智能化iBoat BS2无人船在现代水利工程观测中的应用与拓展

余歆睿，李志峰

（苏州市水利工程管理处，江苏 苏州 215000）

1 概述

水下测量分为海洋测量和内陆水域测量[1]，水下测量存在着比陆地测量更大的难度，主要体现在以下方面：①较浅区域过去往往采用人工涉水的方法，该方法风险较大，可能会造成人身意外伤害；②被测对象的不可见性，人眼无法识别，需要用特殊设备来探测；③水面的波动性，人在船只上进行水下的测量，较深区域水面的波动会对测量产生误差。总而言之，在安全和精度方面，人工并不具有优势，所以智能化无人测量船在水下测量方面展现了巨大的优势。无人船体积小、重量轻，适应河流、湖泊、水库等多种水域作业，可搭载多种测绘、水文仪器及传感器，并可自主导航或通过手动操作完成测量任务。无人船的应用在现代水利断面测量中具有优势和高效性[2]。

2 iBoat BS2无人船水下测量系统

2.1 系统组成部分

该实验所用的无人船为中海达推出的智能无人测量船，系统由无人船平台、岸基操控终端、声呐探测模块、GNSS定位模块、自动导航模块、外围传感模块以及无人船专用软件等组成[3]。无人船测量的原理是利用声呐系统和GNSS系统结合，得到水下陆地面的平面坐标和高程[4]。中海达无人船iBoat BS2智能无人测量船具有以下特点：

（1）智能导航系统。iBoat BS2智能无人船有两种导航模式：手动模式和自动模式。自动导航模式用户可以根据事先设计好的路线进行自主航行，免去了手动操作麻烦，对于水下地形地貌测绘尤为重要；手动模式采用手工遥控器方式，遥控船只航行，对于测量河流断面以及水下地形测绘非常实用。iBoat BS2智能无人船还支持自动返航功能，当电量不足或者突然失去控制信号时，船体会自动进行判断，返回到设置的HOME点位，保障安全。

（2）实时通信功能。iBoat BS2智能无人船通过实时射频点对点通讯方式，可以实时把船的工作状态、航姿及任务状态传输到岸基系统，实时传输测深、定位数据。除了用户选择电台通讯外，可选配4G通讯方式，突破通讯距离的障碍[5]。

（3）内置高性能HD-MAX测深模块和专业的HiMAX测深软件。iBoat BS2智能无人船标准配置高性能的HD-MAX测深模块、高精度GNSS定位设备和HiMAX测深软件，有效解决超浅水和深水测量难题。标准测量水深范围为0.15～300 m。

（4）高稳定性。采用双M型船体设计，航行速度快，船体平稳。船体吃水深度10 cm，在浅水测量中也占优势。 船体材料重量轻，强度高，足以满足各种苛刻的测量环境要求。同时可抗三级风，二级浪，轻松应对各种常规测量环境。

2.2 系统测量原理

无人船系统主要由GNSS系统、声呐系统和操控系统组成[6]。测量原理为：利用GPS系统的RTK技术[7]，可以测得RTK天线相位中心所在位置的平面坐标（x，y，z）；如果声速在水中的传播速度为v，传播时间为t，那么水深h=vt/2，无人船声呐测得的水下陆地面的深度为h，由此可得到水下陆地面点的高程公式为：

式中：z为RTK天线相位中心的高程（单位：m），i为天线高（单位：m），μ为吃水（单位：m），h为声呐到水下陆地面距离（单位：m）[7]。

但是，往往水平面上并不是风平浪静或者船体会出现倾斜的情况，都会对测量造成误差[8]。本文所用的iBoat BS2智能无人测量船具有倾斜改正计算，会自动进行改正，所以无需再人为进行。

多波束声呐或者侧扫声呐能够提高单航线的工作效率，不需要反复加密航线，但是在数据转换和处理方面较为复杂[9]。本文所用的无人船是单波束声呐系统，如果想要获得更加密集的地形数据，则需要对航线进行加密[10]。

3 水下测量实验

3.1 数据采集

本次实验数据采集的地方在苏州引河某河段，测量当天天气较好，无大风，水面较为平静，无人船在工作中平稳航行，可以忽略外界因素对该实验数据的影响，且智能化无人船可自我倾斜改正。数据采集过程中分别用了两种模式为手动和自动模式，采集了200个水下特征点坐标（见图1）。

图1 无人船航行轨迹

从所有的数据中随机挑选出50个特征点，再采用人工测量的方式获得其坐标，通过水上测量的数据与相应特征点的人工水下采集数据进行比较，得到了两种高程值。

此处可假设人工测得的高程值为真实高程值，水上测量的高程值通过对比拟定的真实高程值，可以评定出智能化无人船系统的精度。无人测量船所测的高程由Z1来表示，人工测量的高程由Z2来表示，具体见表1。通过无人船测量值Z1和人工测量值Z2之差可以得到其精度情况，具体分布见图2。

表1 Z1和Z2数据表

图2 精度分布情况

由图2可以看出：在-2～-1 cm的个数为6个，在-1～0 cm的个数为5个，在0～1 cm的个数为16个，在1～2 cm的个数为20个，在2～3 cm的个数为3个。目前，传统的水下测量精度要求在20 cm以内，可以得出智能无人船测出的总体数值精度十分高，表明了该技术以及该型号的智能无人船能有效地提高水下测量的效率，在现代水利断面测量中具有一定优势和高效性。

利用无人船，在苏州引水河道再次进行了实验，此次航行为水下断面测量，对所得数据进行处理即可得到该航线的水下断面陆地形态（见图3）。

3.2 注意要点

（1）在本次实验之前做了一个对比，发现声速对水深值影响很大，假定15 m的水深，选择1500 m/s的声速与1450 m/s声速测得水深偏差0.5 m，因此在测深时必须对照比测板计算出正确的水深。

（2）影响水深的因素有温度、盐度以及水层压强，其中温度对水深影响最大，在一定温度范围内每升高1℃，声速增加3 m/s左右，对于淡水浅水区域，只考虑温度即可。

（3）在水深测量中，吃水深度一定要准确量取，测量杆要固定死，以免测量过程中松动导致吃水深度变化。

（4）由于单波束穿透力不够，所以在遇到一些较大的障碍物（例如水中悬浮物体）会产生噪点数据，对实验结果造成影响。

4 结语

图3 水下断面陆地形态

本实验采用的智能无人船对于苏州某引水河道的水下地形进行了测量，利用人为测量进行了高程的对比，表明利用无人船可以高效地获得高精度、高可靠性的水下陆地面点位坐标。同时得到了航线图，使用该无人船对某个断面进行测量，利用数据绘出了相应的水下陆地断面图。无人船能有效地提高水下测量的效率，不仅保障了测量人员的人身安全，更加体现了其在现代水利断面测量中具有的优势。