激光掃描測量技術(shù)在海事管理中的應(yīng)用探討

施翔宇

【摘要】研究激光掃描測量技術(shù)在船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管領(lǐng)域中的應(yīng)用，探討如何與海事管理常用手段相結(jié)合，表明在海事管理中的巨大應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】激光掃描測量；海事管理

1、研究背景

船舶的識別、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和異常行為處理始終是海事管理的工作重點(diǎn)之一。近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國運(yùn)輸船舶的數(shù)量顯著增加，船舶運(yùn)行狀況的復(fù)雜度加大，隨之帶來的管理要求也不斷提高。如何有效地利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)船舶的監(jiān)測預(yù)警已成為提升海事管理當(dāng)務(wù)之急。

目前在海事管理中主要通過人工監(jiān)管、雷達(dá)成像、視頻監(jiān)控、AIS、RFID等技術(shù)手段獲取船舶動(dòng)態(tài)信息。其中雷達(dá)波容易受波浪、建筑物的干擾，采集到的模擬信號無船舶尺寸、類型等船舶物理信息，無法判定船舶裝載情況。視頻監(jiān)控技術(shù)受光照度和能見度影響較大，在反射陽光的水面或夜晚等特殊場景下無法準(zhǔn)確識別船舶特征。AIS監(jiān)管屬于被動(dòng)式監(jiān)管，不僅需要船舶安裝AIS終端設(shè)備，還需要保證終端設(shè)備始終開機(jī)工作。不同廠商的RFID設(shè)備通訊頻率和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)各不相同，通訊距離越遠(yuǎn)識別率越低，無法單獨(dú)判斷目標(biāo)方位。人工監(jiān)管是目前海事管理的主要方式，通過海事管理人員上船檢查，憑借專業(yè)技能和工作經(jīng)驗(yàn)對船舶進(jìn)行監(jiān)管。這種方式受人力資源的限制，往往不能對所有過往船舶逐條檢查，且這種方式對海事管理人員專業(yè)技能要求較高，容易受人的主觀判斷影響，甚至滋生腐敗現(xiàn)象。這種傳統(tǒng)的管理方式已經(jīng)越來越不能適應(yīng)當(dāng)前海事管理的需要，它不僅效率低下，更不利于營造公平的海事管理環(huán)境，甚至?xí)p低海事管理部門的公信力。激光掃描測量技術(shù)為海事管理部門提供了一種高效、精確的科技手段，能夠很好地解決上述問題。

2、激光測距和掃描測量技術(shù)原理

激光測距技術(shù)通過激光發(fā)射器發(fā)出若干激光脈沖波，當(dāng)激光脈沖波碰到遮擋物體后反射部分能量，激光接收器收到反射的激光波時(shí)，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)發(fā)射和接收信號時(shí)間差計(jì)算出與遮擋物體的距離值。

激光掃描測量技術(shù)是在激光測距技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸，它通過激光掃描器連續(xù)不停的發(fā)射激光脈沖波，激光脈沖波照射到高速旋轉(zhuǎn)的鏡面上，并將激光脈沖波向各個(gè)方向發(fā)射從而形成一個(gè)扇形二維平面區(qū)域。在掃描器的掃描范圍內(nèi)，掃描器測量出每個(gè)測量點(diǎn)的距離，根據(jù)此距離信息可以計(jì)算出物體某個(gè)斷面的外型輪廓坐標(biāo)定位數(shù)據(jù)。通過移動(dòng)掃描器和物體的相對位置掃描出物體多個(gè)斷面，就能夠得到物體的整體外形輪廓數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)一步通過空間建模，將物體3D可視化。

3、激光掃描測量技術(shù)在海事管理中的應(yīng)用難點(diǎn)

盡管激光掃描測量技術(shù)具有精度高、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，但不同于建筑物等固定測量物體，航行船舶是非勻速運(yùn)動(dòng)物體，對它的掃描測量難度非常大，如果不能夠準(zhǔn)確測量出船舶的航行速度，將會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差。在對寬闊水域航行船舶進(jìn)行測量時(shí)，測量范圍寬達(dá)幾十米甚至上千米，而激光幕簾范圍有限，如果激光反射距離太遠(yuǎn)也會(huì)造成反射激光能量太弱而無法識別或產(chǎn)生較大測量誤差。當(dāng)多船舶交匯于同一激光幕簾時(shí)，測量結(jié)果的計(jì)算就更加復(fù)雜。

4、激光掃描測量技術(shù)的應(yīng)用

為了解決上述問題，在橋梁通航孔中心位置安裝兩組激光掃描測量器，這樣就在船舶通航區(qū)域形成兩道激光幕簾對下方航行船舶進(jìn)行連續(xù)掃描。兩道激光幕簾之間有一定夾角，可以根據(jù)測量對象的同一部位，準(zhǔn)確計(jì)算出船舶實(shí)時(shí)航行速度等信息。再通過一系列計(jì)算獲得船舶的航向、航速、船長、船寬、船高、干舷等信息。

4.1 與視頻監(jiān)控技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

通過在測量點(diǎn)附近安裝一個(gè)或多個(gè)視頻攝像機(jī)或照相機(jī)，將激光器的測量結(jié)果為觸發(fā)信號，聯(lián)動(dòng)高清圖像設(shè)備抓拍現(xiàn)場船舶照片或錄取視頻。得到的照片或視頻可以根據(jù)抓拍時(shí)間快速進(jìn)行檢索，便于海事管理人員有目的地查找。盡管現(xiàn)有視頻監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體自動(dòng)抓拍功能，但是受到水面波紋和雜物等干擾，抓拍準(zhǔn)確度不高，容易造成漏拍或誤拍。視頻監(jiān)控技術(shù)通過與激光掃描測量技術(shù)的結(jié)合，可以根據(jù)測量的船舶位置和船長自動(dòng)調(diào)整焦距和最佳抓拍時(shí)間，或根據(jù)測量的船舶特征如駕駛室和人員抓拍船舶船名號和駕駛員臉部特征。這些照片、視頻和測量數(shù)據(jù)是涉嫌超載超限船舶違法行為的有力證據(jù)。

4.2 與AIS技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

AIS的開機(jī)率問題一直是海事管理的難題之一，對安裝AIS終端并正常運(yùn)行的船舶監(jiān)管可以說是非常有效。但部分違章船舶通過關(guān)閉AIS終端電源或遮擋天線等方式逃避監(jiān)管。AIS終端安裝不當(dāng)或故障損壞也會(huì)影響海事監(jiān)管效果。AIS技術(shù)通過與激光掃描測量技術(shù)的結(jié)合，在測量點(diǎn)附近安裝AIS信號接收裝置，就可以準(zhǔn)確判斷出被掃描船舶AIS信號是否正常。另一方面，對于接收到AIS信號的被掃描船舶，可以將AIS信號中獲得的船名、主尺度等靜態(tài)信息與測量結(jié)果作比較，不僅可以準(zhǔn)確識別船舶船名號，還可以大致判定船舶是否有改裝、套牌、更改AIS終端識別碼等違法違規(guī)行為，能夠有效杜絕船舶規(guī)避海事監(jiān)管。在對事故船舶逃逸調(diào)查、超限船舶闖禁預(yù)警等海事管理中激光掃描測量技術(shù)能夠發(fā)揮積極作用。

4.3 與RFID技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

RFID技術(shù)通過將接收到的射頻卡識別碼與數(shù)據(jù)庫登記船舶信息比對，能夠迅速對船舶進(jìn)行唯一性識別，但該技術(shù)存在無法判斷目標(biāo)方位和運(yùn)動(dòng)狀況等缺點(diǎn)。激光掃描測量技術(shù)最大的不足之處就是無法對船舶做到唯一性識別，因此這兩種技術(shù)具有很好的互補(bǔ)性。通過將RFID技術(shù)取得的船舶識別數(shù)據(jù)與激光掃描測量數(shù)據(jù)結(jié)合，能夠快速準(zhǔn)確判斷被掃描船舶身份，了解船舶準(zhǔn)確方位和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這對于法規(guī)未強(qiáng)制安裝AIS終端的小型船舶可以起到很有效的監(jiān)管作用。

4.4 船舶流量監(jiān)測應(yīng)用

船舶流量監(jiān)測也是海事管理的難題之一，使用激光掃描測量技術(shù)對測量點(diǎn)過往船舶的數(shù)量進(jìn)行監(jiān)測和統(tǒng)計(jì)，可以實(shí)時(shí)掌握航道中船舶的流量數(shù)據(jù)并自動(dòng)預(yù)警，防止因船舶過多造成碰撞事故或堵航。同時(shí)通過對船舶干舷的測量，能夠很容易判斷出船舶裝載情況，若該測量點(diǎn)位于不同地區(qū)分界點(diǎn)，只要結(jié)合上下行船舶數(shù)據(jù)，就能夠準(zhǔn)確了解貨物進(jìn)出某地區(qū)情況。這些數(shù)據(jù)能夠用于分析地區(qū)水運(yùn)交通和貿(mào)易狀況，為經(jīng)濟(jì)決策和產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)。

4.5 航道水位監(jiān)測應(yīng)用

航道水位受降雨或潮汐影響會(huì)發(fā)生變化，這種變化會(huì)嚴(yán)重影響船舶航行安全，也是海事管理重要工作之一。航道水位過高時(shí)，船舶過橋困難，容易造成撞橋事故；航道水位過低時(shí)，船舶容易擱淺。激光掃描測量技術(shù)能夠?qū)λ磺闆r進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測量，同時(shí)能對過往船舶實(shí)際最大高度進(jìn)行測量。通過簡單計(jì)算，就能夠判斷該船舶能否通過航道上其他通航高度較低的橋梁和管線，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警。當(dāng)測量到水位過低時(shí)，能夠通過LED顯示屏等方式自動(dòng)提醒過往船舶。

5、在紹興杭甬運(yùn)河上的應(yīng)用實(shí)踐

5.1 系統(tǒng)組成

2015年紹興市港航管理局在杭甬運(yùn)河先進(jìn)橋建成船舶流量自動(dòng)化觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于激光掃描測量技術(shù)，由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)三個(gè)部分組成。其中數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括一組2套激光掃描測量儀和3臺(tái)攝像機(jī)；數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括工控機(jī)和軟件；輔助子系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)和電源控制系統(tǒng)。先進(jìn)橋?yàn)閱慰讟蛄海ê娇變舾?米、凈寬55米，激光掃描測量儀就安裝在通航孔正上方。

5.2 工作過程

激光掃描測量儀對正下方的航道進(jìn)行不間斷的激光掃描，采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)電纜進(jìn)行傳輸，高速網(wǎng)卡將激光器采集的數(shù)據(jù)傳送給后端的工控機(jī)進(jìn)行處理。為實(shí)現(xiàn)斷面和速度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)匹配，工控機(jī)需同時(shí)處理兩路采集的激光數(shù)據(jù)。工控機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)數(shù)據(jù)變化率判定是否有船舶經(jīng)過。若檢測到船舶，則實(shí)時(shí)記錄測量到的截面數(shù)據(jù)，根據(jù)多個(gè)截面的形狀構(gòu)建船舶的三維尺寸，同時(shí)對船舶的流量進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)。

船舶特征辨識是將兩組激光器的數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)系中，通過位置坐標(biāo)來找到同一艘船舶，然后使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對兩坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。為消除激光器水平誤差、水面波浪和雜物對測量結(jié)果的影響，需要對數(shù)據(jù)的傾斜進(jìn)行校正和平滑處理。通過機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合形態(tài)學(xué)的相關(guān)知識，對因遮擋而未檢測到的船舶部位進(jìn)行重構(gòu)，以減少測量的誤差。

激光掃描測量儀以設(shè)定頻率掃描橋梁下方航道，根據(jù)收到水面的反射信號計(jì)算出實(shí)時(shí)水位。當(dāng)檢測到船舶經(jīng)過兩道激光幕簾時(shí)，工控機(jī)根據(jù)信號觸發(fā)機(jī)制向3臺(tái)攝像機(jī)發(fā)送抓拍指令，并將攝像機(jī)傳輸來的圖像信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

5.3 測試情況

2015年3月23日00：00至2015年3月24日23：59對紹興市杭甬運(yùn)河先進(jìn)大橋觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。測試確認(rèn)系統(tǒng)對經(jīng)過觀測點(diǎn)船舶的數(shù)量、航向、長和寬、出水高、空重載等特征的24小時(shí)不間斷測量的準(zhǔn)確度。測試期間人工觀測共有299艘船舶經(jīng)過測量點(diǎn)，系統(tǒng)采集到的通過船舶數(shù)量為299艘，其中航向錯(cuò)誤11艘、空重載錯(cuò)誤8艘、抓拍圖像錯(cuò)誤7艘。

6、結(jié)論

激光掃描測量技術(shù)是測量領(lǐng)域一次重大創(chuàng)新，它具有遠(yuǎn)距離、非接觸、高效率、高精度的優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)測量方法所無法實(shí)現(xiàn)的。它掃描速度快、自動(dòng)化程度高，在眾多領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。在海事管理中推廣應(yīng)用激光掃描測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶的自動(dòng)監(jiān)管，同時(shí)結(jié)合視頻監(jiān)控、AIS、RFID等現(xiàn)有海事管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對船舶全方位立體監(jiān)管。它是實(shí)現(xiàn)海事管理由經(jīng)驗(yàn)管理向智能管理轉(zhuǎn)變的重要技術(shù)手段。

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