无人船在海缆近岸段地形测量中的运用研究

张龙 李景洋 高杨朔 陆川

摘要：根据无人船测量系统在近岸地形测量中的应用，介绍M40多用途无人船在近岸段中的实际运用。阐述该系统原理和项目概况，总结无人船测深、数据处理方面的应用要点及得到的启示，为今后近岸地形测量工作积累经验。

关键词：无人船;近岸地形测量;智能导航;监测技术

水深地形测量[1]作为一项常规测量，其主要任务是测量江河、湖泊、水库、港湾和近海等水域的水底点平面位置和高程，绘制水下地形图，提供基础水下地形数据。在水深较浅区域传统测量方式获得水下地形数据十分困难。无人船水下测量系统的运用，为困难区域水下地形测量提供了新的解决方案，利用该平台搭载卫星定位、通讯、水下测量等多种设备，可实现自动化数据采集和航行，提高作业效率，减少测量人员的涉水风险。

一、无人船测量系统及基本原理

无人测量船是将先进的智能导航水面机器人技术与测量监测技术相结合的一种无人驾驶水上测量设备，系统主要组成包括高精度定位系统、动力推进系统、实时数据通信系统、数据采集系统等，可快速、精确地获取水下地形数据，实现了智能化、集成化、网络化的水上测量，广泛应用于小河流、湖泊、港湾、近海区域测量或者测速工作[2]。

无人船测量可以分为手动和自动2种方式。这2种测量方式根据工作环境不同可以任意切换，当水域环境较好无障碍物时，可切换为自动测量方式;当水域环境比较复杂，障碍物比较多或者自动测量方式无法正常运行时，可以切换为手动测量方式[3]。

二、近岸水下地形测量应用

（一）项目概况

江苏某海上风电场工程场址位于大丰区毛竹沙北侧海域，场区中心离岸距离约72km。其海底电缆预选路由自海上升压站向西经过西洋深槽后，在王港河口南侧、竹港新闸北侧海堤上登陆。路由在近岸滩涂、及飘儿沙东南侧水下砂脊水深较浅，水域面积达到2万多平方米，船舶通行受潮汐影响较大，且由于长期以来缺乏日常管理和维护，周边的水草较多，大型的船只无法靠近。如果采用常规人工测量的方式，载人船只吃水较深，在较浅水域会出现搁浅的情况，给此次勘测任务带来的极大的不便。为能够顺利完成此任务，获得海缆登陆区域近岸的地形数据，决定采用M40多用途无人船，它具有吃水浅，重量轻、运输方便、自动化无人驾驶等优点，是一款适用于内陆河湖、滩浅海等多种环境的通用型双体无人测量平台。。

（二）无人船测深

综合考察测区周边地形后，选择合适的下水点和设备的运输路线，确保项目顺利开展。本次勘测采用的无人船设备为云州智能M40，GPS定位选用天宝R6基站及移动站，配合无人船完成平面和水深数据的采集工作。测量前进行航线的布设工作，将事先准备好的测区影像图导入软件中，按照均匀分布的原则，在测区范围布设了12条航线。在岸上开阔处架设GPS基准站系统，将无人船上的移动站和通信设备启动连接。岸基端与无人船通信联通后，即可在岸基端利用笔记本电脑操控无人船的航行和数据采集。测量过程中，基本采用自动航行测量的方式进行，整个过程无需人工干预。由于测区部分区域岸边水草较多，航线布设时并没有完成覆盖整个测区，因此需要采用手动控制测量方式对航行未覆盖和个别死角进行手动控制测量。大约用了3.5小时完成野外数据采集任务，总共获得了路由登陆-近岸段水底特征点35000多个[4]。

（三）数据处理

完成外业勘测后对采集的水深数据进行数据后处理。外业测量过程中经过鱼群和水草等障碍物时，会造成测深仪回波数据不准确，要对部分失真的数据进行修正。通过将测深模拟信号和水深数字数据进行叠加，判断水深数据的准确性。通过信号和数据的叠加对部分失真数据进行修正后，对数据进行抽稀，因为外业测得的水深数据的密度较大，冗余率大，后期并不需要这些多余的数据[5]。通过对无人船外业测深数据的处理，对海缆路由登陆-近岸段水深按照不同颜色进行填充渲染，获得最终的水下地形数据，大部分区域的水深在2 m-4 m之间，该区西南侧水域较浅在2m左右;东北侧较深，深度达到了4m以上，整个测区水深呈现出由西南向东北逐渐加深的特点，反映了该区域近岸整体地形走势情况。

三、无人船测量系统应用启示

随着测绘技术的进步和计算机技术的发展，水下测量也越来越集成化，其中GPS-RTK与测深仪的组合测量手段是现代水下地形测量的重要技术手段，提高了测量自动化程度和工作效率，但它需要依托母船进行测量，且需要有人在船上操作，大大降低了其灵活性。

此外，无人船测量系统都搭载了电子罗经同步记录船体的姿态情况，浪涌过大时，船体横摇、纵摇幅度大，需要做高精度的姿态校正。无人船测量系统自带的姿态校准系统能否满足要求还需要进一步讨论研究。船速过快可能会产生延时效应。船速过大时测深仪声波发射和接收时船体的位置会出现较大偏移，延时效应比较明显，测量结果需要做延时改正。水深大的水域如大型水庫、湖泊等，一般存在水温分层，各分层的水声声速值一般不一致，采用一个平均声速来代替所有声速值会对测深结果影响较大，需要测量声速剖面并对测深数据进行声速改正。

结束语：

综上所述，根据海缆近岸段地形测量实际情况，了解到M40多用途无人船在测量工作中需要注意的要点，测量人员掌握这一项新测量技术的优势、操作要领，便可以在近岸地形测量当中使用。不仅可以获取准确数据，还可以解决传统测量方法在人工误差、灵活性等方面的问题，真正提高近岸地形测量实力，也可以在实践测量中积累无人船测量系统的实操经验。同时，M40多用途无人船亦可搭载侧扫声呐地貌仪及浅地层剖面仪，其在近岸测量中效果有待研究。

参考文献：

[1]董阳，孙辉.曹妃甸建港前后深槽稳定性及冲淤原因分析[J].水道港口，2018，39（03）：264-268.

[2]关雷，曹景庆，张东林.无人船测量技术在矿区堰塞湖水下地形监测中的应用[J].测绘与空间地理信息，2021，44（S1）：194-197.

[3]付洪波，曹景庆.复杂水域条件下单波束无人船地形测量应用[J].测绘与空间地理息，2021，44（S1）：219-221.

[4]胡合欢，汪剑桥，余永周.无人机无人船协同作业在航道测绘中应用探讨[J].中国水运.航道科技，2021（03）：68-72.

[5]刘冰洋.无人船辅助激光雷达在跨河测量中的应用[J].铁道勘察，2021，47（03）：43-47.