南京市长江河道管理处 210000
摘要：河道测绘工作是水利工程维护的基础，无人船结合多波束测量方式相对传统节约了大量的人力物力，本文基于现有仪器设备介绍了无人船搭载多波束测深系统进行水下测量的基本原理方法，阐述了测量作业应注意的问题。
关键词：无人船；多波束回声测深仪；水深测量
河流湖泊是我国国土资源的重要组成部分，积极主动维护河湖安全贴合了时任浙江省委书记习近平同志于2005年8月在浙江湖州安吉考察时提出的“绿水青山就是金山银山”科学论断。长江作为我国过境水系的重要组成部分，在南京段由于近年降水量较大，存在河道河势地形不稳定、水土流失、护岸防洪能力容易下降等问题。通过测深技术对河道定期勘察，枯水期前测量能客观的反映自然状况，为提高船舶通航能力等提供水深资料，便于有针对性的对河道进行管理整治。随着科技的发展，搭载GPS-RTK技术的无人船与多波束回声测深仪结合代替传统测量船只进行水下地形测量优点明显，在内河湖近岸浅水水深测量中，常规测量方式需要驾驶大中型测量船只，配备较多工作人员进行观测，不易深入靠近码头、浅谈桥墩等复杂浅水地形。无人船测量降低了浅水测量的难度，减少了人员投入，避免了可能存在的人员伤亡，在GPS-RTK信号覆盖良好地区，可满足测量规范水深精度要求。
一、多波束回声测深仪优势
传统的测量技术是利用回声测深仪的水声换能器垂直向水下发射和接收回波，根据波束的往返时间及声速确定水深；多波束测深系统是在传统测深仪的基础上发展起来的，能在与航迹垂直的平面内1 次给出若干深度，获得 1 条一定宽度的全覆盖水深条带【1】。多波束测深仪具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点，它把测深技术从点、线扩展到面，特别适合大范围、长距离的水下地形测绘工作，极大地减少了人力资源、船舶损耗等外部投入。自 20 世纪 80 年代研制出世界上第 1 台便携式多波束测深仪以来，多波束测深技术不断发展，目前最新型号已具有重量较轻、体积小便于携带、波束及扫宽更大等一系列优点。
二、无人船测量系统简介
无人测量船是以小型无人船作为载体，采用高精度GNSS接收机进行平面位置定位，船身自由选择搭载多种声、光、电磁高精度传感仪器，通过远距离无线遥控的方式，实时获取测区水下地形等信息的现代化测绘设备。 无人测量船由遥控无人测量船子系统和岸基控制子系统组成，遥控无人测量船子系统包括动力系统、电源系统、船上控制系统、单波束或多波束系统测深仪、ADCP、陀螺仪、GNSS定位模块、CCD摄像头和无线数据传输模块等；岸基控制子系统主要由交互式界面组成，通过无线传输协议、实时接收、分析、处理和显示遥测船体发送的数据，控制测量船走动或手动走线测量，并实现船只的自动回航，最后对采集的数据进行处理以及图件的绘制【2】。
随着传感器、电池等技术的发展和小型化通讯器械电气指标的不断提高，无人船系统已经具有远程遥控、自动测量、自动返航、较长续航等功能，性能一般能达到船体长2m以内，重量30kg以下(根据搭载设备的不同有所浮动)，续航4小时以上，实时通讯距离5公里以上。无人船测量一般作业流程为：将基站架设在岸上或使用基于CORS的无验潮水深测量模式，利用配套的导航软件建立项目，校正已知点，将改正参数输入导航软件。作业人员通过远程控制系统确定测区、布设测线、启动船只进行测量并随时根据需要介入船艇控制，对实时传输回的数据进行处理。
三、无人船系统与多波束回声测深仪结合在水深测量中的应用
1.项目概况
长江南京河段全长约97Km，右岸上起和尚港，下迄大道河口，左岸上起驷马山河，下迄小河口。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通过无人船航道扫侧工作，及时了解河床演变和水下地物地貌，掌握河道设施、护坡、船闸的水下变化情况，准确捕获水下障碍物，发现河道冲淤变化情况，有助于水利相关部门更好的履行为沿江企业服务的职能。本次测量区域为长江南京段新济洲汊道河段重点区域近岸浅水区域，长度12.1公里。面积1.21平方公里。
2.测量设备
多波束测深仪：Teledyne BM2
GNSS定位仪：Trimble Zephyr 2
姿态仪/惯导：Teledyne Wave master Ⅱ
无人船：南方 CL41智能测量船
其中MB2多波束测深仪最大测深为200m，覆盖宽度10°~140°，频率为200KHz-460KHz，测深分辨率达2cm；CL41测量船长1.63m宽0.71m高0.48m，重量21kg，续航达6小时，具有全自动和手动遥控两种控制模式，船只与基站通信距离10km，与遥控器通信距离2km。
3.项目实施
3.1 测量要求及技术规范
按照1:1000比例尺地形图要求，实现多波束水深全覆盖测量；基于江苏省网CORS进行测量，投影方式为墨卡托投影；平面位置采用CGCS2000坐标系成果，高程采用1985国家高程系统。
3.2 技术规范
1)《多波束测深系统测量技术要求》 JT/T 790-2010
2)《水运工程测量规范》 JTS 131-2012
3)《工程测量规范》 （GB 50026-2007）
4)《全球定位系统（GPS）测量规范》 GB/T 18314-2009
5)《1:500、1:1000、1:2000地形图图式》 GB/T 20257.1-2007
3.3 测量实施要求
1)使用多波束测深系统，同时需要固定安装好姿态传感器，并准确量取多波束换能器、GPS接收机、姿态传感器及罗经之间的几何关系，以便后期进行数据采集时建立船体坐标系统，正确设置各设备偏移量。
2)测深仪固定安装时，换能器的安装应位于船体中部平稳区域，或者距离船头三分之二的位置，尽量避免安装在靠近船尾或船头位置，以减少测量过程中因船体颠簸、船头抬起及螺旋桨气泡影响，导致测量数据失准。
3)换能器的吃水，应根据实际情况合理安排，一般情况下建议吃水深度不小于50cm。
4)GPS接收机应固定在换能器连接杆顶部，与换能器保持同一水平位置。当实际安装条件不能满足与换能器垂直安装时，应在测量软件中设置偏移量，保证坐标与水深正确匹配。
5)主测深线布设方向应按工程的需要选择平行于等深线的走向、潮流的流向、航道轴线方向或测区的最长边等其中之一布设。
6)主测深线的间距应不大于有效测深宽度的80%。在重要航行水域，测深线的间距应不大于有效测深宽度的50%。
7)测深检查线方向垂直主测深线方向，分布均匀，总长度占测深线总长度的5%。
3.4 数据采集要求
作业前应对系统设置的投影参数、椭球体参数、坐标坐标系统转换参数以及校准参数等数据进行检测。
测量过程中，对测量船的航行速度进行实时监控，最大船速按下式计算：
v=2×sin(α/2)×(H-D)×N
式中：v是最大船速，单位为米每秒（m/s）；
α为纵向波束角，单位为度（°）；
H为测区内最浅水深，单位为米（m）；
D为换能器吃水，单位为米（m）；
N为多波束的实际数据更新率，单位为赫兹（Hz）。
系统所有设备稳定后，方可进行测深作业。在正式采集数据前，应按照预定的航向和航速稳定航行不少于1min。在数据采集过程中测量船应保持均匀的航速和稳定的航向。
4.成果检验
测量成果经现场采用单波束结合确定的航道断面水下泥面高程（设备为测深仪：南方SDE-28S，GPS：南方-银河6），对可疑点采用测杆加以对比，以确定浅点实际测量成果质量是否符合规范精度要求。
依据《水运工程质量检验标准》（JTS 257-2008），检测结果如下：航道总长12.1公里，共计628个断面，所检测结果均满足设计要求。
结语：经以上实例验证，利用无人船结合多波束回声测深仪获取水下地形数据精度能够满足大比例尺地形图水下地形测量的精度要求，并且成倍提高了外业测量效率，避免了外业人员水上作业的危险。但是在实际使用过程中还是无法避免的出现了现有无人船在风速超过4级以后继续在江面工作效率明显降低的情况，不过技术的不断革新，意味着无人船技术会一步一步走向成熟，其智能化程度更高、功能更齐全、抗风浪性能更高，将在河道及各种水域的测量中发挥巨大的作用。
参考文献：
[1] 刘经南，赵建虎. 多波束测深及图像数据处理[M]. 武汉：武汉大学出版社，2008: 27-32.
[2]胡黎霞，陈麒，无人船在水下地形测量中的应用与探讨[A].资源信息与工程，2017(3):135-136.
论文作者:王苏
论文发表刊物:《防护工程》2019年14期
论文发表时间:2019/11/14
标签：测量论文; 波束论文; 水下论文; 水深论文; 河道论文; 系统论文; 地形论文; 《防护工程》2019年14期论文;