无人船在水下地形测量中的应用与探讨

摘要：随着无人船技术的发展，无人船在水下地形测量中的应用也越来越广泛。本文将介绍无人船在水下地形测量中的应用情况，包括无人船在测量过程中的定位与跟踪、测深数据采集、数据处理和分析等；无人船的工作方式具有灵活性强、工作效率高、作业成本低、对作业人员要求低等特点，期望有助于推广运用无人船进行水下地形测量，以及保障水下地形测量作业人员安全，并为无人船在水下地形测量方面的进一步研究提供参考。

关键词：无人船；水下地形测量；应用 1 引言

无人船是一种无人驾驶的水上航行器，具有自主航行、自主避障、自主导航、自带能源的动力系统，主要用于海洋测绘、海底地形测量、海洋测绘和水下工程等领域。基于无人船在水上水下地形测量中的应用，在水上进行水下地形测量时，需要解决无人船在定位、跟踪和测深数据采集方面的技术问题。与此同时，还需要解决水下地形测量作业人员安全问题，由于水下地形测量作业人员直接接触到水下地形数据，同时，在水下地形测量过程中需要潜水作业，对水下地形测量作业人员的安全具有很大的影响。

2 无人船

2.1 无人船的系统原理

无人船是一种可自主航行的设备，通过控制系统与船的船体、传感器、推进器、控制系统等设备进行信息交互，实现自主航行，无需人类干预，可完成常规船舶无法完成的工作。其作业流程包括：传感器信息采集（包括船体运动信息、水深测量信息、声学信息）→数据处理（包括水深数据分析处理和船-岸坐标转换）→决策输出（包括是否需要作业任务目标等）→控制系统执行指令。在水下地形测量过程中，无人船系统工作原理为：采用惯性导航系统（INS）或卫星导

航系统（GPS）对无人船进行定位，同时通过惯性导航系统完成船体姿态的精确控制。惯性导航系统是以加速度计、陀螺仪等惯性元件为主要部件的导航系统，是无人船导航系统的核心，主要由导航计算机、传感器和电源三部分组成，根据陀螺仪所测得的角速度，经加速度计测出加速度值，经电子罗盘计算出姿态角，从而实现姿态的精确控制。

2.2 无人船的应用特点

无人船能在水下测量工作中，克服传统船舶在某些情况下的不足，从而成为一种新型的水下测量工具，其应用优点如下：

（1）无人船具有低成本、易维护、安全等特点，大大减少了人员投入； （2）无人船在作业时可完全自主，无须人工驾驶，极大地提高了工作效率； （3）无人船具有可移动性，可在工作地点就近进行测量工作；

（4）无人船作业范围大、效率高、成本低、精度高，能满足多种需求； （5）无人船具有安全可靠的特点，船上装有多种传感器和定位系统，可实时跟踪测量目标，并进行导航和控制；同时配备有雷达和声呐系统，可在复杂的环境下完成水下地形测量工作。

3 无人船在水下地形测量中的应用 3.1 水下目标定位跟踪

水下目标定位跟踪是水下地形测量中的一项重要任务，需要对水下目标进行定位，进而确定目标的三维坐标。传统的作业方式是在船与作业区域之间架设一根浮标，再通过数据链将浮标与船上的GPS接收机进行连接，利用GPS提供的信息对测量目标进行定位。这种方式需要投入大量的人力和物力，成本较高。而且对于一些较为特殊或危险的作业，这种方式不能进行测量。无人船可以在水面上进行作业，通过数据链将GPS信号与无人船内部数据进行连接，进而对目标位置进行跟踪和测量，是一种较为先进的水下目标定位跟踪方式。无人船可以在水面上行驶，当GPS接收机接收到目标的GPS信息后，无人船内部的GPS接收机会将

目标位置信息通过数据链传送给无人船，能够根据数据链传输的信息对目标进行三维坐标确定。

3.2 水下地形测量

无人船测量设备在进行水下地形测量时，通过测深仪和多频多波束测深仪两种仪器之间的相互配合，能够获取水下地形的平面坐标、高程和深度信息。无人船测量设备主要由控制系统、传感器和电源系统组成，通过使用多频多波束测深仪和多点定位系统获取水下地形信息。无人船在进行水下地形测量时，通过安装在无人船尾部的超声波测深仪、声纳等设备对水下地形进行定位测量。超声波测深仪、声纳等设备在进行定位测量时，通过发射信号的方式来获取目标物体的三维坐标和位置信息，然后根据定位测量得到的数据来构建水下地形模型。将无人船与测深仪、多波束测深仪等设备相结合，通过测量设备对水下地形进行扫描，通过软件将扫描图像中的目标物体的三维坐标和位置信息显示出来，然后再根据软件给出的坐标信息，利用多波束测深仪来获取水下地形数据。

3.3 处理水下地形测量数据和绘图

无人船数据处理软件可根据RTK的数据进行绘制，可将RTK坐标、高程、坡度图和等深线图等进行叠加，并能进行一定程度的编辑，如修改水深值、坡度值等。

（1）打开无人船数据处理软件，设置好目标位置，在自动测量中会自动根据测深仪测得的数据进行测深仪的设置，如设置测深精度为1cm，则测深仪的自动测深仪参数为1cm+1cm=2cm；

（2）在自动测量中设置目标位置坐标，可设置为当地的经纬度和海拔高度值；

（3）点击开始测量按钮，然后将目标位置坐标拖至测量界面； （4）在目标位置进行测深，过程中可以通过设定坡度值等进行调整。 （5）根据测得的数据绘制地形，并进行改正；

（6）可以根据测量得到的数据进行处理，将高程、坡度图和等深线图进行叠加，并可以对其进行编辑，如修改水深值、坡度值等，但需要注意的是要保证测量成果的精度。

3.4 布置检查线和检查精准度

由于无人船的使用，在进行水下地形测量的过程中，能够随时对测线进行检查，这种方式能够有效提升测量的精确性。在进行水下地形测量的过程中，通常需要在测区内布置检查线，根据检查线来检查整个测区是否存在异常情况，如果检查线出现问题，就需要及时对其进行调整。在此过程中，需要对检查线进行合理布置，并且能够保证检查线在测区内的连续性和完整性，同时需要保证检查线与测区位置一致。将无人船搭载于测区附近的水面之上，根据水下地形测量的结果来布置检查线，使得整个测区的检查线能够与海底地形保持一致。对于检查线的布置来说，需要根据实际情况来进行，并且要保证检查线布置的合理性和科学性。如果检查线在布置的过程中存在问题，需要及时对其进行调整，从而能够有效提升检查线的精准度和工作效率。

4 结束语

总而言之，无人船在水下地形测量中具有灵活机动、工作效率高、作业成本低、对作业人员要求低等特点，并可以满足水下地形测量中对“人”的要求。无人船的工作方式具有灵活性强、工作效率高、作业成本低、对作业人员要求低等特点，所以，在水下地形测量中要将无人船的应用优势发挥出来，使其能够更好地服务于水下地形测量工作。因此人们需要在了解无人船的特点及优势的基础上，研究无人船在水下地形测量中的应用，并以此为基础，从提高测量精度、保障作业人员安全以及提高作业效率等方面进行探讨，期望通过以上这些探讨能够更好地促进无人船在水下地形测量中的应用。

参考文献

[1]赵美玲,郑亚运,曹慧.智能无人船在水下地形测量中的应用[J].科技创新与应用,2022,12(18):193-196.

[2]李冠军.无人船在水下地形测量中的应用与数据处理探讨[J].吉林水利,2022,(06):23-26.