三維激光掃描在水上水下一體化測(cè)量中的應(yīng)用

摘要：三維激光掃描技術(shù)以海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集為依托，克服了傳統(tǒng)測(cè)量耗費(fèi)人工、測(cè)量成果人為因素影響大的弊端，被廣泛應(yīng)用數(shù)字城市建設(shè)、建筑物快速建模等方面。本文擬以三維激光掃描技術(shù)作為研究對(duì)象，將其與多波束測(cè)深系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用于航道水上水下一體化測(cè)量，以探究其在水上地形測(cè)繪、水下測(cè)深采集中的應(yīng)用，提升航道信息測(cè)量的整體水平。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；多波束測(cè)深；點(diǎn)云；移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集

從工程設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)維護(hù)的角度，航道管理部門通常對(duì)航道沿線開(kāi)展定期測(cè)繪工作，通常包含沿岸地形數(shù)據(jù)采集、水深觀測(cè)等。早期采用平板儀測(cè)圖、全站儀野外測(cè)圖等技術(shù)，伴隨GNSS技術(shù)的推廣應(yīng)用，以差分定位RTK技術(shù)為代表的數(shù)據(jù)快速采集手段，然而以上傳統(tǒng)航道數(shù)據(jù)采集方法，人工采集效率較低、測(cè)量點(diǎn)位相對(duì)分散、精度難以統(tǒng)一控制；伴隨三維激光掃描技術(shù)的快速發(fā)展，以無(wú)人機(jī)、測(cè)量船、測(cè)量車為依托的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合GPS、IMU信息快速定位解算POS中心位置，完成點(diǎn)云快速采集、多源數(shù)據(jù)融合與快速建模工作。

1 三維激光掃描儀技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)作為新興的測(cè)繪技術(shù)，能完整高精度地重建掃描實(shí)物數(shù)據(jù)，快速完成逆向三維數(shù)據(jù)采集與模型重構(gòu)。因其激光點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。由于技術(shù)上突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，其最大特點(diǎn)就是精度高、速度快，與研究對(duì)象表面空間分布一致，可將其應(yīng)用于地表信息采集、航道沿岸地形數(shù)據(jù)快速提取等工作。

從點(diǎn)云采集方式劃分，三維激光掃描分脈沖、相位和脈沖相位組合式，其中脈沖式測(cè)距范圍最大，但精度較低，受外界環(huán)境影響較小，適合低精度室外大范圍觀測(cè)；相位式掃描范圍較小，但精度較高，易受光線等因素制約；而脈沖相位組合掃描儀兼具二者優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)距離高精度數(shù)據(jù)采集測(cè)量，抗外界因素能力強(qiáng)。

2 水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理

將三維激光掃描技術(shù)、GNSS接收機(jī)、慣性導(dǎo)航與多波束測(cè)深儀相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)水上快速定位、水下信息快速采集，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步定位、地表空間數(shù)據(jù)掃描與水下地形地貌測(cè)深的有效融合。

三維掃描利用激光測(cè)距，其點(diǎn)云坐標(biāo)采集原理為測(cè)定水平與垂直角，以及脈沖激光發(fā)射與回收的時(shí)間差值所求取的間距，進(jìn)而計(jì)算待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。以獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)掃描為例，設(shè)定掃描設(shè)備為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)，X、Y為平面，Z為垂直方向，通過(guò)距離L、以及點(diǎn)位與各軸的夾角，求得待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)P相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的空間坐標(biāo)：

而多波束采用超聲波探測(cè)，測(cè)定換能器發(fā)出的聲波在水體中往返傳播時(shí)間，解析水體深度。相對(duì)于單波束而言，多波束由的換能器采取正交形式分組構(gòu)成，呈現(xiàn)一定指向的窄波束，并向水體發(fā)射扇形脈沖波，單次探測(cè)即可瞬時(shí)獲取航向正交面的水深數(shù)據(jù)，進(jìn)而表示出水體地形起伏情況。

3 基于三維掃描儀的水上水下一體化測(cè)繪應(yīng)用分析

航道測(cè)繪中，采用船體作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的運(yùn)行載體，安置GNSS雙頻接收機(jī)、IMU慣性導(dǎo)航模塊、激光掃描儀與多波束測(cè)深系統(tǒng)。基本流程如下：

（1）水上點(diǎn)云獲取與去燥處理。實(shí)際施測(cè)過(guò)程中，利用三維激光掃描儀采集航道沿岸地表數(shù)據(jù)模型，結(jié)合內(nèi)置CCD相機(jī)采集構(gòu)筑物紋理特征，并利用POS定位信息，提升了點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度和效率；數(shù)據(jù)拼接中，將回波信號(hào)所引發(fā)的噪聲點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置閾值的方法將其過(guò)濾剔除。

（2）航道沿岸地表建模。設(shè)置格網(wǎng)間距，并將掃描儀內(nèi)置相機(jī)所拍攝的建筑物立面圖片影像，鑲嵌于格網(wǎng)模型表面，構(gòu)建航道沿線地表三維模型。某航道激光掃描點(diǎn)云成果如圖2所示：

（3）水下地形地貌數(shù)據(jù)采集。將多波束換能器固定于測(cè)量船舷，并將GNSS設(shè)備固定于安裝桿，利用多波束采集的龐大數(shù)據(jù)點(diǎn)云，基于海量數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，首先利用多余觀測(cè)量，剔除測(cè)量中的粗差錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，建立以TIN三角網(wǎng)為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建碼頭基坑數(shù)字高程模型。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以三維激光掃描技術(shù)為依托，結(jié)合多波束測(cè)深系統(tǒng)，在闡述其數(shù)據(jù)采集相關(guān)工作原理的基礎(chǔ)上，探究其在水上水下一體化測(cè)繪中的應(yīng)用。利用三維激光掃描技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式測(cè)量，既不會(huì)對(duì)航道沿岸建筑構(gòu)成干擾，又提升了數(shù)據(jù)采集的效率；利用多波束測(cè)深掃描，基于雙GNSS定位設(shè)備進(jìn)行差分定位解算，快速高精獲取航道地表與水下數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：任洪玉（1985），男，山東濰坊人，漢族，本科，現(xiàn)為中海油能源發(fā)展管道工程安裝分公司工程師，主要從事海洋測(cè)繪、航道水深測(cè)量、海底管線路由勘察、水上水下一體化測(cè)量等方面的研究。