水上水下一體化測量設(shè)備應(yīng)用分析

張則飛 蔣嬋娟

(1.浙江興海科技有限公司，浙江 杭州 310007； 2.浙江省海洋技術(shù)中心，浙江 杭州 310007)

水上水下一體化測量設(shè)備應(yīng)用分析

張則飛1蔣嬋娟2

(1.浙江興?？萍加邢薰?，浙江 杭州 310007； 2.浙江省海洋技術(shù)中心，浙江 杭州 310007)

為豐富海岸帶測量方式，提升海岸數(shù)據(jù)獲取效率與質(zhì)量,解決海岸帶測量同步性差、數(shù)據(jù)精度不高、信息采集困難等問題，通過分析當(dāng)前主流測量方式，對比其優(yōu)缺點，推出水上水下一體化測量設(shè)備，并以典型應(yīng)用為實例，簡述了設(shè)備組裝、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、三維建模等過程的應(yīng)用策略，論證了其效果和精度，對海岸帶測量具有重要意義。

水上水下,一體化，海岸帶，測量

0 引言

我國提出建設(shè)海洋強國的夢想，隨著“一帶一路”發(fā)展理念的提出，海洋在經(jīng)濟建設(shè)中的地位顯著提升。隨著《海洋環(huán)境保護法》《海域使用管理法》和《海島保護法》等一系列法律法規(guī)的貫徹實施，海洋綜合管理科學(xué)化、精細化、規(guī)范化、信息化、透明化的要求越來越高。因此，全面掌握海岸帶基本情況，分析其現(xiàn)狀及變化趨勢，有利于進一步加強科學(xué)決策，提高海洋綜合管控能力。

海岸帶是指海洋和陸地相互作用的地帶，即由海洋向陸地的過渡地帶，包括受海水潮汐漲落影響的潮間帶及其兩側(cè)一定范圍的陸地和淺海。海岸帶處于海洋和陸地的交界地帶，在實現(xiàn)海岸與海洋資源可持續(xù)開發(fā)和利用中扮演著重要作用。近年來，海洋開發(fā)活動日益增多，圍海、填海、港口等人類開發(fā)活動，造成海岸帶變化頻繁，準(zhǔn)確、快速監(jiān)測海岸帶的范圍及動態(tài)，對加強海岸帶綜合管理，實現(xiàn)海岸帶可持續(xù)開發(fā)，具有非常重要的意義。傳統(tǒng)意義上的海岸帶測量主要分為水上和水下地形測量兩個方面，水上地形測量主要依托遙感測量的方式進行，借助GPS，RTK，進行岸線測量、堤岸測量等，水下地形測量主要依靠水深測量方式完成，利用單波束水深測量、多波束水深測量等儀器完成，這種水上、水下分開的測量方式帶來了很多問題，如基準(zhǔn)不統(tǒng)一、效率不高、儀器操作復(fù)雜等[1]。因此，研發(fā)水上水下一體化測量系統(tǒng)，對提高測量效率、統(tǒng)一測量基準(zhǔn)、提高測量精度有重要意義。本文對海岸帶測量應(yīng)用方法進行分析比較，推出水上水下一體化測量設(shè)備。

1 海岸帶測量現(xiàn)狀

目前，海岸帶測量主要有基于遙感影像分析、低空攝影測量、機載激光雷達、水上水下一體化設(shè)備監(jiān)測等。其中各種監(jiān)測方式具有各自的優(yōu)劣勢，具體分析如下。

1.1 基于遙感影像的海岸帶測量

優(yōu)點：遙感是一種不直接接觸物體，卻能獲取物體數(shù)據(jù)的一種手段，具有強大的數(shù)據(jù)獲取、分析、處理能力，由于其觀測范圍大，可以在短時間內(nèi)對同一地區(qū)進行探測，實現(xiàn)海岸帶的動態(tài)監(jiān)測[2]。

缺點：由于可見光遙感對光線、云層要求較高，需要選擇特定時間窗口并且需要在衛(wèi)星經(jīng)過待測區(qū)域上空時才可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的時效性比較滯后。此外，由于獲取不同時間段的海岸帶數(shù)據(jù)需要頻繁采購較高分辨率的衛(wèi)星影像，會造成數(shù)據(jù)采購成本偏高。由于是自上而下獲取正射影像，對于起伏較大的海島、海岸數(shù)據(jù)獲取效果較差。

1.2 基于低空攝影測量的海岸帶測量

優(yōu)點：低空攝影測量，采用無人機方式進行拍攝，拍攝投入成本相對低廉一些，能快速對目標(biāo)區(qū)域進行反應(yīng)以及獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)，由于低空遙感因為拍攝時處于云層下面，所以基本不受天氣條件限制，可以快速的獲取作業(yè)區(qū)域的高分辨率影像數(shù)據(jù)。

缺點：

1)低空遙感受天氣限制較大，海邊多霧、多風(fēng)，可作業(yè)時間較短。

2)低空遙感應(yīng)用的是無人機，這種飛機保養(yǎng)價格便宜，但是對操作人員的要求很高，無人機失事率也相對較高，受到飛行信號以及航線空中垃圾影響，很容易在項目實施過程中失去信號或者丟失等。

3)無人機飛行高度較低，所以很容易受對流、亂流層或者空中風(fēng)力影響，數(shù)據(jù)質(zhì)量拍攝不穩(wěn)定，會有模糊不清等現(xiàn)象出現(xiàn)，項目拍攝返工率比較高。

4)數(shù)據(jù)處理價格相對較高。因為低空遙感定位精度不足，多數(shù)需要在后期內(nèi)業(yè)處理中采用大量的工作量進行數(shù)據(jù)處理工作，工作比較繁瑣并且數(shù)據(jù)必須經(jīng)過正射才能夠進行使用，不然誤差極大。

1.3 基于機載激光雷達的海岸帶測量

優(yōu)點：機載激光雷達也是遙感技術(shù)的一種，它集成了GPS，IMU，激光掃描儀，數(shù)碼相機等光譜成像設(shè)備。其中主動傳感系統(tǒng)(激光掃描儀)利用返回的脈沖可獲取探測目標(biāo)高分辨率的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像技術(shù)可獲取探測目標(biāo)的數(shù)字成像信息，經(jīng)過地面的信息處理而生成逐個地面采樣點的三維坐標(biāo)，最后經(jīng)過綜合處理而得到沿一定條帶的地面區(qū)域三維定位與成像結(jié)果。激光雷達技術(shù)在各個方面迅速發(fā)展，相對于其他遙感技術(shù)，激光雷達技術(shù)是遙感技術(shù)領(lǐng)域的一場革命[4]。

缺點：

1)大型機載激光雷達價格較貴，一般在千萬級別，由于其重量較大，作業(yè)時一般需要有人機或者大型無人機搭載，作業(yè)成本極高。

2)由于機載激光雷達作業(yè)的特殊性，機載平臺工作時需要提前申請空域，流程與手續(xù)均比較復(fù)雜。

3)由于軟件均為進口，并且多為第三方開發(fā)，售后服務(wù)及應(yīng)用相對難以開展。

2 水上水下一體化測量設(shè)備簡介

水上水下一體化采集技術(shù)是近兩年剛開始應(yīng)用的新型技術(shù)，是目前進行海岸帶監(jiān)測數(shù)據(jù)來源最廣泛、效率最高、精度最高的解決方案。

2.1 系統(tǒng)組成

水上水下一體化系統(tǒng)組成部分包括：三維激光掃描子系統(tǒng)、影像采集子系統(tǒng)、導(dǎo)航定位定姿定向子系統(tǒng)、集成控制與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用子系統(tǒng)等組成。

1)三維激光掃描子系統(tǒng)：由1臺高精度三維激光掃描測量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，可提供高精度、高密度、可量測的點云數(shù)據(jù)。

2)全景采集子系統(tǒng)：利用4臺高清晰數(shù)碼相機、采集控制與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件，為系統(tǒng)提供360°高清晰全景影像數(shù)據(jù)。

3)導(dǎo)航定位定姿定向子系統(tǒng)：由GPS，IMU等設(shè)備與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件組成，為三維激光掃描系統(tǒng)和全景相機提供精確位置信息與姿態(tài)信息。系統(tǒng)組成部分包括：三維激光掃描子系統(tǒng)、影像采集子系統(tǒng)、導(dǎo)航定位定姿定向子系統(tǒng)、集成控制與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用子系統(tǒng)等組成。

4)集成控制與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)：由計算機、同步控制器與電源組成，同步控制器為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，各數(shù)據(jù)采集軟件安裝在嵌入式機上，電源為各個設(shè)備供電。

5)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用子系統(tǒng)：主要由各種軟件組成，為系統(tǒng)提供激光點云數(shù)據(jù)處理、影像拼接及內(nèi)外方位參數(shù)檢校、影像與點云配準(zhǔn)融合、集成影像激光點云數(shù)據(jù)的地形測圖、航道街景發(fā)布等應(yīng)用服務(wù)。

2.2 工作原理

系統(tǒng)可以同時采集帶大地坐標(biāo)的海岸帶、島礁高密度點云數(shù)據(jù)、水底地形數(shù)據(jù)，以及沿岸地帶的全景影像。這些精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)可以用于海島、海岸線、植被、潮間帶的監(jiān)測。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，實景與高精度、高密度測繪數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以基于GIS平臺生產(chǎn)出大比例尺地形圖、等高線圖、全景影像、水岸線、符號庫等多種數(shù)據(jù)成果，直接應(yīng)用。水上水下一體化測量設(shè)備可以安裝在車、船等載體上，方便快捷，采用激光作為主動光源，設(shè)備作業(yè)時可以不受外界干擾24 h作業(yè)，成為目前海岸帶監(jiān)測的主流技術(shù)。

3 水上水下一體化測量設(shè)備優(yōu)勢分析

水上水下一體化測量設(shè)備相比其他測量方式有其特有的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：

1)一體化設(shè)備集成。

主要是將各個不同采樣頻率的硬件設(shè)備時間坐標(biāo)統(tǒng)一，對于GPS、慣導(dǎo)系統(tǒng)、三維激光掃描儀、全景相機等不同采樣率的硬件，需要精準(zhǔn)的控制并獲取數(shù)據(jù)，否則數(shù)據(jù)精度太差或者無法完成采集。

2)無需標(biāo)定。

不同零部件的集成需要精確的標(biāo)定技術(shù)，中海達的設(shè)備將所有的硬件封裝于剛性結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過出廠標(biāo)定后，無需使用單位進行現(xiàn)場標(biāo)定或校準(zhǔn)，大大降低了使用難度。

3)軟硬件一體化。

由于該系統(tǒng)采購的數(shù)據(jù)量極大，必須結(jié)合專業(yè)的后續(xù)處理軟件才能應(yīng)用，中海達提供數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、點云建模、全景展示、后續(xù)開發(fā)接口等一系列軟件。

4)后期數(shù)據(jù)處理成熟。

在海島、海岸線、植被、潮間帶等數(shù)據(jù)復(fù)雜的情況下，有成熟的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)可直接應(yīng)用于生產(chǎn)和管理。

4 島礁測量應(yīng)用實例

水上水下一體化測量是最近兩年新推出的技術(shù)，由于國內(nèi)外起步時間相差不多，目前國內(nèi)在水上水下一體化測量技術(shù)的應(yīng)用走在了國際前沿。下面以中海達公司生產(chǎn)的水上水下一體化設(shè)備HD iScan應(yīng)用為例，對水上水下一體化測量應(yīng)用進行分析。

4.1 點云與全景數(shù)據(jù)

全景配準(zhǔn)后的iScan-M工程數(shù)據(jù)，可以基于全景影像進行地物量測，方便直觀判讀地物要素及地物類別屬性識別。

4.2 大比例尺測圖成果

通過iScan-M配套的內(nèi)業(yè)測圖軟件可以加載瀏覽海量點云和全景數(shù)據(jù)，基于點云和全景加工采集地形要素，生產(chǎn)地形圖成果數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

相對于空天地測量而言，在水域測量方面比較薄弱，特別是針對海洋管理和開發(fā)、港口的建設(shè)、航道疏浚和水庫的監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域。因此，加強和提升海洋、河道、湖泊等水域測量技術(shù)，為海洋、湖泊、水利等綜合管理服務(wù)，提高數(shù)字測量技術(shù)在海洋、湖泊、河流、水庫等區(qū)域的應(yīng)用，是對傳統(tǒng)測量體系的有效補充。本文提出的水上水下一體化測量設(shè)備，是針對目前水體測量缺乏有效采集設(shè)備和技術(shù)解決方案的現(xiàn)狀提出的，集中利用多傳感器集成、同步控制、多源數(shù)據(jù)處理和水上水下可視化應(yīng)用等技術(shù)[5]，為數(shù)字水利、智能航道、全景海洋、三維海島等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、應(yīng)用系統(tǒng)和管理決策支持。

[1] 余建偉，張攀攀，翁國康，等.中海達iScan-P便攜式移動三維激光測量系統(tǒng)概述[J].測繪通報，2015(3)：140-141.

[2] 杜麗萍，柏 巖，王樹英.基于遙感影像的海岸線提取方法研究[J].山東林業(yè)科技，2009(8):92-93.

[3] 馮 梅.基于LIDAR和航空影像的三維建模方法探討[J].測繪通報，2011(12):114-115.

[4] 杜國慶，史照良，龔越新，等.LIDAR技術(shù)在江蘇沿海灘涂測繪中的應(yīng)用[J].城市勘測，2007(10):67-68.

[5] 張智勇.全景移動測量系統(tǒng)及其應(yīng)用前景展望[J].測繪通報，2014(3):66-67.

The integration of measuring equipment used analysis in upwater and underwater

Zhang Zefei1Jiang Chanjuan2

(1.ZhejiangXinghaiTechnologyCo.，Ltd,Hangzhou310007,China;2.ZhejiangProvinceOceanTechnologyCenter,Hangzhou310007,China)

In order to rich coastal zone measurement mode, enhance the quality and efficiency of marine data acquisition, solve the problem of the coastal zone, the data synchronization of measurement accuracy is not high, the difficulty to collect information, through the analysis of the current mainstream survey method, compare their advantages and disadvantages, the introduction of integrated measurement equipment of upwater and underwater, and the typical application as an example, application of assembly equipment, data acquisition, data processing, 3D modeling process, to demonstrate the efficiency and accuracy, has the vital significance to the coastal zone measurement.

upwater and underwater, integration, coastal zone, measuring

2015-06-29

張則飛(1983- )，男，碩士，工程師； 蔣嬋娟(1979- )，女，碩士，工程師

1009-6825(2015)25-0210-02

TH761

A