无人船测量技术在河道采砂可行性论证工作中的应用

王怀冲，李彩琴，王凯

（淮河工程集团有限公司，江苏 徐州 221008）

1 项目背景

为切实承担采砂管理职责，沂沭泗局紧跟国家政策变化和新形势下采砂管理工作新要求，认真思考、积极探索采砂许可、监督、管理工作的新举措。在采砂许可前期工作中，严格按照水利部颁布的《河道采砂规划编制与实施监督管理技术规范》（SL/T423-2021）的要求进行可行性论证工作。为更好地开展采砂可行性论证工作，进一步提高论证的深度，在规划可采区的水下地形测量应用了无人船测量技术。

2 项目可采区概况

沭河发源于沂山南麓，南流经莒县、临沭、新沂于口头入新沂河，全长300km，流域面积5970km2。沭河部分河段沉积有较厚的砾质粗砂、中粗砂层，局部河流和两侧冲沟、支岔交互处，常混合沉积有细砂、粗砂、细砾和卵石层，以及含土砂层。2021 年，水利部批复的《淮河流域重要河段河道采砂管理规划（2021—2025）》将沭河部分河段划定为可采区。

本次沭河某规划可采区开采河段总长约760m，平均宽度120～260m，开采区域总面积约13.77 万m2。该可采区主要位于主河槽范围内，勘察期间水位略有变动，水面高程约为63.8m，深泓点高程51.56～55.95m，水深一般在8.0～11.0m。本次无人船应用的主要任务是对可采区范围内的水下地形情况进行全面测量，为采砂许可和监管提供依据。

3 无人船测量作业原理

无人船的水深测量系统承担着水深测量和定位导航的主要任务，是其核心部分。水深测量系统由GPS 接收机、一体化数字测深仪、全角度摄像头姿态传感器以及距离传感器等各种高精密传感设备共同组成。

3.1 无人船技术

无人船是通过利用导航、自动控制和软件通讯等设备，来实现GPS 基准站实时接收、处理和分析无人船系统所采集的数据信息。可以通过手控式和自动式两种操控的方式对无人测量船上的各传感系统进行操控。

3.2 RTK 技术原理

目前RTK-GPS 技术已经广泛应用于各种工程测量中，该技术具备效率高、精度高、作用距离远、应用范围广等的优点，与传统的测量方法相比有着巨大的优势。同时在水下地形的测量和水上施工的定位等方面也得到了广泛应用。将RTK-GPS 技术进一步应用于不需要人工涉水操作的无人船上，取得了很好的效果。

3.3 水下地形测量无验潮原理

水深地形测量采用RTK无验潮测量的方式作业。RTK 取得固定解之后，可以通过设置输出GPGGA定位信息数据，测深仪通过串口接收到含有WGS84经纬度的位置信息，再通过坐标系参数转化成当地平面坐标下X，Y，h 组成的三维坐标。此时获得的三维坐标是无人船载接收机相位中心的位置，通过设置天线至水面高可得到接收机正下方水面的坐标。而根据工作要求，需要水下地形图即水底的各点位三维坐标，测深仪连接超声换能器可以测得仪器所在位置的水深数据，由水面三维坐标与水深值相叠加，从而得到水下点位坐标。

4 测量过程

4.1 测量前的准备

无人船在使用前，要对船体、仪表及附属软硬件进行检查、校正；其次要选择水深变化较大的区域进行不同深度和不同航速下对测深仪进行检验。

4.2 设备联通及测试

先把RTK 基准站定位准备好，在完成点位的校正之后，把无人船基站网桥等架设好；然后进行设备调试；待设备正常运行后，根据实际情况选择背包移动式测量或者定点搬站测量。

4.3 测线布设规划

根据现场实际环境情况和具体测量要求，来确定测区的范围，并通过规划拟测量区域的测线方案。测量线路设计需将测量的要求与测区实际相结合起来，确定选择合适的测点与测线间距。

4.4 自动巡航测量

无人船在测量过程中，将操作模式设定为自动航行模式，基本全程采用自动航行测量的方式进行。如果航线布设过程中没有完成覆盖整个测区，或者测区轮廓不规则、部分区域岸边障碍物较多等导致无法自动测量，需要采用手动控制测量的方式对航行未覆盖的区域进行补测，需要将操作模式切换至手动控制模式。

5 数据处理及成果绘制

5.1 水深取样

在无人船测量外业工作完成以后，需要对采集到的原始测量数据导出并做进一步的处理。无人船在测量过程中，由于水下情况复杂，可能存在鱼群经过和水草及其他障碍物影响测量，从而导致测深仪回波数据不准确。因此，在处理过程中要对部分失真的数据做剔除处理。

单波束测深的水深取样是按照一定距离取样原则进行。按照测量成果要求，设置好取样间隔，数据处理软件就会根据设置的距离间隔进行自动取样所需数据。在采样前，应该将数据做平滑处理或参考波形图文件来做参考处理。经过处理的测量成果可以导出。

5.2 成果绘制

实测水深值和水下地形图根据项目需求选择合适的采样间隔形成离散点数据文件，采用计算机辅助制图方法绘制测量成果。

6 无人船测量技术的优缺点

通过本项目的实践应用，无人船测量技术具有以下优点：一是测量效率高。通过估算，本采区若按照常规水下测量方式，则需要6～8 天才能完成；而应用无人船测量技术后，该采区仅用了不到2 天的时间就完成了采区的测量和数据处理工作，因此，工作效率相比传统水下测量得到大幅提高。二是较为安全可靠。与传统水下地形测量技术相比，无人船测量技术无需测量人员涉水操作，降低了涉水的危险。三是解决了部分区域无法测量的问题。对于人工测量困难或难以到达的区域，可以使用无人船进行测量。四是操作简单、便捷。无人船十分轻便，船身重量仅仅10kg 左右，单人即可搬运操作，携带运输十分方便；基本全程采用自动航行测量的方式进行，操作简单。

无人船测量技术虽然具有诸多优点，但其应用范围具有一定的限制。一方面是在一些深度小于50cm 的较浅水域，由于船体吃水的问题，无人船无法进行作业，则需要人工辅助测量；另一方面是在一些水草，芦苇较多的水域，其船桨容易被缠绕，无法进行测量作业。最后是受到网桥数据传输距离仅有2km 的限制，无人船与电脑端距离不能超过2km。在大面积水域测量时，需要把电脑控制端放在有人船上，实时跟随无人船，保证数据的传输。

7 结论

本次无人船测量技术成功应用于河道采砂可行性论证工作中，顺利完成了可采区水下地形测量任务，测量数据结果能够很好地反映了水下地形情况，为采砂许可、监督、管理工作提供了有力的技术支撑。同时，该技术的应用大大提高了工作效率和测量精度，取得了良好的效果。

该技术应用实践表明，无人船水下测量技术能够适用于复杂的水上测量环境，具有高度的自动化和智能化，且无需人员涉水作业，可以很好地避免人员涉水危险，能够安全高效完成水下地形测量。相比于传统水下地形测量，无人船测量在水下地形测量技术上向前迈进了一大步，具有很高的推广应用价值■