单波束无人测量船在水库水下地形测量中的应用

单波束无人测量船在水库水下地形测量中的应用

杨志

中国水利水电第七工程局有限公司  四川成都  611730

摘要：本文探讨了单波束无人测量船在水库水下地形测量中的应用。单波束无人测量船因其船体小，携带方便，灵活性强，安全性高，配备高精度单波束测深传感器及采用全球定位系统实时动态测量技术，极大的缩短了作业周期，突破传统水下地形测量的局限，有效的提升了水库水下地形测量的工作能力，为水库管理提供了有力的技术支持。文章重点分析了单波束无人测量船在水库地形数据采集、淤积监测、库容评估以及长期监测中的应用优势。研究表明，单波束无人测量船的应用不仅提高了测量效率，还减少了传统水下人工测量作业产生的测量误差，确保了水下地形数据的连续性和准确性，对水利工程的维护和水库运行管理具有重要意义。

关键词：单波束测深；无人测量船；水下地形测量；淤积监测；库容评估；长期监测

引言

水库水下地形测量是确保水利工程安全运行的基础。随着时间的推移，泥沙沉积和库容变化不断影响水库的运行状况，增加了水库运行管理的难度。近年来，随着无人测量船技术的进步，水下地形测量得到了全新的解决方案。通过集成高精度测深仪和自动导航系统，单波束无人测量船实现了自动化的测量作业，即使在复杂水文条件下，依然能够高效采集准确的水下地形数据。本文旨在讨论该技术在水库地形数据采集、淤积监测、库容评估以及长期监测等领域的应用，探讨其为水库管理提供的技术支撑[1]。

1 单波束测深技术原理

单波束测深技术利用声波传播的原理，测深过程中换能器垂直向下发射短脉冲声波，当发射的脉冲声波遇到河流底部发生反射，反射回波返回声呐并被换能器接收，其水深值由声波在换能器与河流底部之间的双程传播时间和水体介质的平均声速确定。设水体介质的平均声速为C, 换能器与河流底部之间的双程传播时间为t，换能器的吃水深度为D，则水深H为：

2 无人测量船的技术优势

单波束无人测量船是将先进的智能导航水面机器人技术与单波束水深测量技术相结合，以无人船为载体，集成GNSS接收机和单波束测深仪设备，利用导航、通讯和自动控制软件，在岸基实时接收、处理和分析无人测量船系统采集的数据，并通过无人船自控和人工遥控的方式对无人船和传感器进行操作及控制。单波束无人测量船在灵活性、安全性、高效率以及数据精度等多个方面表现出了显著的优势。以下是对其三个主要优势的详细分析。

2.1 自动化与自主导航

无人测量船配备了GNSS接收机和惯性导航系统，能够自主执行导航和测量任务。通过预先设定的航线，船只可以自主完成复杂环境下的水下测量工作，避开障碍物并精确收集数据。高度自动化的操作不仅减少了人为误差，还显著提高了测量结果的稳定性和一致性，这使得其在水库等复杂环境中表现尤为突出[2]。

2.2 高精度传感器集成

无人测量船集成了先进的单波束测深仪和高精度GNSS接收机。它不仅能够快速获取水深数据，还能与船只的空间位置信息进行精确匹配，生成高分辨率的水下地形模型。这种集成式的设计确保了测量结果的精准性，特别适用于需要长期监测的水库环境。高精度传感器的使用使得测量数据更加准确，能够更好地为水库管理提供科学的决策依据。

2.3 高效与安全

无人测量船不断更换船体动力电池便具备连续作业的能力，大幅提高了测量效率。无需人员随船作业，减少了人力成本，避免测量人员水上作业安全风险，显著提升了作业的安全性，特别适用于大规模水库的测量任务。

3 水库水下地形测量的技术难点

水库水下地形测量在水利工程、生态保护和防洪管理中发挥着关键作用。然而，水库特殊的环境特征为水下地形测量工作带来了不少技术难题。以下将对这些主要难点进行分析。

3.1 地形复杂性与泥沙淤积

水库的水下地形往往非常复杂，尤其是长期运行的水库中泥沙淤积问题较为严重。这种淤积不仅会减少有效库容，还会因水流变化而改变淤积的分布，增加测量的难度。随着泥沙的沉积，水库的地形呈现出不断变化的特性，测量设备必须具备应对这些变化的能力。此外，泥沙较为集中的区域对测量精度的要求也更高，因此，测量工具需要具备极高的灵敏度和精确度[3]。

3.2 水位变化与动态环境的影响

水库水位常因季节性变化而波动较大，尤其在雨季或枯水期，这些波动直接影响到测量工作的准确性与一致性。为确保测量数据可靠，设备需要能够适应不同水位条件并稳定工作。除此之外，水库内的水流变化、漩涡等水文因素也可能对测量精度产生影响，特别是在大面积水体环境中，传统测量手段往往难以提供稳定、精确的地形数据。

3.3 测量范围的广泛性与工作效率的挑战

大型水库的水下地形测量范围通常非常广泛，测量设备既要保证数据精确，也需要具备快速、高效的作业能力。对于这种大规模测量任务，如果依赖传统的人工操作船只进行测量，不仅耗时长，工作量大，测量精度低，还存在水上安全作业风险。因此，高效测量设备的应用显得尤为重要。

4 单波束无人测量船在水库测量中的应用

单波束无人测量船的应用为水库水下地形测量带来了新的技术突破。这种高效、自动化的测量工具，不仅提高了作业效率，还有效减少了传统测量过程中可能出现的误差和人员水上作业风险。它的应用场景广泛，覆盖多个领域，具体如下。

4.1 高效的水下地形数据采集

在水库管理中，了解水下地形的变化对库容评估和水库安全运行极为重要。传统测量方式往往需要较长的时间和反复的操作，以确保覆盖范围和数据精度。而单波束无人测量船通过预设航线，实现自动化、高效的数据采集，避免了人工操作的误差。船上配备的单波束测深仪能够连续记录水深信息，GNSS接收机实时同步采集坐标信息，用配套的数据后处理软件迅速生成高精度的水下地形模型。特别是在大型或地形复杂的水库中，无人测量船的高效性更加突出。自动化操作无需人员干预，连续作业能力使得大面积的水库测量变得更加高效，极大地缩短了数据采集所需的时间，为管理者提供了及时、精确的地形数据，从而为后续的分析和决策奠定了坚实基础[4]。

4.2 淤积监测与库容评估

水库的泥沙淤积是影响库容和水库安全运行的关键因素，随着时间推移，泥沙的沉积会逐渐减少有效库容，甚至威胁水库的安全。通过定期的水库水下地形测量，管理者能够有效评估淤积状况。单波束无人测量船的高精度测深功能能够清晰反映底部的泥沙沉积，为淤积监测提供可靠数据支持。通过定期的测量和对历史数据的分析，水库管理者能够更加全面地了解泥沙淤积的速度和分布。这种监测不仅帮助管理者掌握库区的沉积动态，还为合理制定疏浚计划提供了数据支持。此外，库容的准确评估是水库管理中不可或缺的一部分。单波束无人测量船凭借其高精度的测量能力，通过数据处理软件能够生成详细的水下地形图。这些数据不仅可以帮助精确计算水库的实际库容，还为水库的日常调度和规划提供了科学依据。

4.3 水利工程的规划与维护

在水利工程规划和维护的过程中，准确的水下地形数据至关重要。单波束无人测量船凭借其卓越的分辨率，为水利工程的规划提供了关键的数据支持。在新建或改建水库时，精确的地形测量不仅能帮助工程师进行详细的设计，还能减少施工过程中的风险。此外，在水利设施的维护中，无人测量船也扮演着重要角色。通过定期测量，管理者可以掌握水库周边的水下地形变化，及时发现潜在的隐患。特别是在灾害或极端天气条件下，迅速获取的地形数据为应急响应提供了宝贵的决策依据，提升了水库的安全管理水平。

4.4 长期监测与数据积累

单波束无人测量船不仅适用于单次的水库测量任务，也为水库的长期监测提供了便捷手段。在传统测量中，频繁测量往往因为人力和成本问题难以实现，而无人测量船的自动化优势使其可以定期甚至持续地进行水库地形测量，逐步积累详实的数据。通过对不同时间段的测量结果进行对比分析，管理者可以深入了解水库库容变化、泥沙沉积速度以及水下地形的演变过程。这种长时间的动态监测，为水库的日常管理、水利工程的维护提供了坚实的数据基础。此外，积累的历史数据还为环境影响评估、防灾减灾等提供了重要参考[5]。

结论

本文分析了单波束无人测量船在水库水下地形测量中的应用，展现了其在水库管理中的诸多优势。无人测量船凭借自动化作业、高精度数据采集能力及其对复杂水文条件的适应性，显著提升了工作效率与测量精度。同时，它在长期监测与数据积累方面的表现，也为水库的库容评估、淤积监测以及水利工程维护提供了可靠的数据支持。

参考文献

[1]贾治平.无人船测深系统在水下地形测量中的应用[J].经纬天地,2021,(04):20-23.

[2]商建伟.基于GNSS的单波束测深系统在大中型水库水下地形测量中的应用[J].山东国土资源,2022,38(01):65-69.

[3]肖杰.智能无人船单波束测深系统在水下地形测量中的应用[J].测绘工程,2023,32(01):63-70.

[4]许成义,孙栋,张金营,陈建忠,孙如瑶,沈孝永.基于无人船测量系统的水下地形测量研究与应用[J].山东国土资源,2023,39(02):50-55.

[5]马传宁,王明亮,关辅兴,王晓波,林晓晨,司朝瑞.基于HLJCORS的单波束测深系统在水下地形测量中的应用[J].测绘与空间地理信息,2024,47(S1):9-11+14.