庫區影像加載，基于影像繪制水岸線；

（2）不同廠家測量數據成果格式編輯與整理；

（3）不同坐標類型數據的展點功能；

（4）數據內插功能；

（5）數據高程點異常值過濾、重復點數據查找；

（6）三維坐標數據展點、DTM建立和等高線繪制等；

（7）質量檢查功能，主要包括檢核點數據自動提取和高程精度評定等。

3.工程實例

3.1 庫區水下測量概況

本文以山西省某水庫水下地形測量實際項目為例，介紹單波束無人船水下測量與數據處理過程，該水庫庫區影像圖（如圖3所示）：

圖3 水庫庫區影像圖

該水庫水下測量外業分兩個組共同完成，從2020年7月28日開始測量，至2020年8月11日測量結束，完成測量面積6.72km2。測量水下點數186034個。采用設備為華微三號單波束無人船測量系統，施測時設備均在檢驗合格的有效期內。

應用無人船測量系統施測時，導航定位系統聯測省級CORS站，測點間距設置為1m，測線間距設為20m；通過手動測量實測水庫邊界和水庫內水草范圍，自動航線區域共分16個區域（如圖4所示），該水庫實測航線圖（如圖5所示），生成的水下DEM成果圖（如圖6所示），從DEM成果圖中可以看出該水庫的水底地形情況，中間區域較平滑，說明該水庫水底較平坦。

圖4 水庫自動航線分區圖

圖5 水庫實測航線圖

圖6 水庫水下DEM成果

3.2 成果質量檢查

對該水庫水下測量成果依據成果質量檢查內容和質量元素進行檢查，其中，測量精度檢查是一項最受關注的檢查內容。在對該水庫水下測量的精度檢查時，采用測深檢查線與主測深線相交處重合點的高程較差進行比對檢查，設置測深檢查線與主測深線相交處重合點間距為1m，滿足條件的檢查點數為174個點，全部參與精度評定，計算高程中誤差為±0.079m，未有超限點，各項精度指標均滿足設計書及相應規范要求。

4.結束語

本文以實際水下測量工程項目為例，詳細闡述了水下測量的過程，研制了水下測量自動化多功能的數據處理軟件，為水下測量工作提供了極大便利。水下測量工作不同于傳統的陸地測量，水下測量就像在一個黑匣子里摸索，往往給人一種不確定的感覺，其實在水下DEM與陸地DEM進行接邊時，如果接邊區域的地形符合比較好，在一定程度上可以確定水下測量成果的正確性。此外，作者認為在水上水下一體化DEM生產時，陸地部分可以采用新型的無人機載LiDAR技術進行測量，通過獲取的點云數據與無人船水下測量的測點數據進行融合，然后統一生成DEM效果更好，待條件成熟將在這方面做進一步試驗研究。