水陸一體化掃測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)江中游河段河道地形測(cè)量中的應(yīng)用研究

，　，(. 華東測(cè)繪地理信息有限公司，杭州　30000；. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，武漢　430000)

1　概　述

傳統(tǒng)的河道勘測(cè)手段都是通過人工外業(yè)RTK或者全站儀測(cè)量，存在測(cè)量效率低、危險(xiǎn)系數(shù)高、成果單一等缺點(diǎn)。隨著測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，航空攝影測(cè)量、激光雷達(dá)測(cè)量、三維激光掃描測(cè)量、多波束掃測(cè)等新技術(shù)發(fā)展日趨成熟，為提高長(zhǎng)江中游河道的測(cè)量技術(shù)水平，中游局對(duì)這些先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了反復(fù)研究，開展對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工作，為找到一種既適合長(zhǎng)江中游河道地形特點(diǎn)又能大力提高生產(chǎn)效率的測(cè)量手段提供決策依據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)將三維激光掃描系統(tǒng)與多波束測(cè)深系統(tǒng)[1]進(jìn)行整合，形成河道陸域地形與水域地形一起掃測(cè)的水陸一體化測(cè)量系統(tǒng)。

2　數(shù)據(jù)采集

2.1　實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇及測(cè)線布設(shè)

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)選在武漢河段，河段情況如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)位置圖

測(cè)線順?biāo)鞣较虿荚O(shè)，為避免產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，三維激光掃描測(cè)線選擇在近岸100m左右。

2.2　多波束測(cè)深

2.2.1儀器設(shè)備準(zhǔn)備

本次施測(cè)的儀器設(shè)備為RESON SeaBat7125多波束測(cè)深系統(tǒng)，定位設(shè)備為Trimble SPS461，運(yùn)動(dòng)傳感器為光纖羅經(jīng)Octans。

2.2.2水深測(cè)量

①校準(zhǔn)測(cè)量

多波束測(cè)深系統(tǒng)安裝好后，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安裝誤差的校正，它包括GPS定位羅經(jīng)、GPS運(yùn)動(dòng)傳感器的校正以及多波束水下探頭安裝姿態(tài)的動(dòng)態(tài)校正。橫搖、縱揺、艏向和延時(shí)4個(gè)方面。由于RESON SeaBat7125多波束測(cè)深系統(tǒng)直接接入了1PPS信號(hào)，因此主要校核橫搖、縱搖、艏向3個(gè)參數(shù)[2]。

②校準(zhǔn)計(jì)算

根據(jù)安裝偏差角相互影響程度大小和校準(zhǔn)方法，確定不同的校準(zhǔn)順序。由于在平坦地形進(jìn)行橫向校正不受其他偏差的影響，即橫搖偏差校準(zhǔn)獨(dú)立于其他校正，故應(yīng)予首先進(jìn)行。艏向偏差對(duì)縱搖偏差的影響最小，應(yīng)先于縱搖校準(zhǔn)，最后進(jìn)行縱搖測(cè)定。每一項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)都需要在特定的水下地形進(jìn)行，經(jīng)過外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)處理后計(jì)算才能完成。由于受潮位和聲速的變化，可能會(huì)對(duì)多波束校準(zhǔn)產(chǎn)生影響。本次多波束參數(shù)的校正時(shí)間是在白天的落潮穩(wěn)定時(shí)段，此時(shí)能夠?qū)⒊蔽缓吐曀俚挠绊懡档阶畹?，本次校?zhǔn)計(jì)算結(jié)果Roll=0.73、Pitch=4.31、Yaw=13.36。將改正參數(shù)輸入多波束測(cè)深系統(tǒng)，不定時(shí)對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行檢查，保證多波束測(cè)深數(shù)據(jù)的正確性[3]。

③多波束測(cè)深

系統(tǒng)測(cè)深過程中，天氣良好，沒有測(cè)出的橫搖或縱傾超過補(bǔ)償精度范圍的情況發(fā)生。多波束測(cè)深前進(jìn)行聲速剖面測(cè)量，本系統(tǒng)聲納探頭位于測(cè)船左舷位置，采用固定安裝方式，探頭安裝牢固、受噪聲干擾小。

將預(yù)先布置好的主測(cè)線導(dǎo)入測(cè)量軟件中進(jìn)行導(dǎo)航。當(dāng)遇有船只或者水下異物擋住波的發(fā)射，產(chǎn)生空塊時(shí)，均進(jìn)行了補(bǔ)測(cè)。在線測(cè)量時(shí)，均使用小舵角修正航向，避免急轉(zhuǎn)彎。在船調(diào)頭時(shí)均提前結(jié)束測(cè)線，等船調(diào)好頭后再上線，保證線上需用數(shù)據(jù)的完整性。

整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程中，GPS衛(wèi)星信號(hào)及數(shù)傳信號(hào)良好，河床掃測(cè)條帶回波信號(hào)呈像清晰，系統(tǒng)通過外接表面聲速儀(RESON SVP 70)實(shí)時(shí)改正換能器表面聲速，修正波束指向角度，提高精度。輸入GPS 1PPS信號(hào)可使各設(shè)備UTC時(shí)間同步，避免因時(shí)間延遲降低測(cè)量精度。水下掃測(cè)點(diǎn)距平均約0.3m，掃測(cè)覆蓋測(cè)區(qū)范圍，測(cè)點(diǎn)重復(fù)度良好。

測(cè)量結(jié)束后，再次核對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，及時(shí)將外業(yè)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至內(nèi)業(yè)軟件能使用的數(shù)據(jù)格式，記錄簽字后，交付內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用[4]。

2.3　三維激光掃描測(cè)量

本次施測(cè)的儀器設(shè)備為Rigel VZ-400激光掃描測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了激光雷達(dá)掃描儀、高精度的POS系統(tǒng)(GPS/IMU)和計(jì)算機(jī)控制單元，具有集成度高、采集效率高、數(shù)據(jù)精度高、使用限制少、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、快速拆裝等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集過程包括基站架設(shè)、采集準(zhǔn)備、初始化準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、結(jié)束和數(shù)據(jù)拷貝。

3　數(shù)據(jù)處理

3.1　多波束數(shù)據(jù)處理

對(duì)于多波束測(cè)得的水深數(shù)據(jù)，采用CARIS HIPS 9.1內(nèi)外業(yè)一體化軟件進(jìn)行處理，由5個(gè)功能強(qiáng)大的模塊組成：(1)設(shè)備校準(zhǔn)模塊；(2)水深編輯模塊；(3)GPS位置編輯模塊；(4)DTM模型網(wǎng)格模塊；(5)網(wǎng)格拼接模塊。其基本流程為：波束水深編輯-校正系統(tǒng)偏移值-加入聲速計(jì)算-加入水位計(jì)算-建立數(shù)據(jù)格網(wǎng)模型-拼接數(shù)據(jù)-內(nèi)插格網(wǎng)點(diǎn)位-輸出網(wǎng)格點(diǎn)位。數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，軟件輸出不同格網(wǎng)密度的水下測(cè)點(diǎn)高程，用于制作地形圖。

3.2　三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

3.2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括POS解算、激光處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。其中：POS解算生成PosT文件，可按時(shí)間輸出載體的位置、姿態(tài)信息；激光處理則對(duì)原始激光文件進(jìn)行解碼，并對(duì)激光點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到WGS-84坐標(biāo)系下的LAS格式點(diǎn)云；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是根據(jù)用戶需求，將點(diǎn)云成果轉(zhuǎn)換到工程獨(dú)立坐標(biāo)系下[5]。

3.2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理

點(diǎn)云后處理包括點(diǎn)云抽稀、噪點(diǎn)剔除、濾波分類等，數(shù)據(jù)通過精細(xì)分類后，剔除了植被點(diǎn)、噪聲點(diǎn)、建筑物點(diǎn)等地物點(diǎn)，獲得精準(zhǔn)的地面點(diǎn)，并提取出保留了特征地形的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)[6]。

3.2.3地形圖制作

地形圖制作主要包括高程點(diǎn)、等高線的生成以及地物繪制。利用地面點(diǎn)繪制等高線，最后再對(duì)其進(jìn)行修飾，可以制作出高精度的數(shù)字高程模型DEM產(chǎn)品，針對(duì)需要繪制地物的區(qū)域，基于CAD軟件導(dǎo)入點(diǎn)云，進(jìn)行地物繪制，最終形成完整的1∶2000帶狀地形圖。

4　精度分析

4.1　測(cè)深精度分析

為了檢驗(yàn)多波束的測(cè)深精度，在實(shí)驗(yàn)區(qū)同步測(cè)了一些單波束水深數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，選取單波束測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和高程作為真值，由于對(duì)比水深數(shù)據(jù)太多，現(xiàn)只展示部分結(jié)果，對(duì)比結(jié)果如表1。

根據(jù)表1可知：|ΔXmax|=6cm,|ΔYmax|=5.0cm,|ΔHmax|=19.4cm。通過計(jì)算X坐標(biāo)較差中誤差為3.4cm，Y坐標(biāo)較差中誤差為1.8cm，高程較差中誤差為7.5cm。在本次試驗(yàn)中，X、Y坐標(biāo)誤差均在5cm以內(nèi)，可以認(rèn)定單波束測(cè)點(diǎn)和多波束測(cè)點(diǎn)為同一測(cè)點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)過程中單波束測(cè)深和多波束測(cè)深存在時(shí)間差、水下地形自身存在沖刷、作業(yè)習(xí)慣、數(shù)據(jù)處理方法等因素，導(dǎo)致高程較差中誤差略大，多波束測(cè)深基本滿足河道測(cè)量規(guī)范，應(yīng)用于水下測(cè)量是完全可行的。

為了檢驗(yàn)測(cè)深數(shù)據(jù)整體吻合性，對(duì)多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)斷面與單波束斷面進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2和圖3所示。

表1　單波束、多波束測(cè)點(diǎn)精度對(duì)比

圖2　多波束與單波束斷面

圖3　多波束與單波束斷面

從斷面圖可以看出，多波束斷面和單波束斷面基本一致，由于單波束測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，河底少許坑洼的地形未顯示出來，而多波束測(cè)點(diǎn)密集，能夠更加精確直觀地反映出河底地形，這是多波束測(cè)深所具備的優(yōu)勢(shì)。

4.2　三維激光掃描精度

在進(jìn)行船載三維激光掃描測(cè)量近岸地形的同時(shí)，用RTK對(duì)局部特征點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比測(cè)量，選取二者同一位置的8個(gè)測(cè)點(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，結(jié)果如表2所示。

在本次試驗(yàn)中，把RTK所測(cè)的點(diǎn)的坐標(biāo)當(dāng)做真值，從表2可以看出，ΔXmax=8.6cm,ΔYmax=4.0cm,ΔHmax=6.7cm，大部分測(cè)點(diǎn)平面差值和高程差值均在±5cm以內(nèi)。計(jì)算三者的中誤差分別為Mx=4.18cm,My=2.58cm,Mz=3.93cm，在地形圖繪制時(shí)，根據(jù)河道測(cè)量規(guī)范，檢測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)中誤差小于5cm，可以認(rèn)定RTK測(cè)點(diǎn)和三維激光測(cè)點(diǎn)為同一測(cè)點(diǎn)，高程中誤差小于5cm，能夠達(dá)到繪制地形圖的要求，滿足一般測(cè)圖的需要，應(yīng)用于地形測(cè)量完全可行。

表2　三維激光掃描與RTK測(cè)量值對(duì)比

5　成果展示

5.1　點(diǎn)云成果

圖4　三維激光掃描點(diǎn)云成果

圖5　多波束點(diǎn)云成果

5.2　DEM和DLG成果

利用三維激光掃描與多波束測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以生成DEM，如圖6所示，輸出的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以制作出DLG成果，如圖7所示。

圖6　實(shí)驗(yàn)段DEM成果

圖7　實(shí)驗(yàn)段DLG成果

6　總　結(jié)

實(shí)驗(yàn)通過集合三維激光掃描設(shè)備和多波束測(cè)深設(shè)備，形成以測(cè)船為載體的水陸一體化掃測(cè)系統(tǒng)，在武漢河段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)云處理、DEM、DLG數(shù)據(jù)制作進(jìn)行了全面摸索，獲得了客觀全面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)在長(zhǎng)江中游河段掃測(cè)運(yùn)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)速度快、精度高。水陸一體化掃測(cè)系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)不同于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的單點(diǎn)定位方式，全自動(dòng)高精度測(cè)量，進(jìn)而得到完整的、全面的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這種方法采用非接觸測(cè)量，速度快、精度高、真實(shí)還原，能反映出微觀地形。

(2)成果更豐富。水陸一體化掃測(cè)系統(tǒng)外業(yè)采集完成后，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)生成高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、DLG數(shù)據(jù)，成果種類更豐富。

(3)DLG生產(chǎn)更方便。使用高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速進(jìn)行矢量生產(chǎn)。

同時(shí)，也存在以下不足：

(1)激光器受植被的影響，對(duì)于河道植被覆蓋率高的區(qū)域仍然獲取不了有效數(shù)據(jù)。

(2)無合適的外業(yè)軟件在一個(gè)界面里同時(shí)采集三維激光掃描數(shù)據(jù)和多波束測(cè)深數(shù)據(jù)，都是靠后期內(nèi)業(yè)拼接完成。

(3)本次測(cè)量沒有在三維激光掃描上同步加載全景攝像鏡頭，無法獲取全景影像資料。

參考文獻(xiàn)：

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