基于多傳感器的內(nèi)陸水域水上水下一體化測(cè)繪技術(shù)探索

楊溯，陳龍，胡一川，山威

（自然資源部第三大地測(cè)量隊(duì)，四川 成都 610100）

0 引 言

2015年6月1日，國(guó)務(wù)院批復(fù)同意《全國(guó)基礎(chǔ)測(cè)繪中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要（2015—2030年）》，提到要“持續(xù)整合、豐富、更新基礎(chǔ)地理信息資源”“加快建設(shè)新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系，工作范圍由陸地國(guó)土向海洋乃至全球拓展，大幅提升基礎(chǔ)地理信息資源供給能力”，抓緊“啟動(dòng)內(nèi)陸水體水下地形測(cè)繪”。2019年自然資源部下發(fā)《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》，提出“立足山水林田湖草整體的生態(tài)系統(tǒng)角度，實(shí)現(xiàn)面向國(guó)土空間全域、多尺度、多類型資源狀況和變化的統(tǒng)一的調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)；推進(jìn)二維調(diào)查走向三維調(diào)查，實(shí)現(xiàn)地上地下三維一體化監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)?！眱?nèi)陸水下地形數(shù)據(jù)是水資源利用保護(hù)、水利工程項(xiàng)目建設(shè)的基礎(chǔ)性支撐。隨著單波束測(cè)深儀，尤其是具有較高的測(cè)點(diǎn)密度和較寬掃幅的多波束測(cè)深儀在水下地形測(cè)量領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，水下地形獲取過(guò)程簡(jiǎn)單、效率高、覆蓋度高，數(shù)據(jù)成果更加的精準(zhǔn)可控，易于建立高精度水下地表模型及矢量數(shù)據(jù)模型。同時(shí)，利用航攝技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)獲取地面影像數(shù)據(jù)、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)高效地建設(shè)實(shí)景三維模型及高精度地球表面模型。

本文針對(duì)在使用多波束測(cè)深儀進(jìn)行內(nèi)陸水下地形測(cè)量過(guò)程中遇到的淺水區(qū)數(shù)據(jù)空白的問(wèn)題，提出利用多波束側(cè)掃裝置及單波束船補(bǔ)測(cè)的方式消除空白區(qū)的方案。利用數(shù)據(jù)處理軟件提取機(jī)載LiDAR 數(shù)據(jù)地表點(diǎn)，融合水下聲吶點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建水上水下一體化數(shù)字高程模型，形成水陸一體化無(wú)縫高精度數(shù)字產(chǎn)品，一體化測(cè)繪工作效率以及成果精度得到有效提高。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)、水文資料等，探索多時(shí)效、高精度水陸一體化數(shù)字產(chǎn)品在三維可視化、自然資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)、應(yīng)急保障等方面的應(yīng)用與服務(wù)。

1 水上水下一體化總體流程

通過(guò)進(jìn)行水下多波束、單波束數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理、機(jī)載LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理、機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取及建設(shè)實(shí)景三維模型，水上水下多源數(shù)據(jù)無(wú)縫接邊處理，水上水下多源數(shù)據(jù)融合處理、水上水下一體化數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用，形成水上水下一體化測(cè)量技術(shù)體系。其總體流程圖如圖1所示。

圖1 水上水下一體化總體流程圖

2 新型水下數(shù)據(jù)采集設(shè)備

水下數(shù)據(jù)采集使用的多波束無(wú)人船，搭載具有高集成性的高頻多波束測(cè)深儀、GNSS 接收機(jī)、集成甲板單元、工控機(jī)等裝置進(jìn)行水下測(cè)量，相較于傳統(tǒng)多波束測(cè)量設(shè)備具有吃水淺、適航能力強(qiáng)、智能化程度高等特性，模塊化的無(wú)人船平臺(tái)，安裝拆卸便捷，大幅度提高了現(xiàn)場(chǎng)工作效率；可根據(jù)布設(shè)航線自主采集測(cè)區(qū)水下地形數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)回傳，數(shù)據(jù)精度滿足要求，且保障作業(yè)人員安全。多波束無(wú)人船及潛水區(qū)補(bǔ)測(cè)使用的單波束無(wú)人船的主要模塊、功能如表1所示。

表1 單、多波束無(wú)人船主要模塊及功能表

3 多波束水下數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

3.1 踏勘、確定控制方式

實(shí)地踏勘，根據(jù)實(shí)際情況確定使用多波束無(wú)人船作為測(cè)試載具，確認(rèn)作業(yè)區(qū)范圍，使用單波束無(wú)人船、RTK、軌跡記錄儀，沿著作業(yè)區(qū)外圍巡視一圈，獲得作業(yè)區(qū)平面范圍后，在范圍內(nèi)布設(shè)測(cè)線。無(wú)人船在作業(yè)過(guò)程中利用動(dòng)態(tài)RTK 模式，使用RTK 模式差分GNSS 接收設(shè)備登錄CORS 賬號(hào)即可開(kāi)始作業(yè)，實(shí)時(shí)獲取位置信息。

3.2 儀器檢驗(yàn)及校準(zhǔn)

在開(kāi)展數(shù)據(jù)采集之前，設(shè)備安裝并檢查數(shù)據(jù)通信是否正常，時(shí)鐘是否同步，聲吶發(fā)收信號(hào)是否正常，根據(jù)異常顯示及時(shí)進(jìn)行調(diào)試；調(diào)試完畢后下水進(jìn)行主要性能指標(biāo)測(cè)試與檢核，根據(jù)實(shí)測(cè)的水底地形找到合適的校準(zhǔn)場(chǎng)進(jìn)行多波束校準(zhǔn)，布設(shè)校準(zhǔn)線，完成首搖、縱搖、橫搖的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集，利用聲速剖面儀記錄的聲速及深度數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正。

3.3 水下數(shù)據(jù)采集

根據(jù)水域?qū)嶋H情況進(jìn)行手動(dòng)操作多波束無(wú)人船采集數(shù)據(jù)，如圖2所示。通過(guò)調(diào)節(jié)輸出頻率、波長(zhǎng)、發(fā)射功率、發(fā)射開(kāi)角等系數(shù)使采集數(shù)據(jù)最優(yōu)化，根據(jù)探測(cè)布設(shè)的測(cè)線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集過(guò)程中航線盡量與測(cè)線一致，航線速度保持一致，當(dāng)航行出一段測(cè)線盡頭后才能停止該段數(shù)據(jù)的采集，航行至下一段測(cè)線外時(shí)開(kāi)始下一段側(cè)線數(shù)據(jù)采集，直至設(shè)置范圍內(nèi)所有側(cè)線采集完畢。

圖2 操作多波束無(wú)人船進(jìn)行水下數(shù)據(jù)采集

3.4 數(shù)據(jù)處理

使用HydroNavi 軟件對(duì)水下數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次濾波處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)較準(zhǔn)，逐條濾波，清除噪點(diǎn)，導(dǎo)出坐標(biāo)系為WGS84 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，高程系統(tǒng)為大地高系統(tǒng)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為CGCS2000 大地坐標(biāo)系，通過(guò)似大地水準(zhǔn)精化轉(zhuǎn)換為1 985 正常高。

3.5 精度核驗(yàn)

在多波束測(cè)量中應(yīng)布設(shè)至少一條檢查線，檢查線需跨越整個(gè)測(cè)區(qū)且與主測(cè)線正交，采用該檢查測(cè)線進(jìn)行多波束測(cè)量數(shù)據(jù)的精度檢驗(yàn)及精度分析。此方法可以評(píng)估多波束測(cè)量數(shù)據(jù)的各項(xiàng)誤差，包括傳感器的安裝誤差、水位校正誤差、聲速校正誤差、校準(zhǔn)誤差等，保證多波束數(shù)據(jù)精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

4 淺水空白區(qū)補(bǔ)測(cè)

針對(duì)內(nèi)陸水域淺水區(qū)實(shí)際情況，因多波束探測(cè)器吃水較深而產(chǎn)生探測(cè)空白區(qū)問(wèn)題，本文提出采用多波束側(cè)掃的方式及單波束無(wú)人船垂直岸邊掃描的方式進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。

本文采取無(wú)人船多波束側(cè)掃方法，來(lái)對(duì)淺水空白區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。多波束側(cè)掃試驗(yàn)依舊需要進(jìn)行側(cè)掃設(shè)備安裝調(diào)試、較準(zhǔn)和數(shù)據(jù)獲取作業(yè)環(huán)節(jié)，使用定制的轉(zhuǎn)接頭使多波束探頭向船身垂直轉(zhuǎn)動(dòng)30°，由于掃描數(shù)據(jù)是依照多波束發(fā)射Ping 所排列的掃描序列圖像轉(zhuǎn)換而來(lái)，如圖3所示，若探頭傾斜角度大于30°，會(huì)引起斜距變形、目標(biāo)距離變形等，導(dǎo)致探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，針對(duì)內(nèi)陸水域地形傾斜較大區(qū)域能夠彌補(bǔ)，但在內(nèi)陸水域坡度平緩的淺水區(qū)域，由于多波束探頭吃水有一定深度以及探頭傾斜角度的影響，無(wú)法獲取能滿足精度要求的足夠數(shù)據(jù)。

圖3 傾斜30°多波束側(cè)掃數(shù)據(jù)獲取情況圖

本文測(cè)試?yán)脝尾ㄊ鵁o(wú)人船垂直于岸邊折線往返的方式進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，單波束無(wú)人船聲吶探頭內(nèi)置，吃水較淺，補(bǔ)測(cè)范圍需同多波束探測(cè)范圍有一定重合，并盡量保證單波束補(bǔ)測(cè)范圍地形高差較小或平緩，補(bǔ)測(cè)線路如圖4所示。所獲得的垂直岸線的水下地形數(shù)據(jù)能夠很好地?cái)M合出平滑的等高線，減少空白區(qū)域地形數(shù)據(jù)內(nèi)插編輯的工作量，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，利用單波束無(wú)人船垂直岸線補(bǔ)測(cè)的方法能夠很好地彌補(bǔ)內(nèi)陸淺水區(qū)空白問(wèn)題。

圖4 單波束無(wú)人船淺水區(qū)補(bǔ)測(cè)路線圖

5 水上數(shù)據(jù)獲取和處理

基于多旋翼無(wú)人機(jī)攜帶機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行水上數(shù)據(jù)獲取，完成八字校準(zhǔn)后，根據(jù)設(shè)定航線完成機(jī)載激光雷達(dá)作業(yè)范圍掃描工作。通過(guò)導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)、地面站數(shù)據(jù)、POS 參數(shù)等在軟件中進(jìn)行點(diǎn)云濾波、點(diǎn)云關(guān)鍵點(diǎn)確定、點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云分割與分類、SLAM 圖優(yōu)化、目標(biāo)識(shí)別檢索、幻化檢查、三維重建、點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理等機(jī)載LiDAR 數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。

使用五鏡頭傾斜數(shù)碼航攝儀進(jìn)行拍攝，保證下視影像分辨率優(yōu)于0.1 m；并進(jìn)行像片控制測(cè)量，利用GPS 連續(xù)運(yùn)行跟蹤站按網(wǎng)絡(luò)RTK 方式測(cè)量，控制點(diǎn)的精度滿足1：2 000地形圖要求；基于航空影像及POS 數(shù)據(jù)，采用區(qū)域網(wǎng)方式進(jìn)行空中三角測(cè)量，利用相片控制資料成果，在空三加密軟件程序中開(kāi)展控制點(diǎn)量測(cè)，進(jìn)行平差解算；在實(shí)景三維建模軟件中，經(jīng)測(cè)區(qū)分塊、像對(duì)篩選、點(diǎn)云計(jì)算、點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)、紋理映射等制作實(shí)景三維模型。

6 水上水下一體化數(shù)據(jù)融合處理

將機(jī)載三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)（las 格式）、單波束無(wú)人船補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)（csv 格式）、多波束無(wú)人船掃測(cè)數(shù)據(jù)（xyz 格式）導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行多元點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合處理。由于多源數(shù)據(jù)時(shí)空基準(zhǔn)存在不一致，精度差異大的問(wèn)題，需進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，形成無(wú)遮擋、無(wú)空洞、覆蓋完整的統(tǒng)一點(diǎn)云數(shù)據(jù)。不同源數(shù)據(jù)存在密度不均勻，細(xì)節(jié)程度不一致的問(wèn)題，需進(jìn)行點(diǎn)云清洗及增強(qiáng)，形成尺度一致、多細(xì)節(jié)層級(jí)組織融合的數(shù)據(jù)。如圖5側(cè)視圖及圖6俯視圖所示，多波束無(wú)人船測(cè)量的整個(gè)水下地形、單波束無(wú)人船對(duì)潛水空白區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)、機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備獲取的地表著色點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)融合處理，形成精度統(tǒng)一、無(wú)縫的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖5 多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合無(wú)縫切面圖

圖6 多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合俯視圖

通過(guò)噪聲濾波、按高程提取所需地面點(diǎn)、地面點(diǎn)分類、點(diǎn)云平滑、生成數(shù)字高程模型、生成等高線等數(shù)據(jù)處理方法，最終能夠形成如圖7所示的精度較高的水上水下一體化數(shù)字高程模型（DEM）、等高線（DLG）等一體化數(shù)字產(chǎn)品。

圖7 水上水下一體化數(shù)字產(chǎn)品（DLG、DEM）

7 水上水下一體化數(shù)字產(chǎn)品應(yīng)用

水上水下一體化數(shù)字產(chǎn)品在三維可視化展示平臺(tái)支持實(shí)時(shí)在線的多種類查詢、量測(cè)及分析，將基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品應(yīng)用到更多環(huán)境場(chǎng)景中。本文利用Cesium 可視化仿真平臺(tái)三維展示平臺(tái)，支持水上水下多傳感器獲取不同類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了用戶在三維GIS 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中對(duì)內(nèi)陸水域數(shù)據(jù)范圍三維實(shí)景模型的瀏覽、交互操作及擴(kuò)展運(yùn)用，使三維數(shù)字場(chǎng)景呈不同細(xì)節(jié)層次的展現(xiàn)。

在江河、湖泊、水庫(kù)等內(nèi)陸水域，獲取不同時(shí)相的水上水下地形數(shù)據(jù)，在三維可視平臺(tái)上對(duì)地形、斷面的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，并進(jìn)行演變分析、水位演示等三維可視化表達(dá)；并能對(duì)水庫(kù)庫(kù)容、沖刷淤積量等難以精準(zhǔn)獲取的數(shù)據(jù)指標(biāo)，通過(guò)水上水下一體化數(shù)字產(chǎn)品形成高程模型（DEM）并進(jìn)行多期數(shù)據(jù)對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下泥沙輸移的定量分析計(jì)算及可視化分析。

8 結(jié) 論

本文提出利用多波束側(cè)掃裝置及單波束船補(bǔ)測(cè)的技術(shù)方案，消除多波束測(cè)深儀進(jìn)行探測(cè)時(shí)所形成的淺水區(qū)數(shù)據(jù)無(wú)法獲取的問(wèn)題；提出利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，同時(shí)處理機(jī)載LiDAR 或傾斜攝影獲取的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)及水下單、多波束測(cè)深儀獲取的水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建水上水下一體化數(shù)字高程模型，形成水陸一體化無(wú)縫高精度數(shù)字產(chǎn)品；據(jù)此，本文提出測(cè)繪工作效率以及成果的準(zhǔn)確性較高的內(nèi)陸水域水上水下一體化工藝流程。

在未來(lái)，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及科技的持續(xù)進(jìn)步推動(dòng)著水下探測(cè)技術(shù)不斷更新迭代。結(jié)合高精度位置服務(wù)及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，更高效、精準(zhǔn)的獲取水上水下數(shù)據(jù)，生產(chǎn)高精度一體化三維數(shù)字產(chǎn)品，運(yùn)用更多的行業(yè)數(shù)據(jù)資料，形成一套多時(shí)相、多尺度、多運(yùn)用方案的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，更有效利用水上水下一體化高精度數(shù)字產(chǎn)品，結(jié)合水資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)、水資源保護(hù)、防洪等實(shí)際需求，開(kāi)展水上水下三維可視化與GIS 空間分析的應(yīng)用研究，提升自然資源信息化建設(shè)能力，為生態(tài)文明建設(shè)、數(shù)字中國(guó)建設(shè)提供更好的支撐。