在自然资源管理和水利工程建设中,水库库容的准确测量至关重要。随着科学技术的慢慢的提升,我们有了更高效、精确的测量手段——无人机与无人船联合测量技术。这项技术如同给水库进行“CT”扫描,能够深入探查水库的水下地形,为库容计算提供更精准的数据。

　　要实现精确的水库库容计算,精确的库区地形数据和准确的库容计算方式缺一不可。针对前者,水上水下一体无人化测量方案大有可为,仿若水库“CT”。欲知详情,这篇案例带您一探究竟!

　　四堡水库位于鹤山市沙坪河龙口支流上游,集雨面积27.3平方公里,总库容3333万立方米,是鹤山市最大的水库,同时也是鹤山市的后备水源。

　　作为自然水库,该水库分支较多,汛期时,上游山区极易出现突发强降雨。两相综合,导致利用传统水库测量手段的工作难度较大。为此,本次项目采用无人机搭载激光雷达配合无人船搭载多波束分别进行岸边和水下地形测量,以期实现降本增效。

　　华微6号是一款大空间、多搭载、超轻便的全碳身自动无人船平台,标准搭载多波束测深系统,集成搭载三维激光扫描仪,可完成水上水下一体化三维点云数据采集。嵌入式搭载,使之最大限度保护换能器阵的同时还保持吃水浅的优势。拥有绝对直线技术,能确保按照计划航线直线行驶,减小风浪影响,保障多波束扫测时的条带覆盖率。

　　HN-400多波束是由华测导航推出的新一代集成化、轻便化、高精度多波束系统。该系统高度集成了声呐、位置姿态及航向功能,并能外接激光雷达;简单易操作,安装便捷,无需安装校准;采用一体化包装,小巧轻便,单运输箱即可作业;配套全中文软件,致力于为用户带来更极致的测量体验。

　　① 时间同步:甲板单元预留AUX水上水下一体化接口,水上水下数据无缝衔接。

　　AU20是华测导航自主研发的新一代长距高精度激光雷达测量系统,具有强穿透、高精度、多平台、高效率、超高的性价比等特点。AU20场景适用性很强、稳定性高,可大范围的应用于实景三维、地形测绘、水利勘察、交通勘察、电力巡检、矿山测量、自然资源调查、应急测绘等领域。

　　BB4四旋翼无人机是一款高端无人机系统设备,该无人机系统具有科学美观的结构设计,高度集成化的生产的基本工艺以及全自动化的飞控系统。

　　水下地形测量的主要任务是确定水下某一点的坐标,即该点的平面坐标 (X,Y) 和泥面标高H。传统单波束测深利用RTK就能确定接收机精确坐标(x,y,h),天线;水下坐标则利用测深仪间接求出,测深仪换能器离水面的深度为h2,测深仪通过换能器发射和接收到波束回波的时间间隔t与声波在水体中的传播平均速度V,可计算出测量水深h3=l/2tv,则实际水深 D=h2+h3,可计算出测点的泥面标高为:H=h-h1-D。

　　测深系统的工作原理是利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波,利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收,通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印,对这些脚印进行恰当的处理,一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值,从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化,比较可靠地描绘出海底地形的三维特征。

　　其中声速v与水中温度和盐度有关,可使用声速剖面仪测量;无人测量船动吃水和静吃水差值极小,可忽略不计,吃水视为固定值0.1m,天线在无人船上的安装偏差固定,根据公式可实现无验潮水下地形测量。

　　水下地形测量按断面法施测,主测线方向垂直等深线的总方向布设,主测线cm,测点间距为图上 0.4cm,水下基本等高距为0.5m。

　　稳定性测试:对所有即将投入到正常的使用中的测深仪及无人船进行稳定性测试,按固定时间间隔采集水深数据,连续测量时间超过8小时,然后统计水深值离散情况,计算误差。

　　静态吃水测定:无人船内置单波束测深系统,换能器入水深度固定10cm,软件进行调试之后即可入水进行数据比对,数据比对确保无误即可开始测量任务。

　　定位参数:为了能够更好的保证定位精度,减小多路径效应的不利影响,采用GNSS-RTK测量时,GNSS定位所用卫星的高度角设置为大于10°,观测卫星数≥4,记录限制设置 为“RTK固定解” 模式,即当内置GNSS接收机初始化成功(固定)后才能记录有效位置。

　　吃水:换能器吃水深度的量取要从水线至换能器的底部,量取值就是吃水深度值,也就是要设定的换能器吃水值。

　　声速:在不同的季节和不同的水域(包括不同的水温) 声速都会有差别 , 淡水和海水的声速也有差别,所以测量前后都校对或检查测深仪。校对测深仪的主要方法采 用检查板的方法来校对。从不同深度的校对中找出误差值后进行声速调整,把误差消除到最小。

　　开始测量前,与定位设备校对时间,启动测量软件,打开导航文件并设置好定位参数和记录参数,进入测量状态,为测船导航,引导测船进入需要测量的断面位置,按图上0.4cm测点间距进行测点定位和测深。

　　检测线的测量方法及测量精度与主测线相同。检测线的定位点间距能够准确的通过测量比例加密至在规定范围内与主测线mm范围)。要求每一条检查线与主测线的交叉点都作比较,对无法比较的离散测点,根据绘制的水下等高线进行图解。

　　由于在测量过程中,计算机按规定的测点间距进行测点定位和测深,所以水下地形特征点(最深点、最浅点)有可能漏测,内业整理时,根据测深仪测深记录上的模拟记录信号 , 在原始每秒数据中提取特征点三维坐标及水深。

　　② 船只在线测量时,航向变化不大于5°/min;遇到特殊情况停船,转向或变速时,及时定位。

　　⑤ 测量过程中测船前后左右摆动不宜过大,当风浪引起测深仪记录上回声线波形起伏值较大时、波浪超过 0.6m时暂停测深作业。

　　水库库容的计算可选取断面法、等高线容积法、方格网法、三角网格法等常规库容计算方式计算,计算取得结果后,应采用其他方法对同组数据来进行校核计算,确保计算结果的准确性。

　　结合以往成功案例经验,推荐选择等高线容积法和DEM方格网法进行库容曲线的计算与复核。

　　采用业务主管部门配发或经评审认可的数据处理软件。各阶段的数据处理与检查,由作业员完成,确保数据成果的准确无误。

　　①定位数据处理的工程:位置偏心改正。当定位中心与测深中心两者水平位 置不重合时,需根据测定的偏心距进行测点位置归算。

　　②粗差数据剔除与修正:对时间出现异常的测点进行时间修正,对位置出现异常的测点,视情况修正或剔除。

　　③水深数据检查校对:结合测深仪记录或测深仪电子图像数据,对所有测线记录水深数据来进行校对,剔除或修正水深粗差点,并对波浪部分进行平滑处理。

　　⑥RTK模式的水深数据处理:该作业模式的数据处理将传统的换能器吃水、潮汐、涌浪等动态效应的影响做综合改正。

　　⑦三维数据文件编制:由于施测中设定测点间距为固定值,有可能存在水深特征点(最深点或最浅点)漏测,而测深仪存有记录,在处理时能够准确的通过测深纸中的记录按比例内插,最后编制成水下地形三维数据文件。

　　⑧合理性检查:由作业人员对计算机采集的数据记录进行卫星数、卫星质量、测深数据等要素进行校核,无误后方可参与测点高程计算,并结合该水域的水下地形趋势,校核测量成果数据的合理性。

　　库容计算采用雷达+多波束的融合数据,利用华测CoProcess软件计算,采用投影体积法。

　　经过精确的测量和计算,我们得到了四堡水库的准确库容数据,为水库的管理和调度提供了有力支持。无人机与无人船联合测量技术的应用,不仅提高了测量效率,还降低了测量成本。

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