水上水下一體化測繪關鍵技術研究

邢穩

（華東冶金地質勘查局綜合地質大隊，安徽 馬鞍山243000）

我國地域遼闊、水文資源豐富，因此在當前依舊存在部分胡泊與河流未經過系統性的水域調查。水域調查是我國地理國情監測、數字水利、智慧航道等工作進行的關鍵內容，需要進行重點展開。當前，為了提升水域調查的效率與效果，普遍使用了水上水下一體化測繪的方法。基于此，探究其中的關鍵技術具有極高的經濟價值與社會價值。

1 水上水下一體化測繪的簡述

1.1 測量原理

1.1.1 多傳感器集成原理

依托船載剛性穩定平臺實現水上水下所有傳感器的固聯；確定水上水下一體化系統中所有傳感器的坐標值；在實時采集軟件中輸入測定的桿壁值，展開數據提取；完成數據處理后，解算GNSS-IMU 定位定姿數據，導入系統；將數據轉化到統一坐標系中，完成水上水下一體化測繪。

1.1.2 數據融合原理

融合水下多傳感器測量的數據，進行水下點云數據三維坐標的計算；融合水上多傳感器測量的數據，展開水下點云數據三維坐標、全景影像內外方位元素的計算。

1.2 測量系統構成

當前常用的水上水下一體化測量系統主要由多種傳感器完成測繪工作，包括激光掃描儀、組合導航系統以及多波束測深儀等等。在水上測繪過程中，一般使用船載水上測量器件（激光掃描儀）完成三維移動測量工作，保證了測量的高速度、高精度以及高分辨率。在水下測繪過程中，普遍應用船載水下測量器件（多波束測深儀）完成測量，確保測量數據（包括圖像）的高精度、高分辨率以及高質量[1]。

2 水上水下一體化測繪的關鍵環節與技術分析

2.1 案例簡述

本研究選取了2019 年某水庫外擴100 米范圍內的部分展開水上水下一體化測繪。在測繪中，使用的數據主要來源于水下多束測深點云、航攝數字線劃圖、邊岸船載三維激光掃描點云等。為了保證測繪結果的科學準確性，在實際的一體化測繪工作中還參考了單波束測深點云、邊岸GPS-RTK 人工測量特征點等數據。

2.2 邊岸地面點云數據提取技術

在實際的水上水下一體化測繪工作中，三維激光掃描儀片普遍在船只上完成架設，顯示出的點云數據主要有地表數據、植被數據、人工對象數據、水面漂點異常點數據、邊岸折射點異常點數據等。對于這些數據，特別是異常點數據而言，其不能直接應用于后續處理，必須要在完成激光點云數據的剔點與分類后，落實相應邊岸地面點云的提取。

由于TerraScan 軟件能夠加載數量更多的點云數據，因此本次研究中選用了該軟件進行邊岸地面點云提取參數的分析。其中，邊岸地面點云提取參數的流程如下：依托高水界信息，對超過高程范圍的點云數據實施剔除；結合水面點的平均高程數值，對水下折射噪點落實剔除（應進行區分水域的左右岸檢查）；繪制剪裁多邊形，完成邊岸以下水上人工要素影響的剔除，包括浮標、漁網等等；展開地面點提取，并使用Axelsson P 形成不規則的三角格網加密方式；多次建立地表三角網模型，對地表上的點進行分離，并完成提取。

使用參數Max building size 實現初始點的限定，該參數與邊岸以上建筑物的最大邊長有著相對緊密的聯系。通常來說，當某一建筑物的最大邊長為20 米，則程序就判定每間隔20 米存在至少一個位于地表的點（地面點）。使用參數Terrain angle 進行所研究區域內地表允許最大坡度的限定，聯合參數Iteration distance，能夠形成反復參數，完成模型中決定點距離的確定。其中，參數Iteration distance 表示一個點和三角形最近頂點連線與該三角形構成平面的最大夾角數值，該數值越小，意味著云內部起伏變化越小[2]。利用參數Iteration distance，可以實現在地表模型中剔除高度較低的建筑物，取值范圍一般控制在0.5-1.5 米的范圍內。

將使用上述方法得出的數值與GPS-RTK 人工測量的特征進行對比，在人工測量中，應用的RTK 以及三維激光掃描測量均使用了統一基站的控制點，并引入2000 國家大地坐標系，得出的精度對比結果顯示：利用邊岸地面點云數據提取技術獲得的地面點與參考特點高程差的均值為0.3、均方差為0.2，證實了該技術能夠迅速、準確的從海量船載三維激光掃描數據中提取地面點數據。

筆者在實踐中發現，邊岸地面點云數據提取技術雖然操作簡單且具有極高的可行性，但是必須要保證實際數據處理中所有參數設定的準確性；參數值大小的確定需要結合分類數據集中的數據特征實現，基于此，要提前對所有待處理數據的特點進行全面了解。

2.3 空白區處理技術

在現階段的實踐中，水上水下一體化測繪工作一般劃分為兩部分展開。其中，水上測繪部分由航空攝影以及船載三維激光掃描儀實現；水下測繪部分由；測探儀完成。使用這樣的方法，在成圖過程中普遍會出現空白區[3]。結合筆者的實踐經驗發現，這種空白區可以劃分成兩種類型：第一，由于水域上存在養殖網箱、淺灘而致使測量船只無法到達邊岸，以此導致測量盲區的產生。第二，受到時相差的影響而出現水位差（在航攝、水域作業中由于發生水位差而形成數據空缺、重疊），最終造成測量空白區的產生。

對于這種存在于水上與水下銜接處的數據空白區來說，其直接對內業處理精度與效率產生影響，需要重點處理。基于此，本研究主要以繪制等高線操作為例，闡述由于上述兩種情況形成空白區的處理。

第一，針對因存在雜物、障礙物而產生的空白區，需要將水下點云數據與船載三維激光掃描數據進行有機結合，并以此生成不規則三角網，實現對空白區的填補。

第二，針對因水位影響而產生的空白區，需要使用如下解決策略：融合船載三維激光掃描數據與陸域、航攝提取的數據；生成不規則三角網填補空白區；但填補中，若發生空白區域過大的現象（對TIN 精度產生影響），應當利用等高線內插的方式完成處理；對于重疊區域，應提前保留陸域數據、刪除船載激光數據，并通過人工操作實現銜接處激光點云生成的等高線趨勢的處理。

結合這樣的處理方法，能夠在最短的時間內完成空白區的填補。可以說，上述兩種填補方法是水上水下一體化測繪中外業盲區處理的最佳輔助工序。

2.4 水上水下一體化成圖技術

結合上文提出的兩種技術，結合目前主流的點云處理與繪圖軟件，筆者構建起了更加適合水上水下一體化測繪成圖的技術流程。該技術流程主要可以劃分為三個階段，即有水域點云處理階段、數字成果生產階段以及質檢階段。其中，水域點云處理階段的技術流程如下：結合船載激光點云與水下多波束點云進行數據的預處理，主要完成數據的格式轉換、坐標投影轉換、高程異常改正以及可用性檢查；在處理后的數據中提取邊岸地面點云，實施水下折射點、空中點、植被與人工對象點的剔除；落實點云抽稀；完成范圍調整后，進行水域要素的繪制，主要進行水下點云數據以及邊岸地面的繪制。

實現水域要素繪制后，即可展開數字成果生產階段的操作，具體技術流程如下：處理空白區，確定網箱、水域高程點、水域等高線；結合陸域線劃數據進行要素整合；輸出一體化DLG 與元數據，形成等高線、高程點以及其他要素；使用等高線與高程點構建TIN；輸出一體化DEM與元數據完成橫、縱斷面線的繪制，輸出一體化斷面圖與成果表。

質檢階段的技術流程如下：對數字成果生產階段輸出的一體化DLG 與元數據、一體化DEM與元數據、一體化斷面圖與成果表展開質檢，質檢不合格返回數據輸出前操作，質檢合格后形成水上水下一體化數字產品，即有水上水下一體化DLG 與元數據、水上水下一體化DEM與元數據、水上水下一體化斷面圖與成果表。

結束語

綜上所述，本研究提出了點云處理以及空白區填補的方式，結合TerraScan 軟件形成了邊岸地面點云數據提取技術以及空白區處理技術。同時，更新了等高線的修測方式，生成了水上水下一體化測繪內業生產的技術流程，保證了測繪工作的標準化與系統化，提升了測繪結果的準確性與可靠性。