无人船在汤逊湖清淤工程中 的应用与研究

无人船在汤逊湖清淤工程中 的应用与研究

杨关军

中电建武汉建设管理有限公司 湖北武汉 430000

摘要：随着水环境工程的日益发展，对水下工程的测量精度与时效性要求越来越高。传统的水下测量方法为人工操作船只测量，该方式测量的数据既不够准确，也不够安全。近来来，无人船测量技术已被广泛的用于各种水下工程。本文结合汤逊湖清淤工程实例，以无人船在汤逊湖清淤工程中水下测绘的应用为研究主题，基于使用GPS技术的无人船开展水下淤泥测量，通过对无人船的工作原理、试验数据以及水下测量情况进行分析，从结果来看，无人船在清淤工程中具有一定的可行性，大大提高测量的效率，有助于水环境清淤工程。

关键词：无人船；GPS测量；汤逊湖清淤工程；水下地形测量；

0.引言

随着水环境工程的日益发展，对水下工程的测量精度与时效性要求越来越高。而大量的测量工作仍停留在相对传统的人工测量方法，而该方法需要有充足的人力和物力资源，水下测量通常使用的设备繁重不易携带，甚至测量水域缺乏船只，严重影响测量数据的精确度，难以完成更多的作业任务和工程要求。自遥控无人船出现后，极大地提高了测量数据的精确度。如今，无人船测量技术已被广泛的用于各种水下工程。

本文依托汤逊湖清淤工程，采用中海达 iBoat BS2 型号无人船对水下淤泥、地形进行测量，动态地获取了水下淤泥的平面位置和高程，获取高精度数据，准确测量了淤泥方量，并生成水下地形成果图，有效的指导清淤施工作业。

1、无人船技术简述

1.1水下测深原理

测深仪对水深的测量原理是通过超声波及其反射来实现的，发射的超声波可以在介质表面发生反射现象，测深仪通过没入水下的换能器发出超声波，之后接受超声波，通过测量发射与接收超声波的时差来完成水深的测量。测深仪的工作原理用公式来表达为

Z =Vt/2

其中，V表示超声波的传播速度，t 表示超声波从发射后，由探头到水底， 经水底反射后．再被换能器探头接收后所经过的时间。

结合探头杆的刻度数值，可以获取换能器底部与水面的距离。即吃水的距离，将两者相加， 即可得出所测点位的水深值。

由于声波在传播的过程中，受水温、水中杂质的影响，在不同的时间、地点，声波的传播速度不傻逼常数，在实际生产中，用平均传播速度 Cm 来代替， 则：

Z=C_m(t_r-t_i)/2

t_i和t_r，分别表示发射声波和接收回波的瞬间时间。

对于水下定位点．其高程h的物理公式可以表示为：

h=h₁ -h₂

式中:

h 为水下定位点的高程；

h₁ 代表测深仪换能器底部的高程，通过RTK测得；

h₂ 代表换能器底部至水下定值点的水深。

1.2 无人船系统

智能无人船测量系统由岸基控制单元和测深船两个单元组成，共计包括船体、推进器、船载主控、测量（定位和测深）、电源、无线传输、岸基控制系统等7个子系统，见图1。岸基控制单元与测深船单元之间通过无线电进行通讯。岸基控制单元由笔记本电脑、通讯单元、GNSS RTK基站等组成。利用控制软件，实现测深船控制功能，实时接收船体运行参数（坐标、航艏、纵摇、横摇）与水深数据，并在笔记本上图形化即时显示。GNSS RTK基站与流动站的通讯选择的电台传输模式。

图1 智能无人船测量系统组成示意图

1.3 无人船船体

本次使用的中海达iBoat BS2为双M型船体结构，其长度为1.05m，宽为0.55m，高为0.27m，重量约为14kg。体积小，重量轻，便于投放，标配有GPS、磁罗盘以及单波束测深仪。双M船型设计可满足3级风，2级浪，船体结构见图2，详细参数表1。

船体上配备了智能控制系统、定位定向系统以及能源动力系统。智能控制系统主要是对无人船的自动航行实施智能控制；定位定向系统由GNSS设备和电子罗经组成，为船体以及测量仪器提供位置和航向信息；无人船配备了锂离子清洁电池以及涵道式金属推进器，船体采用了碳纤维凯夫拉防弹布高强度复合材料，具有重量轻、体积小、航行平稳、载重能力强、防撞、防水性能好等优点。

图2 iBoat BS2船体结构

表 1 iBoat BS2无人测量船基本参数表

2.1项目简介

汤逊湖清淤工程需对湖底淤泥进行清除，而前提便是淤泥深度的测量，即确定清淤的方量。本工程范围内测量的湖水为静止体，无腐蚀性，测区无风无浪，也没有运行的船舶，很适合无人船测量。不利因素是点面分散，不利于统一测绘，影响进度；湖边多水草藕节、枯枝桩木，湖内有鱼类、渔网、塑料袋等垃圾分布，见图3、图4，这些会在一定程度上影响测绘的精度和进度。

施

工中采用无人船测绘水下和人工GPS RTK 测绘滩地相结合的测量方法，对汤逊湖清淤工程淤泥深度和方量进行测算，最终有效的帮助工程施工以及后期的工程验收评定。

图3 藕节 图4 桩木

2.2施测方法

（1）站点选址

无人船测绘的站点包括控制站、GPS基站、下水点和回收点4个位置。这4个位置最好选在相距数十米的距离内，便于检查、看管和换电池。控制站要面向河道，视野开阔，不能有草木遮挡视线。GPS基准站要求顶空开阔，周边无高压铁塔、信号塔和电线，防止信号被强电磁干扰。下水点和回收点最好在一个位置，宜选在车辆交通最近，岸坡平缓及水流较稳的水湾处，能保证人员的安全和船体的安全回收。下水点和回收点离待测范围要近，以免走无效里程损耗电量。

（2）规划测区、布置航线

根据工程总平面布置图标出水下测量的范围线，生成无人船需要的dxf文件。

在谷歌卫星图中生成kml文件，装载在手机中导航。

使用船控软件对前期规划好的测区进行航线规划，软件提供有三种航线规划方式，第一种通过船控软件直接在软件上画线；第二种绘制多边形后依据测线规划要求自动规划航线；第三种为导入事先在CASS上绘制好的航线。

（3）架设基站、控制站

在已知点上架设基准站，通过内置电台向无人船提供差分信号。无人船下水前用人工RTK对其船载天线中心坐标进行检查比对，防止设置错误，控制站的多倍通天线主要用来实时发射和接收数据。天线为便于吸附在车顶底座内置有磁铁，但一定要与电脑和GPS等电子设备离开1m距离，防止消磁损坏。

（4）安装船体天线、船体入水

将无人船体上包含的K10天线，差分天线，数据传输天线×2，遥控器天线×2安装到对应的位置上。

在安全的下水点由2人把船抬至水边，先将船头放入水中，松手后，再将船尾轻轻送入水中，整个过程方便快捷。

（5）设置归点

在无人船下水后，依据无人船提供的位置信息在离岸边5米左右寻找一个安全位置设置为Home点，作为无人船的回收点。当无人船出先低电量或者失联时，会依据Home点提供的位置安全返航，确保船体不会丢失。

（6）航行采点

将遥控器切换为自动航行模式，使用船控软件，将设计好的航线数据发送至船体，点击自动航行，无人船会按照航线自动航行，测得的水深数据会实时通过数据传输天线传送至测深软件，实时存储监测。

遥控器和笔记本监控屏幕是脱离的，如果测区就在眼前，控制站就放在车辆备件箱里，遥控手可以边看屏幕边操作；如果测区较远遥控手需要走动的话控制站由另一人背在包里，手持笔记本，用触摸鼠标放大和缩小及时轨迹，跟随在遥控手旁边实时监控指挥。

预设航线在静水中有效，为防止碰撞离岸边必须预留5米作为转弯半径。边坡的坡脚线和水涯线采集不全，所以通过人工控制模式在坡脚线处专门进行了走线测量，枯枝、水草等阻挡的部分用人工GPS RTK法补充测绘。

2.3 数据处理

将测量完的数据按照成果要求，进行采样。首先做中值滤波法处理，将有些假的水深数据点过滤掉，然后进行采样。湖底比较平缓，按照5米的间距进行了采样，并在坡度变换处进行了手工加点，这样在CASS软件中组建三角形时地面模型准确，切出的断面坡脚明显，方量计算准确。

由于水下涡流杂波的反射，软件会出现跳点现象，手工处理到强信号即可。对采样完的数据进行改正，主要有转换参数改正、延迟改正、水面高程改正、吃水改正以及声速改正五个方面，测区水域水下声速变化不大，所以仅进行转换参数和吃水改正即可。

2.4 测绘成果

通过对采集的数据进行过滤处理后，数据导出南方cass格式，与岸坡地形数据合并生成地形图，图面按4米间隔保留高程点。由于每天水位有些变化，按平均水位为界线生成等高线和等深线，湖底地势平缓， 1m等高距难以表达坡度走势，取0.5m等高距加密表达。高程点保留2位小数。为形象起见，坡面同时保留等高线和符号，桥下等深线不做断开处理。水中岩礁、枯枝、水草、鱼类、塑料袋等的存在测深仪可能会出现错误信号，根据湖底地形连续原则采取图面检视方式剔除。根据地形数据直接生成工程原始地形图。

3、结束语

经以上实际工程中的应用验证，利用无人船水下测量技术能快速获取水下地形数据，真正做到自动化、精度高、效率快的测量模式，尤其在复杂水域条件下，能够大大降低测绘人员的劳动强度，成倍提高了测量工作效率，避免了测量人员水上作业的危险。 因此，无人测量船必将会得到更广泛的应用，具有良好的市场前景和卓越的发展趋势。

参考文献

1. 叶斌, 陈立波, 罗正龙,等. 无人船测量系统在河道清淤中的应用[J]. 地理空间信息, 2017(11):9+32-34.

2. 胡黎霞, 陈麒. 无人船在水下地形测量中的应用与探讨[J]. 资源信息与工程, 2017(3).