水陸一體化三維測(cè)量時(shí)空基準(zhǔn)研究

甄冬松

關(guān)鍵詞：坐標(biāo)系統(tǒng)一、時(shí)間基準(zhǔn)

引言

激光和多波束點(diǎn)云水因有不同的參考基準(zhǔn)、比例尺和坐標(biāo)系統(tǒng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度也存在差異;并且內(nèi)陸水域一般多為不規(guī)則的形狀區(qū)域，水下地形與岸邊水上地形接邊處難以實(shí)現(xiàn)平滑拼接。在實(shí)際中水上與水下是互相連接的，然而在應(yīng)用中水下地形和陸地地形數(shù)據(jù)是兩部分，并未實(shí)現(xiàn)一體化應(yīng)用。因此，有必要對(duì)內(nèi)陸水下地形數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)繪以及整合，實(shí)現(xiàn)各種基準(zhǔn)空間數(shù)據(jù)的整合，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)地理信息的融合集成管理。

1 空間統(tǒng)一

1）三維激光掃描儀坐標(biāo)系

三維激光掃描儀坐標(biāo)系是自定義坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系的原點(diǎn)定義于三維激光掃描儀的發(fā)射中心，Z軸與極軸平行，方向垂直向上，與X軸構(gòu)成激光掃描面（XOZ面），Y軸垂直于XOZ 面。在進(jìn)行激光束掃描時(shí)，待測(cè)點(diǎn)P坐標(biāo)可由P點(diǎn)與掃描儀中心距離S、水平角、垂直角計(jì)算得出。

2）多波束測(cè)線坐標(biāo)系

由于多波束測(cè)深儀采用具有一定角度的扇形波束發(fā)射，多陣列回波信號(hào)接收

和多波束數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化及處理等技術(shù)。為了建立多波束測(cè)量水底地形點(diǎn)位的空間關(guān)系，進(jìn)行多波束測(cè)量波束的空間位置轉(zhuǎn)化，須首先建立多波束測(cè)量自身的參考坐標(biāo)系統(tǒng)。多波束坐標(biāo)系原點(diǎn)為換能器中心，發(fā)射的扇形波束面的每一根波束的角度固定且已知，由聲速及傳播時(shí)間，計(jì)算每個(gè)波束到達(dá)水底點(diǎn)位的斜距，進(jìn)而計(jì)算各波束位置及水深。

3）船載坐標(biāo)系

船載多傳感器綜合測(cè)量系統(tǒng)主要將三維激光掃描儀、多波束測(cè)深儀、GNSS、定姿定向系統(tǒng)等集成在測(cè)量船上，其基本思想是：系統(tǒng)通過傳感器穩(wěn)定平臺(tái)，將水上水下設(shè)備進(jìn)行固聯(lián)，用以確定掃描儀、多波束與GPS 的空間位置關(guān)系，從而將組合導(dǎo)航GPS /IMU 的實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)信息提供給激光掃描儀和多波束。通過船載多傳感器的協(xié)同信息采集，將測(cè)得的點(diǎn)位坐標(biāo)歸算到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。本次測(cè)量時(shí)，定姿定向系統(tǒng)固定在船艙內(nèi)部，處于整條測(cè)量船的中心位置。三維激光掃描儀固定在船艏。多波束測(cè)深儀固定在船右舷。以 Trimble R4 GPS接收機(jī)的中心位置建立了船參考坐標(biāo)系，利用全站儀、鋼尺測(cè)算了多波束、三維激光掃描儀、定姿定向系統(tǒng)等各傳感器相對(duì)于參考坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移量和水面與參考原點(diǎn)之間的高差，記入到多波束系統(tǒng)安裝、校準(zhǔn)綜合手簿、三維激光掃描儀文件參數(shù)和船型文件中。

水陸一體化測(cè)量系統(tǒng)集成了三維激光掃描儀、多波束測(cè)深儀、GNSS、OCTANS 和測(cè)船等設(shè)備，各傳感器均有其獨(dú)立的坐標(biāo)系，通過其相對(duì)位置關(guān)系確定，結(jié)合 GNSS 實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)、OCTANS 實(shí)時(shí)姿態(tài)及定向數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為該水陸一體化地理坐標(biāo)系。

三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)最終歸化到船載坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)式為

多波束系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)最終歸化到船載坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)式為

最后將船載坐標(biāo)系歸算到地理坐標(biāo)系

2 時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一

水陸一體化三維測(cè)量系統(tǒng)由多傳感器組成，為了將各傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確融合，除需各坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)正確時(shí)間也必不可少。時(shí)間同步一般有兩種方法：一種是時(shí)間延遲法;另一種是時(shí)間同步法。時(shí)間延遲法是基于時(shí)間延遲恒定不變的假設(shè)，會(huì)有一定誤差;時(shí)間同步法就是利用GPS的時(shí)間與1PPS不停地調(diào)整各傳感器的時(shí)間，使各傳感器的時(shí)間始終與GPS的時(shí)間保持同步。本次項(xiàng)目時(shí)間系統(tǒng)采用的是利用GPS的1PPS時(shí)間分別連接到多波束系統(tǒng)、定姿定向系統(tǒng)和三維掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的同步。

時(shí)間配準(zhǔn)的目的是讓每個(gè)激光掃描點(diǎn)都能得到測(cè)量該移動(dòng)站的實(shí)時(shí)坐標(biāo)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。由于GPS接收機(jī)的頻率為10Hz、定姿定向系統(tǒng)的頻率為50Hz和三維激光掃描儀的頻率為10KHz，多波束測(cè)深儀的頻率為200KHz且數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻并不互相重合，因此需要將頻率低的傳感器所采集的數(shù)據(jù)以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)向頻率高的傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插處理?？紤]到時(shí)間間隔小，采用加權(quán)平均值求取即可。通過GPS接收機(jī)的位置信息和定姿定向系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，便可以求取激光掃描儀和多波束測(cè)深儀的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

式中X為內(nèi)插值，L₁為插值區(qū)間起始時(shí)間的測(cè)量值，L₂為插值區(qū)間結(jié)束時(shí)間的測(cè)量值，K₁為插值時(shí)間與插值區(qū)間起始時(shí)間之差，K₂為插值時(shí)間與插值區(qū)間結(jié)束時(shí)間之差。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

項(xiàng)目組對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用示范，對(duì)水陸一體化采集系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)性測(cè)試。其中，系統(tǒng)水上部分采用LANDMark Marine三維激光掃描儀，最大測(cè)量距離為1700m，測(cè)量精度8mm，垂直掃描角度為30°～130°;系統(tǒng)水下部分采用多波束Seabat 7125SV2，最大量程500m，量程分辨率為1. 25cm，覆蓋寬度10°～160°，分為256 個(gè)波束。圖3.20給出了系統(tǒng)對(duì)團(tuán)泊東區(qū)別墅區(qū)附近的實(shí)驗(yàn)效果圖，利用水陸三維一體化測(cè)量系統(tǒng)，提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，減輕了作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，且成果豐富，應(yīng)用廣泛。

4.總結(jié)

通過水陸一體化三維測(cè)量技術(shù)研究，研制了船載水陸三維一體化綜合測(cè)量系統(tǒng)，提出了水陸地形無縫掃測(cè)方案及無需潮位觀測(cè)的多波束水深測(cè)量技術(shù)，給出了船載多源傳感器配置方案、校準(zhǔn)方法、坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一方法、測(cè)深和地形點(diǎn)云處理方法、多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合方法以及精度評(píng)估方法，形成了水上水下一體化測(cè)量的方法體系，取得了滿足規(guī)范要求的點(diǎn)云精度，克服了傳統(tǒng)測(cè)繪方法的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了河道帶狀地形圖的一體化移動(dòng)測(cè)量，為河道及灘涂三維地理信息要素的高精度、低成本、高效獲取提供了一種新途徑。

參考文獻(xiàn)

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