利用多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)水上水下一體化測(cè)繪

陳 科，王 沖，聞 平，吳 杰，桂 林

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司測(cè)繪地理信息分院，云南 昆明 650041)

利用多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)水上水下一體化測(cè)繪

陳 科，王 沖，聞 平，吳 杰，桂 林

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司測(cè)繪地理信息分院，云南 昆明 650041)

水上水下一體化測(cè)繪技術(shù)為水域相關(guān)測(cè)繪提供了一種高效快速的解決方案。本文介紹了多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合領(lǐng)域的研究背景，闡述了水上水下一體化測(cè)繪的原理和方法，結(jié)合工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度統(tǒng)計(jì)分析，論證了水上水下一體化測(cè)繪技術(shù)方法在水電工程應(yīng)用中的有效性，水上水下一體化測(cè)繪是對(duì)傳統(tǒng)水域相關(guān)測(cè)繪技術(shù)方法的變革和創(chuàng)新，具有一定的工程意義。

水上水下一體化；多傳感器集成；數(shù)據(jù)融合；船載；移動(dòng)測(cè)量

隨著測(cè)繪“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的到來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、對(duì)地觀測(cè)、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、小型遙感衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)遙感、傾斜攝影、移動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)駕駛、室內(nèi)導(dǎo)航、智能感知等新手段和各種基于位置應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善[1- 2]，使得“天空地人”一體化測(cè)繪解決方案逐漸應(yīng)用到各行各業(yè)并日益成熟。相對(duì)于“天空地人”一體化測(cè)繪而言，水域相關(guān)測(cè)繪方面比較薄弱，特別在水資源豐富的中西部地區(qū)，在高山峽谷河道測(cè)繪方面，技術(shù)依然傳統(tǒng)，效率不高，難以滿足“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的數(shù)據(jù)要求和用戶需求。因此，針對(duì)河道地形測(cè)繪、河流沖刷淤積管理、水庫(kù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、流域智能決策系統(tǒng)等工程應(yīng)用，亟待探索一種水上水下一體化的高效測(cè)繪技術(shù)方法[3]。

傳統(tǒng)上，涉及水域相關(guān)的三維地理信息數(shù)據(jù)采集，一般分為水上和水下兩個(gè)獨(dú)立的工程分別實(shí)施[4]。水上工程區(qū)域多采用GNSS RTK人工跑點(diǎn)、航空/天攝影測(cè)量技術(shù)、無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)等；而水下工程一般借助測(cè)量船結(jié)合測(cè)深儀、側(cè)掃聲吶、多波束測(cè)深系統(tǒng)采集水深數(shù)據(jù)。這種將水上水下同一工程一分為二的實(shí)施方法，往往存在：水上水下坐標(biāo)基準(zhǔn)不統(tǒng)一；水上水下數(shù)據(jù)精度不一致；兩岸懸崖陡坡人員無(wú)法到達(dá)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整；水上水下數(shù)據(jù)不連續(xù)，存在數(shù)據(jù)空白需進(jìn)行插值等后處理工作；作業(yè)效率不高等技術(shù)瓶頸[5]。因此，研究一種水上水下一體化測(cè)繪技術(shù)方法，對(duì)提高近海海岸帶測(cè)繪和河道帶狀測(cè)繪的效率、精度、數(shù)據(jù)質(zhì)量等具有重要意義。

以三維激光掃描技術(shù)為核心的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(mobile mapping system,MMS)是測(cè)繪最為前沿的科技之一，代表著未來(lái)電子地圖制圖領(lǐng)域的發(fā)展方向[6]。李德仁院士主持的技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)該領(lǐng)域作了大量研究和科技創(chuàng)新[7]，提出了全新的可量測(cè)實(shí)景影像(digital measurable image,DMI)的概念，并寫入國(guó)家測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)，成為第5D測(cè)繪產(chǎn)品[8]。同時(shí)，多波束測(cè)深技術(shù)的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)單波束以點(diǎn)為基礎(chǔ)的離散式的作業(yè)模式，而代之以空間面為基礎(chǔ)的立體式作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)了立體測(cè)圖、智能處理及自動(dòng)化成圖，使海洋測(cè)量技術(shù)發(fā)展到一個(gè)較高的水平[9]。此外，隨著GNSS技術(shù)的發(fā)展和慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit,IMU)性能的大幅提高，利用IMU測(cè)姿組合GNSS載波相位差分定位而形成的定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system,POS)，可直接為移動(dòng)平臺(tái)和傳感器提供高精度空間位置和三軸姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)直接地理定位，為無(wú)(極少)控制點(diǎn)測(cè)繪提供了一種快速、有效、可靠的解決途徑，使得多傳感器集成平臺(tái)的應(yīng)用成為可能[10]。在此背景下，本文采用測(cè)量船作為多傳感器集成平臺(tái)，結(jié)合筆者所在單位自身軟硬件條件，將水上水下一體化測(cè)繪系統(tǒng)運(yùn)用于河道帶狀測(cè)量工程中，系統(tǒng)闡述了多傳感器集成原理和數(shù)據(jù)融合方法，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，驗(yàn)證其在大比例尺地形圖測(cè)繪中的有效性。

1 水上水下一體化測(cè)繪原理和方法

1.1 多傳感器集成原理

高精度的水下測(cè)深技術(shù)、地面三維激光技術(shù)、數(shù)字傳感器技術(shù)、動(dòng)態(tài)定位定姿技術(shù)、近景攝影測(cè)量等技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，使得基于各種載體的移動(dòng)測(cè)量技術(shù)成為可能。水上水下一體化測(cè)繪技術(shù)主要集成了三維掃描儀、360°全景相機(jī)、多波束測(cè)深儀、GNSS- IMU定位定姿等設(shè)備，采用非接觸主動(dòng)式的數(shù)據(jù)采集方式同步獲取水上水下地形特征點(diǎn)和水上全景影像[11- 12]。多傳感器集成原理是：首先將水上水下所有傳感器通過(guò)船載剛性穩(wěn)定平臺(tái)固聯(lián)；量取各個(gè)傳感器在水上水下一體化系統(tǒng)物方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；將量取的桿臂值輸入實(shí)時(shí)采集軟件中進(jìn)行水上水下數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)后處理中將GNSS- IMU定位定姿解算后數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，將水上水下全數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的當(dāng)?shù)毓こ套鴺?biāo)系，實(shí)現(xiàn)水上水下一體化測(cè)繪。

水上水下一體化測(cè)繪系統(tǒng)主要包含以下子系統(tǒng)：

(1) 三維激光掃描子系統(tǒng)：采集水上地形數(shù)據(jù)，提供兩岸高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(2) 多波束測(cè)深子系統(tǒng)：采集水下地形數(shù)據(jù)，提供水下高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3) 全景影像采集子系統(tǒng)：采集360°全景影像。

(4) 動(dòng)態(tài)定位定姿子系統(tǒng)：提供激光束發(fā)射和影像曝光瞬時(shí)的位置和姿態(tài)，解算點(diǎn)云的三維坐標(biāo)和影像的外方位元素，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的時(shí)空一致和坐標(biāo)統(tǒng)一。

(5) 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集子系統(tǒng)：通過(guò)電腦連接各傳感器，在采集可視化軟件中，按預(yù)定的航線進(jìn)行作業(yè)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控水上水下數(shù)據(jù)采集情況。

(6) 數(shù)據(jù)后處理和應(yīng)用發(fā)布子系統(tǒng)：主要由POS數(shù)據(jù)融合處理模塊、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊、全景影像拼接和處理模塊、地形特征地類地物處理模塊、三維集成數(shù)據(jù)發(fā)布模塊等組成。

1.2 數(shù)據(jù)融合原理

傳統(tǒng)的水域測(cè)繪數(shù)據(jù)融合，一般指將具有數(shù)據(jù)空白或漏洞的水下數(shù)據(jù)和水上數(shù)據(jù)通過(guò)插值計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)水上水下無(wú)縫的、連續(xù)的、完整的地形數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[13]描述的數(shù)據(jù)融合是指水下多傳感器數(shù)據(jù)融合計(jì)算水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)，以及水上多傳感器的數(shù)據(jù)融合計(jì)算水上點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)和全景影像的內(nèi)外方位元素。

(1) GNSS和IMU數(shù)據(jù)融合計(jì)算定位定姿POS數(shù)據(jù)。POS數(shù)據(jù)解算主要完成將基站數(shù)據(jù)及GNSS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)融合，使用第三方Inertial Explorer軟件實(shí)現(xiàn)。

(2) 水下數(shù)據(jù)融合。原始水深數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)聲速剖面改正后，將波束角和聲速傳播時(shí)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相對(duì)于測(cè)量船的水平位置和相對(duì)安裝深度的水深值。數(shù)據(jù)融合是根據(jù)POS數(shù)據(jù)和潮位改正數(shù)據(jù)，將每個(gè)水深點(diǎn)的坐標(biāo)從船體物方坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地方工程坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。

(3) 水上數(shù)據(jù)融合。主要是將POS數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及全景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的時(shí)空歸算改正、全景影像拼接、三維點(diǎn)云和全景影像的配準(zhǔn)等，實(shí)現(xiàn)地物地類提取和河道街景數(shù)據(jù)發(fā)布。

2 試驗(yàn)分析

2.1 工程試驗(yàn)

水上水下一體化測(cè)繪系統(tǒng)集成了中海達(dá)iScan三維掃描儀和美國(guó)R2Sonic2022多波束測(cè)深儀及POS系統(tǒng)。試驗(yàn)區(qū)選取了500 m左右的大壩水庫(kù)河道，系統(tǒng)集成平臺(tái)采用了測(cè)量船上安裝的自制剛性結(jié)構(gòu)。外業(yè)操作主要分為：多傳感器連接、航線布置、基準(zhǔn)點(diǎn)建立、參數(shù)設(shè)置、設(shè)備初始化、水上水下數(shù)據(jù)采集等過(guò)程。數(shù)據(jù)處理主要包括：POS數(shù)據(jù)解算、水深數(shù)據(jù)融合、點(diǎn)云數(shù)據(jù)剔除、地類地物提取、地形要素生成等步驟。如圖1所示。

2.2 精度分析

為了更好地分析水上水下一體化測(cè)繪的精度，檢核點(diǎn)選擇了河道兩岸碼頭水泥臺(tái)階拐角、枯樹樁、電線桿、獨(dú)立石頭等明顯的地類地物點(diǎn)，首先在水上水下一體化測(cè)繪系統(tǒng)中提取相應(yīng)特征點(diǎn)的坐標(biāo)，然后采用傳統(tǒng)的GNSS RTK實(shí)測(cè)的方法，對(duì)同名點(diǎn)特征地類地物的坐標(biāo)進(jìn)行了采集，將地類地物同名點(diǎn)的兩套坐標(biāo)進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)分析。水上水下一體化測(cè)繪和GNSS RTK實(shí)測(cè)都采用了同一個(gè)岸上基準(zhǔn)點(diǎn)，采用同一臺(tái)GNSS接收機(jī)，并在同一天內(nèi)完成。坐標(biāo)系統(tǒng)都采用了WGS- 84基準(zhǔn)和高斯3°帶投影，高程系統(tǒng)為WGS- 84橢球高。

共采集了50個(gè)特征點(diǎn)，其中3個(gè)點(diǎn)為粗差點(diǎn)已剔除，故本次試驗(yàn)的總體數(shù)據(jù)為47個(gè)特征點(diǎn)，并隨機(jī)抽取了其中12個(gè)點(diǎn)作為樣本點(diǎn)，表1為樣本特征點(diǎn)的坐標(biāo)差值對(duì)比。

對(duì)樣本點(diǎn)坐標(biāo)分量的精度統(tǒng)計(jì)分析見表2。從表2可以看出坐標(biāo)各分量的誤差都是隨機(jī)誤差且符合正態(tài)分布的特性。從圖2誤差分布圖中可以看出，平面和高程的最大偏差都小于25 cm，其中東坐標(biāo)最大偏差達(dá)19.5 cm，北坐標(biāo)偏差最大達(dá)22.7 cm，高程最大偏差達(dá)22.3 cm。平面和高程的點(diǎn)位中誤差分別為18.9和14.6 cm，根據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》中地形點(diǎn)的圖上精度為0.5～0.6 mm，水上水下一體化測(cè)繪實(shí)測(cè)精度滿足水利水電工程大比例尺地形圖的測(cè)圖精度要求。

表1 水上水下一體化點(diǎn)云坐標(biāo)與RTK實(shí)測(cè)特征點(diǎn)坐標(biāo)精度對(duì)比

表2 樣本數(shù)據(jù)精度統(tǒng)計(jì)分析

圖2 特征點(diǎn)坐標(biāo)分量誤差分布

3 進(jìn)一步研究

本文采用的水上水下多傳感器集成方法，系統(tǒng)集成程度較低，導(dǎo)致外業(yè)各軟硬件串聯(lián)難度大，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作步驟繁多復(fù)雜，容易出錯(cuò)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)剔除了外業(yè)GNSS信號(hào)失鎖和設(shè)備初始化階段的數(shù)據(jù)，并采用WGS- 84坐標(biāo)系統(tǒng)下，當(dāng)天同一GNSS基站作為外業(yè)檢核的基準(zhǔn)，最大限度地保證了精度分析的有效性。考慮到水上水下一體化集成系統(tǒng)的復(fù)雜性，本文僅概要闡述了其系統(tǒng)集成原理和數(shù)據(jù)融合方法，并未從外業(yè)數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及DMI數(shù)據(jù)發(fā)布進(jìn)行系統(tǒng)性的論述，對(duì)于河道街景的發(fā)布等后續(xù)應(yīng)用，考慮到工程的實(shí)際應(yīng)用，在此并未展開討論。在系統(tǒng)集成化程度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集軟件、點(diǎn)云自動(dòng)化提取、地類地物智能化識(shí)別、POS系統(tǒng)誤差糾正和補(bǔ)償、點(diǎn)云和影像的自動(dòng)化匹配等方面，還需要大量的研究，以不斷提高水上水下一體化測(cè)繪的精度和效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

海岸帶及內(nèi)陸河道水庫(kù)測(cè)繪對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)至關(guān)重要。移動(dòng)測(cè)量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于三維數(shù)字城市、帶狀地形圖測(cè)繪、公路鐵路等專題測(cè)繪、城市多要素普查、河道海岸帶測(cè)繪等領(lǐng)域[14]。本文以測(cè)量船為載體，集成了水上水下多傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了河道帶狀地形圖的一體化移動(dòng)測(cè)量，提供了一種高效快速的河道帶狀三維地理信息要素的采集、處理、發(fā)布等工作的新途徑，克服了傳統(tǒng)測(cè)繪方法的技術(shù)瓶頸，極大地提高了工作效率，給傳統(tǒng)河道測(cè)繪帶來(lái)了全新的技術(shù)創(chuàng)新和變革。水上水下一體化測(cè)繪的精度能滿足水利水電工程中對(duì)大比例尺地形圖測(cè)繪的要求，是后續(xù)“數(shù)字河道”、“智能水庫(kù)”等決策信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是對(duì)“天空地海人”全方位解決方案的有效補(bǔ)充，具有一定的工程意義。

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Realization of Mapping System Integrated Both Up- water and Under- waterwith Multi- sensor Integration and Data Fusion

CHEN Ke，WANG Chong，WEN Ping，WU Jie，GUI Lin

(Power China Kunming Engineering Corporation Ltd, Kunming 650041, China)

The mapping system integrated both up- water and under- water provides an efficient and rapid solution for water- related survey works. The study background on multi- sensor integration and data fusion was presented firstly. The primary theory and methodology of mapping system integrated both up- water and under- water was stated detailedly. Based on project test data, the accuracy statistics and analysis on point cloud data were worked out precisely. It was demonstrated that the proposed integrated mapping system would be an efficient solution and could satisfy the specification requirement of water conservancy and hydropower engineering project applications.

integrated survey system; multi- sensor integration; multi- data fusion; shipborne; mobile mapping

2016- 06- 07；

2016- 09- 08 作者簡(jiǎn)介： 陳 科(1984—)，男，碩士，工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和3S集成應(yīng)用研究。E- mail：chenkecke@163.com

陳科，王沖，聞平,等.利用多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)水上水下一體化測(cè)繪[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(3)：76- 79.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0088.

P23

A

0494- 0911(2017)03- 0076- 04