试述无人测量船在水利工程测量的应用

试述无人测量船在水利工程测量的应用【摘要】在水利工程中，传统水域测量主要依靠有人船只搭载测深设备和GNSSRTK进行，这种作业模式在浅滩、危险水域及一些船只无法进入的区域获得数据比较困难，且作业效率较低。文章结合应用实例，对无人测量船工作原理和作业流程进行介绍，通过比较分析得出无人测量船在水利工程测量中具有精确、便携、高效等优点。【关键词】无人测量船；水深测量；水利工程；误差分析1无人测量船1.1无人测量船简介无人测量船主要包括船体系统、测深系统、GNSS定位系统和岸基控制系统。船体系统包含动力、通信、导航、视频监测、智能避障等；测深系统是由安置在船上的数字测深仪完成；GNSS定位系统采用GNSS-RTK动态差分定位，可采用在岸基架设基准站，也可采用CORS网络RTK；岸基控制系统由PC设备、遥控器、无线电台等设备组成。1.2无人测量船工作原理无人测量船的工作原理如图1：通过岸基系统PC端划定测区及布设航线，无人测量船接收指令开始进行自动航行测量，也可以通过遥控器手动遥控进行测量。已知声波在水下的传播速度为v，单波束测深仪通过换能器发射和接收到波束回波的时间间隔为t，则可计算出换能器至水底的深度S为：S=vt/2由GNSSRTK测量可以获得GNSS接收机相位中心实时三维坐标（X，Y，Z），GNSS接收机相位中心到水面的高差值为h1，动态吃水和静态吃水差值极小，可忽略不计，视吃水值为h2，可实时测出水底高程H为：H=Z-S-h1-h2由此可以得出GNSS接收机正下方地形点的实时三维坐标为（X，Y，H），实现了水下地形点的测量。2应用实例2.1测区概况解放水库属中型水库，位于安徽省定远县境内。库区现有水域面积3.6km2，深水区平均水深4.0m左右。水库周边存在大面积浅水区域，水深不足0.5m，同时周边还分布着100多座鱼塘，且大小、深浅不一。本次测量需要对库区水域进行1∶2000水下地形测绘，平面坐标系统采用2000国家大地坐标系，高程系统采用1985国家高程基准，在前期准备工作中已求得测区转换七参数。常规测量方法进入浅滩和鱼塘测量比较困难且效率低下。无人测量船体积小、重量轻、吃水浅、便于运输等特点在此次项目中发挥了重要作用。2.2外业实施2.2.1航线规划外业实施前在PC端打开AutoPlanner控制软件，连接到网络并打开合适的卫星影像图。在卫星影像图中选择测区或者导入测区边界，软件自动生成航线，并可根据需要，调节航线的方向和航线间的距离。航线规划好后上传至无人测量船。2.2.2数据采集在作业现场检查安装好无人测量船，打开PC端HydroSurvey测深软件，新建工程项目，输入相关参数，设置数据记录方式，引导无人船进入起始测量位置开始测量。作业人员需要时刻关注测量船的工作状态，根据测深软件的提示，在深水区域采用自动航行工作模式，当水深小于1.0m时，切换遥控器手动控制进行水下数据采集。在对鱼塘进行测量时，因塘内分布各种养鱼设备，无法自动航行，故采用遥控器手动控制模式。由于鱼塘间距离较近，迁站时直接采取人工搬运的方式，便捷且大大提高了作业效率。2.3数据处理外业数据采集工作完成后，在PC端利用HydroSurvey测深软件对所采集的数据进行处理。（1）水深取样。将测量完的数据按照成果要求进行采样。采样前，需要对数据进行筛选，剔除非固定解及异常水深地形点，然后根据项目要求选择合适的采样间隔，生成采样文件。（2）数据导出。将经过处理后生成的采样文件通过软件导出为需要的格式，HydroSurvey提供了多种可选择的导出格式，也可以自定义导出格式，得到水下地形点的三维坐标、水深数据等。2.4精度检查为了进行精度检查，本项目按照规范要求布置了长度不小于测深线总长度5％的测深检查线，且与测深线垂直。采用传统水下测量方式（渔船携带RTK+测深仪或测深杆）进行测量，选取检查线与测深线相交处，图上1mm范围内的水深点的深度进行对比，无人测量船所测水深为H1,检查点水深为H2，其精度统计见表1。在《水利水电工程测量规范》（SL197-2013）中规定，当水深H＜10m时，测点深度中误差限值为±0.15m。通过实测检验数据可以看到，利用无人测量船测量的水下地形点的精度满足工程建设要求。3无人测量船误差分析3.1传播介质的影响声速是影响水深测量精度的关键因素，而影响声速的因素有温度、盐度和压力。声速随着温度、盐度、深度的增大而增大，其中与温度的相关性影响最大，压力次之，盐度影响最小。为减弱或消除传播介质的影响，对于深水区首先应进行声速测量，然后根据测量的声速剖面对水深数据进行改正，从而达到提高测量精度的目的。3.2风浪的影响由于外界风浪的影响，船体前后或左右会发生一定的倾斜，测量误差将随着倾斜角度和水深的增加而变大，当倾斜度超过一定角度时，测量误差将会超过限差范围。因此实施测量前需根据天气预报情况选择适宜作业时间，常规经验值为风力2级以下。3.3水中杂物的影响无人测量船搭载的是单波束测深仪，水中的漂浮物和水草等杂物对测深数据影响较大。因漂浮物产生的粗差数据可利用测深软件进行剔除处理，当水草较多时不宜采用无人船进行测量。4结语通过本项目的实践应用，采用无人测量船进行水下地形测量在水利工程测量中是可行的，其高效、安全、便捷等特点，特别适合在浅滩、鱼塘以及危险水域等区域使用，不仅提高了作业效率，保障了作业人员安全，同时保证了测量成果的精度，值得推广。但是以当前现状综合分析，无人测量船也存在以下不足：（1）在有渔网和水草较多的水域，其船桨易被缠绕，无法进行测量作业。（2）当遇到障碍物时无法有效避障，测量中容易