无人船在水利水电工程水下地形测量中的运用

摘要：无人船凭借其搭载的高精度测量设备在水利水电工程水下地形测量中发挥了重要作用，借助这些设备无人船能够按照预设航线自动航行并对水域进行全面扫描，获取大量详细的水下地形数据。利用专业软件对这些数据进行处理和分析可以构建精准的水下三维地形模型，实现对水下地形的高精度测绘以及水库库容的准确计算，定期测量获取不同时期的地形数据并进行对比能够有效监测河床演变以及水库淤积情况，为水利水电工程的规划设计以及运行管理提供科学依据，保障工程的安全稳定运行以及水资源的合理调配和利用。

关键词：无人船；水利水电工程；水下地形测量；无人机正射影像采集

无人船作为一种先进的测量平台，搭载了多种先进的测量设备，能够在不同的水域环境中高效准确地完成水下地形测量任务。

一、无人机正射影像采集在水利水电工程中的应用

（一）无人机正射影像采集技术原理

无人机正射影像采集技术主要是利用无人机搭载专业摄影设备，按照预先设定的航线以及参数进行飞行拍摄，在飞行过程中摄影设备会对地面进行多角度且高分辨率的影像捕捉。之后借助专业的图像处理软件对采集到的大量影像数据开展处理工作，以此消除因地形起伏以及相机倾斜等因素致使的影像变形，最终生成正射影像图。这种正射影像图具备比例尺一致和几何精度高等特点，能够准确反映地面物体的真实形状以及位置和尺寸。

（二）无人机正射影像在水利水电工程中的应用场景

1.水域范围界定与面积计算

就水域范围界定与面积计算而言，传统的水域测量方法常常受到地形以及交通等因素的限制导致测量精度和效率较低，而无人机正射影像采集能够快速获取大面积水域的影像数据，经过对正射影像图的分析处理能够清晰地识别出水域的边界，运用图像处理软件中的测量工具就可以准确计算出水域的面积。

2.水库、河道岸线监测

水库和河道的岸线会因水位变化以及水流冲刷等自然因素以及人类活动的影响而发生改变，利用无人机定期进行正射影像采集能够及时获取岸线的动态变化信息，对比不同时期的正射影像图能够直观地发现岸线的侵蚀淤积或坍塌等情况，水利部门依据这些监测结果能够及时采取相应的防护和治理措施，保障水库和河道的安全运行。

3.洪水灾害预警与评估

无人机正射影像采集能够在洪水来临前对河道以及水库等水利设施以及周边地形地貌进行正射影像采集和分析，提前评估洪水可能淹没的范围和程度为制定科学的防洪预案提供依据。在洪水发生过程中无人机能够快速进入受灾区域进行影像采集，实时获取洪水的淹没范围水位变化等信息为指挥救援和抢险救灾提供准确的数据支持。洪水过后对比灾前和灾后的正射影像图可以全面评估洪水造成的损失，为灾后重建和恢复提供详细的基础资料。

二、激光点云采集技术在水利水电工程中的应用

（一）激光点云采集技术原理

激光点云采集主要基于激光雷达技术，工作之时激光发射器朝着目标物体发射激光脉冲，当激光脉冲碰到物体表面后会产生反射，部分反射光被接收器接收，定时器精准记录激光脉冲从发射到接收的时间间隔，依据光速和时间间隔就能算出激光雷达与目标物体之间的距离[1]。结合激光雷达的扫描角度信息以及设备自身的位置和姿态数据，经过一系列的数学计算和处理便可确定目标物体表面每个点的三维坐标，大量这样的三维坐标点汇聚在一起就形成了激光点云。

（二）激光点云采集在水利水电工程中的应用场景

1.地形地貌高精度测绘

传统的地形测绘方法虽说能够获取一定精度的地形数据，但在面对大面积或复杂地形时效率较低且难以全面精准地反映地形细节，而激光点云采集技术具备快速高效以及高精度的特性，借助搭载激光雷达的无人机或地面移动平台能够快速对大面积的地形进行扫描，获取高密度的激光点云数据。这些点云数据能够精确呈现地形的起伏沟壑以及山谷等微小特征，为水利水电工程的规划设计提供极为详细且准确的地形信息。

2.水库大坝等结构物三维重建

传统的结构物检测方法主要依靠人工巡查和有限的监测点，难以全面直观地把握结构物的整体状况，激光点云采集技术可以对水库大坝等结构物展开全方位的扫描，获取其表面的详细点云数据。运用专业的三维建模软件对这些点云数据进行处理和分析能够重建出结构物的精确三维模型，对三维模型的观察和分析可以清晰地发现结构物表面的裂缝以及变形等病害情况。

3.水域环境变化监测与分析

水域环境变化会受到自然因素和人类活动的共同影响，激光点云采集技术可以对水域进行定期或者实时的监测，扫描水面与周边地形的点云数据对比不同时期的数据能够准确计算出水位的变化情况[2]。水下地形测量方面，尽管激光在水中传播会受到一定的衰减，但是通过特殊的水下激光雷达技术依然可以获取水下地形的点云数据，了解水下地形的起伏和变化，结合其他监测手段还能够分析水域环境变化对水质的影响。

三、无人船水下测量在水利水电工程中的应用

（一）无人船水下测量技术原理

无人船水下测量主要依赖搭载在无人船上的多种测量设备协同运作，通常会配备回声测深仪，该仪器向水下发射声波，声波遇到水底后反射回来依据声波传播的时间和速度便能精确算出从无人船到水底的距离。为确定无人船自身位置会安装高精度的定位系统，这些定位系统能够实时且准确地获取无人船在水面上的经纬度和高程信息[3]。无人船还会搭载姿态传感器用于测量无人船的横摇、纵摇和艏向等姿态数据，以此修正由于船体姿态变化对测量结果产生的影响。

（二）无人船水下测量在水利水电工程中的应用场景

1.水下地形测绘与河床演变分析

传统的水下地形测绘工作面临着诸多挑战，过去采用的人工测量方式不仅会耗费大量的人力物力以及时间，而且在一些水流湍急以及环境复杂的水域测量人员的安全难以得到保障，测量精度也受限于测量工具和方法，难以满足现代水利水电工程对高精度地形数据的需求。无人船搭载了先进的测量设备，无人船可以依照预先设定的航线自动航行对水域进行全面且细致的扫描测量，快速准确地收集大量不同位置的水深数据并结合定位信息，借助专业的软件绘制出高精度的水下地形图[4]。

河床会因为水流冲刷和泥沙淤积等自然因素以及人类活动的影响而发生演变，利用无人船定期对同一水域进行水下测量获取不同时期的水下地形图，将这些多期地形图进行对比分析就能清晰地观察到河床的演变情况，准确判断出河床哪些区域发生了冲刷，哪些区域出现了淤积以及冲刷和淤积的程度和范围。

2.水库库容计算与淤积监测

传统的水库库容计算方法多依赖于有限的测量点以及经验公式，不仅使得测量过程繁琐且效率低下而且由于测量点分布稀疏，难以准确反映水库水下地形的真实情况，导致计算结果误差较大。无人船搭载着高精度的测量设备在水库中依照预设航线自动航行，对整个水库水域展开全面扫描，其中回声测深仪可精确测量不同位置的水深再结合定位系统提供的准确位置信息，就能获取大量详细的水下地形数据，运用专业的软件对这些数据进行处理和分析构建出精准的水库水下三维地形模型，基于该模型便可以运用先进的算法准确计算出水库的库容[5]。

水库在长期运行过程中不可避免地会出现泥沙淤积现象，泥沙淤积会致使水库的有效库容逐渐减小，影响水库的蓄水防洪以及发电等功能，传统的淤积监测方法主要是依靠定期采集少量的泥沙样本进行分析，这种方法只能获取局部的淤积信息，无法全面动态地掌握水库整体的淤积状况。无人船水下测量利用无人船定期对水库进行水下测量获取不同时期的水下地形数据，将不同时期的地形数据进行对比分析就能清晰地了解水库各个区域的淤积情况，依据这些监测结果水利部门可以及时采取相应的措施[6]。

3.水下障碍物探测与清理

在水利水电工程建设和运行过程中水下可能存在各类障碍物，这些障碍物会对水利设施的安全和正常运行构成威胁的同时也会影响航运安全，无人船可以利用搭载的声呐等设备对水下进行扫描探测，快速且准确地发现水下障碍物的位置和形状等信息。在确定障碍物的具体情况后相关部门就能够制定合理的清理方案，利用专业设备开展障碍物清理工作，利用无人船水下测量进行障碍物探测与清理能够有效降低人工探测的风险和成本。

结论：

综上所述，无人船通过搭载的高精度测量设备以及先进的航行和数据处理能力，能够高效准确地获取水下地形数据，实现水下地形的高精度测绘、水库库容的准确计算以及河床演变和水库淤积的有效监测。

参考文献：

[1]李劲松,专祥涛,何志强.基于模型预测控制的水面无人船轨迹跟踪策略研究[J/OL].武汉大学学报(工学版),1-12[2025-02-25].

[2]涂江林,王军平,王赟锋,等.无人船多波束测深技术在水下碍航物探测中的应用[J/OL].水利水电快报,1-12[2025-02-25].

[3]刘超,叶华生,沈跃,等.基于时延估计与终端滑模的无人船跟踪控制[J/OL].电子测量技术,1-9[2025-02-25].

[4]江坤颐,孙世平,蒋丙栋,等.基于导航雷达回波视频数据的占据栅格地图构建方法[J/OL].中国舰船研究,1-11[2025-02-25].

[5]肖旺.无人机和无人船在水库地形测量中的应用探析[J].黑龙江水利科技,2024,52(12):123-126.

[6]陈鹏,刘存信,张世见.无人船在水利建设工程水下地形测量中的运用[J].大众标准化,2023,(17):57-59.