三維激光掃描在水上水下一體化測量中的應用

摘要：三維激光掃描技術以海量點云數據采集為依托，克服了傳統測量耗費人工、測量成果人為因素影響大的弊端，被廣泛應用數字城市建設、建筑物快速建模等方面。本文擬以三維激光掃描技術作為研究對象，將其與多波束測深系統相結合應用于航道水上水下一體化測量，以探究其在水上地形測繪、水下測深采集中的應用，提升航道信息測量的整體水平。

關鍵詞：三維激光掃描；多波束測深；點云；移動測量系統；數據采集

從工程設計與運營維護的角度，航道管理部門通常對航道沿線開展定期測繪工作，通常包含沿岸地形數據采集、水深觀測等。早期采用平板儀測圖、全站儀野外測圖等技術，伴隨GNSS技術的推廣應用，以差分定位RTK技術為代表的數據快速采集手段，然而以上傳統航道數據采集方法，人工采集效率較低、測量點位相對分散、精度難以統一控制；伴隨三維激光掃描技術的快速發展，以無人機、測量船、測量車為依托的移動測量系統，結合GPS、IMU信息快速定位解算POS中心位置，完成點云快速采集、多源數據融合與快速建模工作。

1 三維激光掃描儀技術概述

三維激光掃描技術作為新興的測繪技術，能完整高精度地重建掃描實物數據，快速完成逆向三維數據采集與模型重構。因其激光點云中的每個三維數據都是直接采集目標的真實數據，使得后期處理的數據完全真實可靠。由于技術上突破了傳統的單點測量方法，其最大特點就是精度高、速度快，與研究對象表面空間分布一致，可將其應用于地表信息采集、航道沿岸地形數據快速提取等工作。

從點云采集方式劃分，三維激光掃描分脈沖、相位和脈沖相位組合式，其中脈沖式測距范圍最大，但精度較低，受外界環境影響較小，適合低精度室外大范圍觀測；相位式掃描范圍較小，但精度較高，易受光線等因素制約；而脈沖相位組合掃描儀兼具二者優點，長距離高精度數據采集測量，抗外界因素能力強。

2 水上水下一體化測量系統數據采集原理

將三維激光掃描技術、GNSS接收機、慣性導航與多波束測深儀相結合，可實現水上快速定位、水下信息快速采集，實現實時同步定位、地表空間數據掃描與水下地形地貌測深的有效融合。

三維掃描利用激光測距，其點云坐標采集原理為測定水平與垂直角，以及脈沖激光發射與回收的時間差值所求取的間距，進而計算待測點坐標。以獨立坐標系統掃描為例，設定掃描設備為原點建立空間直角坐標系統，X、Y為平面，Z為垂直方向，通過距離L、以及點位與各軸的夾角，求得待測目標點P相對于坐標原點的空間坐標：

而多波束采用超聲波探測，測定換能器發出的聲波在水體中往返傳播時間，解析水體深度。相對于單波束而言，多波束由的換能器采取正交形式分組構成，呈現一定指向的窄波束，并向水體發射扇形脈沖波，單次探測即可瞬時獲取航向正交面的水深數據，進而表示出水體地形起伏情況。

3 基于三維掃描儀的水上水下一體化測繪應用分析

航道測繪中，采用船體作為數據采集平臺的運行載體，安置GNSS雙頻接收機、IMU慣性導航模塊、激光掃描儀與多波束測深系統。基本流程如下：

（1）水上點云獲取與去燥處理。實際施測過程中，利用三維激光掃描儀采集航道沿岸地表數據模型，結合內置CCD相機采集構筑物紋理特征，并利用POS定位信息，提升了點云配準的精度和效率；數據拼接中，將回波信號所引發的噪聲點，通過設置閾值的方法將其過濾剔除。

（2）航道沿岸地表建模。設置格網間距，并將掃描儀內置相機所拍攝的建筑物立面圖片影像，鑲嵌于格網模型表面，構建航道沿線地表三維模型。某航道激光掃描點云成果如圖2所示：

（3）水下地形地貌數據采集。將多波束換能器固定于測量船舷，并將GNSS設備固定于安裝桿，利用多波束采集的龐大數據點云，基于海量數據處理平臺，首先利用多余觀測量，剔除測量中的粗差錯誤數據，建立以TIN三角網為基礎來構建碼頭基坑數字高程模型。

4 結語

本文以三維激光掃描技術為依托，結合多波束測深系統，在闡述其數據采集相關工作原理的基礎上，探究其在水上水下一體化測繪中的應用。利用三維激光掃描技術可實現無接觸式測量，既不會對航道沿岸建筑構成干擾，又提升了數據采集的效率；利用多波束測深掃描，基于雙GNSS定位設備進行差分定位解算，快速高精獲取航道地表與水下數據。

參考文獻：

[1]曹海龍，楊曉波.三維激光掃描技術在建筑物建模中的應用[J].甘肅科技縱橫，2015（07）.

[2]李兆堃，嚴勇.三維激光掃描在工程測量中的應用研究[J].蘇州科技學院學報，2009（22）.

作者簡介：任洪玉（1985），男，山東濰坊人，漢族，本科，現為中海油能源發展管道工程安裝分公司工程師，主要從事海洋測繪、航道水深測量、海底管線路由勘察、水上水下一體化測量等方面的研究。