林曉彬,楊志敏
(1.福建省港航管理局勘測中心,福建 福州 350009;2.招商局(漳州)碼頭有限公司 ,福建 漳州 363105)
海洋是極具戰(zhàn)略意義的開發(fā)領(lǐng)域,隨著港口設(shè)施的快速發(fā)展,港口涉水工程的安全性和穩(wěn)定性越來越受關(guān)注。港口工程一般包括水上和水下結(jié)構(gòu),水下結(jié)構(gòu)長期受海洋潮流、泥沙、波浪的沖刷和腐蝕,以及船舶的碰撞等多種復(fù)雜載荷的疊加影響,導(dǎo)致水下結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)斷裂、破損、變形等現(xiàn)象,由于水下結(jié)構(gòu)的隱蔽性導(dǎo)致日常維護(hù)中難以發(fā)現(xiàn)這些細(xì)微的破損變形,進(jìn)而破損情況逐級嚴(yán)重,影響港口的安全運(yùn)營;同時(shí)水上結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢也對水下結(jié)構(gòu)的安全帶來影響,所以對港口工程水上水下結(jié)構(gòu)的檢測對港口的安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要[1]。
當(dāng)前,因受檢測條件限制,港口工程檢測通常采用水上和水下工程分別進(jìn)行,水上工程主要采用GNSS RTK、無人機(jī)遙感技術(shù)、三維激光掃描儀等,港口水下隱蔽工程結(jié)構(gòu)檢測常用的技術(shù)有無人遙控潛水器、多波束測深系統(tǒng)、水下三維聲吶成像系統(tǒng)等。水下高精度三維數(shù)據(jù)的獲取是水下結(jié)構(gòu)檢測的基礎(chǔ),而對涉水工程的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢監(jiān)測和評估又迫切需要水上水下高精度三維數(shù)據(jù)融合并進(jìn)行定量分析[2]。因此,研究一種水陸一體化,多種傳感器信息融合的檢測方法,建立水陸一體化高精度三維模型,對港口近海工程的檢測具有重要意義。
基于此,本文系統(tǒng)闡述了基于無人機(jī)LiDAR系統(tǒng)、SeaBat T50-P多波束測深系統(tǒng)、Bv5000-1350三維聲吶成像系統(tǒng)等多傳感器系統(tǒng)集成原理和數(shù)據(jù)融合方法,并在東海某濱海電廠防波提開展聯(lián)合測量研究,建立水陸一體化三維地貌模型,驗(yàn)證系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)融合的可行性,實(shí)現(xiàn)了對港口防波堤的三維可視化、定量分析,以期為防波堤建設(shè)和維護(hù)全生命周期管理體系的建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
多波束測深系統(tǒng)具有全覆蓋和高分辨率掃測的特點(diǎn),系統(tǒng)發(fā)射換能器通過聲波發(fā)射寬覆蓋的脈沖條帶,接收換能器以密集排列的窄波束定向接收,在與航跡垂直面上形成高分辨率數(shù)據(jù)[3];本文采用SeaBat T50-P寬帶超高分辨率多波束測深系統(tǒng),系統(tǒng)包括:PSP聲吶處理器、EM7128單寬頻接收/TC2181單寬頻發(fā)射換能器、iXSEA OCTANS光纖羅經(jīng)運(yùn)動(dòng)傳感器、聲速剖面儀、GNSS接收機(jī);SeaBat T50-P多波束系統(tǒng)能夠沿航跡發(fā)射512個(gè)1°的超窄波束且等角模式下掃角寬度達(dá)到165°,測深分辨率6 mm,工作頻率可根據(jù)作業(yè)需要從190~420 Hz實(shí)時(shí)選擇20多個(gè)工作頻率,系統(tǒng)具有波束聚焦及多點(diǎn)探測能力,在防波堤檢測作業(yè)中可以通過波束聚焦將512個(gè)波束聚合于防波堤處,并通過調(diào)整波束角度對防波提進(jìn)行傾斜和旋轉(zhuǎn)測量,確保作業(yè)船只與防波堤在一定安全距離情況下獲取水下精細(xì)地形數(shù)據(jù),SeaBat T50-P多波束測深系統(tǒng)示意見圖1。
圖1 SeaBat T50-P多波束系統(tǒng)構(gòu)成
三維全景聲吶成像系統(tǒng)利用美國BlueView公司研發(fā)的BV5000-1350三維聲吶系統(tǒng),系統(tǒng)集成掃描聲吶頭和云臺(tái),聲吶采用緊湊型低重量設(shè)計(jì),可安裝于三腳架及ROV設(shè)備,系統(tǒng)最小分辨率1.5 cm,最優(yōu)掃描距離1~20 m。BV 5000通過聲吶頭發(fā)射固定頻率聲波并經(jīng)目標(biāo)物反射后經(jīng)聲吶頭接收實(shí)時(shí)生成水下目標(biāo)的三維圖像,系統(tǒng)能夠在低能見度甚至零能見度區(qū)域獲取三維圖像并能夠與傳統(tǒng)陸地激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)無縫集成。全景聲吶成像系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)二維面陣實(shí)現(xiàn)垂直方向130°、水平方向360°大范圍掃測,直接獲取掃測目標(biāo)表面水平(X)、垂直(Y)、高度(Z)數(shù)據(jù);聲吶系統(tǒng)根據(jù)聲波反向散射獲得聲波傳播時(shí)間t和回波強(qiáng)度值,然后根據(jù)傳播時(shí)間、輸入的聲速值計(jì)算距離L,云臺(tái)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取波束的橫向角度觀測值α和縱向角度觀測值θ[4]。根據(jù)波束角度觀測值和距離觀測值計(jì)算三維聲吶波束腳印在儀器坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值:
XP=Scosβcosα;YP=Scosβsinα;ZP=Scosβ
圖2 三維成像聲吶BV5000 測量原理
機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)具有高精度、高效率、高密度、非接觸及全天候工作的優(yōu)點(diǎn),突破了傳統(tǒng)測繪儀器的局限。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)集成了GPS定位系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等成像設(shè)備[5],其中主動(dòng)傳感系統(tǒng)可以根據(jù)返回的脈沖式窄紅外激光束獲得地形地物的距離、坡度坡向、反射率等高分辨率信息,被動(dòng)光電成像系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取地形地物的高分辨率數(shù)字成像數(shù)據(jù),經(jīng)過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生成地面采樣點(diǎn)三維坐標(biāo)信息。本文采用AS-300HL多平臺(tái)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)、大疆經(jīng)緯M600無人機(jī)系統(tǒng)組成的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)(圖3)。AS-300HL多平臺(tái)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)激光發(fā)射頻率100 000點(diǎn)/s,測量范圍250 m,掃描頻率10~100 Hz,IMU更新頻率200 Hz;大疆經(jīng)緯M600無人機(jī)系統(tǒng)采用六旋翼布局,集成IMU、GNSS模塊,可靈活掛載多種任務(wù)載荷,具有飛行姿態(tài)平穩(wěn)、抗風(fēng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),滿足港口設(shè)施檢測作業(yè)全過程需要。
圖3 機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)
東海某新建濱海燃煤電廠,航道及港池為人工開挖形成,受水流及波浪影響,淤積嚴(yán)重。為防御波浪沖蝕岸線,阻攔泥沙,減少港內(nèi)淤積,保證港內(nèi)水深及水域平穩(wěn)拋設(shè)約1 km長防波堤。該防波堤采用大型的混泥土方塊、扭王字塊、四腳空心塊等按照固定擺放序列,加固堤岸,減小波浪對防波堤的沖擊力,維持港內(nèi)水域平穩(wěn);保護(hù)港區(qū)免受不良天氣影響,以便船舶安全航行與靠泊,減少港池內(nèi)部泥沙淤積,保護(hù)陸域及碼頭建筑物;減小電廠碼頭泊位的淤積速度,減輕波浪對電廠岸線的沖蝕力度。防波堤建設(shè)至今,多年來受到多次臺(tái)風(fēng)及風(fēng)暴潮侵襲,防波堤周圍海床,特別是堤頭附近海床受涌浪、海流等沖刷,水下地形發(fā)生較大變化,防波堤扭王字塊、四腳空心塊等人工塊體受到一定損壞。
為了更全面的掌握防波堤護(hù)體、海底地形變化情況及防波堤壩體的穩(wěn)定性,為電廠安全管理部門更全面、準(zhǔn)確地評估防波堤水下工程質(zhì)量情況,本文采用多波束測深系統(tǒng)、三維聲吶掃描系統(tǒng)、無人機(jī)激光雷達(dá)測量系統(tǒng)組成的多傳感器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用研究。
2.2.1陸上邊坡測量
為保證點(diǎn)云采樣密度和設(shè)備安全,外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中,設(shè)置相對航高70 m,激光采樣頻率320 kHz,IMU更新頻率200 Hz,飛行速度6 m/s,點(diǎn)云密度為300 pts/m2,為保證精度要求,起飛前和落地后均應(yīng)靜止觀測5 min,且為避免IMU誤差積累,起飛后在空中進(jìn)行IMU激活的飛行操作,之后進(jìn)入工程航線。無人機(jī)外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后應(yīng)及時(shí)檢查原始數(shù)據(jù)是否保存,若數(shù)據(jù)保存正常即可結(jié)束外業(yè)采集。
2.2.2水下邊坡測量
為了降低點(diǎn)云噪聲,多波束傳感器應(yīng)選擇在船長1/2處舷側(cè)安裝,換能器傾斜為15°或無旋轉(zhuǎn),應(yīng)盡可能避免在船尾安裝多波束傳感器;為精確測量多波束換能器的姿態(tài)數(shù)據(jù),光纖羅經(jīng)傳感器安裝于測船首尾線上,羅經(jīng)北方向指向船首;在多波束數(shù)據(jù)采集開始前應(yīng)先對多波束系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),在數(shù)據(jù)采集前必須進(jìn)行多波束系統(tǒng)校準(zhǔn)[6]?,F(xiàn)場測線布設(shè)根據(jù)防波堤及地形情況布設(shè),由于防波堤堤頭距離岸線最遠(yuǎn),三面均受波浪劇烈淘刷,受力情況較為復(fù)雜,所以現(xiàn)場測量時(shí)防波堤堤頭按10 m間隔進(jìn)行測線布設(shè);多波束數(shù)據(jù)采集過程中,采用波束傾斜旋轉(zhuǎn)功能混合采集,為保證防波堤坡面與坡底數(shù)據(jù)完全覆蓋,數(shù)據(jù)采集時(shí)將多波束換能器物理旋轉(zhuǎn)15°,測量船盡可能以勻速進(jìn)行。
2.2.3三維掃描聲吶數(shù)據(jù)采集
利用BlueView5000-1350聲吶掃描儀對多波束掃測后發(fā)現(xiàn)防波堤坍塌部位進(jìn)一步放大檢測,通過掃描儀對防波堤坍塌部位進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)多波束掃測結(jié)果獲取防波堤沖刷范圍,設(shè)計(jì)聲吶掃描儀測站和標(biāo)靶放置的位置。為保證相鄰測站數(shù)據(jù)的拼接精度,2個(gè)相鄰測站間必須要有不低于10%的重疊區(qū)域,并且相鄰測站應(yīng)包含3個(gè)及以上且不共線的同名標(biāo)靶。三維掃描聲吶數(shù)據(jù)采集過程中采用三腳架固定儀器確保掃描儀不因波浪沖擊而產(chǎn)生晃動(dòng),確保三維掃描聲吶數(shù)據(jù)采集精度。掃描開始前利用海鷹HY1200聲速儀測定聲速值,并輸入Proscan軟件,設(shè)置掃描方式、聲吶在水平方向上的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度。
2.3.1激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理
采用 Inertial Explorer對飛行軌跡數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)及系統(tǒng)所提供的各類參數(shù)和GNSS基站數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算,生成高精度定位定姿數(shù)據(jù)。然后利用 Inertial Explorer軟件進(jìn)行GNSS、INS數(shù)據(jù)融合處理,獲取高精度組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)[7]。解算流程見圖4。
圖4 Inertial Ex-plorer數(shù)據(jù)處理流程
利用CoPre將無人機(jī)激光掃描系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)、飛行軌跡數(shù)據(jù)、高精度導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,還原地形地物的三維空間坐標(biāo)及屬性,生成LAS格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)[8]。再利用Terrascan軟件進(jìn)行點(diǎn)云裁切,去噪和地面點(diǎn)分類,點(diǎn)云分類先利用軟件進(jìn)行自動(dòng)粗分類,然后再人機(jī)交互進(jìn)行精細(xì)分類。
為了檢核點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度,在測區(qū)利用RTK控制點(diǎn)采集功能采集特征點(diǎn)坐標(biāo),對研究區(qū)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證,選取點(diǎn)云中對應(yīng)地面特征點(diǎn)的點(diǎn)坐標(biāo),經(jīng)過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量見表1。
表1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)
2.3.2多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理
多波束測深系統(tǒng)在水下三維數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,采用加拿大Caris公司研發(fā)的專業(yè)多波束數(shù)據(jù)處理軟件Caris Hips 9.0編輯船型配置文件[9]、聲速剖面改正、潮位數(shù)據(jù)改正、刪除及噪點(diǎn)的粗差濾除、水底曲面生成、數(shù)據(jù)合并與平滑等編輯,生成格網(wǎng)化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中聲速剖面數(shù)據(jù)改正是為了將多波束數(shù)據(jù)采集過程中以波束角度和聲波傳播時(shí)間格式記錄的多波束原始觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為沿航跡垂直航跡及深度格式的數(shù)據(jù)。
2.3.3三維掃描聲吶數(shù)據(jù)處理
由于測量目標(biāo)反射特性的不均勻和三維聲吶掃描儀的特性,水下三維觀測數(shù)據(jù)中存在大量噪聲點(diǎn)、粗差點(diǎn)、冗余點(diǎn),對水下目標(biāo)的真實(shí)形態(tài)帶來干擾,因此需要點(diǎn)云濾波,然后利用QuickStitch軟件自動(dòng)分段處理、抽取及不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型構(gòu)造,生成三維模型[10]。在數(shù)據(jù)采集過程中三維掃描聲吶采用座底式測量,采集的數(shù)據(jù)為系統(tǒng)自身坐標(biāo)系,各掃描站之間需采用同名點(diǎn)匹配實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接,在拼接過程中采用最近點(diǎn)迭代(ICP)法實(shí)現(xiàn)初步拼接,然后采用Rieglscan Pro軟件提取同名點(diǎn)附近點(diǎn)云之間的拓?fù)潢P(guān)系,經(jīng)過多次迭代獲取精確的平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù),最后采用最小二乘法對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行加權(quán)分配,完成各測站點(diǎn)云的無縫拼接。
2.4.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合方法
測量水上水下均采用CGCS2000坐標(biāo)系,高斯3°帶投影,中央子午線120°,高程系統(tǒng)采用 1985國家高程系統(tǒng)。雖然水陸統(tǒng)一采用CGCS2000坐標(biāo)系,但受定位方式及測量環(huán)境的影響,兩者數(shù)據(jù)不能實(shí)現(xiàn)完全融合[11],由于多波束測量過程中聲速改正、姿態(tài)改正、潮位改正及設(shè)備安裝參數(shù)量取存在誤差,本次數(shù)據(jù)融合以機(jī)載激光為基準(zhǔn);因?yàn)槎嗖ㄊ鴾y深數(shù)據(jù)與機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)所采用的坐標(biāo)系、控制點(diǎn)均統(tǒng)一,首先將機(jī)載激光LAS點(diǎn)云數(shù)據(jù)與多波束點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入RiScan Pro中統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為LAS數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)地形數(shù)據(jù)初步配準(zhǔn),根據(jù)地形初步拼接結(jié)果,分別生成水陸交界區(qū)域的polydata,用于作為數(shù)據(jù)拼接的源數(shù)據(jù)。
因受潮水影響水下多波束點(diǎn)云與機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊區(qū)域位于水陸交界區(qū)域,特征點(diǎn)稀少,且不宜放置標(biāo)靶點(diǎn),重疊區(qū)域約占掃測面積的12.5%;根據(jù)地形實(shí)際本次融合采用迭代最近點(diǎn)(ICP)點(diǎn)云拼接算法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合,ICP點(diǎn)云拼接算法的基本模型為[12]:給定2個(gè)點(diǎn)云Ps和Pt,對兩點(diǎn)云間的變換矩陣進(jìn)行求解,使得:
(1)
式中R——旋轉(zhuǎn)矩陣;t——平移向量;Ps、Pt——源點(diǎn)云和目標(biāo)點(diǎn)云。
水下三維掃描數(shù)據(jù)因采用自身坐標(biāo)系[14],且水下三維掃描區(qū)域?yàn)槎嗖ㄊ鴴邷y后存在防波堤坍塌且較明顯區(qū)域,因此水下三維掃描數(shù)據(jù)與多波束、機(jī)載激光數(shù)據(jù)拼接先采用同名點(diǎn)進(jìn)行初始拼接,然后同樣采用上述迭代最近點(diǎn)(ICP)拼接方法,最后生成海陸地形全面精準(zhǔn)描述、海陸基準(zhǔn)統(tǒng)一的高精度三維模型。
2.4.2地形融合精度分析
為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)融合精度,校核點(diǎn)選擇防波堤拐角、扭王塊、礁石、沉船等水陸交界的明顯地物點(diǎn),采用統(tǒng)一坐標(biāo)系和高程基準(zhǔn)并在同一天內(nèi)利用GNSS RTK系統(tǒng)實(shí)測特征地物點(diǎn)坐標(biāo),與融合結(jié)果進(jìn)行對比分析;本次共采集37個(gè)特征點(diǎn),并隨機(jī)抽取10個(gè)作為樣本點(diǎn)進(jìn)行差值比對,精度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表2。
表2 融合精度統(tǒng)計(jì) 單位:m
根據(jù)上表可知,誤差隨機(jī)分布且符合正態(tài)分布規(guī)律[15],平面和高程誤差均小于0.15 m,根據(jù)《水運(yùn)工程測量規(guī)范》地形測量基本精度要求為圖上±0.6 mm,因此數(shù)據(jù)融合結(jié)果符合測圖精度要求。
2.4.3地形融合結(jié)果
地形融合結(jié)果(圖4)顯示,融合數(shù)據(jù)基本實(shí)現(xiàn)海陸全覆蓋。水下部分多波束點(diǎn)云覆蓋寬度約400 m,平坦區(qū)域海底高程約為-8.0 m,水上部分為三維激光點(diǎn)云成像,兩者完全拼接比例大于95%。
圖4 地形融合結(jié)果
根據(jù)三維圖像分析,整個(gè)防波堤堤頭護(hù)面、護(hù)腳塊體均存在不同程度滑落,受海浪潮水等自然因素影響,防波堤堤頭附近水流最大,沖刷最為嚴(yán)重[16],最遠(yuǎn)塊體距邊界約10 m。防波堤護(hù)面塊體近水端排列無序,受海床沖刷影響塊體局部滑落,坡腳受海浪水流沖刷呈現(xiàn)高低不均的起伏狀態(tài),地形的不連續(xù)及塊體滑落改變周邊的水流動(dòng)力場結(jié)構(gòu),導(dǎo)致邊坡侵蝕加劇。圖5顯示,防波堤西側(cè)因沉船影響局部水流動(dòng)力場變化形成明顯的沖刷坑,沖刷坑呈橢圓形,長約5 m,最深約3 m。根據(jù)激光三維掃描圖顯示,圖6出現(xiàn)塊體滑落,排序錯(cuò)亂。
a)沖刷坑
b)海床沖刷
通過三維成像聲吶可以獲取海底結(jié)構(gòu)物的位置、大小及分布范圍,更加直觀、清晰,從圖7中可以清晰的分辨出護(hù)腳塊體滑落、空洞現(xiàn)象,可以與多波束系統(tǒng)三維圖像相互比對和驗(yàn)證,為數(shù)據(jù)分析提供更有力的數(shù)據(jù)支撐。
a)空洞
b)塊體滾落
a)塊體滾落、空洞
b)塊體滑落
通過多傳感器信息融合,最終生成高精度水上水下三維模型,通過模型直觀、定量的展示水下構(gòu)筑物的海底沖刷情況,通過定量分析,及時(shí)為可能出現(xiàn)的情況提供數(shù)據(jù)支撐。后續(xù)通過定期觀測,將高精度三維地形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,揭示水下構(gòu)筑物附近沖刷坑的發(fā)育、變化規(guī)律,為水下構(gòu)筑物的維護(hù)管理提供依據(jù)。
詳細(xì)介紹了多傳感器信息融合技術(shù)的設(shè)備組成、試驗(yàn)原理和方法,并詳細(xì)描述了系統(tǒng)設(shè)備集成、數(shù)據(jù)采集和處理、多源數(shù)據(jù)融合,在港口水下結(jié)構(gòu)檢測中取得了理想的效果。
數(shù)據(jù)采集方式采用機(jī)載激光雷達(dá)、多波束、三維掃描聲吶等非接觸方式,有效規(guī)避了傳統(tǒng)測量方式的局限性,提高了測量效率和測量精度,通過數(shù)據(jù)融合獲取高精度水陸一體化的三維數(shù)據(jù)模型,可以準(zhǔn)確的分析水下結(jié)構(gòu)沖刷情況及陸上地形變化情況,對港口碼頭結(jié)構(gòu)檢測、橋墩及水下結(jié)構(gòu)檢測均有較好的適用性。但是,多傳感器集成系統(tǒng)尚且處于初級集成階段,儀器的安裝固定方式、定位精度及數(shù)據(jù)融合精度均會(huì)影響數(shù)據(jù)精度,因此,還需要依靠技術(shù)的進(jìn)步及規(guī)范化安裝設(shè)備,實(shí)現(xiàn)多傳感器的高度集成是后續(xù)研究中需要解決的技術(shù)難題。