基于Skyline的水下多波束測深數(shù)據(jù)應(yīng)用

吳小東，聞 平，桂 林，孫嘉駿

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650041）

基于Skyline的水下多波束測深數(shù)據(jù)應(yīng)用

吳小東1，聞 平1，桂 林1，孫嘉駿1

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650041）

探討了多波束測深數(shù)據(jù)的獲取方式及處理流程，通過程序開發(fā)將其轉(zhuǎn)換為Skyline點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式，采用二次開發(fā)的方式，完成了“水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了水下多波束測深數(shù)據(jù)在Skyline大場景中的應(yīng)用。

多波束測深系統(tǒng)；點(diǎn)云；Skyline

通過多波束獲取準(zhǔn)確可靠的水庫水下地形數(shù)據(jù)，可以為水庫安全運(yùn)行提供有力保障。隨著三維、3S技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，基于三維大場景的綜合式管理也日漸興起，水下地形數(shù)據(jù)無疑是其中不可或缺的一部分[1]。Skyline作為三維大場景軟件中的佼佼者，提供了對DEM數(shù)據(jù)及特定格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)的支持[2]，但并不直接支持多波束測深數(shù)據(jù)。此外，多波束數(shù)據(jù)由于其數(shù)據(jù)量大，將其轉(zhuǎn)換為DEM數(shù)據(jù)耗時多[3]，同時DEM格式數(shù)據(jù)不利于多期數(shù)據(jù)在Skyline中對比分析，將其轉(zhuǎn)換為Skyline支持的點(diǎn)云格式無疑是一個不錯的選擇。

1 多波束數(shù)據(jù)獲取及處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

多波束測深系統(tǒng)由實(shí)時采集系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)3部分構(gòu)成[4]。數(shù)據(jù)主要采集流程如下：①硬件安裝及連接；②羅經(jīng)姿態(tài)傳感器設(shè)置；③換能器設(shè)置；④聲速剖面測量；⑤GPS控制點(diǎn)聯(lián)測；⑥船姿與換能器安裝校正；⑦測線布置；⑧外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，船只按布置的測線航行，根據(jù)作業(yè)環(huán)境變化動態(tài)調(diào)整聲納參數(shù)，完成外業(yè)采集工作。

1.2 數(shù)據(jù)處理

多波束水深數(shù)據(jù)處理工作量大而繁瑣[5]，采用Caris Hips軟件對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖1。

圖1 多波束測深數(shù)據(jù)處理流程

1）參數(shù)改正：利用姿態(tài)改正參數(shù)、聲速剖面數(shù)據(jù)及潮位數(shù)據(jù)等進(jìn)行參數(shù)改正[6]；

2）格式轉(zhuǎn)換：將外業(yè)采集的PDS2000格式轉(zhuǎn)換為HDCS格式，并合并數(shù)據(jù)；

3）構(gòu)建曲面：利用合并的水深數(shù)據(jù)建立水深曲面；

4）檢查及編輯：編輯測線，以手工方式或參數(shù)自動化的方式過濾噪聲和錯點(diǎn)[7]。

1.3 成果數(shù)據(jù)輸出

多波束測深系統(tǒng)的成果極其豐富，包括三維點(diǎn)云、水下地形等深線圖、各類柵格圖、數(shù)字高程模型、三維立體模型、聲納影像等高技術(shù)產(chǎn)品。在經(jīng)過參數(shù)改正、數(shù)據(jù)剔除等內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，可根據(jù)工程應(yīng)用需要生成不同類型、不同格式、不同坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是經(jīng)數(shù)據(jù)處理后最原始的數(shù)據(jù)形態(tài)，由海量的包含三維坐標(biāo)信息的點(diǎn)組成。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以生產(chǎn)其他各類數(shù)據(jù)，如等深線數(shù)據(jù)、剖面圖、DEM、三維立體模型等，圖2為多波束輸出的DEM數(shù)據(jù)。

圖2 多波束輸出DEM數(shù)據(jù)

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

2.1 點(diǎn)云格式比較

Caris Hips輸出的點(diǎn)云格式如下：點(diǎn)序號 Y坐標(biāo) X坐標(biāo) 高程值

Skyline中支持的點(diǎn)云格式如下：

X坐標(biāo) Y坐標(biāo) 高程值 R B G

可見，二者之間存在差異，尤其是Skyline中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含渲染時的顏色RBG值，二者間的轉(zhuǎn)換必不可少。

2.2 格式轉(zhuǎn)換

2種格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，主要在于空間點(diǎn)位數(shù)據(jù)和渲染顏色RGB轉(zhuǎn)換2個方面。

1）空間點(diǎn)位數(shù)據(jù)。Skyline中點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)值單位最好為 m，這樣點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載后不需要進(jìn)行縮放系數(shù)設(shè)置。Caris Hips輸出的點(diǎn)云格式數(shù)據(jù)到Skyline識別的點(diǎn)云格式數(shù)據(jù)，在空間參考和單位相同時進(jìn)行點(diǎn)位轉(zhuǎn)換較為簡單，只需改變其對應(yīng)坐標(biāo)在點(diǎn)云文件中的位置即可。代碼如下：

2）渲染顏色RGB。由于Skyline中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要渲染顏色RGB信息，一般情況下根據(jù)高程值對點(diǎn)進(jìn)行顏色渲染，渲染方式有拉伸、離散、分類、唯一值等方式。以下代碼實(shí)例中，根據(jù)高程值拉伸進(jìn)行顏色RGB信息設(shè)置。

2.3 數(shù)據(jù)制作加載

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到Skyline場景中需要將其制作成*．cpt格式文件，即Skyline自身的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式文件。該格式基于Skyline自身的數(shù)據(jù)組織存儲結(jié)構(gòu)及調(diào)用算法，具有很高的數(shù)據(jù)加載及瀏覽效率[8]。圖3為漫灣電站水庫壩前段水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 Skyline中加載水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有較高的點(diǎn)密度，水下地形的細(xì)節(jié)表現(xiàn)明顯，圖4為Skyline中漫灣水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)展示。

圖4 Skyline中水下點(diǎn)云細(xì)節(jié)展示

3 應(yīng)用開發(fā)

Skyline提供了較為強(qiáng)大的二次開發(fā)接口。本文結(jié)合Skyline二次開發(fā)接口[9]，采用C#．NET語言，開發(fā)完成“水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)”[10]，如圖5所示。

圖5 水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)

系統(tǒng)具有水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理功能，可以管理不同的采樣間距、不同時期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，方便調(diào)用查閱。此外，系統(tǒng)還具有距離量算、剖面分析（如圖6）、不同時期水下點(diǎn)云對比（如圖7）、沖淤等功能。

圖6 剖面分析

圖7 不同時期水下點(diǎn)云對比

4 結(jié) 語

將多波速測深系統(tǒng)獲取的水下高密度、高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Skyline中支持的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為三維場景提供水下地形數(shù)據(jù)，結(jié)合基于Skyline二次開發(fā)的“水庫水下點(diǎn)云管理應(yīng)用系統(tǒng)”，為水庫提供精確的水下地形數(shù)據(jù)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能和高效的數(shù)據(jù)分析功能，有利于用戶充分了解水庫的歷史及現(xiàn)狀，時刻把握水庫沖刷及淤積情況，為水庫的安全運(yùn)行、科學(xué)化管理和決策提供技術(shù)支撐。

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圖4 災(zāi)毀前

圖5 災(zāi)毀后

4 結(jié) 語

于田地震震中位于無人區(qū)，人煙稀少。利用影像快速處理方法對震前震后大量影像進(jìn)行快速處理，與傳統(tǒng)的影像處理過程相比，能大大縮短影像處理時間。影像實(shí)時處理方法主要是面向應(yīng)急，所以不能做到傳統(tǒng)的數(shù)字影像生成的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。此外，有些傳感器的全色影像和多光譜影像間由于存在夾角等原因會有錯位，直接進(jìn)行融合會出現(xiàn)重影，需要在選擇更高精度的DEM和自動配準(zhǔn)等方面開展進(jìn)一步的研究工作。

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第一作者簡介：胡朝暉，碩士，工程師，主要從事災(zāi)害遙感監(jiān)測、地震大地測量學(xué)研究。

P229

B

1672-4623（2016）02-0025-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.009

吳小東，碩士，主要研究方向?yàn)?S集成應(yīng)用。

2015-01-19。

項(xiàng)目來源：云南省科技資助項(xiàng)目（2013ZB006）。