基于无人船组合编队的河口地区水下地形测绘技术及实践
时间：2023-06-01 10:45:38 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈鼎豪，任 杰，孙玉超，张小波
（1.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519080；
2.中山大学近岸海洋科学与技术研究中心，广东 广州 510275；
3.国家海洋局南海规划与环境研究院，广东 广州 510275）
对河口地区的水下地形测绘工作来说，其测绘效率和安全性目前都存在很大问题，其原因在于受径流、潮汐、波浪等作用，河口地区的水下地形复杂，不仅有典型的潮流冲刷深槽、潮流沙脊等纵向地貌，还有不同尺度的水下沙丘、沙坝等横向地貌[1]，水深变化较大，传统的测量船只适用于一部分深水区作业，大量浅滩及潮间带都需要乘坐橡皮艇和人工涉水等方式进行测绘，其测绘效率较低，且对测量人员来说存在一定安全风险。
随着科技的发展，无人船的应用越来越广泛，也为水下地形测绘提供了新思路，国内外使用无人船进行水下地形测绘的应用也越来越多[2-6]，但其主要的应用范围还在河道、湖泊等环境相对单一的水域，对于河口地区的应用仍然较少，少量的应用也仅仅停留在单船作业层面[7]，仍然无法满足在河口复杂水环境条件下对效率和安全的要求。本文提出了一种基于无人船组合编队的河口地区水下地形测绘技术，通过采用大、中、小3种不同型号的无人船，搭载多波束和单波束测深系统，针对河口地区进行集群同步测量，全面获取河口区域的水下地形数据，大大提高了作业的安全性和作业效率。
无人船组合编队测绘系统由无人船平台子系统、测绘作业载荷子系统和数据处理与显示系统3大部分组成。
1.1 无人船平台子系统
无人船平台子系统主要是为测绘作业载荷子系统提供安全稳定的搭载平台，保障测绘作业载荷子系统有稳定的电源电压和数据通讯，主要由大、中、小不同型号尺寸的无人船编队组成（图1），大、中型无人船搭载组合惯导（Position and Orientation System for Marine Vessels，POS MV）和多波束测深系统，小型无人船搭载实时动态载波相位差分接收机（Real-Time Kinematic，RTK）和单波束测深系统。无人船平台子系统具备路径实时规划、环境感知、目标识别、智能避障等功能，不同船型吃水深度、动力模式及搭载设备均有一定差异，可分别适用于河口地区不同的测量环境，各船型如图2所示。
图1 无人船组合编队测绘系统组成示意图
图2 无人船平台子系统组成
1.1.1 大型无人船
大型无人船（云洲L25C）参数：船长7.5 m，总宽2.8 m，满载吃水0.35 m，槽道间距1.00 m，设计排水量≤2.40 t，工作航速5~6 kn（静水），最大航速10 kn（静水），最大载荷总量200 kg，续航能力≥300 km（静水条件工作航速），通讯距离10 km，遥控距离大于500 m，工作海况Ⅱ级，生存海况Ⅳ级。
大型无人船动力采用船尾外挂柴油挂机驱动，动力较强，能适用于水动力较强的深水环境测量。
1.1.2 中型无人船
中型无人船（云洲M40P）参数：船长4.67 m，总宽2.1 m，满载吃水0.32 m，槽道间距0.7 m，工作航速4~6 kn（静水），最大航速8 kn（静水），最大载荷总量80 kg，续航能力8 h（静水条件工作航速），通讯距离10 km，遥控距离大于500 m，工作海况Ⅱ级，生存海况Ⅳ级。
中型无人船采用纯电推进，内燃机发电增程的方式，续航时间长，能适用于水动力较弱的深水环境测量。
1.1.3 小型无人船
小型无人船（云洲SE40）参数：船长1.05 m，总宽0.55 m，满载吃水0.15 m，最大载荷总量8 kg，续航能力8 h（1 m/s），通讯距离2 km，遥控距离在1 km内，抗风浪等级3级风0.5 m浪。
小型无人船采用1个碳纤维+金属喷泵喷水推进动力，船体小、重量轻，能适用于水动力弱的浅水潮间带或浅滩水域测量。
1.2 船载作业子系统
船载作业子系统在无人船组合编队测绘系统中主要功能为采集地形数据，主要包括单波束、多波束、表面声速仪、声速剖面仪、姿态仪、导航和定位等设备。
大、中型无人船均搭载组合惯导（Applanix POS MV）和多波束测深系统（海卓MS8200），并配备表面声速仪和声速剖面仪，多波束提供水深探测数据，组合惯导为测量提供精确的定姿和定位信息，表面声速仪和声速剖面仪为多波束提供水体声速数据。小型无人船搭载RTK和单波束测深系统，单波束提供水深探测数据，RTK提供导航定位信息。
1.3 数据采集处理与显示子系统
数据采集处理与显示子系统主要功能为处理船载作业子系统所测量的地形数据，包括实时处理和后期处理，还支持现场测绘数据实时显示。在无人船编队数据采集处理与显示子系统中针对单波束和多波束测深数据的获取、处理、展示主要分为两部分：一部分针对单波束，由于单波束测深数据量较小，数据可通过通信基站实时传输回船控电脑，数据的处理、展示也集成于船控软件中；
另一部分针对多波束测深数据，多波束在测量过程中产生数据量较大，数据测量后储存于船体主控电脑中，测量结束后采用多波束后处理软件Qimera进行后处理，多波束数据显示可通过岸基电脑远程登录无人船主控电脑实现。
无人船编队测绘方式和传统的有人操控船舶测量及单一无人船测量方式相比，其安全性、效率性、适用性、容错性、经济性都具有较大优势，具体表现如下。
2.1 无人船编队可同时获取潮间带、浅滩和深水区数据
在传统的水下地形测绘作业中，河口地区深水区一般采用单波束或多波束测深系统进行测量，需要采用有人操控的船舶作为平台，受限于船体体积大、吃水深，浅水区域无法测量。对于浅滩区域通常采用携带RTK、测深杆或测深锤等方法，结合橡皮艇、竹筏等运载工具或工作人员涉水进行测量，作业劳动强度大、工作效率低、安全隐患大[6]。在实际作业过程中需要按照深水、浅水和潮间带分别采用上述不同方式进行测绘，如需同时测量不同水深地形，则投入人力数量巨大。
对无人船组合编队测量方式来说，通过其集群控制功能，在船体下水后1人便可控制整个船队进行工作。小型无人船可专门用于测量潮间带和浅滩区域，小船吃水浅（大于等于0.15 m），可通过潮汐变化规律合理布置测线，自动控制测量船随潮汐变化始终处于测量工作状态。中、大型无人船则可依照航线按计划进行深水区测绘，从而保证对潮间带、浅滩和深水水域进行同步作业，这样在人员配备和工作效率上都远远优于传统测量方法。
2.2 不同型号无人船组合编队可适用于多种水动力环境
河口区域受径流、潮汐、波浪作用，水动力结构复杂，涨落急时流速较大，如珠江河口落急最大平均流速约在1.2 m/s[8]，此时电机驱动的无人船容易出现功率过载而导致停机的现象。在河口拦门沙外无岛屿庇护直面外海，受波浪作用的影响强烈，小型无人船航行安全无法保障。因此在单一型号无人船测绘过程中，受船体平台自身生存能力和动力所限，其水域环境适用性较差。电机驱动的无人船无法适用于急流水域，小型无人船生存能力较差不适用于高海况海域，大型无人船能适应高海况环境但由于吃水较深无法测量浅水区域。
无人船组合编队可根据河口水动力和地形结构合理分配对应船型，使之能更好地适应河口近岸复杂的地形和水动力环境，提高测绘效率。
2.3 无人船编队船体操控和数据采集模块高度集成
在传统有人船测绘过程中，设备操控和船体操控需要不同的作业人员负责。在设备校准和测绘作业中，航线布置规划需设备操作人员与船体操作人员时刻保持沟通，这中间存在一定的信息传递时间，不利于整体把控。而无人船组合编队集群控制软件集成了船控系统和数据采集系统，在船控方面，可提前设置航线，船队可按照预设航线自动航行，船体配有避障雷达，遇到障碍物可进行自动避障；
在数据采集方面，无人船的单波速数据可通过通讯模块实时传回岸基电脑，岸端软件可实时成图并进行数据处理。上述所有操作均可单人完成，其船体的操控和数据采集处理也可在同一软件进行，大幅减少了测绘作业过程中的工作量。
2021年11月，利用该观测技术对位于广东省珠海市磨刀门河口地区进行了实地测量。此次测量配置小船2条、中船1条、大船1条。测绘前首先对测绘区域从水动力和水下地貌进行分区，主要分为浅滩区域、强水动力深水区、弱水动力深水区3个区域，根据区域划分匹配不同测量船型进行测绘。本次测量的坐标参考系为国家2000大地坐标系，1985国家高程基准，投影方式为高斯—克吕格3°带投影。
3.1 测量地区地形特征
磨刀门河口为西江径流的主要出海口门，口门区潮流活动强烈，是典型的河流作用为主的河口。受人类活动的作用，磨刀门河口演变已进入后门时期，口门直面开畅海洋，拦门沙在没有岛屿屏蔽的环境中，直接经受波浪作用。目前磨刀门拦门沙划分为3个部分，东、西汊之间的拦门沙中心，东汊东部的拦门沙东区，西汊西部的拦门沙西区[9]。
整体来看磨刀门拦门沙以内除航道外，以浅滩地形为主，拦门沙内水动力结构较为单一，以径流和潮流作用为主。拦门沙以外水深增加，潮流、波浪作用增强。
3.2 无人船编队布置
无人船编队配置大、中、小3种型号测量无人船，小型无人船适合测量海况较好的浅滩区域，中型无人船适合海况较好的深水区，大型无人船适合海况较差的深水区。根据不同型号无人船的适用范围，结合磨刀门水域地形和水动力特征，小型无人船测量磨刀门河口浅滩区域，中型无人船测量拦门沙以内航道深水区（大于5 m），型无人船测量拦门沙以外水动力较强的深水区，具体分布见图3。
图3 磨刀门河口无人船分配作业区域
3.3 无人船编队作业
通过无人船基站软件航线布置功能，依据不同船型选择对应的测绘区域进行航线布置。小型无人船搭载RTK和单波束测量浅滩区域。在布设航线之前需根据潮汐变化规律进行布设，确保小型无人船处于合适的水深条件中，不会因为落潮时退水造成无人船搁浅而影响测量任务。单波束数据通过船控软件内置数据处理功能进行处理。大、中无人船搭载POS MV、海卓MS8200多波束，根据实际测量要求布设航线测量水深。作业时需进行同步验潮，此次选用测量海域附近已有验潮站数据进行水深测量时的水位改正。
3.4 测量数据处理
3.4.1 单波束数据处理步骤
单波束数据采用Hydro Survey软件进行处理，主要处理步骤如下。
（1）水深采集取样处理：剔除有问题的原始测量水深值。
（2）潮汐改正：导入验潮站数据进行水深数据改正。
（3）综合改正：包括测深仪改正、动态吃水改正、坐标系统误差改正、水深系统误差改正。
3.4.2 多波束数据处理步骤
多波束数据采用Qimera软件进行处理，处理步骤如下。
（1）参数校正：由于多波束安装误差、环境影响等客观原因的存在，多波束换能器安装不可能完全水平，从而导致换能器与水平面存在夹角[10]。通过校准侧线计算出纵摇偏差、横摇偏差、艏向偏差，输入软件中以校正安装偏差。
（2）声速改正：导入作业时使用声速剖面仪测量的声速剖面数据，校正声速误差。
（3）潮汐改正：根据GB 12327—1998《海道测量规范》要求，水深小于200 m的测深资料需进行潮汐改正[11]。本次测量采用三灶实测潮位数据进行潮位改正。
（4）水深编辑：通过Qimera软件的线编辑、面编辑、3D编辑功能对测区进行线、面和三维视角的人工辨别误差剔除。
3.4.3 精度评价
根据GB 12327—1998《海道测量规范》的要求，计算重复测点上的水深测量值的差值，即主检不符值，作为水深测量准确度综合评估的依据，计算公式如下。
式中，σ为中误差，单位为m；
hi为不同测线条幅重复测点水深测量值的差值；
n为重复测点组数，两个重复测点为一组。
对多波束数据来说，通过提取分辨率为2 m×2 m的网格大小求取均值来代表重复测点，经计算多波束测量数据重复点差值的中误差范围在0.10~0.20 m，平均中误差为0.15 m。对单波束数据，提取5%检查测线进行误差分析，经计算平均中误差为0.3 m。航道水域由小型无人船单波速和中型无人船多波束同时测量，在实际测量过程中受声线弯曲的影响，多波束测深的边缘波速数据质量较低，而单波束测深受声线弯曲的影响较小[11]，这其中存在单波束与多波束数据融合处理问题，为了评估二者数据质量的一致性，在重叠区域多波束按照2 m×2 m的网格大小求取均值与单波束数据进行比对，经计算二者重复测点差值的平均中误差为0.23 m，这表明在后处理过程中通过声速改正和剔除边缘波速，多波束数据能与单波束保持较好的一致性。综上，小型无人船单波束和中、大型无人船多波束测量数据满足GB 12327—1998《海道测量规范》主检不符限差0.5 m（水深0~20 m）的要求。
3.5 成果可视化
本次测量获取了磨刀门河口水下地形点云数据，成果见图4。
图4 磨刀门河口水下地形点云数据
经过本次磨刀门河口地区的现场实测，无人船组合编队的测绘模式在数据测量精度方面能满足相关的测绘规范要求，与传统测绘方式并无明显差异。在工作效率方面，此次现场测绘时间总计7天，其中2条小船工作6天，中船工作3天，大船工作7天，在同等工作量的情况下，传统人工单船作业需22天左右，如考虑浅滩测绘过程中人工涉水作业则需更多时间。如采用传统人工多船作业方式，虽然能缩短测绘时间，但需要的人员数量约是无人船队的4倍，其中还存在人员作业风险。如采用传统的单一型号无人船测绘，则因其无法完全满足磨刀门河口复杂的地形环境，只能在适用范围内进行作业，适用范围外则需通过其他途径补测。
无人船组合编队在实际测绘过程中虽然较传统有人船和单一型号无人船测绘有一定优势，但在实际使用过程中也存在一些新的问题，比如：①河口近岸航道繁忙，船只通行较为频繁，无人船虽有主动避障功能，但实际操作过程中存在船只避障策略失误等情况，仍需人工干预。②受通讯距离影响（开阔海域最大通讯距离10 km），单一控制基站无法满足大范围测绘，要大范围同时测绘需建立多个岸端基站满足不同区域通信要求。③在无人船编队中，小型无人船可通过人工布放回收，但大、中型无人船需要吊机进行操作，岸边布放需寻找合适的布放场地，如在水域中进行布放则需要大型船只提供平台保障。
综上，通过现场实测，无人船组合编队测绘技术在效率上较传统方法有着较大的优势，虽存在一些传统测绘方法不存在的问题，但与其优势相比所存在的问题在可接受范围之内，且随着技术的发展，部分问题也会得到解决。
本文探究了基于无人船组合编队的河口地区水下地形测绘技术，通过配置不同规格无人船以适应河口地区复杂的地形和水动力环境，使之能在河口地区同时对潮间带、浅滩和强、弱水动力环境下的深水区进行水下地形测绘，较传统有人船测量和单一型号无人船测量都大大提高了测绘效率。此次无人船组合编队在磨刀门河口的成功应用，表明该测绘技术可在复杂环境的河口地区水下测绘工作中推广应用，为河口地区工程建设和数值模拟提供数据支撑。
通过本次现场实测验证，大、中、小无人船最大工作海况分别在2级、3级、3级，中、小船在河口作业过程中顶流作业需在流速小于1 m/s的条件下进行，流速过大可能引起电机过载而导致停机。上述实际工作海况和水动力条件能满足河口地区大部分水动力环境，其在推广应用上有很大的想象空间，如在岛礁地形测绘方面，小型无人船可穿梭于礁石之间进行测绘，礁石外围可通过大、中型无人船进行扫测。在海洋综合调查方面，无人船编队的观测模式可通过加装电动绞车、声学多普勒剖面流速仪（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）、温盐深分析仪、小型气象站、侧扫等设备，再配合多波束可进行大范围的海洋水文、气象和地质地球物理等相关方面的海洋调查，其经济性和调查效率都远远高于传统的海洋调查模式。
整体来看，无人船组合编队测绘模式作为一种新型的观测技术，虽然在应用过程中存在些许不足，但随着技术的不断发展和完善，其应用领域不仅仅限于水下地形测绘领域，还可推广至水文、大气和环境监测等方向，具有良好的市场前景和发展趋势。
猜你喜欢 河口波束编队 毫米波通信中的波束管理标准化现状和发展趋势信息通信技术(2022年2期)2022-05-31基于共形超表面的波束聚焦研究成都信息工程大学学报(2021年6期)2021-02-12强干扰背景下水中微弱信号的垂直阵波束形成研究数字海洋与水下攻防(2020年6期)2020-12-25超波束技术在岸基光纤阵中的应用舰船科学技术(2020年3期)2020-04-22基于事件驱动的多飞行器编队协同控制北京航空航天大学学报(2017年3期)2017-11-23电磁航天器编队位置跟踪自适应协同控制北京航空航天大学学报(2017年10期)2017-04-20基于RQPSO-DMPC的多无人机编队自主重构控制方法北京航空航天大学学报(2017年10期)2017-04-20他们为什么选择河口少儿科学周刊·少年版(2015年11期)2015-12-17河口，我们的家少儿科学周刊·少年版(2015年11期)2015-12-17特殊的河口水少儿科学周刊·少年版(2015年11期)2015-12-17
