利用多傳感器集成和數據融合實現水上水下一體化測繪

陳 科，王 沖，聞 平，吳 杰，桂 林

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司測繪地理信息分院，云南 昆明 650041)

利用多傳感器集成和數據融合實現水上水下一體化測繪

陳 科，王 沖，聞 平，吳 杰，桂 林

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司測繪地理信息分院，云南 昆明 650041)

水上水下一體化測繪技術為水域相關測繪提供了一種高效快速的解決方案。本文介紹了多傳感器集成和數據融合領域的研究背景，闡述了水上水下一體化測繪的原理和方法，結合工程試驗數據，對點云數據進行了精度統計分析，論證了水上水下一體化測繪技術方法在水電工程應用中的有效性，水上水下一體化測繪是對傳統水域相關測繪技術方法的變革和創新，具有一定的工程意義。

水上水下一體化；多傳感器集成；數據融合；船載；移動測量

隨著測繪“大數據”時代的到來，移動互聯網、物聯網、云計算、對地觀測、北斗導航系統、小型遙感衛星、無人機遙感、傾斜攝影、移動測量、自動駕駛、室內導航、智能感知等新手段和各種基于位置應用技術的不斷進步和完善[1- 2]，使得“天空地人”一體化測繪解決方案逐漸應用到各行各業并日益成熟。相對于“天空地人”一體化測繪而言，水域相關測繪方面比較薄弱，特別在水資源豐富的中西部地區，在高山峽谷河道測繪方面，技術依然傳統，效率不高，難以滿足“大數據”時代的數據要求和用戶需求。因此，針對河道地形測繪、河流沖刷淤積管理、水庫動態監測、流域智能決策系統等工程應用，亟待探索一種水上水下一體化的高效測繪技術方法[3]。

傳統上，涉及水域相關的三維地理信息數據采集，一般分為水上和水下兩個獨立的工程分別實施[4]。水上工程區域多采用GNSS RTK人工跑點、航空/天攝影測量技術、無人機遙感技術等；而水下工程一般借助測量船結合測深儀、側掃聲吶、多波束測深系統采集水深數據。這種將水上水下同一工程一分為二的實施方法，往往存在：水上水下坐標基準不統一；水上水下數據精度不一致；兩岸懸崖陡坡人員無法到達導致數據不完整；水上水下數據不連續，存在數據空白需進行插值等后處理工作；作業效率不高等技術瓶頸[5]。因此，研究一種水上水下一體化測繪技術方法，對提高近海海岸帶測繪和河道帶狀測繪的效率、精度、數據質量等具有重要意義。

以三維激光掃描技術為核心的移動測量系統(mobile mapping system,MMS)是測繪最為前沿的科技之一，代表著未來電子地圖制圖領域的發展方向[6]。李德仁院士主持的技術團隊對該領域作了大量研究和科技創新[7]，提出了全新的可量測實景影像(digital measurable image,DMI)的概念，并寫入國家測繪標準，成為第5D測繪產品[8]。同時，多波束測深技術的發展，打破了傳統單波束以點為基礎的離散式的作業模式，而代之以空間面為基礎的立體式作業模式，實現了立體測圖、智能處理及自動化成圖，使海洋測量技術發展到一個較高的水平[9]。此外，隨著GNSS技術的發展和慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)性能的大幅提高，利用IMU測姿組合GNSS載波相位差分定位而形成的定位定姿系統(position and orientation system,POS)，可直接為移動平臺和傳感器提供高精度空間位置和三軸姿態信息，實現直接地理定位，為無(極少)控制點測繪提供了一種快速、有效、可靠的解決途徑，使得多傳感器集成平臺的應用成為可能[10]。在此背景下，本文采用測量船作為多傳感器集成平臺，結合筆者所在單位自身軟硬件條件，將水上水下一體化測繪系統運用于河道帶狀測量工程中，系統闡述了多傳感器集成原理和數據融合方法，結合試驗數據分析點云數據的精度，驗證其在大比例尺地形圖測繪中的有效性。

1 水上水下一體化測繪原理和方法

1.1 多傳感器集成原理

高精度的水下測深技術、地面三維激光技術、數字傳感器技術、動態定位定姿技術、近景攝影測量等技術的不斷發展和完善，使得基于各種載體的移動測量技術成為可能。水上水下一體化測繪技術主要集成了三維掃描儀、360°全景相機、多波束測深儀、GNSS- IMU定位定姿等設備，采用非接觸主動式的數據采集方式同步獲取水上水下地形特征點和水上全景影像[11- 12]。多傳感器集成原理是：首先將水上水下所有傳感器通過船載剛性穩定平臺固聯；量取各個傳感器在水上水下一體化系統物方坐標系下的坐標值；將量取的桿臂值輸入實時采集軟件中進行水上水下數據采集；數據后處理中將GNSS- IMU定位定姿解算后數據導入系統，將水上水下全數據轉換到統一的當地工程坐標系，實現水上水下一體化測繪。

水上水下一體化測繪系統主要包含以下子系統：

(1) 三維激光掃描子系統：采集水上地形數據，提供兩岸高精度的三維點云數據。

(2) 多波束測深子系統：采集水下地形數據，提供水下高精度的三維點云數據。

(3) 全景影像采集子系統：采集360°全景影像。

(4) 動態定位定姿子系統：提供激光束發射和影像曝光瞬時的位置和姿態，解算點云的三維坐標和影像的外方位元素，實現全系統的時空一致和坐標統一。

(5) 數據實時采集子系統：通過電腦連接各傳感器，在采集可視化軟件中，按預定的航線進行作業，并實時監控水上水下數據采集情況。

(6) 數據后處理和應用發布子系統：主要由POS數據融合處理模塊、點云數據處理模塊、全景影像拼接和處理模塊、地形特征地類地物處理模塊、三維集成數據發布模塊等組成。

1.2 數據融合原理

傳統的水域測繪數據融合，一般指將具有數據空白或漏洞的水下數據和水上數據通過插值計算進行數據融合，實現水上水下無縫的、連續的、完整的地形數據。文獻[13]描述的數據融合是指水下多傳感器數據融合計算水下點云數據的三維坐標，以及水上多傳感器的數據融合計算水上點云數據的三維坐標和全景影像的內外方位元素。

(1) GNSS和IMU數據融合計算定位定姿POS數據。POS數據解算主要完成將基站數據及GNSS數據和IMU數據融合，使用第三方Inertial Explorer軟件實現。

(2) 水下數據融合。原始水深數據經過聲速剖面改正后，將波束角和聲速傳播時間的數據轉換成相對于測量船的水平位置和相對安裝深度的水深值。數據融合是根據POS數據和潮位改正數據，將每個水深點的坐標從船體物方坐標系轉換到地方工程坐標系中的三維坐標。

(3) 水上數據融合。主要是將POS數據和激光點云數據及全景影像數據進行融合處理，包括點云數據的時空歸算改正、全景影像拼接、三維點云和全景影像的配準等，實現地物地類提取和河道街景數據發布。

2 試驗分析

2.1 工程試驗

水上水下一體化測繪系統集成了中海達iScan三維掃描儀和美國R2Sonic2022多波束測深儀及POS系統。試驗區選取了500 m左右的大壩水庫河道，系統集成平臺采用了測量船上安裝的自制剛性結構。外業操作主要分為：多傳感器連接、航線布置、基準點建立、參數設置、設備初始化、水上水下數據采集等過程。數據處理主要包括：POS數據解算、水深數據融合、點云數據剔除、地類地物提取、地形要素生成等步驟。如圖1所示。

2.2 精度分析

為了更好地分析水上水下一體化測繪的精度，檢核點選擇了河道兩岸碼頭水泥臺階拐角、枯樹樁、電線桿、獨立石頭等明顯的地類地物點，首先在水上水下一體化測繪系統中提取相應特征點的坐標，然后采用傳統的GNSS RTK實測的方法，對同名點特征地類地物的坐標進行了采集，將地類地物同名點的兩套坐標進行精度統計分析。水上水下一體化測繪和GNSS RTK實測都采用了同一個岸上基準點，采用同一臺GNSS接收機，并在同一天內完成。坐標系統都采用了WGS- 84基準和高斯3°帶投影，高程系統為WGS- 84橢球高。

共采集了50個特征點，其中3個點為粗差點已剔除，故本次試驗的總體數據為47個特征點，并隨機抽取了其中12個點作為樣本點，表1為樣本特征點的坐標差值對比。

對樣本點坐標分量的精度統計分析見表2。從表2可以看出坐標各分量的誤差都是隨機誤差且符合正態分布的特性。從圖2誤差分布圖中可以看出，平面和高程的最大偏差都小于25 cm，其中東坐標最大偏差達19.5 cm，北坐標偏差最大達22.7 cm，高程最大偏差達22.3 cm。平面和高程的點位中誤差分別為18.9和14.6 cm，根據《水利水電工程測量規范》中地形點的圖上精度為0.5～0.6 mm，水上水下一體化測繪實測精度滿足水利水電工程大比例尺地形圖的測圖精度要求。

表1 水上水下一體化點云坐標與RTK實測特征點坐標精度對比

表2 樣本數據精度統計分析

圖2 特征點坐標分量誤差分布

3 進一步研究

本文采用的水上水下多傳感器集成方法，系統集成程度較低，導致外業各軟硬件串聯難度大，內業數據處理工作步驟繁多復雜，容易出錯。試驗數據剔除了外業GNSS信號失鎖和設備初始化階段的數據，并采用WGS- 84坐標系統下，當天同一GNSS基站作為外業檢核的基準，最大限度地保證了精度分析的有效性。考慮到水上水下一體化集成系統的復雜性，本文僅概要闡述了其系統集成原理和數據融合方法，并未從外業數據采集到內業數據處理及DMI數據發布進行系統性的論述，對于河道街景的發布等后續應用，考慮到工程的實際應用，在此并未展開討論。在系統集成化程度、實時數據采集軟件、點云自動化提取、地類地物智能化識別、POS系統誤差糾正和補償、點云和影像的自動化匹配等方面，還需要大量的研究，以不斷提高水上水下一體化測繪的精度和效率。

4 結 語

海岸帶及內陸河道水庫測繪對于國家經濟建設至關重要。移動測量技術已廣泛應用于三維數字城市、帶狀地形圖測繪、公路鐵路等專題測繪、城市多要素普查、河道海岸帶測繪等領域[14]。本文以測量船為載體，集成了水上水下多傳感器設備，實現了河道帶狀地形圖的一體化移動測量，提供了一種高效快速的河道帶狀三維地理信息要素的采集、處理、發布等工作的新途徑，克服了傳統測繪方法的技術瓶頸，極大地提高了工作效率，給傳統河道測繪帶來了全新的技術創新和變革。水上水下一體化測繪的精度能滿足水利水電工程中對大比例尺地形圖測繪的要求，是后續“數字河道”、“智能水庫”等決策信息系統的基礎，是對“天空地海人”全方位解決方案的有效補充，具有一定的工程意義。

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Realization of Mapping System Integrated Both Up- water and Under- waterwith Multi- sensor Integration and Data Fusion

CHEN Ke，WANG Chong，WEN Ping，WU Jie，GUI Lin

(Power China Kunming Engineering Corporation Ltd, Kunming 650041, China)

The mapping system integrated both up- water and under- water provides an efficient and rapid solution for water- related survey works. The study background on multi- sensor integration and data fusion was presented firstly. The primary theory and methodology of mapping system integrated both up- water and under- water was stated detailedly. Based on project test data, the accuracy statistics and analysis on point cloud data were worked out precisely. It was demonstrated that the proposed integrated mapping system would be an efficient solution and could satisfy the specification requirement of water conservancy and hydropower engineering project applications.

integrated survey system; multi- sensor integration; multi- data fusion; shipborne; mobile mapping

2016- 06- 07；

2016- 09- 08 作者簡介： 陳 科(1984—)，男，碩士，工程師，注冊測繪師，主要從事點云數據處理和3S集成應用研究。E- mail：chenkecke@163.com

陳科，王沖，聞平,等.利用多傳感器集成和數據融合實現水上水下一體化測繪[J].測繪通報，2017(3)：76- 79.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0088.

P23

A

0494- 0911(2017)03- 0076- 04