激光掃描測量技術(shù)在海事管理中的應用探討

施翔宇

【摘要】研究激光掃描測量技術(shù)在船舶動態(tài)監(jiān)管領(lǐng)域中的應用，探討如何與海事管理常用手段相結(jié)合，表明在海事管理中的巨大應用價值。

【關(guān)鍵詞】激光掃描測量；海事管理

1、研究背景

船舶的識別、運行狀態(tài)監(jiān)測和異常行為處理始終是海事管理的工作重點之一。近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國運輸船舶的數(shù)量顯著增加，船舶運行狀況的復雜度加大，隨之帶來的管理要求也不斷提高。如何有效地利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段實現(xiàn)船舶的監(jiān)測預警已成為提升海事管理當務之急。

目前在海事管理中主要通過人工監(jiān)管、雷達成像、視頻監(jiān)控、AIS、RFID等技術(shù)手段獲取船舶動態(tài)信息。其中雷達波容易受波浪、建筑物的干擾，采集到的模擬信號無船舶尺寸、類型等船舶物理信息，無法判定船舶裝載情況。視頻監(jiān)控技術(shù)受光照度和能見度影響較大，在反射陽光的水面或夜晚等特殊場景下無法準確識別船舶特征。AIS監(jiān)管屬于被動式監(jiān)管，不僅需要船舶安裝AIS終端設備，還需要保證終端設備始終開機工作。不同廠商的RFID設備通訊頻率和協(xié)議標準各不相同，通訊距離越遠識別率越低，無法單獨判斷目標方位。人工監(jiān)管是目前海事管理的主要方式，通過海事管理人員上船檢查，憑借專業(yè)技能和工作經(jīng)驗對船舶進行監(jiān)管。這種方式受人力資源的限制，往往不能對所有過往船舶逐條檢查，且這種方式對海事管理人員專業(yè)技能要求較高，容易受人的主觀判斷影響，甚至滋生腐敗現(xiàn)象。這種傳統(tǒng)的管理方式已經(jīng)越來越不能適應當前海事管理的需要，它不僅效率低下，更不利于營造公平的海事管理環(huán)境，甚至會減低海事管理部門的公信力。激光掃描測量技術(shù)為海事管理部門提供了一種高效、精確的科技手段，能夠很好地解決上述問題。

2、激光測距和掃描測量技術(shù)原理

激光測距技術(shù)通過激光發(fā)射器發(fā)出若干激光脈沖波，當激光脈沖波碰到遮擋物體后反射部分能量，激光接收器收到反射的激光波時，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)發(fā)射和接收信號時間差計算出與遮擋物體的距離值。

激光掃描測量技術(shù)是在激光測距技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸，它通過激光掃描器連續(xù)不停的發(fā)射激光脈沖波，激光脈沖波照射到高速旋轉(zhuǎn)的鏡面上，并將激光脈沖波向各個方向發(fā)射從而形成一個扇形二維平面區(qū)域。在掃描器的掃描范圍內(nèi)，掃描器測量出每個測量點的距離，根據(jù)此距離信息可以計算出物體某個斷面的外型輪廓坐標定位數(shù)據(jù)。通過移動掃描器和物體的相對位置掃描出物體多個斷面，就能夠得到物體的整體外形輪廓數(shù)據(jù)，還可以進一步通過空間建模，將物體3D可視化。

3、激光掃描測量技術(shù)在海事管理中的應用難點

盡管激光掃描測量技術(shù)具有精度高、非接觸等優(yōu)點，但不同于建筑物等固定測量物體，航行船舶是非勻速運動物體，對它的掃描測量難度非常大，如果不能夠準確測量出船舶的航行速度，將會產(chǎn)生較大的測量誤差。在對寬闊水域航行船舶進行測量時，測量范圍寬達幾十米甚至上千米，而激光幕簾范圍有限，如果激光反射距離太遠也會造成反射激光能量太弱而無法識別或產(chǎn)生較大測量誤差。當多船舶交匯于同一激光幕簾時，測量結(jié)果的計算就更加復雜。

4、激光掃描測量技術(shù)的應用

為了解決上述問題，在橋梁通航孔中心位置安裝兩組激光掃描測量器，這樣就在船舶通航區(qū)域形成兩道激光幕簾對下方航行船舶進行連續(xù)掃描。兩道激光幕簾之間有一定夾角，可以根據(jù)測量對象的同一部位，準確計算出船舶實時航行速度等信息。再通過一系列計算獲得船舶的航向、航速、船長、船寬、船高、干舷等信息。

4.1 與視頻監(jiān)控技術(shù)的結(jié)合應用

通過在測量點附近安裝一個或多個視頻攝像機或照相機，將激光器的測量結(jié)果為觸發(fā)信號，聯(lián)動高清圖像設備抓拍現(xiàn)場船舶照片或錄取視頻。得到的照片或視頻可以根據(jù)抓拍時間快速進行檢索，便于海事管理人員有目的地查找。盡管現(xiàn)有視頻監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)運動物體自動抓拍功能，但是受到水面波紋和雜物等干擾，抓拍準確度不高，容易造成漏拍或誤拍。視頻監(jiān)控技術(shù)通過與激光掃描測量技術(shù)的結(jié)合，可以根據(jù)測量的船舶位置和船長自動調(diào)整焦距和最佳抓拍時間，或根據(jù)測量的船舶特征如駕駛室和人員抓拍船舶船名號和駕駛員臉部特征。這些照片、視頻和測量數(shù)據(jù)是涉嫌超載超限船舶違法行為的有力證據(jù)。

4.2 與AIS技術(shù)的結(jié)合應用

AIS的開機率問題一直是海事管理的難題之一，對安裝AIS終端并正常運行的船舶監(jiān)管可以說是非常有效。但部分違章船舶通過關(guān)閉AIS終端電源或遮擋天線等方式逃避監(jiān)管。AIS終端安裝不當或故障損壞也會影響海事監(jiān)管效果。AIS技術(shù)通過與激光掃描測量技術(shù)的結(jié)合，在測量點附近安裝AIS信號接收裝置，就可以準確判斷出被掃描船舶AIS信號是否正常。另一方面，對于接收到AIS信號的被掃描船舶，可以將AIS信號中獲得的船名、主尺度等靜態(tài)信息與測量結(jié)果作比較，不僅可以準確識別船舶船名號，還可以大致判定船舶是否有改裝、套牌、更改AIS終端識別碼等違法違規(guī)行為，能夠有效杜絕船舶規(guī)避海事監(jiān)管。在對事故船舶逃逸調(diào)查、超限船舶闖禁預警等海事管理中激光掃描測量技術(shù)能夠發(fā)揮積極作用。

4.3 與RFID技術(shù)的結(jié)合應用

RFID技術(shù)通過將接收到的射頻卡識別碼與數(shù)據(jù)庫登記船舶信息比對，能夠迅速對船舶進行唯一性識別，但該技術(shù)存在無法判斷目標方位和運動狀況等缺點。激光掃描測量技術(shù)最大的不足之處就是無法對船舶做到唯一性識別，因此這兩種技術(shù)具有很好的互補性。通過將RFID技術(shù)取得的船舶識別數(shù)據(jù)與激光掃描測量數(shù)據(jù)結(jié)合，能夠快速準確判斷被掃描船舶身份，了解船舶準確方位和運動狀態(tài)，這對于法規(guī)未強制安裝AIS終端的小型船舶可以起到很有效的監(jiān)管作用。

4.4 船舶流量監(jiān)測應用

船舶流量監(jiān)測也是海事管理的難題之一，使用激光掃描測量技術(shù)對測量點過往船舶的數(shù)量進行監(jiān)測和統(tǒng)計，可以實時掌握航道中船舶的流量數(shù)據(jù)并自動預警，防止因船舶過多造成碰撞事故或堵航。同時通過對船舶干舷的測量，能夠很容易判斷出船舶裝載情況，若該測量點位于不同地區(qū)分界點，只要結(jié)合上下行船舶數(shù)據(jù)，就能夠準確了解貨物進出某地區(qū)情況。這些數(shù)據(jù)能夠用于分析地區(qū)水運交通和貿(mào)易狀況，為經(jīng)濟決策和產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整提供科學依據(jù)。

4.5 航道水位監(jiān)測應用

航道水位受降雨或潮汐影響會發(fā)生變化，這種變化會嚴重影響船舶航行安全，也是海事管理重要工作之一。航道水位過高時，船舶過橋困難，容易造成撞橋事故；航道水位過低時，船舶容易擱淺。激光掃描測量技術(shù)能夠?qū)λ磺闆r進行實時精確測量，同時能對過往船舶實際最大高度進行測量。通過簡單計算，就能夠判斷該船舶能否通過航道上其他通航高度較低的橋梁和管線，實現(xiàn)提前預警。當測量到水位過低時，能夠通過LED顯示屏等方式自動提醒過往船舶。

5、在紹興杭甬運河上的應用實踐

5.1 系統(tǒng)組成

2015年紹興市港航管理局在杭甬運河先進橋建成船舶流量自動化觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于激光掃描測量技術(shù)，由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)三個部分組成。其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括一組2套激光掃描測量儀和3臺攝像機；數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括工控機和軟件；輔助子系統(tǒng)包括網(wǎng)絡和電源控制系統(tǒng)。先進橋為單孔橋梁，通航孔凈高7米、凈寬55米，激光掃描測量儀就安裝在通航孔正上方。

5.2 工作過程

激光掃描測量儀對正下方的航道進行不間斷的激光掃描，采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡電纜進行傳輸，高速網(wǎng)卡將激光器采集的數(shù)據(jù)傳送給后端的工控機進行處理。為實現(xiàn)斷面和速度數(shù)據(jù)的實時匹配，工控機需同時處理兩路采集的激光數(shù)據(jù)。工控機對數(shù)據(jù)進行濾波等數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)數(shù)據(jù)變化率判定是否有船舶經(jīng)過。若檢測到船舶，則實時記錄測量到的截面數(shù)據(jù)，根據(jù)多個截面的形狀構(gòu)建船舶的三維尺寸，同時對船舶的流量進行累加統(tǒng)計。

船舶特征辨識是將兩組激光器的數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換到直角坐標系中，通過位置坐標來找到同一艘船舶，然后使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對兩坐標系數(shù)據(jù)進行融合。為消除激光器水平誤差、水面波浪和雜物對測量結(jié)果的影響，需要對數(shù)據(jù)的傾斜進行校正和平滑處理。通過機器學習結(jié)合形態(tài)學的相關(guān)知識，對因遮擋而未檢測到的船舶部位進行重構(gòu)，以減少測量的誤差。

激光掃描測量儀以設定頻率掃描橋梁下方航道，根據(jù)收到水面的反射信號計算出實時水位。當檢測到船舶經(jīng)過兩道激光幕簾時，工控機根據(jù)信號觸發(fā)機制向3臺攝像機發(fā)送抓拍指令，并將攝像機傳輸來的圖像信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。

5.3 測試情況

2015年3月23日00：00至2015年3月24日23：59對紹興市杭甬運河先進大橋觀測點數(shù)據(jù)進行測試。測試確認系統(tǒng)對經(jīng)過觀測點船舶的數(shù)量、航向、長和寬、出水高、空重載等特征的24小時不間斷測量的準確度。測試期間人工觀測共有299艘船舶經(jīng)過測量點，系統(tǒng)采集到的通過船舶數(shù)量為299艘，其中航向錯誤11艘、空重載錯誤8艘、抓拍圖像錯誤7艘。

6、結(jié)論

激光掃描測量技術(shù)是測量領(lǐng)域一次重大創(chuàng)新，它具有遠距離、非接觸、高效率、高精度的優(yōu)點，是傳統(tǒng)測量方法所無法實現(xiàn)的。它掃描速度快、自動化程度高，在眾多領(lǐng)域都具有巨大的應用價值。在海事管理中推廣應用激光掃描測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶的自動監(jiān)管，同時結(jié)合視頻監(jiān)控、AIS、RFID等現(xiàn)有海事管理技術(shù)，實現(xiàn)對船舶全方位立體監(jiān)管。它是實現(xiàn)海事管理由經(jīng)驗管理向智能管理轉(zhuǎn)變的重要技術(shù)手段。

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