船載水上下一體化測量的應用

■ 文｜《海洋與漁業》記者 羅茵

船載移動三維測量系統工作原理

“對于海岸來說，采用傳統的測繪方法存在一個問題：測深儀聲波無法到達岸邊，激光無法穿透水面，導致近岸區域存在一定寬度的空白，難以繪制一體化的地形圖。”國家海洋局南海調查技術中心工程師王志良指出，空白就意味著包含不確定因素，不確定就代表著會影響安全性和效率性。

王志良指出，目前社會和市場對連續無縫的、且坐標統一的水上水下點云和地形數據的需求很大，可同時采集水上水下數據、一次航行就能完成測繪的船載水上下一體化測量在未來的島礁測繪、海岸帶測繪、水中構筑物測繪都有較大的應用前景。“一體化之后，就可以滿足1∶2000的地形測繪的要求。”

傳統測繪手段無法同時采集水上下數據

海島礁的地形、海岸帶的侵蝕、水中構筑物的腐蝕、港口航道的建設，以及江河、湖泊、水庫的狀況……社會上需要用到水上下地形數據的需求不可謂不大，但是傳統的測繪方法卻存在不少問題。

據王志良介紹說，傳統的測繪手段一般是使用GPS RTK、全站儀完成水上地形測繪，使用單波束、多波束測深儀完成水下地形測量。“這會造成什么問題呢？首先它需要人工去測繪，而很多區域不是那么好去的，測繪對象復雜的時候也沒辦法做到全覆蓋，分開測量效率也比較低，統一起來也會比較困難。”

準確繪制完整的水上水下地圖（包括河床、海岸線、海岸地貌、人造結構等）。長期以來一直是測量人員面臨的巨大挑戰，為獲得海洋環境完整的三維模型，需要使用聲納（水下）與激光設備（水上）采集數據，“這過程往往比較困難，可能需要兩次的航行才能采集到足夠的數據。”

“測深儀聲波無法到達岸邊，激光無法穿透水面，就會導致近岸區域存在一定寬度的空白，難以繪制一體化的地形圖。”王志良表示，傳統的測繪方式的差不多有 5米的空白區域，這意味著里面存在許多不確定因素。

“還有就是，水上水下傳感器之間的桿臂和安置角系統誤差會導致所得數據的點云存在錯位，不易拼接。”王志良說，這也會嚴重影響測繪的準確性。“當人工測繪的時候，船只轉彎、加速和浪涌，都會造成姿態和位置的解算精度降低，導致海底地形產生波浪狀誤差。”

在海洋中受到潮汐的影響，在內陸水系由于豐水枯水期的影響，水上水下分界線，即水位線都在不斷變化，“因此連續無縫的、且坐標統一的水上水下點云和地形數據具有重要的應用價值。”

三維激光掃描系統可非接觸主動測繪

因為可達性問題，所以可非接觸主動測繪，直接獲取高精度三維數據，能夠對任意物體進行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速將現實世界的信息轉換成可以處理的數據的三維激光掃描系統就顯得非常重要。

王志良介紹說，三維激光掃描系統，又稱為激光雷達（Light Detection and Ranging，簡稱 LIDAR），是利用激光測距原理確定目標空間位置的新型測量儀器，通過逐點測定激光器發射信號與目標反射信號的相位（時間）差來獲取激光器到目標的直線距離，再根據發射激光信號的方向和激光器的空間位置來獲得目標點的空間位置。

“一個一個的點組成線，多條線可以形成面，那么，通過激光器對物體表面的密集掃描，就可獲得物體的三維表面模型。”王志良指出，這種測繪方式可以在皚皚雪山、波濤洶涌的海面、漆黑的夜里都不受限制。“這套系統能直接穿透樹木，把它們綠化，樹木的下面就是地形了。”

船載移動測量系統一次航行可完成全部測量

王志良剛從“海洋地質八號”科考船回來，在那次海試，就是采用了船載水上下一體化測量，完成了細擔島外側地形地貌的測繪。

王志良介紹說，細擔島的三維激光掃描測繪采用集成的船載移動測量系統，該系統由三維激光掃描儀、GPS接收機和慣導組成，該系統能根據GPS提供的位置信息和慣導提供的姿態信息，最終在GPS時間系統下，解算出激光掃描點云在指定坐標系系統下的坐標，可以用于完成海洋、湖泊和河流的船載移動測量。

“簡單來說，就像是我們要測繪一面墻壁，激光掃描儀打出去的一點一點的光，形成點云數據，定位接收器提供位置，姿態傳感器捕捉姿態數據，多波速測深儀提供水深數據，它們在系統時間內時間工作，同步集成配準融合。”

“我們采用了VZ-6000掃描儀，它能實現超長測距，是目前射程距離最長的掃描儀，最遠可達6000米。”王志良指出， VZ-6000掃描儀是由奧地利 RIEGL公司最新推出的 VZ系列三維激光掃描儀，可以實現在沙塵、雨天、霧天等能見度較低的情況下使用并進行多重目標回波的識別，激光發射平率高達 30萬點每秒，儀器可以實現5～6000m范圍內的測量作業，在雪山、冰川、熔巖等惡劣環境下仍可測量。“一般掃描儀的測量距離在200～2000米。”

“一次航行就可測繪完整的海洋環境，那么在危險區域作業時，就減少了船員的停留時間。”王志良表示，該系統能與水溫測量設備無縫集成，同時采集水上水下數據。

最后，數據處理分系統由 GPS/羅經定位定姿數據處理、三維激光掃描數據處理軟件組成，用于完成對系統多源數據的集成、配準、融合和定位測圖處理。“數據的處理相對繁瑣，打比方說，我們出海一個月進行測繪，回來處理數據大概也要一個月。”

可應用于島礁、海岸工程、水中構筑物等測繪

“目前來說，一般來說還是采用傳統的測繪手段，三維激光掃描系統正在推行，用的一般是科研院校，水利局等機關單位以及一些大型國企。”王志良指出，高昂的設備成本是其還沒有推廣的原因，因為傳統測繪儀器的造價一般在幾萬，而三維激光掃描系統整套設備要 300多萬，如果是船載測繪，還需要考慮油費。“測量距離是200～2000米的激光掃描儀，每年的銷售量都還比較可觀。”

“一體化移動測量系統除了船載，可以車載跟機載，車載的話就是掃路，放在飛機上的話就可以大范圍掃描地形了。”王志良指出，移動三維體統可用于實現小型島礁及其附近水域一次性形成立體圖，揭示附近水域真三維場景，達到水上下整體性真三維再現；實現海岸帶測繪為海岸帶各種工程提供精度高、密度大、坐標系統統一的真三維數據；并為測繪水中構筑物提供一種完整的解決方案。

“譬如說無人島地形測繪，跨海大橋橋墩測繪，防洪工程違規建筑普查，水庫狀況監測，探測海底人工魚礁情況，都可借助這套系統。”王志良指出，國家海洋局南海技術調查技術中心，曾應用它掌握了南海西沙群島等多個無人島的地形數據，在礦山、水利、水電、橋梁計和施工方面也大有前景。

大橋建筑掃描

島礁測量

海島調查組

航道調查