智能无人测量船在河道水下地形测量中的应用研究

  作者：admin    来源：本站原创    2017-06-19   

智能无人测量船在河道水下地形测量中的应用研究

摘要：采用智能无人测量船系统针对浅水、未知等困难区域的水下地形测量进行了研究。智能无人测量船系统包括岸基控制单元和测深船单元，其中岸基控制单元利用无线电遥控测深船走航测量并实时接收测量数据，测深船单元搭载GNSS、电子罗盘、声学测深仪和主控系统。在楠溪江泰石村至三角岩大桥段水域进行了实测，验证了无人船用于内河水下地形测量的可行性和实用性。

关键词：智能；无人船；河道测量

引言

水下地形测量可以为河道疏浚、水库清淤、抗洪抢险、水动力学研究、考古研究等提供数据基础。水下地形测量包括定位和测深两部分。GNSS RTK与单波束测深仪组合是当前主流的水下地形测量技术。GNSS RTK定位可以实时获得厘米级的平面和高程数据，配合数据采集、导航、后处理软件得到相应点的三维坐标，实现无验潮水下地形测量。传统意义上水下地形测量一般将采用的观测平台可以是船只、橡皮艇、竹筏等。在大范围水域测量船只高效，安全。但遇到浅水测量、内河航道、水库、码头、海湾、近海等水域测量，存在测量船无法靠近的难题。橡皮艇、竹筏等虽然吃水比较浅，但工作效率不高且安全系数低，特别是在水流湍急区域对于人员安全构成威胁。实时、无人、自动测量是现代海洋测量的一个发展趋势。基于无人船技术的智能测量系统是内河水下地形测量比较好的解决方案。

无人船是一种多用途的观测平台，可搭载多种海洋测量传感器，将成为海洋测绘的一种重要技术手段[]。在海洋测绘领域，国际上已有多个单位设计和建造无人测量船，Rodriguez－Ortiz^[1]首次设计了集成GNSS、测深仪的无人船用于水深测量。HunterBrown等^[2]也开发了集成多种传感器的测深无人船。国内各科研机构和仪器生产商业相继推出了无人测量船，并朝着智能化、集成化的方向发展。2013崔文连等开发了用于湖泊/水库水体监测的无人船就；同年金久才等设计了无人船水深测量系统及并进行了试验。2016年黄国良等设计了内河无人航道测量船系统^[6]。本文针对困难区域水下地形测量，采用智能无人船测量系统进行了河道断面测量开展应用研究。

1.智能无人测量船功能与特点

智能无人船测量系统由岸基控制单元和测深船两个单元组成，共计包括船体、推进、船载主控、测量、电源、无线传输、岸基控制系统等7个子系统。岸基控制单元与测深船单元之间通过无线电进行通讯。岸基控制单元由笔记本电脑、通讯单元、GNSS RTK基站等组成。利用控制软件，实现测深船控制功能，实时接收船体运行参数（坐标、航艏、纵摇、横摇）与水深数据，并图形化显示。而GNSS RTK基站与流动站的通讯，与常规RTK工程测量一致，可选择电台模式或者网络模式。

本文采用的无人测量船是集成化三体船型，船长1.8m，宽1.1m，吃水0.2m，遥控距离超过2km，在2m/s状态下航行，续航时间可达6小时，续航里程可达30Km。航行平稳，可以抗5级风，3级浪，流线型船体，可以减小阻力。船体材料采用高强度玻璃钢材质，船体轻、耐碰撞，螺旋桨与船体齐平设计，适应浅水区域，且可自由选择搭载测深系统（单波束或多波束系统）、侧扫声纳、浅地层剖面仪、CCD相机、ADCP、水质分析仪、水下三维激光扫描仪和陀螺仪等多种声、光、电磁高精度传感设备。系统采用机器人智能控制技术，可按预设的航线自动走线测量。当电量不足，或者突然失去控制信号时，系统会自动进行判断，返回到预置的位置，保障安全。

2.需求分析

本次进行水下地形测量范围为楠溪江中的一段水域，北起泰石村，南至S223三角岩大桥，长度约4.3千米。该段水域坐落在风景秀丽的永嘉楠溪江风景区，为珍惜鱼类香鱼的产卵地，属于一级水源保护区，分布有一个饮用水取水口。此次测量旨在通过河道断面测量，获取该河段的水下高程模型，为进一步研究该河段水下地形特征提供数据基础。该河段测量存在以下困难：

（1）水深变化大，河岸大面积区域为浅滩，水深不足20厘米，但局部水深可以达十几米；

（2）河段处于楠溪江一个大拐弯处，水流湍急；

（3）河段水域外沿弯曲多，测量死角较多；

（4）当地没有可供测量用的载人船只，即使找来船只取得有关部门同意下水作业，大面积浅水区域也容易搁浅，并且汽、柴油动力船只会对于水体环境造成破坏。

根据以上分析，只有无人船测量系统能够较好地克服近岸水深过浅，死角多，水深变化大等困难，安全、高效的完成数据采集。同时，无人船搭载的HD-MAX高精度专业测深核心模块，能够进行测深范围0.15-300m的各种复杂环境水下地形测量，能够满足该段河道的水下地形测量需求。

3.数据采集

在实施测量数据采集之前，首先对该段河段进行了实地踏勘，设计了切实可行的测量方案。主要有以下4个方面：

（1）结合实地踏勘和遥感影像设计了测量断面。根据实际需求设计断面间距200-300m，拐弯处增设断面，断面间距50m左右，共设计断面24条。

（2）水域条件复杂，自动航线测量无法进行，采用手动遥控模式进行测量，基站操作人员与无人船操控手通过对讲机实时沟通。

（3）对岸基系统基站位置进行了设计。为保障岸基控制单元与无人测量船之间的数据传输，选取了河道拐弯中间位置作为岸基控制单元的基站设置位置——2号基站。同时考虑到岸基控制系统操作人员与无人船操控手的协调沟通，在上游平缓水域下水测试时选取了1号位置设置基站，测试了1至5号断面，确保顺利后将基站迁移至2号基站。

（4）每条断面无人船测量船均测一个来回，以检核采集水深数据的正确性；岸上的断面高程点用GNSS RTK采集。

本次河道断面测量外业数据采集耗时两天。因采用手动遥控模式，操控手须在岸上跟随无人船一路前行。该河段是一个弯道，因此可以供操控手行走的石滩上游在北岸，到弯道中断变成了陡岸无法行走，操控手需绕行下游到对岸。而到下游时又需要回到南岸。无人测量船在航行过程实时采集水深数据并传输到岸基系统。实际测量过程中，局部位置因通讯问题，导致个别水深数据丢失的情况。岸基控制系统操作人员可以通过图形操作系统及时发现并通知无人船操控手及时进行补测。

4.结论

在本次实测试验中，智能无人测量船在楠溪江泰石村至三角岩大桥段的困难水域水下地形测量中发挥了高效的作用。经检验，采集的数据准确、可靠。智能无人测量船具有吃水浅、作业灵活、可扩展、智能化、效率高等特点，使其在局部区域海洋测绘和内河水下地形工作中具有明显技术优势，已经成为现代海洋测量技术的一个重要发展方向。

在数据采集过程中也发现当前智能无人测量船存在以下需要改进的方面：

（1）无人测量船采用的人工智能控制技术有待改进。智能避障功能在此次复杂环境中无法发挥有效作用。而操控手由于视角的问题对于船体前方的障碍存在视觉盲区和距离判断不准的情况，在数据采集过程中距离对岸距离较远且情况复杂，船体与岩壁发生了两次轻微碰撞。

（2）岸基系统与测量船之间的数据传输模块有待进一步改进。河道断面测量的数据实时通过通讯模块传输回岸基系统的电脑上，当数据传输中断时应及时提示，避免漏测。

（3）手动模式使用的遥控器可以考虑增加与船体的视频传输模块，将船体上安装的摄像头视频画面传输到遥控器。对死角位置进行数据采集时，结合超声波自动避障，实时提示前方障碍物与船体的距离，提高手动遥控的可操作性，更加准确地判断前方障碍。（陈良周、陈丽丽）