无人船测绘系统在矿坑水域测量中的应用_刘胜震.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：基金项目：陕西测绘地理信息局科技创新项目（）资助作者简介：刘胜震（），男，山东德州人，工程师，硕士，年毕业于山东科技大学大地测量学与测量工程专业，主要从事大地测量与海洋测绘等方面的科研和生产工作。无人船测绘系统在矿坑水域测量中的应用刘胜震，陈景涛，张德成（自然资源部第一大地测量队，陕西 西安）摘要：无人船进行水下地形测量具有作业效率高、精度高、安全性高等优点，近年来在多个领域得到了较为广泛的应用。本文介绍了无人船测量系统的基本组成及水下地形测量的原理，结合实际案例，阐述了利用无人船测量系统进行高原矿坑水域测量的作业流程和方法，并对其中存在的关键问题进行了分析和探讨。关键词：无人船；矿坑水域；水深测量中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引 言矿产资源一直是经济社会发展的重要物质基础。采矿业对我国的贡献和影响是巨大的，但长期高强度并大规模对矿产资源进行开发，必然给生态环境带来破坏。保护生态环境，应对气候变化是世界各国面临的共同挑战，坚持绿色发展已逐渐成为世界各国的共识。随着国家政策的不断调控，国家已明确要把加大生态严重退化地区修复治理和加强生态保护力度作为国民经济和社会发展的重点，在生态恢复过程中要进一步强化科技支撑，加大新技术应用，根据不同矿区的客观实际积极开展土壤改良、近自然修复技术等方面的试验和研究。在采矿矿坑的生态修复过程中，矿坑内水域的深度开发与利用已经成为亟待解决的重要问题。矿坑库容的准确勘测与建模对指导矿坑水域精准治理具有十分重要的意义。但是由于露天矿坑地形复杂，剥离后矿坑地形变化大，特别是由于常年的积累，矿坑内积水较深，以及现场通信、交通、地质等不利因素给库容的实际测量带来了一定困难。无人船作为一种新型的智能平台，具有智能、高效、安全等特点，通过搭载不同传感器可分别应用于测绘、水文等多方面的工作。本文结合青海省某矿区矿坑水下地形测量项目，针对无人船搭载单波束测深系统在项目开展中出现的技术问题进行分析探讨，为后续矿坑水域工程施工和理论研究中的水下地形勘测与水下地形构建工作提供科学参考。无人船测量系统 系统组成无人船测量系统主要由船体、供电、动力、通信、控制和数据采集等模块组成，如图 所示。其中，通信模块是实现无人船和岸基控制单元通信的重要部分，无人船工作时通过实时射频点对点的通信方式，将无人船的工作状态、航行姿态及任务状态传输到岸基系统，此外，还能实时传输水深、视频和位置等信息。控制模块主要是控制无人船的运动轨迹，主要由遥控器或平板电脑和通信单元组成，技术人员可以通过软件或手动遥控器控制无人船进行测量，根据水面环境，操作方式可以在自动与手动方式间灵活切换，为了保证安全，范围一般控制在技术人员视野范围内。数据采集模块是无人船测量系统的核心，主要包括回声测深仪、接收机、姿态传感器、高清摄像头和避障模块等多个传感器，数据采集时各个传感器将采集到的数据发送到主控系统进行运算解析，最后通过通信模块将数据传输到岸基控制单元。图 无人船测量系统组成 工作原理水下地形测量主要包括平面位置测量及水深测量，前者主要利用网络 或 实时获得，后者主要由安置在无人船上的单波束测深仪完成，观测时二者时间必须严格同步。当 达到固定解以后设置输出 定位信息数据，测深仪通过串口接收到含 经纬度的位置信息，再由坐标系参数转换成当地平面坐标下、的三维坐标。此时仪器获得的三维坐标是接收机底座的位置，再通过实时测得的接收机底座至水面高度，水面至换能器底部高度，单波束测得的水深，则在无人船航行时实时位置对应的水下地形点高程 见式（）：（）单波束测深仪工作原理是由换能器向水中垂直发射具有一定空间指向性的短脉冲声波，声波到达水底，发生散射、透射和折射。反射的回波被换能器接收，同时会保存在模拟记录仪器和数字记录介质中。通过发射波和反射波之间的时间差来测量水深。计算公式如式（）：（）为保证成果精度，声波在水中传播速度 通常在测量前利用声速剖面仪采集获得。由于无人船体积小、重量轻，在作业过程中受到涌浪及风影响时，会产生横摇、纵倾和起伏，这些都会对水下地形测量的精度产生影响。其中横摇和纵倾不仅会引起水下地形点的高程误差，还会引起平面位置误差。这些影响可以利用搭载的姿态传感器进行修正，从而得到更加准确的水下地形数据。无人船测量系统工作原理如图 所示。图 无人船测量系统工作原理 实际案例应用分析 项目概况项目测区位于青海省西北部，平均海拔约 。某露天煤矿经长期采集后形成了若干个矿坑，矿坑中汇集了大量积水，需对矿坑的积水深度、容积等进行测量。项目工期要求紧，测区海拔较高，矿坑数量多、分布广，周围交通不便且通信信号较差，矿坑边缘距水面垂直落差达数十米，水面上无船舶可用，常规水下地形测量手段难以采用，在此情况下尝试使用单波束无人船测量系统进行数据采集，并对其中的关键问题进行测试与探讨。项目实施首先进行测前准备工作，包括测区踏勘、搜集资料、设备准备、作业规划等。由于测区位于高原地区，矿区地广人稀交通不便，矿坑周边道路条件较差，需要提前对各矿坑的测量范围、行车路线、设备运输方式、人员配置等进行规划，同时对矿区周边 信号情况进行踏勘，搜集已有控制点资料，选择合理的 差分作业方法。在每次船体下水前需对无人船进行设备调试，包括船体控制模块调试、测深模块调试、定位模块调试、控制软件调试等内容，确保设备状态均正常后方可开展作业。需作业的矿坑水面面积在 不等，其中有水面两端跨度最大可达 ，在每个矿坑作业前，需要根据具体矿坑水域范围设置作业参数并规划测线。需要重点设置的参数有坐标系统、天线高、测线间距、换能器吃水等。作业过程中，结合水面障碍物、边坡地形、信号遮挡等情况合理切换人工操控与自动测量模式进行采集。两款测量船均搭载高精度 差分设备，可接收地面 站或临时基站的差分信号，实现平面厘米级定位精度，通过与单波束测深仪数据集成，可实现实时 三维水深测量。同时为保证成果质量可靠，作业过程前后对水位高度进行测量，利用水位改正方法对数据成果进行检核。项目前后共完成 个矿坑的水下地形测量及数据处理工作，前后作业时间共计 。数据处理无人船测深数据处理采用配套软件进行，单波束数据处理重点工作有：）由于水深深度变化或水底底质的影响，测深数据可能会存在噪声或二次回波，产生粗差，在处理时需进行粗差探测和自动滤波，并进行逐测线人工检查。）在使用水位改正方法计算水深成果时，还需要制作潮位文件进行潮位改正，由于单矿坑测量时间较 测绘与空间地理信息 年短且矿坑内部水域基本不受潮汐影响，潮位文件可直接根据每个矿坑的固定水位高度制作；）在完成测深数据的粗差探测与滤波后，对水深数据按一定的间隔距离取样，最后将水深点成果输出。将输出的离散水深点成果导入至 工具构建水底地形三角网，利用水面高程数据构建基面三角网，将水底和基面 文件转换为栅格数据（）并裁切出相应的水面范围，最后利用 分析工具中的“栅格表面切割填充工具”，即可快速计算出当前矿坑的水体容积，同时还可通过三角网 构建水下。为了对无人船测量成果数据进行检查，使用布设的检查线数据与主测线数据比对。水运工程测量规范（）规定，主测线与检查线水深点相交处图上 范围内水深点的深度比对互差，当水深 时，限差为；当水深 时，限差为，超限的测深点比例不能超过总比对点数的。选取其中 个矿坑的检查线与主测线相交处水深值进行比对，共比对点数 点，比对点最大水深为 ，最小水深为，互差统计结果见表，超限点数为 点，超限点比例为，结果表明，无人船水深数据能够满足规范要求。表 测深互差统计表 水深比对点数超限点数超限点比例（）总计 关键问题分析探讨结合实际项目应用，使用无人船测量系统进行小型水域的水下地形测量与常规方式具有显著不同，其中需要重点关注的问题有以下几个：）作业过程中需要陆地基站对无人船进行远程控制，目前常见的控制方式有人工遥控器、数传电台或网桥、（）信号等，分别具有不同的技术特点：人工遥控具有速度可控、稳定安全的优点，但需要人员在附近目视控制，特别是当无人船航行至较远距离时，目视难以辨别其姿态，在岸边作业时可能会出现搁浅、碰撞等意外情况；数传电台或网桥方式传输距离较远，并能传输图像或视频，但易受地形遮挡、信号干扰等因素的制约；无人船集成额外的通信模块后，可实现基于（）信号进行控制传输，这种方式摆脱了地形限制，极大地扩大了传输范围，但在位置偏远的矿区无手机信号时则难以发挥作用。总之，作业时应根据测区环境特点、无人船配置等合理选择控制方式，保证作业安全。）在矿区水域作业选用无人船时，还需要考虑以下问题：在高原矿区作业时，作业的矿坑与水面往往存在几十米的落差，无人船的尺寸和重量不宜过大，较小的尺寸和重量更便于人员开展作业；矿坑中的水体虽然面积较小，但由于常年开采和积水，个别区域水深可能会达到几十米甚至上百米，这种情况下要求无人船上搭载的测深仪量程能够完全覆盖水深；在高原矿坑作业时，由于温度低、气压低，无人船的电池续航能力可能会减弱，需要特别准备额外备用电源；为达到测量速度与电池续航之间的平衡，通常作业时选择经济航速（节）能够保证较高的工作效率。）在矿坑区域作业前，应导入准确的水域范围进行航线设计，当没有合适的水域范围时，可首先手动控制无人船沿整个矿坑边缘进行一次测量，然后利用形成的轨迹文件作为水域范围，最后通过此范围规划航线进行自动测量。）在涌浪较小的湖泊等平静水域，船体姿态引起的偏差角一般小于，对 平面定位影响几乎可以忽略不计，对测深精度的影响则与深度有关。假设某一处水深为，船体姿态偏角引起的水深误差可近似表示为：（）（）式中，为水深测量误差；为姿态偏角。由公式（）可知水深误差大小与 和 成正比。由于无人船更容易受风浪影响，为保证数据质量，在水深较深的区域作业时，应选择风平浪静的天气进行。结束语与常规的载人水深测量方式相比，利用无人船测量系统进行矿坑水域测量具有灵活轻便、自动化、成本低的优势，能快速高效地完成小面积水域的测量工作，同时也降低了水上作业人员的风险。项目中通过主测线与检查线测深点互差比对，表明数据精度能够满足相关规范要求。在应用过程中，可通过选择合适的作业时间，采集声速剖面措施进一步减小船体姿态和水体声速引起的测深误差。此外，无人船还可搭载水文观测、环境监测等设备，进一步服务于矿产开发、环境保护等领域。参考文献：韩磊，任宇征现代测绘技术在矿区整治测量中的应用江苏科技信息，（）：吉绪发结合无人船与网络 技术测量露天矿坑土方量测绘通报，（）：李兵，张传才，陈永春基于智能无人船技术与 的采煤沉陷区水下地形构建方法研究中国煤炭，（）：汤慧强基于无人船的智能水下地形测量技术研究科技创新导报，（）：关雷，郑宝华，赵琳，等浅析无人船在水下地形测量中的应用 测 绘 与 空 间 地 理 信 息，（）：李勇，洪剑，朱春春无人船测深系统在浅水河道测量中的应用水运工程，（）：张晨，牟乃夏，周霞，等无人智能技术在水库地形测量与库容计算中的应用测绘通报，（）：中华人民共和国交通运输部水运工程测量规范：北京：人民交通出版社，编辑：任亚茹第 期刘胜震等：无人船测绘系统在矿坑水域测量中的应用