船載水陸一體化測(cè)繪關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

胡合歡，曾強(qiáng)煒

（長江宜昌航道局，湖北 宜昌 443000）

傳統(tǒng)的水上與水下地形測(cè)繪中一般采用GPSRTK、全站儀等傳統(tǒng)測(cè)繪手段對(duì)海島礁或海岸河岸進(jìn)行點(diǎn)式采集，對(duì)海底河底地形地貌采用單波束測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)繪，將水上水下測(cè)繪作業(yè)分開單獨(dú)執(zhí)行，效率低下。而且會(huì)存在比較多的測(cè)量盲點(diǎn)，目前我國水面以上和水面以下的高程測(cè)量基準(zhǔn)沒有一致標(biāo)準(zhǔn)。因此，在水上、水下的地形成果中會(huì)存在一定的偏差，難以做到水陸地形的無縫隙拼接。

近些年來隨著無人機(jī)等新型攝影硬件平臺(tái)的升級(jí)和發(fā)展，搭載船載LiDAR 掃描系統(tǒng)和多波束測(cè)深系統(tǒng)的水上水下一體化測(cè)繪系統(tǒng)，對(duì)這兩種測(cè)繪設(shè)備進(jìn)行結(jié)合，形成了船載水陸一體化測(cè)繪技術(shù)，這是一種能夠?qū)崿F(xiàn)水陸地形測(cè)量無縫銜接的新型測(cè)繪裝備技術(shù)。船載水陸一體測(cè)量技術(shù)具有適用性高、適用領(lǐng)域較多的特點(diǎn)和具有快速獲取高精度、高分辨率的三維空間信息的能力，還能滿足同時(shí)進(jìn)行水上水下一體化測(cè)繪的要求，并且效率和精度都得到了保證。目前，該測(cè)量技術(shù)能夠精準(zhǔn)并快速地測(cè)量水上水下地形地貌。并可實(shí)現(xiàn)水域、岸邊的無縫測(cè)量，特別是在地形地貌條件較為特殊的山區(qū)、海島等區(qū)域，能更好地顯示出測(cè)量效果。據(jù)資料顯示，我國現(xiàn)階段對(duì)該技術(shù)研究已經(jīng)進(jìn)入初步研究階段。隨著研究的不斷深入，技術(shù)提高和設(shè)備性能的改進(jìn)，船載水陸一體測(cè)量將會(huì)在水陸基礎(chǔ)地理信息的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理中起到重要作用。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)多波束起步較晚，始于70年代末由中科院聲學(xué)研究所和天津聲學(xué)研究所一同研制完成的861 小型多波束測(cè)深深吶模型樣機(jī)。我國于20世紀(jì)90年代就已提出海陸一體化策略，其中海陸一體化測(cè)繪為其中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)運(yùn)而生。船載水陸一體測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)水陸結(jié)合部地形的無縫測(cè)量。目前，我國對(duì)該系統(tǒng)的研究尚處在起步階段。在海洋測(cè)繪專業(yè)研究報(bào)告中有專家學(xué)者指出我們應(yīng)當(dāng)優(yōu)化并改進(jìn)陸海一體測(cè)量軟件、硬件裝備，繼續(xù)完善水上水下地形一體化測(cè)繪理論和技術(shù)。并適時(shí)制訂相對(duì)應(yīng)的測(cè)量技術(shù)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加快推進(jìn)測(cè)繪技術(shù)的工程化運(yùn)用[1]。

從2009年起， 秦海明等對(duì)船載多傳感器綜合測(cè)量系統(tǒng)開展理論研究，經(jīng)過多年科研攻關(guān)，取得了顯著進(jìn)展，解決了克服了VTK 技術(shù)點(diǎn)云實(shí)時(shí)顯示、動(dòng)態(tài)吃水改正等難點(diǎn)[2]。2015年，青島秀山移動(dòng)測(cè)量公司研發(fā)出一款能夠測(cè)量Vsurs-W 系統(tǒng)及相關(guān)配套的軟件，并成功應(yīng)用于海岸帶的實(shí)際測(cè)量，取得了不錯(cuò)的效果；2012年，中海達(dá)公司研制出iScan 一體化移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)；2016年，北京海卓同創(chuàng)發(fā)明了一體化多波束測(cè)深裝置；江蘇中海達(dá)聯(lián)合聲學(xué)所研制成功i-beam 淺水多波束，北京海卓同創(chuàng)公司推出MS200 和MS400 系列多波束產(chǎn)品。 2017年，李清泉[3]對(duì)我國珠海伶仃島進(jìn)行了水陸一體化綜合測(cè)量，并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)并探討了該測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用前景。

激光雷達(dá)（light detection and ranging）是一種非接觸、主動(dòng)式快速獲取測(cè)量物體表面三維密集點(diǎn)云的技術(shù)。純固態(tài)激光雷達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小的特點(diǎn)，由于該雷達(dá)不需將部件旋轉(zhuǎn)，可大幅縮小雷達(dá)的尺寸，從而提高使用壽命，并降低成本。國內(nèi)各大廠家激光雷達(dá)產(chǎn)品及參數(shù)見表1。

表1 國產(chǎn)激光雷達(dá)產(chǎn)品及參數(shù)

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)于1970年由美國航天局（NASA）主導(dǎo)開發(fā)，隨著GPS 全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，使得激光雷達(dá)掃描技術(shù)與之結(jié)合將獲取高精度測(cè)繪數(shù)據(jù)成為可能。2010年，美國推出一款商業(yè)便攜式多波束激光雷達(dá)系統(tǒng)。將三維激光掃描儀和多波束測(cè)深儀進(jìn)行了集成。

國外學(xué)者對(duì)如何將集成在一個(gè)系統(tǒng)上的多個(gè)傳感器相對(duì)位置的精確定位進(jìn)行了研究。2013年，康斯伯格公司提出便攜式綜合地形測(cè)量解決方案。配置了多波束測(cè)深儀和多款主流的激光掃描儀，最后生成了能兼容多款軟件的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，完成了水陸一體的測(cè)繪目標(biāo)。

2017年，Velodyne 公司推出了一款激光雷達(dá)傳感器VLS-128，具有超遠(yuǎn)的探測(cè)距離和高清晰的分辨率的特點(diǎn)?？梢詮V泛應(yīng)用在無人駕駛、水陸一體測(cè)繪等各個(gè)方面。

2 船載水陸一體測(cè)量系統(tǒng)

2.1 船載水上水下一體化綜合測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

船載水陸一體測(cè)量系統(tǒng)在傳感器技術(shù)指標(biāo)方面國內(nèi)外差別不是很大。國外的船載水陸一體化測(cè)量系統(tǒng)在載體平臺(tái)設(shè)計(jì)方面較國內(nèi)的技術(shù)水平高。國外的載體平臺(tái)整體穩(wěn)定，可便攜運(yùn)輸、拆卸簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

船載水陸一體測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行地形測(cè)量時(shí)，在數(shù)據(jù)處理方面采用重疊區(qū)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)多波束水深數(shù)據(jù)，幾乎可以消除誤差，該系統(tǒng)的最大誤差來源是人工量測(cè)產(chǎn)生的誤差。

國家海洋局第一研究所引進(jìn)了船載水上水下一體化綜合測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由多波束測(cè)深系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、定位定姿系統(tǒng)等傳感器組成，并配套采集、導(dǎo)航及后處理軟件。海洋一所研究人員利用該系統(tǒng)對(duì)青島千里巖海島分別從水上、水下、空中進(jìn)行了全方位空間立體測(cè)量。利用RTK 定位結(jié)果評(píng)估了其水上點(diǎn)云精度，完成了水上水下一體化測(cè)繪目標(biāo)。在高動(dòng)態(tài)測(cè)量條件下，激光點(diǎn)云水平定位和高程精度均優(yōu)于0.3m。

2.2 系統(tǒng)組成及原理

船載水陸一體測(cè)量系統(tǒng)將定位接收機(jī)、同步控制器等多傳感器集于一體，利用全站儀精測(cè)各傳感器，經(jīng)校準(zhǔn)獲取相對(duì)位置關(guān)系和安裝角度。在數(shù)據(jù)處理階段，多波束水深數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)云經(jīng)艏搖、橫搖、縱搖校準(zhǔn)，完成潮位改正等處理后可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)由傳感器坐標(biāo)系。其中同步控制器的作用是時(shí)間同步。系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1 船載水上水下一體化系統(tǒng)構(gòu)成圖

傳感器的處理單元對(duì)時(shí)鐘校正、時(shí)間同步有較高的要求，系統(tǒng)傳感器需要輸入秒脈沖信號(hào)，可以完成脈沖信號(hào)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)。各個(gè)傳感器的空間配準(zhǔn)是生成高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)的前提，一般空間配準(zhǔn)是通過將各傳感器采用剛性連接的方式固定于船載平臺(tái)上，姿態(tài)傳感器一般放置于參考中心。通過全站儀測(cè)量各個(gè)傳感器相位中心的偏差距離，以便后期誤差改正使用。雖然通過準(zhǔn)確的測(cè)量和安裝但是仍然會(huì)有系統(tǒng)誤差的存在，主要為安置角系統(tǒng)偏差，選擇合理的同步頻率可避免數(shù)據(jù)的浪費(fèi)，保證船載水上水下一體化系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分為兩個(gè)階段，分別是前期準(zhǔn)備階段和信息采集階段。

2.3.1 前期準(zhǔn)備階段

系統(tǒng)安裝之前要做好準(zhǔn)備，測(cè)繪系統(tǒng)盡量安裝在船舷中部或者船舷右側(cè)，盡量離船舶發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)些。多波束換能器常規(guī)的安裝方式是垂直安裝，這種方式會(huì)有很多缺點(diǎn)，在測(cè)量中會(huì)出現(xiàn)很多盲區(qū)。為了解決這一問題，需要在船體上安裝傾斜換能器解決，傾斜角度控制在上仰30°～45°之間。系統(tǒng)安裝完成后進(jìn)行調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)無縫銜接，并利用差分定位系統(tǒng)設(shè)立基準(zhǔn)站和流動(dòng)站。

2.3.2 采集階段

選擇適宜的地點(diǎn)作為水陸測(cè)量校正區(qū)域。在這一區(qū)域?qū)BES 和TLS 分別進(jìn)行校準(zhǔn)；數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)傳感器的顯示狀態(tài)，密切關(guān)注相關(guān)控制參數(shù)。在數(shù)據(jù)采集過程中要重視測(cè)繪數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，采集時(shí)要盡量避免船速的變動(dòng)及船只急轉(zhuǎn)彎。要避免水深、離岸距離、船速等因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的累積誤差，從而對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量、點(diǎn)云密度等產(chǎn)生影響。

水陸動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不僅取決于系統(tǒng)本身的優(yōu)劣，還與輔助測(cè)量設(shè)備密切相關(guān)，需要經(jīng)常對(duì)相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)試，確保質(zhì)量、測(cè)量精度滿足要求。

2.4 數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云的無縫拼接設(shè)置了5 個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)。利用POS信息將船載坐標(biāo)系坐標(biāo)換算到當(dāng)?shù)氐乃阶鴺?biāo)系中，再對(duì)多波束測(cè)深數(shù)據(jù)和三維激光點(diǎn)云潮位進(jìn)行改正，并對(duì)船體的橫搖、縱搖、艏搖等三個(gè)參數(shù)進(jìn)行精校準(zhǔn)、濾波。完成上述操作后，最后輸出坐標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)水陸測(cè)繪數(shù)據(jù)的無縫隙拼接。拼接流程如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)無縫拼接流程

3 存在問題

船載水陸一體測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)據(jù)集成、應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理等方面仍存在以下問題：

3.1 存在測(cè)量盲區(qū)

該系統(tǒng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的完整性受到系統(tǒng)安裝位置、平臺(tái)航向、船只吃水、水陸障礙物等因素的影響。在地形環(huán)境較規(guī)整的港口碼頭、航道、島礁等區(qū)域系統(tǒng)適用性較強(qiáng)，在潮差較小、坡度變化較大的地形復(fù)雜區(qū)域，則常出現(xiàn)測(cè)量盲區(qū)。

3.2 數(shù)據(jù)處理問題

測(cè)量設(shè)備易受海水侵蝕的影響，長時(shí)間會(huì)出現(xiàn)銹蝕松動(dòng)的現(xiàn)象。反復(fù)拆裝設(shè)備會(huì)增加設(shè)備的校準(zhǔn)次數(shù)，從而降低測(cè)量效率。由于陸海地形地貌等要素差別較大，現(xiàn)有的濾波算法有一定的局限性。

4 發(fā)展趨勢(shì)

目前，我國船載水陸一體測(cè)量系統(tǒng)研究尚處在起步階段，其未來的發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在：

（1）快速構(gòu)建多分辨率數(shù)字高程/深度模型，精細(xì)化顯示近岸復(fù)雜地形。

（2）提高系統(tǒng)兼容性，硬件要以集成為主。提高系統(tǒng)的便攜性的同時(shí)降低系統(tǒng)成本。

（3）根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及類型改進(jìn)點(diǎn)云濾波、數(shù)據(jù)分類分割等算法，加強(qiáng)測(cè)繪數(shù)據(jù)的處理技術(shù)及應(yīng)用軟件的開發(fā)應(yīng)用，并考慮植被對(duì)地形地貌測(cè)量的影響。

5 結(jié)語

水上水下一體化測(cè)繪在未來地理信息調(diào)查和檢測(cè)中起到重要作用。對(duì)于船載水陸一體測(cè)量系統(tǒng)來講，獲取精確的基礎(chǔ)地理信息有著靈活性強(qiáng)、密度高且成本低的優(yōu)勢(shì)，為水上水下測(cè)繪一體化框架的構(gòu)建提供了一套解決方案。將來會(huì)在電子航道圖工程、數(shù)字航道工程、海島、海岸帶監(jiān)測(cè)中具有較為廣泛的應(yīng)用價(jià)值。