船載水岸一體測量技術(shù)在碼頭改造工程中新應(yīng)用

管明雷，陳智鵬,，李清泉,，朱家松

(1. 深圳大學(xué)海岸帶地理環(huán)境監(jiān)測國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060；2. 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079)

近年來，隨著國家對海洋資源的持續(xù)開發(fā)與利用，海洋沿岸基礎(chǔ)設(shè)施的改擴(kuò)建工作也正緊鑼密鼓地進(jìn)行著。深圳港媽灣港區(qū)海星碼頭1#～4#泊位舊碼頭拆除工程實(shí)施過程中，需要對原碼頭樁柱進(jìn)行精密測量。為了防止在碼頭新建過程中，深底層保留樁柱對新建樁柱的影響，需要精準(zhǔn)計(jì)算保留樁柱部分的首尾點(diǎn)位和斜率。目前國內(nèi)外測量技術(shù)無法對淺地層以下直樁體進(jìn)行精確測量，因此在計(jì)算保留樁柱部分的樁首點(diǎn)位和斜率時，必須基于表地層以上樁柱的精密測量結(jié)果來計(jì)算表地層以下樁柱走向及其樁首點(diǎn)位。

本文采用船載綜合測量系統(tǒng)水上水下一體化測量技術(shù)對媽灣港1#～4#泊位樁柱進(jìn)行了水岸一體化高精度測量，通過利用激光掃描儀和多波束分別測量出水上、水下樁柱引水面點(diǎn)云圖。作業(yè)過程中采用高低潮位控制測量方法，使得水下、水上樁柱引水面點(diǎn)云圖存在公共拼接部分?；诟呔人纥c(diǎn)云絕對坐標(biāo)對水上、水下樁柱引水面點(diǎn)云進(jìn)行特征拼接，從而獲得樁柱引水面高精度絕對位置。然后根據(jù)引水面絕對位置和樁柱尺寸精準(zhǔn)計(jì)算出保留樁柱泥面以下部分的點(diǎn)位和斜率。通過對碼頭10個特征點(diǎn)進(jìn)行外符合精度驗(yàn)證，樁柱定位的水平絕對精度為9 cm，垂直絕對精度為8 cm。最后，將測量結(jié)果與新樁柱設(shè)計(jì)結(jié)果對比，結(jié)果表明：新舊樁柱在2#泊位存在一個樁柱發(fā)生碰撞，4#泊位存在10根樁柱新舊樁柱水平間隔小于10 cm，由于測量精度的限制，使得在施工過程中這10根新舊樁柱也可能發(fā)生碰撞。

1 水岸一體綜合測量系統(tǒng)

船載多傳感器水岸一體化綜合測量技術(shù)是近年來的一項(xiàng)新技術(shù)，通過統(tǒng)一測量坐標(biāo)系，避免由于水上、水下分步測量造成的地形拼接問題，工作效率和測量精度能夠達(dá)到相應(yīng)的規(guī)范要求[1-3]。水岸一體海岸帶測繪系統(tǒng)主要是由水下多波束測深系統(tǒng)、水上激光掃描系統(tǒng)、全景影像采集系統(tǒng)和船POS定位定向系統(tǒng)等硬件組成，依據(jù)成熟的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對多傳感器的同步控制、多數(shù)據(jù)源的同步采集。該綜合測量系統(tǒng)的思路是：通過將水上水下設(shè)備進(jìn)行固聯(lián)來確定水上激光掃描儀、水下多波束換能器與GNSS主機(jī)的距離關(guān)系，利用POS定位定向系統(tǒng)獲取測量船的實(shí)時的位置、姿態(tài)信息并為兩組測量傳感器提供連續(xù)、精確的位置和方向信息[4-6]。通過同步控制器對多傳感器進(jìn)行協(xié)同信息采集， 同時將測得的點(diǎn)位坐標(biāo)歸算到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)水岸上下一體化測量。

2 基于水岸一體綜合測量系統(tǒng)的碼頭樁柱測量

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

首先需要將各種設(shè)備固定到測量船上，同時保證各個測量單元為剛體固連。其安裝布設(shè)如圖1所示。

2.2 設(shè)備校準(zhǔn)

為了保證多波束系統(tǒng)與POS系統(tǒng)的精度，必須要保證兩個系統(tǒng)之間的時間與空間同步。一般時間同步可在硬件集成時解決。空間同步是由于安裝誤差，多波束換能器與POS定位定姿系統(tǒng)之間存在安裝誤差角，需要對誤差角(橫滾、俯仰和航向)進(jìn)行精確標(biāo)定，才能保證精度。采用將多次測線得到的多波束水底點(diǎn)云進(jìn)行拼接和最小二乘評查，估計(jì)安裝誤差角。具體來說，通過往返測線估計(jì)橫滾角和俯仰角誤差，通過同方向有部分重疊的測線估計(jì)方位角安裝誤差，通過不同速度的測線估計(jì)POS系統(tǒng)與多波束系統(tǒng)之間的時間誤差，如圖2、圖3所示。

2.3 測量采集

由于多波束條帶覆蓋角度為165°，船載三維激光掃描儀無法穿透水介層進(jìn)行測量，因此將多波束換能器采用正常方式安裝會導(dǎo)致水岸一體化測量結(jié)果中出現(xiàn)測量“盲區(qū)”。針對這一“盲區(qū)”，一般有兩種作業(yè)原則：一是利用潮位來控制測量，低平潮進(jìn)行水上潮間帶測量，高平潮進(jìn)行水下地形測量，然后再將水下水上結(jié)果進(jìn)行拼接，可大大減少潮間帶的測量“盲區(qū)”。二是將多波束換能器面岸方面水平方向上仰30°進(jìn)行水下地形傾斜測量，配合激光掃描儀進(jìn)行水上地形測量，實(shí)現(xiàn)了水上水下點(diǎn)云覆蓋無縫，從而有效地解決“盲區(qū)”測量問題。本文采用潮位控制測量方法。根據(jù)深圳媽灣半日潮潮位變化特點(diǎn)，選擇本月大潮日。平潮(高潮)貼近測量，多波束獲得水界面下樁柱點(diǎn)云；停潮(低潮)全景測量，船載激光獲取樁柱露出水面后點(diǎn)云。由于1#～4#泊位全長800 m，因此每次作業(yè)進(jìn)行了3次測量。將3次測量結(jié)果進(jìn)行對比融合，可以校驗(yàn)測量精度，并保證測量可靠性。

2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，需要首先對多波束系統(tǒng)的檢校參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。然后解算高精度POS軌跡，分別處理水下多波束和水上激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。多波束數(shù)據(jù)后處理使用CARIS對原始的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行分析，提取出測深數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行差值剔除、數(shù)據(jù)濾波、聲速剖面改正、潮位改正、數(shù)據(jù)合并與平滑等編輯[7-12]。結(jié)合POS系統(tǒng)提供的位置姿態(tài)及預(yù)標(biāo)定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，最終生成具有絕對坐標(biāo)的水下測深點(diǎn)云[13-15]。

水上樁柱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時提取海量激光點(diǎn)云的距離、平面角度和垂直角度，POS系統(tǒng)提供的位置姿態(tài)及預(yù)標(biāo)定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，經(jīng)過軟件后處理生成具有絕對坐標(biāo)的三維點(diǎn)云。最終測量成果為WGS-84坐標(biāo)系下水岸一體化激光點(diǎn)云及水下地形點(diǎn)云，然后將WGS-84坐標(biāo)系下測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成深圳獨(dú)立坐標(biāo)系[1,10,15]。

3 測量精度驗(yàn)證和成果分析

在精度評估過程中，水上部分采用RTK定位結(jié)果驗(yàn)證，標(biāo)記1#～4#泊位10個激光點(diǎn)云的特征角點(diǎn)，如圖4所示，采用RTK方法對其重定位，驗(yàn)證激光點(diǎn)云的外符合精度，見表1。

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船載水岸一體測量系統(tǒng)在作業(yè)過程中，由于聲速改正、姿態(tài)標(biāo)定和設(shè)備安裝的問題導(dǎo)致水下多波速實(shí)際測量精度不及水上激光測量精度。因此，采用水上激光點(diǎn)云為準(zhǔn)，根據(jù)高程值拼接水下多波速點(diǎn)云。

根據(jù)1#～4#泊位點(diǎn)云拼接結(jié)果，提取樁柱引水面中軸線。已知樁柱橫截面尺寸為60 cm×60 cm，因此，根據(jù)引水面中軸線位置和樁柱橫截面尺寸，利用CAD畫出舊樁柱實(shí)際水下位置圖。最后基于舊樁柱水下位置圖疊加新樁柱設(shè)計(jì)位置圖，比較新舊樁柱的點(diǎn)位情況。通過對1#～4#泊位新舊樁柱位置圖對比，發(fā)現(xiàn)2#2-36存在新舊樁柱碰撞的情況。

圖5為2#2-36號舊樁柱與新樁柱點(diǎn)位俯視圖。其中，圓形代表新建樁柱；方形表示舊樁柱，方形中間線為中軸線，方形樁柱左下方為樁柱頂端。通過俯視圖可以看出新舊樁柱會發(fā)生碰撞。通過計(jì)算得到，2#2-36號樁柱中軸線處與新樁柱在-12.5 m處相交，表明舊樁柱與新樁柱在此處可能發(fā)生碰撞。

此外，本次樁柱測量結(jié)果精度控制在10 cm，4#泊位存在部分新舊樁柱之間距離小于10 cm。以10 cm為判別標(biāo)準(zhǔn)，將新舊樁柱距離在10 cm以內(nèi)的樁柱統(tǒng)計(jì)出來。

本文以中誤差10 cm測量精度作為新舊樁柱點(diǎn)位判別標(biāo)準(zhǔn)，見表2，發(fā)現(xiàn)4#泊位存在4#1-1等10根樁柱與新樁柱之間最小距離在10 cm以內(nèi)。以測量精度作為判別標(biāo)準(zhǔn)，因此4#存在10樁柱與新樁柱可能發(fā)生碰撞。

表2 疑似問題樁柱點(diǎn)位值 cm

4 結(jié) 語

船載水岸一體綜合測量系統(tǒng)是多波束測深系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行集成化應(yīng)用的測量系統(tǒng)，是一種高度集成、高效率數(shù)據(jù)獲取方式，是對傳統(tǒng)海洋測量方式的有效補(bǔ)充，解決了目前依托水體的測繪應(yīng)用缺乏有效的采集設(shè)備和技術(shù)方案的現(xiàn)狀。我國領(lǐng)海、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的確定需要準(zhǔn)確的海島(礁)和大陸架海底地形作為海洋基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，水岸一體綜合測量系統(tǒng)為解決了海岸帶、海島礁、港口工程、水庫及水中構(gòu)筑物等的水上下一體化測量問題提供了有效的解決方案。同時，水岸一體綜合測量系統(tǒng)屬于快速移動測量技術(shù)，也是未來測量技術(shù)發(fā)展中，最具發(fā)展?jié)摿Φ臄?shù)據(jù)獲取方式。