船載一體化測量技術(shù)在航道測量中的應(yīng)用

林曉靜

（1.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074）

近年來，無人機(jī)低空攝像測量、多波束掃測、三維激光掃描等高新測繪技術(shù)發(fā)展迅速并被廣泛應(yīng)用[1-2]，但各種測量手段既各有所長，也各有所限。以長江航道測繪項(xiàng)目的應(yīng)用現(xiàn)狀為例，項(xiàng)目實(shí)施過程中無人機(jī)航測、三維激光掃描等高新測繪技術(shù)均有局部應(yīng)用，但尚未實(shí)現(xiàn)“空、地、水”一體化協(xié)同作業(yè)以提供整個(gè)測區(qū)水上和水下的整體地形圖，未形成系統(tǒng)性的優(yōu)勢[3-4]。因此，使用水上水下一體化監(jiān)測技術(shù)來進(jìn)行長江航道數(shù)據(jù)掃測，同時(shí)獲取航道水上和水下的連續(xù)無縫、坐標(biāo)統(tǒng)一的點(diǎn)云和水底數(shù)據(jù)顯得尤為重要。本文針對(duì)長江航道測量不同的地形條件特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)與分析，形成了一套水上水下一體化測量系統(tǒng)集成、作業(yè)、數(shù)據(jù)采集、處理、建模及融合的完整技術(shù)路線，為長江干線航道一體化快速測繪提供技術(shù)支撐。

1 水上水下一體化測量系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)組成

船載水上水下一體化測量系統(tǒng)（以下簡稱“一體化測量系統(tǒng)”）是將多種測繪傳感器集成在同一個(gè)載體上，進(jìn)行空中、地面及水下的一體化測繪，同步采集多目標(biāo)數(shù)據(jù)[5-6]。一體化測量系統(tǒng)主要由船舶載體平臺(tái)，搭載多波束/單波束測深儀、三維激光掃描儀等設(shè)備組成。本次測量中根據(jù)長江上中下游地理環(huán)境使用其中一種或多種設(shè)備。

1.2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備

1.2.1 船載平臺(tái)

船載平臺(tái)主要包括有人船和無人船2 種。根據(jù)吃水深度要求，1 cm 以上水深可使用有人船，20 cm 以上水深區(qū)域可使用無人船。實(shí)際工作中，綜合考慮測區(qū)范圍大小、水深、風(fēng)浪、流速等情況選擇合適的船載平臺(tái)。

1.2.2 測深儀

測深儀主要包括多波束和單波束2 種。單波束測深單次測量只能獲得測量平臺(tái)垂直下方一個(gè)水深值，數(shù)據(jù)量少，在反映復(fù)雜水下地形方面欠缺。多波束測深發(fā)射波束向下呈較大的扇形開角，可以在測量斷面內(nèi)形成多個(gè)測深點(diǎn)，有較寬的掃幅和較高的測點(diǎn)密度，對(duì)于河底地形復(fù)雜區(qū)域如深槽、淺包、礁石、障礙物等，較易獲得詳細(xì)的水下地形信息。多波束測深系統(tǒng)適用于水深較大的區(qū)域，可充分發(fā)揮測深的高效率，同時(shí)也可避免探頭的損壞，淺水區(qū)域則適用單波束測深儀。

1.2.3 三維激光掃描儀

三維激光掃描儀為脈沖式和相位式2 種。脈沖式的特點(diǎn)是射程遠(yuǎn)，主流測程在400～2 000 m；相位式的特點(diǎn)是射程近、精度高、速度快，射程一般小于2 00 m。根據(jù)長江航道遠(yuǎn)距離掃描測量特點(diǎn)，長江中下游河道逐漸變寬，要求更遠(yuǎn)的掃程，宜采用1 000 m以上掃程。脈沖式三維激光掃描儀適用于長江航道地形測量。

國產(chǎn)三維激光掃描儀廠商有華測導(dǎo)航、北科天繪、海達(dá)數(shù)云等，目前隨著國產(chǎn)設(shè)備在性能和穩(wěn)定性上的穩(wěn)步提升，選擇的設(shè)備也越來越多，例如華測現(xiàn)在有AS300、AS900、AS1300 等多種型號(hào)，且國產(chǎn)廠家在售后服務(wù)響應(yīng)方面會(huì)更為及時(shí)，維修成本低，軟件齊全。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)處理軟件包括水下數(shù)據(jù)處理軟件、水上數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)據(jù)融合分析軟件。測深儀獲取的水下數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)獲取的水上數(shù)據(jù)分別通過專業(yè)的水上、水下數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行處理，生成水下和水上點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到“長江航道多源數(shù)據(jù)融合處理及成果可視化動(dòng)態(tài)展示軟件”，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合、處理及分析。

其中，主流的多波束測深儀商業(yè)軟件有Caris（編輯能力強(qiáng)、界面效果漂亮）、Geocap（點(diǎn)云功能強(qiáng)大）、triton（操作簡單）、MbSystem（開源軟件）、Hypack等，各設(shè)備廠家也自帶數(shù)據(jù)處理軟件。

三維激光掃描儀主要為廠家自帶的軟件，一般以點(diǎn)云處理為主（濾波、編輯、拼接、渲染），不同程度地進(jìn)行一些點(diǎn)云測圖（點(diǎn)線面地物要素采集、符號(hào)庫）、點(diǎn)云建模（線面擬合）、三維實(shí)景及數(shù)據(jù)輸入輸出等操作，如華測設(shè)備配套的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Co-Process。

2 作業(yè)流程

船載水上水下一體化測量系統(tǒng)分為水下數(shù)據(jù)采集和水上數(shù)據(jù)采集兩部分，在水深測量的同時(shí)完成兩岸地形測繪。本文采用船載三維激光掃描與船載測深儀協(xié)同作業(yè)、采集以及融合的作業(yè)模式。

1）作業(yè)準(zhǔn)備。主要包括收集測區(qū)已有的相關(guān)資料。

2）航線規(guī)劃。根據(jù)測區(qū)范圍，規(guī)劃船舶航線。

3）基站選擇?；鶞?zhǔn)站可選擇長江CORS、當(dāng)?shù)厥ORS、千尋或者自架基準(zhǔn)站的RTK和PPK服務(wù)。

4）系統(tǒng)校準(zhǔn)。一般情況下船載設(shè)備無法絕對(duì)靜止，通常在船載設(shè)備開機(jī)后讓船體進(jìn)行高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)使IMU設(shè)備對(duì)齊，同時(shí)在測深之前需進(jìn)行測深系統(tǒng)校準(zhǔn)工作。

5）數(shù)據(jù)處理。測深儀獲取的水下數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)獲取的水上數(shù)據(jù)分別通過專業(yè)的軟件處理，分別生成水下和水上點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到“長江航道多源數(shù)據(jù)融合處理及成果可視化動(dòng)態(tài)展示軟件”，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合、處理及分析。

3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包含測量后多源數(shù)據(jù)的融合、數(shù)據(jù)噪聲抑制、格網(wǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成等具體步驟[7-8]。其中，水下數(shù)據(jù)和水上數(shù)據(jù)分別處理完成后再融合。

1）數(shù)據(jù)整理與解析。外業(yè)數(shù)據(jù)采集后，對(duì)已采集的激光掃描儀數(shù)據(jù)，測深數(shù)據(jù)和慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行下載并備份。利用數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件對(duì)船載一體化測量系統(tǒng)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行解析獲取后期制作數(shù)據(jù)成果所需測量點(diǎn)信息。

2）數(shù)據(jù)改正。將解析獲得的水上激光掃描數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)分別進(jìn)行各項(xiàng)改正。

3）數(shù)據(jù)融合。首先，導(dǎo)入慣導(dǎo)姿態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)檢校參數(shù)得到各個(gè)時(shí)刻激光掃描儀和測深儀中心點(diǎn)的坐標(biāo)及姿態(tài)，導(dǎo)入原始激光數(shù)據(jù)和測深數(shù)據(jù)，得到測點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，然后根據(jù)測量時(shí)間對(duì)應(yīng)查找傳感器獲取測量點(diǎn)信息時(shí)刻的位置與姿態(tài)，計(jì)算測點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

4）成果輸出。輸出測量、處理、改正并歸化到規(guī)定基準(zhǔn)面后的數(shù)據(jù)。

4 數(shù)據(jù)成果檢核評(píng)價(jià)

4.1 水深數(shù)據(jù)檢核

本文采用多波束測量數(shù)據(jù)與無人船單波束檢核測量數(shù)據(jù)及多波束檢查線數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)的方法，檢驗(yàn)多波束測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量采用多波束及單波束檢查線2 種方式，檢查線測線布設(shè)嚴(yán)格按規(guī)范要求進(jìn)行。

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)位于長江中下游河段，包括張家洲試驗(yàn)區(qū)（測區(qū)1）和沙洲試驗(yàn)區(qū)（測區(qū)2），在2個(gè)測區(qū)的多波束水深數(shù)據(jù)中，選取一定數(shù)量的水深點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 檢查線與多波束測點(diǎn)對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

部分檢查線高程點(diǎn)與主測深線誤差較大的，經(jīng)校核，其位置與主測線點(diǎn)位相差較遠(yuǎn)，與等高線仍相對(duì)吻合；同點(diǎn)位的檢測線高程點(diǎn)與多波束高程點(diǎn)誤差在0.1～0.12 m以內(nèi)。

4.2 多波束水下測量評(píng)價(jià)

本次水下地形測量采用有人船多波束掃測的方式進(jìn)行，為檢驗(yàn)多波束測量的可靠性，用無人船檢核了多波束測量總測線的6%。通過以上對(duì)比分析，多波束測深總的精度情況見表2?？梢哉J(rèn)為，本次波束水下測量資料是可靠的，精度符合規(guī)范及技術(shù)設(shè)計(jì)書的要求。

表2 多波束水深比對(duì)結(jié)果

4.3 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)檢核

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)主要使用華測自研軟件CoPre1.0、CoRefine、CoProcess2.0 和點(diǎn)云處理軟件QTModeler，輔以人工檢查相結(jié)合的方法對(duì)成果各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢查。

4.4 平面與高程精度檢查

為檢核激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的精度，實(shí)施測量時(shí)，在沙洲水道測區(qū)選擇了10個(gè)、在張家洲水道測區(qū)選擇了41個(gè)具有明顯特征的點(diǎn)進(jìn)行觀測，獲取其精準(zhǔn)的平面坐標(biāo)及高程值，與激光雷達(dá)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的同名點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，以獲取點(diǎn)云的平面及高程精度。計(jì)算所得的中誤差值均滿足規(guī)范的精度要求。

5 總結(jié)及存在的問題

長江航道水深變化較大，主航道水流急，且來往船只較多，不宜采用無人船搭載測深儀。而采用多波束測深系統(tǒng)布設(shè)航線時(shí)，應(yīng)依據(jù)水深情況兼顧效率與重疊度。聲速剖面儀盡量選深的地方下放，保證聲剖可以涵蓋全部水深。此外，長江航道一般測區(qū)較大測深效率極慢，建議采用分塊測量方式。水深檢測目前多采用單波束測檢查線與多波束疊加檢查，比對(duì)重合點(diǎn)的水深。

現(xiàn)有濾波算法在數(shù)據(jù)處理上具有局限性[8]，三維激光點(diǎn)云濾波多采用交互式濾波與自動(dòng)濾波，忽視了系統(tǒng)誤差對(duì)高度與深度的影響，并未根據(jù)誤差源類型與特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)濾波削弱誤差；當(dāng)前的船載水上水下一體化測量系統(tǒng)對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)和多波束測深系統(tǒng)的檢校工作大部分是分開進(jìn)行[9]，即水上水下的傳感器使用不同的目標(biāo)物或標(biāo)定場，角度安裝系統(tǒng)誤差和偏移量系統(tǒng)誤差檢校分開進(jìn)行，這也使得船載一體化測量系統(tǒng)檢校工作較為復(fù)雜。