无人系统在水下测量中的应用论文_王晓明

王晓明

山东省地质测绘院 山东省济南市 250002

摘要:无人测量系统是集实时、无人和精准自动勘测集一体的多用途勘测平台,其船体上负载着多种海洋勘测传感器。而我国目前的而各种科研机构和材料供应公司已经逐渐推出无人探测系统仪器,并随着科学技术的发展,无人探测系统正朝着智能化、多样化和集成化方向发展,因此,目前我国的无人测量系统正朝着良好的方向快速发展。

关键词:无人系统;水下测量;应用

GPS-RTK+测深仪组成的自动定位测深系统需要人工行船的方式开展水下地形测量,无论是船只租用方面的困难,还是设备绑定所需的时间成本,抑或浅滩、湖泊池塘、水库等困难水域的测量困难都在一定程度上影响了水下地形测量的效率和精度,急需一种新的测量方法,以提高水下地形测量的效率和精度。

一、无人系统在水下测量中应用价值

随着经济水平和国家综合实力的迅速提高,无论是民用领域还是军用领域对地理方位的勘测日益重要,就我国目前的勘测系统的发展状况而言,陆地地理位置的勘测方式多种多样,而海域的勘测手段就比较单一,就在2016年12月份,我国南海区域就捕获一艘美国无人潜航器,由此可见,我国可以利用无人勘测系统来对我国海域的水下测量作业做出贡献。水下地形测量是为开展流域防洪规划、航道疏浚、码头建设、河道清淤等工程提供所需基础数据的一项重要前期工作。传统的经纬仪与测深仪、微波定位仪与测深仪的水下地形数据获取方法已逐步被GPS-RTK+测深仪组成的水下地形数据获取方法所取代。

二、水下测量中无人系统与原理

(一)水下测量中无人系统

无人测量系统的功能和特点水下无人测量系统由岸基控制单元和测深船单元构成。无人勘测系统有七个分系统,分别是双体船、推进系统、船载主控系统、测量系统、电源、无线传输系统、岸基控制软件。其推进系统是由两部分组成,一部分是主推进器,另一部分就是两个辅助推进器,两者的设计结合是利用涵道式的方式。它的两个单元包括控制单元和探测船,由控制单元对无人测量系统的船体进行操作,进行水下测量作业。无人测量系统的通讯系统是由无人船数据传输天线、电台以及遥控器组成,首先,无人测量船将其测量到的数据通过电台由数据传输天线传输到电脑上,而电脑也可以通过电台和遥控器对无人测量船进行实时控制。其通过其中工具系统来实现实时接收船体运行过程中所获的坐标、航艏、纵摇、横摇的四种参数和对水深数据利用数据图例的方式展现出来。另外,无人测量系统还包括定位导航系统和探测系统。

(二)无人测量系统的工作原理

无人测量系统多以无人探测船作为载体的形式展现出来,它是由GNSS、单波束测深仪、超声波壁障系统以及实时摄像头等多种高精度传感设备集成的,[2]并且电脑控制端是可以通过岸基系统接收并处理所无人测量系统所采集的数据,进而对无人测量系统进行实时控制。

三、水下测量中无人系统应用

(一)具体实施步骤

无人测量系统进行水下地形探测的准备工作是进行测点布置测点布置的原因主要是利用对测点布置通过测量线对水下状况进行数据分析,但是由于测量线测量时存在不可变误差所测的数据有一定的误差范围,测量人员就必须需要通过插值的手段来针对水下情况利用无人测量系统来获得相关数据,而对水域深度的测量大多取决于无人勘测系统对观测点和插值点的精度安排。而根据我国《水利水电工程测量规范》的要求,它严格规定无人探测系统必须选用合理的选择测线间距这样才能有对测量数据的精度和无人测量系统的测量效率有利。

水下高程定位点平面中误差限值必须控制在一定方位内。水下高程定位点平面中误差的限值是根据水域的实际状况来制定的。在正式进入勘测之后,无人测量船就需要和电脑端相连接,无人船的控制人员应当将事先布置好的航线数据导入到测深数据采集软件中,并结合实际勘测地形对无人船进行实时控制,针对水深的实际状况灵活实施勘测计划。

(二)数据分析

首先,在无人测量系统对水下状况通过电台传播到电脑上,电脑先进行滤波处理,对无人探测系统探测到数据中噪点、跳点、伪数据进行初步处理和进一步的处理,而针对以往的无人测量测量实践中,无人测量系统利用软件采用中值滤波法去噪效果较好,并加以人工识别被处理的特征点以及没有处理的噪点,以确保探测数据的精准有效。其次,再对水深数据进行声速剖面改正,设置七个参数,对原有坐标进行坐标转换。最后,再对所测数据进行精准统计。

(三)实践分析

1.长江口河段

属于海陆双相中等强度的潮汐河段,在径流和潮流的相互作用下,河段内沙洲多、边滩大。河道走向从西北到东南,呈喇叭形。长江下游常熟和太仓段,地处长江三角洲,工农业发达,港口码头密布,岸线资源利用率高。岸线调整和边滩整治工程的众多码头与引桥将长江近岸水域分化成零散的封闭水域,加上近岸区域水深较浅,传统船只无法进行测深作业,给测量工作带来困难。

作业实施由于长江水流流速较大,作业时间选择在潮流涨潮或落潮憩流前后约1小时,流速较小的时间段内进行,并根据码头内侧封闭水域面积大小和现场条件,采用自动测量与手动遥控测量相结合的方式进行数据采集。由于无人船存在转弯半径的要求,因此,在面积较大的水域布设计划测线时,应预留足够区域以便无人船转弯上线。

2.水下测量中无人系统应用

而对计划测线之外的空白区域采用人工遥控的方式进行补充测量主要作业步骤如下:

①架设基准站;②设置无人船流动站椭球、投影及转换七参数;③测定测区声速:采用声速剖面仪在测区内选择具有代表性的区域进行声速剖面测量;④测前比测校验:对无人船GNSS接收机定位系统在已知控制点上进行平面与高程校核,同时采用比测板对无人船测深系统进行比测,以检查各项参数与设置的正确性;⑤无人船按计划线路进行自动测量;⑥采用人工遥控方式补充测量空白区;⑦水深数据的滤波处理:对由各种因素影响而产生的水深异常值(如:水深的跳点、零值和极值等)进行检测与处理;⑧水下高程数据计算与成果输出;⑨绘制等深线与DEM模型。

3.无人船测量系统可靠性分析

无人船定位系统在已知点上的检测结果平面与高程定位误差分别为-2cm和-3cm,无人船测深系统与比测板比测误差为6cm,由比测结果可知,无人船定位系统与测深系统测量精度符合相关要求。

4.无人船测深精度评估

采用检查线法对无人船采集的数据进行差异统计与精度评估。《水运工程规范》(JTJ131-2012)中规定:测深检查线与主测深线相交处,上1mm范围内水深点的深度比对互差应符合规定,且深度对比限差超限的点数不能超过参加比对总点数的20%。

无人船RTK三维水深测量精度评定为了检核无人船RTK三维水深测量结果的准确性,采用传统水位计算和RTK三维测量两种方式分别获取测量点的高程,并对两种结果的高程进行比较求差。高程互差统计如表1.

表1 高程互差统计

结束语:

综上所述,结合之前我国对水下情况的探测实践中,无人系统填补了之前水下测量领域的一些空白,使得水下探测工作变得更加精准和全面化。与大型船只水下测量相比较,无人测量船具有高效、便捷、安全、测区全覆盖等优势,使得水下作业变得更加高效。随着科学技术的进步,无人探测系统正在朝着智能化方向发展,相信未来我国的水下作业会越来越智能和高效。

参考文献:

[1]蔡文兰.无人船水下测量技术的应用研究[D].南昌工程学院,2019.

[2]辛健.无人系统在水下测量中的应用研究[J].数字通信世界,2018(10):136.

[3]赵薛强.无人船水下地形测量系统的开发与应用[J].人民长江,2018,49(15):54-57.

[4]李优仁.相干多波束测深系统在水中无人系统中的应用研究[D].哈尔滨工程大学,2016.

论文作者:王晓明

论文发表刊物:《防护工程》2019年19期

论文发表时间:2020/2/27

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