小型无人船搭载多波束在内河浅区测量的应用

郑全平

（福建省港航勘察科技有限公司，福建 福州 350009）

0.引言

在传统水深测量工程中，作业方式主要为测深仪+定位设备+动力船。浅滩区域大部分采用测量员随身携带RTK蹚水作业，水下情况复杂多变，蹚水作业较为危险并且作业时间较长；对于皮划艇，测深系统难以固定，而且会造成船舷一侧偏重，无法平衡，不好操作，故浅滩区域作业往往使测量员感觉头疼；而在租船上，每次测前的准备时间通常会花费2—3小时之久，而且租的船往往吃水比较深，在浅区会打到螺旋桨，租船和养船的费用相对较高，有些特殊区域就连找船也是个问题。传统作业方式已经很难满足项目工期要求和作业要求。

为了解决上述问题，无人船搭载测深设备应运而生。最早无人船搭载小型的单波束，随着小型多波束的不断发展，无人船也搭载了小型多波束。

1.常规多波束的安装及使用

目前常规的多波束主要是安装在有人驾驶的动力船上，通过支架、杆子固定，驾驶员按照计划测线行驶。

1.1 常规多波束的安装

目前大部分测量单位都没有自有大型船只，外业多波束作业时，通常是雇用当地交通船、渔船等，几乎是采用船舷外安装，舷外安装必须装在船上牢固及不活动的部位，装位置远离发动机等噪音源，安装杆要在尽量靠近水线的地方设置固定点，多波束探头要超出船底，使用支架后，还需借助钢丝绳等固定收紧。要做必要的试验以检查回收和放下声纳头后声纳头校准是否有改变，所以船舷外安装具有非常容易受振动和噪音的影响，可能被其他船撞坏或触底导致不容易维持多波束校正结果的缺点。安装多波束时船上至少需要4名工作人员。

1.2 常规多波束的测量使用

多波束系统安装完成以后，量取各设备之间的位置关系输入采集系统，由于每个船安装位置不同，每次进场施测前均需准确量取。各个参数设置好后，在导航界面导入计划导入测线，驾驶员按照测线行驶，保证覆盖。船上至少需要配备2名技术人员（负责数据采集）和2名船员（负责驾驶及安全瞭望），且对驾驶员技术水平有较大要求，通常安装杆吃水要达到1m左右，且本身雇用的船只吃水也要达到1m以上。每次设备安装以后均需对横摇（roll）、纵倾（pitch）、艏向（yaw）进行校准。主要适用于5 m以上水深。

2.无人船搭载多波束

无人船搭载多波束测深系统由无人船系统和多波束系统组成，无人船系统包含船体、动力、自动控制、遥控、视频、雷达避障等，多波束系统包含测深系统、GNSS定位系统、运动传感器（小型多波束基本是测深与姿态传感器集成在一起）。无人船搭载多波束是船体根据配备的多波束按模型量身定制，将小型多波束无缝嵌入船体中，吃水仅为0.1 m至0.2 m。全套系统放入水中，可由2名工作人员协作完成。在船体配备电脑主机及网络传输系统，操作人员在岸上通过船体控制系统在电脑或者手机、平板上通过无线传输操作无人船采集记录数据。测线的行驶可通过遥控操作，转向灵活方便，也可按计划测线自动直线行驶。安装后校准参数一致，每次作业可直接使用该校准参数，省去了大半天的安装校准时间[1]。

3.工程实例

某内河航道设计全长约76.21 km，按满足500吨级干货-Ⅱ（吃水不超过1.6 m）干流标准船型通航要求建设；建设标准为航道水深取1.9 m，其中河床底质为卵石和岩石航段航道水深取2.1 m；单线航道宽度取25.0 m，双线航道宽度50.0 m，船闸门槛最小水深2.5 m，航道弯曲半径取220 m。此航道经施工后需进行第三方交工扫测，按要求需要进行多波束全覆盖扫测。施工段水深非常浅，且底质为礁石区，内河小船较小宽度普遍都是1 m—2 m，测区条件比较恶劣。项目组测前商讨了两种方案：第一种方案是用常规的多波束搭载在两条小船中间；第二方案是使用新引进的无人船搭载多波束。考虑到此航段有多处电站阻拦，需要频繁换小船，且在两条小船拼接安装上很难做到非常牢固，因此选取了第二种方案。

3.1 无人船搭载多波束外业实施

3.1.1 无人船搭载安装多波束

本工程项目组采用的是华微6号无人船搭载NORBIT小型多波束的组合方式，如图1所示。整船自重15 Kg，搭载方案总重不超过40 Kg，现场仅需配备2名技术人员。华微6号无人船独有的绝对直线技术、自适应水流技术、定点悬停技术、浅滩倒车、惯导等新技术的应用拓展了客户的应用场景。手动、自动模式自由切换。自动模式下，船体定位定姿配合精密算法，在船体遭遇水流的情况下，能够根据船体受水流的推力大小及方向，控制螺旋桨进行自动转向调节，保证继续按照计划航线进行切流作业。转弯时，船体自动降速，无人船航线与计划线保持高度一致，确保作业过程中水下数据的完整性。对搭载的多波束也是采用嵌入式的安装方式，最大限度保护换能器阵的同时还有吃水浅的优势，适合各类浅滩作业，船体前配备了防撞导流板，即使船体搁浅也能保证多波束换能器安全。

图1 无人船搭载多波束示意图

3.1.2 无人船搭载多波束的校准

无人船搭载的多波束是姿态与声呐基阵集成安装，出厂姿态及声呐零安装偏差，无需外业找特殊地形水域跑校准线，内业软件计算Roll、Pitch、Heading、Time偏差，减少外业及内业工作量，使用更简单，测量更高效。经项目组按照常规多波束校准方式多次验证，校准参数均一致。由于该航道窄、特殊地形较少，无法像海上一样随处可找校准区，本系统的组成大大简化了作业方式且解决了此难题。

3.1.3 航道水下地形信息采集

NORBIT内置了Applanix研发的POS MV定位定向系统，能够为多波束测量和海洋船只的高可靠性、高精度定位和姿态艏向提供完美的解决方案。POS MV作为工艺水平和精度超高的陀螺仪，同外部辅助的GPS相结合，可为工作船只和传感器提供连续的、精确的位置和方向数据。在GPS信号被阻挡或者信号不连续的时间段内，由于多路效应导致GPS接收机无法有效接收卫星信号的区域，希望在某个时间段内位置漂移必须减小或者需要更快速重新获取位置及方向信息的条件下，POS MV都能够输出可靠的位置和方向信息。本项目内河航区跨江桥梁较多，桥下信号被挡，此设备很好地解决了这一问题。导航软件采用QPS。QPS软件包含多波束数据采集软件Qinsy和多波束数据后处理软件Qimera，现场通过调整多波束控制软件参数使多波束探头达到最佳状态后，连接数据采集系统以及船控软件。调试完成后，按当日计划工作量执行。本项目在内河水库库区，水位一般无变化，可采用无验潮方式。在本航道扫测特别注重浅区及边坡。

扫测过程中，测量员只需在岸边操作平板，根据导入的计划测线，无人船自动按计划测线上线扫测，自动切换测线。若遇到重点区域需临时手动操作可自由切换，小型无人船若不在视线内，可开启摄像头，跟踪测量。其余采集记录和常规多波束流程一致。现场作业照片如图2所示。

图2 现场作业照片

采集完成后可采用QPS软件中的Qimera模块或者Caris软件进行处理，同样是通过加载声速、潮位进行合并计算，对导航和姿态信息进行检查，对异常点进行剔除，最后输出为xyz格式的水深数据。通过处理后的扫测3D效果图如图3所示。

图3 扫测效果图

3.2 数据精度统计

项目组在无人船搭载多波束测量的同时，也布设了一定的外符合检查线（采用常规的单波束测量方式），通过精度比对，表明精度优于《水运工程测量规范》（JTS131—2012）的要求。水深比对误差分布图如图4所示。精度统计表如表1所示。

图4 水深比对误差分布图

表1 精度统计表

比对点数:82对；合格点数：77对；不合格点数：5对；差值平均值：0.061米；5cm以内误差占比：37.80%；5～10cm误差占比：20.73%；10～20cm误差占比：20.73%；20cm以上限差误差占比：14.63%；合格率：93.90%。

10～20 cm误差占比：20.73%；20 cm～限差误差占比：14.63%；合格率：93.90%。

根据《水运工程测量规范》（JTS131—2012）要求测深检查线与主测深线相交处、单波束测深不同作业组相邻测段或同一作业组不同时期相邻测深段的重复测深线的重合点处，图上1 mm范围内水深点的深度比对互差均应符合表8.4.6的规定。即水深H≤20 m时，比对互差≤0.4，H>20 m时，比对互差≤0.02 H，从表1统计可知：本项目采用小型无人船搭载多波束的测深精度满足深度比对互差要求，质量合格，可供使用。

4.结束语

本文采用无人船搭载多波束测深系统对内河航道进行交工扫测验收，并通过与传统测深技术比对分析，根据精度统计结果表明：无人船搭载多波束定位精度高，水深数据可靠，安全稳定，节约了人工及成本，大大提高了效率及经济效益，为本项目内河航道安全通航交工提供了基础资料，可供决策者及相关部门全面、准确地评判航道工程施工质量提供了依据。无人船搭载多波束在内河浅水区的优势在于安全性更高，环境适应性更强、运输便携性更好，吃水浅，不需要找船，外业作业人员少等；缺点是续航能力不足，抗流水能力较差等。小型无人船目前在海上应用场景和效果较差。

随着无人船技术的发展和改进，无人船搭载多波束水下检测技术将广泛应用于数字城市建设（城市河道及桥梁、岸坡、绿化、建筑数字三维点云数据采集）、港口应用（港口、港池水下精细测量和碍航物、浅点检测等）、航道应用（数字化航道水下基础空间数据采集、通航安全水域碍航物检测、航标水下测绘等）、水下工程应用（疏浚、抛石等工程土石方量的精确计算；水下建筑物等形态精细测量；炸礁事后残存物精细化测量等）、水文应用（数字水文建设，如，水文信息化建设的数据清查和校核；江河湖泊水下基础空间数据采集；水库库容的精细化测量；水下地形数据采集等）、海洋石油应用（海洋平台地基形态及周边海底冲淤状况精细化测量；海底管线铺设、检测等相关测量工作；海底管线路由精细化勘察等）、水下目标探测应用（水下危险目标精细化测量、水下碍航物精细化测量、沉船打捞应用等）。