毕博
黄河水利委员会山东水文水资源局?山东济南 250014
摘要：因作业成本高以及作业效率低等因素影响，水下地形测量具有极大的局限性，以至于常常要使用非常规的手段开展工作。随着科技水平的进步，无人测绘技术也开始在该领域被广泛利用。无人测绘技术即通过无人测绘船将声呐技术与多项相关领域技术相融合，从而对水底状况进行测量，该技术具有测量精度高、工作效率高以及作业成本低等优势。为此，本文首先简要阐述无人测量船工作的方式，而后介绍其具体步骤，最后通过结合实际案例进行分析探讨。
关键词：无人船；河道；水下地形测量；应用
引言：
与现代的水下地形测量工作相比，传统的工作方式较为复杂。在人们将船航行至所要前往的地点前，首先需要对测深仪、GNSS接收机等相关设备固定在船上，而后开始位置坐标测量工作。因风浪、水温等环境因素的影响，常常出现人为误差，直接导致传统工作方式效率低、精度差、耗时长、成本高以及安全性差，使得传统方式无法测量深水区、流速较大以及有较大风浪的地区。由于无人测量船系统是由智能导航技术、定位技术、自动避障技术、声呐探测技术以及即时通讯技术等多种先进技术构成，该系统能够充分摆脱过去的束缚。同时，无人测量船还可以自由切换手动与自动探测方式，该优点使得所有类型的河流都能被精确探测。
1、无人测量船技术的简要介绍
从科技角度来看，无人测量船是多种先进技术的集合体，主要包含五种技术，其一为GPS定位技术；其二为智能导航技术；其三为自动避障技术；其四为即时通讯技术；其五为声呐探测技术。五大技术相结合，能够精确测量测算被测区域的水深、水速、水温以及水质，能够收集到大量有效的数据信息，同时利用轻便型无人船，也能够测量过去难以测绘的地区，例如中小型河流等。无人测量船的主体仍然是船，但已不再像过去需要人工操作，可以自行对河流、水库、湖泊、海湾等区域进行测量。其中，高精度的GNSS接收机能够将船身进行准确定位，船体搭载的各种高精度声、光、电磁传感仪器能够精准探测区域水下地形地貌并且获取详细的水质、水速等水文信息，另外，远距离遥感技术使得工作人员可以远距离掌控一切，保障了人员的生命安全。无人测量船系统具体由两大部分组成，分别是无人测量船子系统以及岸基控制系统。其中，无人测量船子系统具体分为九大板块，其一为动力系统；其二为电源系统；其三为船上控制系统；其四为单波束及多波束系统探测仪；其五为ADCP；其六为陀螺仪；其七为GNSS定位模块；其八为CCD摄像头；其九为无线数据传输模块。在岸基控制系统中起主要作用的是交互式界面，该界面能够通过无线传输协议帮助工作人员远距离接受探测数据，方便工作人员进行分析处理工作，进而绘制相关地图文件。同时既能够自动控制测量船的行动方向也能够协助工作人员手动控制，在船只的自动回航过程中也能提供巨大帮助[1]。
1.1测深仪
过去，无人探测船技术刚兴起时，工作人员无法修改放置于离岸后无人船上的一体化探深仪中的各种探测相关参数，只能在离岸前或船只回航后对其进行修改，降低了工作效率。随着科技的发展，更先进的探深仪逐步加入到探测工作当中，例如D230探深仪，工作人员能够在无人探测船离岸后对其进行操作，在华微5号无人测量船出海进行探测工作时，便充分利用了该仪器。先进的技术大大提高了工作人员的工作效率，解决了船体频繁出入水的难题[2]。
1.2 RTK与GNSS
RTK定位技术定位精度极高，达到了厘米级。该技术以载波相位观测值为基础，能够通过三维展示的方式将测站点的具体坐标准确的呈现给工作人员。该技术的工作模式首先是传送信息，即将观测值和测站坐标数据由基准站传送给流动站。而后流动站将接收到的数据链结合自身利用GPS观测到的数据以及系统差分观测值数据进行分析处理并反馈。该技术不但实现了厘米级定位，也实现了毫秒级耗时。为实现每个历元的实时处理，在此过程中，需要将整周未知数解进行固定，同时保持不少于四颗卫星相位观测值的跟踪，确保具有必要的几何图形，从而使工作人员随时可以获得厘米级定位结果[3]。
GNSS导航设备的主要功能是自动行驶无人探测船以及提供船体位置信息，该设备的导航定位精度也能达到厘米级。其工作过程首先是通过岸上架设基准站接收机的方式接收数据，而后再解算接收到的差分信号数据并通过电台进行发射。
1.3作业原理
无人船测深系统的工作原理即在无人船上搭载集成GNSS系统、水深探测仪、姿态传感器以及CCD相机等多种科技含量高、精度高的遥控传感设备向岸基系统发送所收集到的数据，而后进一步收集处理岸基系统反馈的数据。在此过程中，具体以声波为主要探测手段，即首先由换能器向探测水域中发射定向短脉冲声波波束，而后再接收经水下地面反射回来的声波并通过模拟记录仪器和数字记录介质进行保存。在实际工作中，通过记录换能器发射和接收声波的时间可以得出声波在水中传播的时间，接着便可以计算出声波的单程距离。为得出准确的水深数据，还需要充分考虑船体姿态参考数据并在计算中加以利用。
2、应用实例
2.1试验数据
试验区域为一块含有六个湖泊并且面积约为0.3平方公里的池塘。在利用无人船对水深进行测量时，采用了手动遥控的方式进行数据收集。在整个测量过程中，无人船运行时间大约为3小时，筛选水底特征点1400个左右。
2.2实测方法
实测方法具体为五步，具体如下：
1）作业开始前检查设备，确认设备无误后进行投影以及坐标参数的设定。
2）观察试验区域地形状况，确定无人船的探测前进及回航路线。由于该区域湖泊形状缺乏整齐度并且很少存在水草较少的区域，本次实验以手动方式为主，以自动方式为辅。
3）实验开始后，不管无人船是实行手动操作还是自动操作的方式航行，都采用间隔五分钟的方式对水深以及坐标数据进行采样收集。
4）按预先设计的测量顺序进行实验，湖泊测量工作完成后及时回收船只。
5）在测量完所有湖泊后导出数据，统一收集整理并分析，最后绘制成地图。
2.3结果
综合试验中的各种情况可以得出，无人测量船较传统人工测量而言，优势颇多，具体如下：
1）过去测量时需要租用船只，其中船只大多体型不符并且少数人无法完成测量工作，而无人测量船与此相反。
2）由于租用船只笨重，人工测量难以测量浅谈区域，既耗时又无法保证精度，而无人船则能够测量任意区域并能始终保持高精度结果。
3）关于危险区域，过去在人工测量工作中，工作人员必须跟随船只一同前往，而无人船的自动航行能够减少安全隐患，保障人员生命安全。
4）无人船的自动采集数据功能极大提高了数据的同步性与准确性，使得无人船所采集到的数据相较人工测量精度更高。
5）人工测量难以设置采样间隔，难以在单位时间内采样。
6）人工测量在单位时间内采样覆盖面积远远小于无人船。
7）人工测量所需的人工成本远远高于无人船测量。
3、结束语
笔者在对无人船测量系统进行研究后，依照适当方法选取相应区域进行试验。实验结果表明，人工测量数据精度远远低于无人船测量所获得的数据。无人船测量系统使相关工作人员的野外工作量得以减少并且工作效率和工作质量能够得到保障。另外在现实中，无人测量船也能够在抢险救灾、水库清淤等工作中发挥巨大价值。
参考文献：
[1]付明亮. 无人船在水下地形测量中的应用与探讨[J]. 城市地理, 2017, 20(529):61-62.
[2]罗旭,石明旺. 无人船测量系统在河道水下地形测量中的应用[J]. 城市勘测, 2020, 179(4):169-172.
[3]王哲. 无人船在河道水下地形测量中的应用探析[J]. 科技资讯, 2020, 18(6):50-51.