無人船搭載雙頻單波束的河道水下地形三維模型構(gòu)建

摘要：城市內(nèi)陸河流是重要的排洪泄洪通道，獲取準(zhǔn)確的水下地形三維模型對(duì)排洪量準(zhǔn)確估算意義重大。針對(duì)傳統(tǒng)RTK測(cè)量?jī)?nèi)河水深點(diǎn)云密度低、深水區(qū)域難以獲取數(shù)據(jù)，淺水、未知等困難區(qū)域船基難以到達(dá)等問題，采用無人船搭載雙頻單波束同時(shí)獲取水下地形和淤泥層界數(shù)據(jù)，并給出了數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)內(nèi)插及三維建模的整體技術(shù)方案。在上海市閔行區(qū)某河道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)獲取和三維建模方法的有效性。

關(guān)鍵詞：無人船;水下地形;水下淤泥層;三維模型

0 ? ?引言

伴隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)張，自然環(huán)境惡劣變化，城市中內(nèi)陸河道的防洪、蓄洪、航運(yùn)等能力需要不斷地加強(qiáng)與改善，對(duì)內(nèi)河水體進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量與勘查對(duì)河道治理、疏通、排淤等后續(xù)決策工作意義重大[1-3]。三維立體真實(shí)感地形圖具備可視度高、使用方便等優(yōu)勢(shì)，得到了用戶和政府決策部門的青睞[4]。目前，傳統(tǒng)內(nèi)河河道水下地形多借助人工RTK測(cè)量，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、安全性差且獲取水深數(shù)據(jù)密度低;基于小型橡皮艇、竹筏或木船搭載聲學(xué)換能器的測(cè)量方法可獲取相對(duì)高的點(diǎn)云密度，但仍需人工作業(yè)，在水流湍急、地形變化復(fù)雜區(qū)域作業(yè)危險(xiǎn)性較高[5]。受河流沖積造成土壤遷移、沉積，人們?nèi)粘Ｉ钆盼?，采石挖沙等因素的影響，河道淤積現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)而帶來了河道變窄、改道等問題[6]。近年來，中國(guó)各路臺(tái)風(fēng)肆虐，異常天氣增多，當(dāng)洪水來臨時(shí)，內(nèi)陸河道排洪泄洪能力減弱，將影響人民群眾生命、財(cái)產(chǎn)安全。因此，有必要準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)陸河道水下地形及淤泥層界范圍，掌握河道變化情況，推估泄洪能力，進(jìn)行水情預(yù)報(bào)，為政府決策提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)、無人、自動(dòng)化是現(xiàn)代水下測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)，基于無人船技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，為解決內(nèi)河水下地形地貌測(cè)量面臨的上述難題提供了較好的解決方案。本文簡(jiǎn)要介紹了無人船測(cè)量系統(tǒng)、水下地形及淤泥層界測(cè)量、水下三維模型構(gòu)建方法等關(guān)鍵技術(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

1 ? ?關(guān)鍵技術(shù)

1.1 ? ?無人船測(cè)量系統(tǒng)

無人船測(cè)量系統(tǒng)利用其搭載的多種高精度傳感儀器，進(jìn)行內(nèi)陸河道區(qū)域水下測(cè)量工作，具有無人化、集成化、自動(dòng)化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。測(cè)量型無人船多搭載兩個(gè)系統(tǒng)：（1）遙控?zé)o人測(cè)量船子系統(tǒng)，包括動(dòng)力系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、船上控制系統(tǒng)、測(cè)量聲學(xué)設(shè)備和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等;（2）岸基控制子系統(tǒng)，通過無線傳輸協(xié)議，實(shí)時(shí)接收、分析、處理和顯示遙測(cè)船體發(fā)送的數(shù)據(jù)，控制測(cè)量船路線或手動(dòng)走線測(cè)量[7]。無人船測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航和智能避障，同時(shí)可以對(duì)工作狀態(tài)、航姿、任務(wù)狀態(tài)及測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。本次使用的無人船測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 ? ?水下地形及淤泥層界測(cè)量

目前，水下地形測(cè)量主要采用GNSS獲取測(cè)深點(diǎn)的平面坐標(biāo)及水面高程，配合水下測(cè)深儀器同步采集水深。其中水下測(cè)量?jī)x器主要分為多波束測(cè)深系統(tǒng)和單波束測(cè)深儀兩種，影響其測(cè)深精度的因素主要包括測(cè)量平臺(tái)姿態(tài)變化、換能器吃水、聲速、水位、測(cè)深儀器本身系統(tǒng)誤差等[8]。

雙頻單波束測(cè)深儀其低頻具備穿透淤泥層的測(cè)量功能，可測(cè)得河底淤泥下表層點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，即低頻回聲測(cè)深值（h_LF）;高頻數(shù)據(jù)返回自河底表層，可認(rèn)為得到淤泥上表層點(diǎn)狀數(shù)據(jù)，即高頻回聲測(cè)深值（h_HF），同時(shí)獲取河底地形。因此，利用高低頻測(cè)深值的差值即可得到淤泥層的厚度：dh=h_LF-h_HF。

考慮內(nèi)陸河道測(cè)量環(huán)境、要求和無人船搭載載荷限制，建議內(nèi)陸河道水下地形測(cè)量采用單波束測(cè)深儀。因此，內(nèi)陸河道若同時(shí)測(cè)量水下地形及淤泥層界，可基于雙頻單波束完成。

1.3 ? ?水下三維模型構(gòu)建

數(shù)據(jù)采集完畢后，水下三維模型構(gòu)建主要包括如下幾個(gè)步驟：

（1）異常數(shù)據(jù)濾波，剔除明顯的噪聲點(diǎn)。

（2）選擇模型。目前水下常用DEM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為規(guī)則方格網(wǎng)和不規(guī)則方格網(wǎng)（TIN），規(guī)則格網(wǎng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與遙感影像數(shù)據(jù)有相合性及表面分析功能良好等優(yōu)點(diǎn)，但存在計(jì)算效率低、數(shù)據(jù)冗余及格網(wǎng)結(jié)構(gòu)規(guī)則等限制;TIN網(wǎng)具有較少的點(diǎn)即可獲取較高的精度，具有可變分辨率及良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，但TIN網(wǎng)存在表面分析能力差、構(gòu)建繁瑣費(fèi)時(shí)、算法設(shè)計(jì)比較復(fù)雜等缺點(diǎn)[9]。在實(shí)際應(yīng)用中具體使用哪種結(jié)構(gòu)，一般由以下幾個(gè)因素決定：模型的應(yīng)用目的、數(shù)據(jù)的可獲取性、是否考慮特征點(diǎn)、圖形的比例尺及分辨率等。

（3）數(shù)據(jù)內(nèi)插。為保證建模數(shù)據(jù)量，需對(duì)格網(wǎng)構(gòu)建后的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插，目前常用的內(nèi)插算法有反距離加權(quán)法、克里格內(nèi)插法及樣條函數(shù)內(nèi)插法等等[9]。

（4）建模成圖，可以基于OpenGL自己開發(fā)三維重建及成圖軟件，考慮工程應(yīng)用也可直接基于3d-max等商業(yè)軟件進(jìn)行模型建立和紋理貼圖處理[10]，三維模型的可靠性和美觀程度取決于紋理制作的好壞以及紋理粘貼位置的精確度。

2 ? ?實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 ? ?實(shí)驗(yàn)區(qū)域及設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域選取在上海市閔行區(qū)某河道。本次實(shí)驗(yàn)中采用的主要設(shè)備有：無人船測(cè)量系統(tǒng)SE40、測(cè)深儀（HY1602/SDE-

28D）、GNSS接收機(jī)（美國(guó)天寶光譜/SP80）、電腦兩臺(tái)。

2.2 ? ?采集過程

（1）前期收集測(cè)區(qū)附近的國(guó)家三等水準(zhǔn)點(diǎn)資料，獲取控制點(diǎn)（平面及高程）數(shù)據(jù)、測(cè)區(qū)范圍（基于GPS-RTK分別獲取測(cè)區(qū)兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)）;同時(shí)租用船只沿河道實(shí)地踏勘，詳細(xì)了解測(cè)區(qū)環(huán)境和河道水面及水下情況。

（2）工作人員根據(jù)作業(yè)規(guī)范、技術(shù)要求和踏勘所得情況，內(nèi)業(yè)詳細(xì)確定外業(yè)數(shù)據(jù)采集方案，具體包括：

1）基于雙頻單波束測(cè)深儀獲取水深及淤泥層數(shù)據(jù)。

2）根據(jù)測(cè)區(qū)范圍，設(shè)計(jì)無人船測(cè)量斷面計(jì)劃線，計(jì)劃線基本垂直于河道水流方向。

3）無人船斷面航行間距為5 m，船速一般在4～6節(jié)，水下測(cè)量數(shù)據(jù)采集間隔為1 m一個(gè)點(diǎn);測(cè)線間轉(zhuǎn)彎時(shí)適當(dāng)減速，減小船體的傾斜引起的測(cè)量誤差。

4）為避免無人船碰撞淺石及岸邊石塊，租用木船，工作人員劃木船隨無人船測(cè)量，當(dāng)情況復(fù)雜時(shí)，改變無人船作業(yè)模式為手動(dòng)控制;測(cè)量過程中時(shí)刻關(guān)注水深測(cè)值的異常，當(dāng)出現(xiàn)測(cè)值缺失或其跳躍幅度較大時(shí)應(yīng)及時(shí)停止船舶的前進(jìn)，檢查儀器運(yùn)行情況。

（3）基于上述作業(yè)方案，測(cè)量得到測(cè)區(qū)原始水深及淤泥層界數(shù)據(jù)，當(dāng)天對(duì)完成的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)檢查和處理;對(duì)發(fā)現(xiàn)存在的問題及稀疏測(cè)線區(qū)域，第二天進(jìn)行重測(cè)及加密測(cè)量。

（4）對(duì)測(cè)量所得結(jié)果進(jìn)行分類整理和歸檔，獲取河道的原始測(cè)量水深及淤泥層界數(shù)據(jù)。

2.3 ? ?水下模型構(gòu)建和無人船測(cè)量精度分析

（1）對(duì)測(cè)量所得水深、淤泥層界數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波;聯(lián)合無人船GNSS定位、船體吃水、換能器距離水面高度和水深數(shù)據(jù)計(jì)算所得水面、水底及淤泥層下界的絕對(duì)高程數(shù)據(jù)（吳淞高程），水底與淤泥層下界的高程數(shù)據(jù)在CAD中需分層處理，整理并生成帶有高程屬性的CAD等高線或者高程點(diǎn)。

（2）針對(duì)水下測(cè)量的特殊性和復(fù)雜性，展現(xiàn)水下地形地貌趨勢(shì)。數(shù)字高程模型（DEM）按照數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式主要分為兩種：不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）和規(guī)則格網(wǎng)，TIN采用離散數(shù)據(jù)點(diǎn)生成的連續(xù)的不重疊的不規(guī)則三角網(wǎng)來表示地形，本次選取河道范圍小，河底地形相對(duì)起伏變化明顯，因此采用TIN可以構(gòu)建出較多的三角形，能夠精細(xì)地反映地形特征。

基于ArcGIS軟件生成數(shù)字高程模型（DEM）：1）將導(dǎo)入的等高線或高程點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS可編輯的Shapefile文件;2）進(jìn)一步整理、檢查、修正Shapefile文件中的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;3）使用整理好的Shapefile生產(chǎn)數(shù)字高程三角模型TIN文件;4）將TIN文件轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)字高程模型DEM文件。本次河道的水下數(shù)字高程模型（DEM）如圖2所示。

（3）對(duì)數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行立體化處理，基于ArcScene軟件進(jìn)行三維建模，并對(duì)模型和貼圖進(jìn)行修改和美化，最終形成三維模型。本次河道的水下三維模型如圖3所示。

（4）外業(yè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性直接決定著構(gòu)建模型的可靠性，為驗(yàn)證無人船測(cè)量結(jié)果，本次采用人工手段利用網(wǎng)絡(luò)RTK的方式，去復(fù)核數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)無人船的測(cè)量成果，實(shí)地測(cè)設(shè)部分?jǐn)?shù)據(jù)，本次共測(cè)設(shè)并復(fù)核54個(gè)無人船數(shù)據(jù)?；赗TK水下地形（吳淞高程）測(cè)量散點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，對(duì)無人船測(cè)量結(jié)果（吳淞高程）進(jìn)行同精度比較驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，基于無人船搭載雙頻單波束可獲取高精度的水下地形測(cè)量結(jié)果。

3 ? ?結(jié)論與建議

本文基于無人船搭載雙頻單波束實(shí)現(xiàn)了河道地形及淤泥層數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取，并給出了三維模型構(gòu)建流程，得到了水下三維地形及淤泥層模型，為后續(xù)相關(guān)類型項(xiàng)目作業(yè)實(shí)施和數(shù)據(jù)處理提供了作業(yè)指導(dǎo)和技術(shù)支撐。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)無人船測(cè)量系統(tǒng)存在和亟需解決的問題如下：

（1）通信問題。內(nèi)陸河道大都彎曲變化復(fù)雜且兩旁多為樹林密集區(qū)域，岸基和無人船系統(tǒng)的通信時(shí)常中斷，導(dǎo)致測(cè)量失敗，此時(shí)，解決辦法為移動(dòng)岸基天線，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

（2）避碰技術(shù)。雖然采用了無人船的避碰和航線自主規(guī)劃功能，但內(nèi)陸河道多存在暗石，水下地形變化復(fù)雜，岸邊操控存在視覺盲區(qū);實(shí)際作業(yè)時(shí)大部分區(qū)域仍然租用船只，操控手基于母船遙控?zé)o人船完成測(cè)量，一定程度上增加了作業(yè)成本和降低了效率。

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收稿日期：2020-02-25

作者簡(jiǎn)介：王慶洋（1985—），男，上海人，工程師，研究方向：測(cè)繪測(cè)量設(shè)計(jì)。