無人船水上水下一體化測量系統(tǒng)在水域調查測繪中的應用

嚴佩娟 許軍明

（1.寧波市鄞州區(qū)水利水電勘測設計院，浙江 寧波 315000；2.浙江省工程勘察設計院集團有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

為了發(fā)揮和維護水域在供水、防洪、排澇、生態(tài)環(huán)境等方面的作用，全面推進水域監(jiān)管數字化轉型，浙江省開展了新一輪水域調查工作。水域調查需要測繪池塘、水庫、河道、山塘、湖泊、蓄滯洪區(qū)、人工水道等水域及其岸基空間數據和基礎信息[1]。常規(guī)水域調查測繪需將水上和水下部分分開作業(yè)，水下測量一般借助于載人或無人測量船搭載單波束和多波束測深儀、側掃聲吶設備采集水深數據；水上部分通常采用航空攝影測量或全野外數字化測繪技術成圖。這種水上水下分開作業(yè)的方式存在工作效率低、勞動強度大、坐標基準不統(tǒng)一、精度不一致，以及水陸交接處通常留有大量施測盲區(qū)，測量成果難以實現(xiàn)水陸地形的無縫拼接等弊端[2]。近年來，智能無人船艇技術的發(fā)展日趨成熟，由其搭載多種高精度傳感器進行水上水下一體化地理信息數據采集成為現(xiàn)實。該技術可以快速、高精度地獲取水下及水陸交界處地物地形的三維點云數據，再利用專業(yè)軟件進行融合處理，可實現(xiàn)水上水下一體化成圖，已廣泛應用于三維航道掃測、海岸帶、湖泊水庫、壩體、岸堤、河流港口調查等領域。

2 系統(tǒng)組成

以武漢世隆科技有限公司生產的SL-M 多波束3D雙體無人船移動水文測繪系統(tǒng)為例，集成激光采集系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)、導航與定位GNSS 設備等多種傳感器，實現(xiàn)水上水下一體化的數據采集、數據建模和數據處理，系統(tǒng)構成如圖1 所示。

圖1 無人船水上水下一體化測量系統(tǒng)構成

（1）無人船系統(tǒng)。無人船系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的載體，船體采用穩(wěn)定性高的雙體船設計方式，使用三維電子陀螺儀測定船體實時三維姿態(tài)，通訊組件、動力及驅動模塊、導航與定位GNSS 設備及姿態(tài)測量與控制模塊通過串口、RJ45 或自定義協(xié)議與ARM 嵌入式控制模塊相連接[3]。ARM 控制模塊通過計算當前位置與規(guī)則線差異，調整兩電機的速度，從而實現(xiàn)對船只的控制，控制準則結合國家對水下地形測繪等范圍的要求，保證測量數據的有效性。ARM 控制模塊可讀取、記錄三維電子陀螺儀的實時數據用于航向控制，同時通過歸算改正GNSS 接收天線與傳感器間的偏距。ARM 控制模塊可實現(xiàn)人工手動控制、實時規(guī)劃線、目標點自動控制及無鏈接自主測量控制四種模式。無人船支持兩套通訊模式，一是基于WiFi 的兩公里短距離通訊模式，該模式可支持豐富的圖像和音頻實時通訊，二是10 公里長距離電臺通訊模式。岸基控制平臺可通過通訊設備向ARM 控制模塊發(fā)送指令，下達測量任務或走行命令。

（2）數據采集系統(tǒng)。數據采集系統(tǒng)是無人船測量系統(tǒng)的核心，測量人員通過操控岸基控制平臺，系統(tǒng)即可自動采集并記錄水下水上點云數據[4]。系統(tǒng)同時搭配先進的三維激光掃描儀、多波束測深儀、組合導航系統(tǒng)，其中三維激光掃描儀整體性能達到水上100 萬點頻，掃描距離最遠可達1000m，精度可達4cm@500m，且可提供100°開角的掃描視場，能夠滿足水上復雜作業(yè)情況的需要。多波束測深儀可達到水下300 米的測深范圍，姿態(tài)橫滾和俯仰精度達到0.005°，航向角精度達到0.015°，多波束探頭可整體偏轉30°，提高水下點云數據采集的覆蓋度，保障水上水下點云拼接的一致性，并能精細化反映水下地形及構筑物的紋理。組合導航系統(tǒng)選用的GNSS 設備采用了可支持GPS、GLONASS 以及中國北斗系統(tǒng)的接收機，接收機開通了RTK（Real Time Kinematic）功能，可支持多種格式的差分數據，以實現(xiàn)高精度的導航定位。

3 工程實例

3.1 工程概況

為貫徹落實省、市“五水共治”工作總體部署和碧水行動實施計劃，寧波市鄞州區(qū)加快推動全區(qū)河道、湖泊、山塘、水庫、蓄滯洪區(qū)、人工水道等主要水域基礎信息、空間信息和工程信息的調查工作。寨基水庫位于東錢湖鎮(zhèn)郭家峙、東村、俞塘村境內（測區(qū)衛(wèi)星影像如圖2 所示），本次調查需要對庫區(qū)水上水下地形進行測繪。寧波市鄞州區(qū)水利水電勘測設計院嘗試將SL-M 多波束3D 雙體水文測繪無人船系統(tǒng)應用到該調查項目，主要任務是通過水上水下一體化測量，獲得水庫周邊完整精準的水上水下一體化三維模型，為庫區(qū)水域保護規(guī)劃提供最現(xiàn)勢的地理信息數據。

圖2 測區(qū)衛(wèi)星影像

3.2 作業(yè)方案

無人船下水后首先與岸基控制平臺連接，通訊正常后接入ZJCORS 系統(tǒng)，并檢查各種設備的工作狀態(tài)是否正常；利用系統(tǒng)配套軟件設置無人船的作業(yè)參數，通過調節(jié)輸出頻率、波長、發(fā)射功率、發(fā)射開角等系數使系統(tǒng)達到最優(yōu)狀態(tài)。本項目的水下測線布設如下：主測線布設方向垂直于水庫橫向中心線，各測線布設盡量平行，測線間距20m，定位點間距為5m，重點區(qū)域加密補充測線。外業(yè)數據采集完成后，在PC 端利用配套的多源數據融合處理軟件對數據進行處理，完成對三維激光點云數據、測深數據、全景影像數據的集成、配準、融合和定位測圖。為檢查無人船水上水下一體化測量精度，項目通過布設水下檢測線和50 個水上檢核點的方式進行實地驗證。水下檢測線根據《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）的要求布設，需垂直于主測線，長度約為主測線總長度的5%左右；水上檢核點采用實地測量坐標比對的方式進行檢查。

3.3 數據采集

水下部分數據采集包括位置信息、水深信息、姿態(tài)及表面聲速，采集過程中航線盡量與測線一致，航線速度保持一致，當航行到一段測線盡頭后才能停止該段數據的采集，航行至下一段測線外時開始采集下一段測線數據，直至設置范圍內所有測線的數據采集完畢。采用區(qū)域動態(tài)實時差分作業(yè)模式確定區(qū)域平面控制基準，依照等角模式或等距模式采集水上數據，根據激光掃描儀垂直掃描開角確定掃測距離，圍繞測量對象由近及遠中低船速掃描，實現(xiàn)岸基全覆蓋點云數據采集。

3.4 水上水下部分數據處理

水下數據處理前，首先檢查數據處理軟件的投影參數、橢球體參數、坐標轉換參數、各傳感器的位置偏移量、系統(tǒng)校準參數等相關數據的準確性，根據需要對水深數據進行聲速改正、潮位改正；隨后檢查每條測線的定位數據、羅經數據、姿態(tài)數據和水深數據。根據水底地形、陸地近岸地形數據的質量設置合理的參數濾波，經線模式編輯、子區(qū)編輯等人機交互處理后，抽稀水深，對特殊水深點應從作業(yè)區(qū)域、回波個數、信號質量等加以判讀、分析。數據經編輯及改正后，應再次綜合檢查所有數據。最后根據制圖比例尺和數據用途對水下數據進行處理，輸出成果以備綜合利用。

水上激光點云數據處理主要是飛點去噪處理，對于明顯遠離點云的，漂浮點云上方的稀疏、離散的點，遠離點云中心、小而密集的點云，掃描時測區(qū)控制不可能完整控制，通常會比原定掃描區(qū)域大，從而形成多余掃描的點云和正確點云混在一起的噪聲點，通過可視化交互、濾波器及基于最小二乘算法進行刪除[5]。對剔除后的點云數據壓縮，基于散亂點云簡化壓縮的方法很多，本次任務主要運用距離閥值法、曲線檢查法與采樣法進行壓縮，壓縮后的數據進行全局配準處理，最終得到水上點云數據成果。

利用系統(tǒng)配套的數據建模和數據處理軟件合并水上水下點云數據，并檢查處理過程中由于水位升降造成的水面分界處的點云重疊和空白區(qū)，最終形成包含水域周邊陸地和水下地形的點云數據（如圖3 所示）。利用此成果可以形成多種測繪產品，如水上水下一體化數字高程模型（DEM）、水上水下一體化地形圖（如圖4 所示）等。

圖3 水上水下點云拼接效果

圖4 水上水下一體化地形圖

3.5 精度檢查

（1）水下點位精度檢查。水下點位精度通過布置水下檢測線的方法進行實測檢查，檢測線垂直于主測深線，長度大于主測深線總長度的5%。經檢查，檢測線與主測深線相交處圖上1mm 范圍內水深點，高程最大差值均小于0.2m，隨機抽取100 個水下點位作為樣本點來統(tǒng)計測深點的高程誤差，統(tǒng)計結果如表1 所示。

表1 水下點位精度檢查

（2）水上點位精度檢查。利用50 個水上檢核點對無人船系統(tǒng)測量的水上地形精度進行檢測和分析，選取路燈、水庫堤壩護欄拐角處、電線桿等明顯且易人工測量的特征點作為檢核點。利用GNSS-RTK 實測這些檢核點的坐標，將測量結果與在水上三維點云模型中量取的坐標值進行比較，從中隨機抽取10 個點作為樣本點，樣本點的統(tǒng)計結果如表2 所示。

從表2 可以看出，10 個樣本檢核點的平面位置中誤差為0.012m，高程中誤差為0.026m，滿足《水利水電工程測量規(guī)范》（SL197-2013）中的相關精度要求。

表2 GNSS-RTK實測坐標與水上點云數據量測坐標對比

4 結束語

本文應用無人船水上水下一體化測量系統(tǒng)順利完成寨基水庫調查測繪工作，經檢驗，數據精度符合設定要求，水下地形成果可與陸地測繪成果無縫銜接，實現(xiàn)了水上水下地形數據的快速、精準和同步采集目標，解決了傳統(tǒng)測繪方法水陸交接區(qū)域數據覆蓋完整度低的問題。該系統(tǒng)的成功應用對于水域調查基礎測繪數據的完整覆蓋、水陸地形數據庫建設有重要意義。