基于无多波束和激光扫描的水上水下一体化航道测绘技术.pdf

信 息 与 网 络水上安全 2023 年 第 9 期58第一作者简介：李剑，男，硕士，研究方向为航道养护、管理。基于无多波束和激光扫描的 水上水下一体化航道测绘技术李 剑，徐 翔（南京市航道局事业发展中心，南京 210036）摘要：本文针对在航道监测工作中，只使用船载多波束对水下地表进行数据采集的不足之处，提出了增加用无人机搭载激光扫描仪进行水上补充测量的手段。通过点云分类和数据融合，建立水上和水下一体化三维地理信息数据采集、建模的整个测绘技术流程，为航道运维管理起到良好的技术支撑作用。关键词：无多波束；激光扫描；一体化；测绘0 引言航道监测工作对于航道的安全及环境保护具有重要意义。航道监测及养护是保障内河航道安全、提高航道服务水平，为船舶提供良好、安全航行条件的重要手段。为确保船舶航行安全，江苏省内河航道养护测量管理办法等规定必须对重点航段进行定期水下地形测量与跟踪分析，旨在全面掌握水深变化趋势、河床变化趋势及航道技术状况，为航道养护提供决策依据。航道监测工作的重点是水下地形测量，通过水下地形测量，能够精准掌握航道是否存在碍航物，精准判断航道实际尺度，同时也能够通过多时相的数据计算出航道淤积的变化趋势。目前广泛使用的传统水下地形测量方法是在载人船只上安装单波束测深仪和全球卫星导航系统（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）定位装置来获得相应点位的水下地形坐标信息。无人船作为水下地形测量数据获取的重要路径，现阶段已逐步代替传统人工测量作业方式。我国自应用无人船技术以来，经多年技术创新发展，无人船水下地形测量技术已趋近于成熟，而无人船的航行表现也趋于稳定和智能化。在水下地形测量中无人船技术应用的最大优势就是高效、安全、轻便及小巧，再加上无人船测量运行成本低的应用优势，让无人船测量技术深受测绘单位的青睐。但是，即使是用无人船测绘水下地形，也很难紧贴岸边测量。采用多波束系统测量虽然有一定的开角，也难以测量坡度较为平缓的河岸水下地形。所以，本文提出一种多波束联合激光扫描的测绘技术，一体化测量水上水下地形，构成整个河道无盲区地形测绘。1 测量原理与系统组成1.1 多波束测深系统1.1.1多波束测深原理多波束测深系统是利用多波束发射换能器阵列向水下发射垂直于航迹方向的宽幅波束，再用接收换能器对发射波束进行窄幅波束接收，通常垂直于航行方向的发射波束开角为 13，沿航行方向的接收波束开角为 0.53，两者形成的重叠区域称为波束脚印，多个波束脚印叠加会形成条带式的水深数据。同时由多个数据传感器包括定位传感器、姿态传感器、声速传感器、电子罗经等对平面位置和水深进行实时计算和改正。具有测量范围大、精度高、效率高的优点1。1.1.2多波束测深系统以华微 6 号无人船搭载 NORBIT 多波束为例介绍多波束性能2。1.2 激光扫描系统激光探测及测距系统（lightdetectionandranging，LiDAR）是一种光感测距技术，机载LiDAR 主要以飞机为搭载平台，主要由激光扫描仪、GNSS 接收机、惯性测量单元（inertialmeasurementunit，IMU）组成。通过时间标签同步激光测距、运动姿态测量、GNSS 接信 息 与 网 络Maritime Safety 水上安全59收机测量的时间，用 GNSS实时动态测量（real-timekinematicsurvey，RTK）技术和惯性测量精确获得搭载平台实时运动状态，利用激光脉冲回波获得探测对象的三维空间坐标值。LiDAR技术能够穿透树木，是目前制作数字高程模型（digitalelevationmodel，DEM）精度和效率都最高的技术，许多学者使用该技术测绘地形图3。2 水上水下一体化航道测绘技术2.1 总体技术路线总体技术路线如图 1 所示。是否否图 1 总体技术路线2.2 资料收集搜集如下资料：1）测区范围内甲方航道历史测量成果资料；2）测区范围内的大比例尺地形图数据；3）测区范围及周边的已有控制资料。2.3 控制点测量使用 RTK 按照相关测绘标准规程，进行控制点测量。控制点尽量布设在较为平坦区域，除了按要求布点外，还要布设适当的检查点，用于检查激光点云成果。2.4 无人船数据采集无人船下水之前提前规划测区和航线，按照测绘规程操作无人船进行扫测，完成后检查数据覆盖是否完全，若覆盖不全，必须补测。主要有如下工作步骤：1）多波束系统设备校准。根据无人船及搭载设备的要求，正式作业前需要按要求校准设备，激活惯导设备为工作状态。2）惯性导航与 GNSS 信号的融合解算。不同的软件惯性导航与 GNSS 信号的融合解算具体操作步骤不同，根据具体情况而定。3）多波束距离探测的改正。根据水的温度、浑浊度等按照经验公式对测深数据改正。一般在内河测量，无需验潮数据。为了保证测量精度，在特征明显处用RTK 测量水面高程值，并对无人船吃水深度进行检核。4）水下点云数据生成。测深设备的位置和姿态，叠加测深的距离值，可以计算出回波信号返回点的三维位置坐标。大量的位置点就构成了航道河床的点云数据，可以表达出水下地形三维形态。5）水下点云数据精度验证。多波束测深相比传统测量水深方法精度高，所以不能用传统测量水深方法来验证。本项目拟采用精度相当的单波束无人船验证多波束测深数据结果，统计其较差，根据 JTS1312012水运工程测量规范要求分析精度。若精度不满足要求，需要分析原因并重新进行扫描。2.5 无人机数据采集无人机数据采集主要包括如下工作：1）无人机激光扫描。无人机激光扫描测量主要用于自动构建河岸及两侧 DEM，要严格按无人机激光扫描规程作业。2）水位测量。可以用无人机激光测量水位高程值，尽量在低水位时进行无人机数据采集。2.6 数据处理1）数据预处理。使用无人船多波束配置的软件，对采集的水下数据预处理，预处理主要工作内容有：扫描的数据噪声滤除；扫描带数据配准；点云成果坐标系及高程基准转换。2）数据处理。使用泰拉索利德（Terrasolid）软件，对采集的水上水下数据处理，主要工作内容有：点云数据去噪。过滤掉由于悬浮物等引起的点云噪声点，这些点通常表现多次反射的“低点”或“空中点”。河床之上的“空中点”对地表分类没有影响，主要需要处理有影响的“低点”。影像数据处理。大疆 L1 系统下视影像输出正射影像。利用大疆 L1 系统附带的相机，使用大疆智图软件输出正射影像。大疆精灵 4RTK 系统下视和倾斜影像计算倾斜模型。使用大疆智图软件，结合外业控制点，对下视和倾斜影像进行空三加密后，计算出倾斜模型，主要用于三维展示。点云数据分类。分离出表示河底的三维地表点，使用 Terrasolid 软件的“ground”分类法，最大建筑边长设为 10m。对激光点云数据进行分类处理，要求分出地表类、跨河桥梁类、水面类。信 息 与 网 络水上安全 2023 年 第 9 期60数据精度验证。用单波束的数据成果，对多波束的河底数据进行精度验证。根据规范要求，分析验证结果。验证结果满足要求了，才能进行下一步工作。2.7 数据融合与三维建模水上和水下的点云数据的融合，主要是大疆 L1 的水上数据与多波束的水下两者点云数据的融合。首先应统一融合原始数据的坐标系统，具体步骤如下：1）绘制航道水域边线。以无人机激光扫描时的水边线为基准，绘制航道水域的范围线。2）合并激光点云数据和多波束点云数据，以航道水域边线为拼接线，对两数据的重叠部分进行配准处理。对融合后数据进行重新采样。3）构建整体三维表面模型。3 技术验证试验区选择秦淮新河长江口门过秦淮河船闸到秦淮新河大桥止，作为本研究试验区，长度约 3km，开展多波束和大疆 L1 的扫描数据采集和处理，以验证该流程方法的可行性。激光和多波束扫描的数据成果融合后，以高程值大小显示效果如图 2 所示。红色代表高，蓝色代表低。图 2 激光与多波束扫描点云融合效果图水上水下一体化建模效果如图 3 所示。结合 DEM基础数据，应用无人机激光地面点和多波束水下地表点云建立水上水下一体化地表三维模型。图 3 水上水下一体化地表三维模型效果图4 结束语本文使用无人机搭载大疆 L1 激光扫描仪和无人船搭载多波束测深仪，对水上地表和水下地表进行扫描数据采集，通过激光点云分类和数据融合算法，建立水上和水下一体化的三维地表模型，从而构建出从数据采集到三维建模的整个测绘技术流程，为航道运维管理提供了三维地理信息数据，起到良好的技术支撑作用。5 参考文献1 刘嘉辉.多波束无验潮测深模式在深水基槽项目中的应用 J.中国水运(下半月),2022,22(10):143-145.2 上海华测导航技术股份有限公司.NORBIT 系列多波束测深仪EB/OL.2023-05-18.http:/ 韩文泉.基于 LiDAR 技术的城市植被三维结构信息提取 D.南京:南京大学,2012.