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无人船水下地形测量与精度评估_杨亮.pdf
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1、四 川 水 利2023.No.3无人船水下地形测量与精度评估杨 亮1,2,任 玖2,谭 詹2(1.四川晟堡途工程技术服务有限公司,成都,611131;2.四川水利职业技术学院,四川 崇州,611231)【摘要】水下地形测量能真实反映水底地形,传统水下地形测量作业难度大,效率低。文章采用无人船水下测量技术,对某人工湖进行 1 500 水下地形测量,并对测量精度进行评估。结果表明,基于无人船的水下测量技术可安全高效、准确地完成水下地形测量,且精度满足作业要求。该方法可自动、及时、高效地为行洪防洪、水域生态监测等工作提供精确的基础数据。【关键词】水下地形测量无人测量船精度验证中图分类号:P217文献
2、标志码:A文章编号:20951809(2023)030160050引言准确、快速、高效地获取水底数据可以为河湖勘察测绘提供准确可靠的基础数据。传统的水下测量利用测深杆、测深锤等测量方式已经不能满足现在测绘的要求1;利用 GPSTK 与测深仪固定在船上的方式局限性较大,由于很多河湖不通航,也没有可使用的船只。而无人测量船系统集成了卫星定位技术、智能无人船导航技术、实时通信技术和声呐测深等先进的技术,完美地解决了以上问题2。通过搭载 GPS 导航设备和测深仪等设备,无人船可以根据事先规划好的航线通过 GNSS 自主导航,也可以通过遥控器或者电脑端无人船控制软件随时自由切换手动和自动,适用于不通航的
3、中小型河流、湖泊、水库等水域测量,也可广泛应用于航道清淤、安全搜救、应急测绘、水文测绘等领域。本文根据实际案例利用IBoat BS3 智能无人测量船对某湖泊进行水下测量,从而验证无人测量船在水下地形测量中的实用性与准确性,同时利用交叉线法、高程点内插法、人工实测法三个方法对测量成果进行精度验证。1无人船测量技术1.11.1无人测量船系统无人测量船系统1.1.11.1.1测深仪系统测深仪系统无人船系统集成了包括卫星定位系统、智能无人船导航技术、实时通信技术和声呐测深等先进的技术3,可以在行驶过程中,获取平面坐标以及水深、流速、流向等基础数据,广泛用于内陆中小型河流、湖泊、水库等水域测量。利用 G
4、PSTK 定位系统可以实时获取船体所在位置的三维坐标45,利用船体所搭载的设备可实时获取水深、水质、流速等数据,无人船控制系统包括动力系统、电力系统、陆地控制系统、船上控制系统、测深仪、陀螺仪、GPS 定位模块、数据传输模块等3。无人测量船是将测深仪放置于无人船内,通过遥控器控制或者按照提前规划好的航线航行,然后通过数据传输模块将所获取的数据实时传输到电脑端。测量设备与数据存储分离,便于实时查看数据,监测设备运行状态,适时对无人测量船发出相关指令,同时有效地保证了数据存储的安全性,以防数据丢失。1.1.2GPSTK1.1.2GPSTK 系统系统载波相位差分技术,高精度的 GPS 测量必须采用载
5、波相位差分技术,TK 定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术,它能够实时地测量出测站点的三维坐标,且能达到厘米级0612023.No.3四 川 水 利精度67。GPS 模块可以为无人测量船提供准确的定位信息,从而可以保证无人测量船能够自动航行,同时也为测量工作提供了高精度三维坐标。以便于水下测量时获取水底地形散点数据。1.21.2无人船测量的原理无人船测量的原理无人测量船是以无人船为载体,同时可搭载测深仪、ADCP、侧扫声呐等多种测量设备。通过全向高增益天线进行数据传输。利用测深仪发射具有指向性的声波,声波在触碰到水底后通过反射、折射返回到测深仪,同时测深仪会记录发射和接收到回波时的
6、相关数据8。通过测深仪发出和接收到回波信号的时间差与声波在水中的传输速度,可计算出声波的传输距离即水深9。D=VT2(1)式中,D 为声波的传输距离即水深,V 为声波在水中的传输速度,T 为发射和接收到回波的时间差。通过 GPSTK 测量出移动站的高程值和移动站到换能器之间的高差即可计算出水面高程。Hs=HH(2)式中,HS为水面高程,H 为 GPSTK 测量出移动站的高程值,H 为移动站到换能器之间的高差7。然后利用水面高程和水深数据即可得出水底高程HSD=HSD(3)式中,HSD为水底高程,HS为水面高程,D 为水深。1.31.3作业流程作业流程无人测量船作业流程如图 1 所示。图 1无人
7、测量船作业流程1.41.4精度评定方法精度评定方法通过布设与主测线垂直的检查线对测量数据进行精度检查,看其是否符合测量要求,从而判定无人测量船进行水下地形测量的准确性,然后根据对比差值进行平差。在平差之前要先剔除粗差值。粗差是指大于 2 倍中误差的值1011。平差公式如下:m=ni12i2n(4)式中,m 为测深点中误差,i为第 i 个检查点与测深点差值,n 为检查点个数。根据 水运工程测量规范(JTS 1312012)水下地形测量的精度限差如表 1表 3 所示12:表 1测深定位点点位中误差测图比例尺定位点点位中误差限值(mm)1 5000图上 1.51 5000图上 1.0注:对 1 20
8、01 500 测图可放宽至图上 2.0mm。表 2深度误差限值水深范围(m)深度误差限值(m)H200.2H200.01H注:H 为水深值(m);对山区、河流水深小于 5m 的硬底质水域,深度误差不应大于 0.15m。表 3深度对比互差水深 H(m)深度对比互差(m)H200.4H200.02H2应用实例2.12.1实例数据实例数据测区位于城郊的一个人工湖泊,该人工湖水深较深,测量方式难以进行、不通航,地方管理部门出于安全考虑不允许在湖面私自使用船只,而且任务紧迫。技术人员在进行实地踏勘及研究后决定采用中海达 IBoat BS3 无人测量船进行水底数据采集,由于湖中有水草,所以数据采集过程中使
9、用遥控器控制测量船航行,数据采集用时约2h,经数据后处理后保留散点 899 个。2.22.2作业方法作业方法(1)在获取任务后首先搜集资料、设备检查与准备,现场踏勘选定无人测量船入水点。(2)现场组装无人测量船以及相关测量设备。161杨 亮,任 玖,谭 詹:无人船水下地形测量与精度评估2023.No.3图 2IBoat BS3 无人测量船数据采集(3)打开遥控器、打开无人测量船并检查遥控器是否能控制无人测量船,虚拟串口连接,然后连接 GPS 并查看 GPS 数据传输是否正常、连接测深设备同时查看测深仪中数据信息是否正确、连接船控软件查看无人测量船相关参数和检查无人测量船状态。(4)新建工程、设
10、置坐标系、输入转换参数包括平面转换参数,高程转换参数,同时在测深软件HIMAX 中设置 GPS 高度及 GPS 距测量点的距离、无人测量船吃水深度,设置测量参数采样间隔为 5m,记录条件为固定解。(5)使用水温计量取水温,通过水温和盐度(内陆淡水默认盐度为 1),计算出声波在水中的传播速度 V。(6)查看测深界面中 TK 是否为固定解,测深设备是否运行正常。(7)船只下水前再次检查遥控器是否能控制船只,确认无误后船只入水,然后查看测深仪软件中水面高程与 TK 实测高程值是否达到限差要求。(8)根据需要进行数据采集,由于湖面有水草,所以采用手动控制的方式进行数据采集。(9)采集结束收回船只,并关
11、机。(10)数据后处理进行水深取样,数据改正,测量数据导出。(11)整理测量数据,绘制地形图成果。图 3水下地形成果3精度评估通过交叉线法与高程点内插法、人工实测对比法对无人船所测量的数据进行精度检查。3.13.1交叉线法交叉线法通过布设与主测线垂直的检查线对测量数据进行检查,选取检查线与主测线交叉处图上 1mm范围内的点进行对比10,检查线与主测线的交点处有定位点的可以直接将测量点与检查点进行对比13,由于主测线与检查线都是使用的同一种设备且在相同环境条件下进行的数据精度检查,所以可以将其视为等精度观测。本次共选取 64 对相交定位点进行对比,最终检查得出粗差值为 0个,平面中误差为 0.0
12、27m,高程中误差为 0.18m。部分对比结果如表 4 所示。表 4检查线与主测线交点处定位点误差对比单位:m点号XYH点号XYH10.0250.0420.1390.0280.0240.120.0540.0340.1100.0390.0150.1330.060.0250.11110.030.0230.1840.050.0430.08120.0250.0250.1650.0250.0420.09130.0410.046060.0150.0520.17140.0410.0250.1570.050.060.08150.0520.0480.1880.080.0250.16160.0630.0510.1
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