船載移動測量在水庫地形測繪中的應用探析

李賢標 廣州市水務規劃勘測設計研究院

我國干旱與洪澇災害發生率比較高，水庫可以有效攔截洪水、調節水流。部分水庫的修建時間比較長、更新速度快、相應改變了水庫地區地形。常規測繪技術主要利用經緯儀和大平板測圖技術，復測主要以全站儀、全球定位系統測量為主。水庫屬于重要民生工程，對于精細化管理與運維需求比較高，由于傳統測繪技術的效率低、數據更新速度慢，無法確保測量結果的精準度。再加上水上和水下空間采用獨立測量方式，從而導致坐標基準不統一，極易出現漏測問題。移動測量技術屬于新型測繪技術，以船載移動測量技術為代表，有效結合多波術測試技術和激光掃描技術，能夠快速獲取精細化地形地貌數據，為水庫管理提供解決方案。

1.船載移動測量在水庫地形測量中的適用性

1.1 船載移動測量系統的應用原理

系統組成主要包括數據預處理系統，一體化數據采集系統，地形圖成圖系統，電源處理系統。

第一，一體化數據采集系統該系統組成包括工業相機、雙天線頭激光掃描儀、工業計算機導航系統、多波束測深系統和同步板。利用剛性結構將上述裝置和測量船連接在一起，有效掃描和采集水上影像數據、地形地貌激光點云、測深點云、時間同步數據。

第二，數據預處理系統。該系統組成包括多元數據融合軟件、測深數據解析、工業相機影像解析、導航定位數據處理，可以有效解析和處理數據，還可以生成點云數據。

第三，點云處理系統。通過該系統可以融合點云與影像，編輯管理點云，具備格式轉換功能和坐標系統轉換功能。

第四，地形圖成圖系統：該系統可以精細提取點云數據中特征點、線、面，通過符號化方式表達和繪制不同地物。

1.2 適用性分析

第一，優化設計多傳感器穩定平臺：由于水庫處于動態化環境下，為了確保測繪結果的精確度，必須提升多傳感器平臺的穩定性。系統按照穩定性、模塊化、平臺減震等設計原則，研發剛性穩定平臺，具備良好穩定性，且便于拆卸，可以作為平臺設計的測量船。

第二，多傳感器采集同步數據：水上水下一體化同步采集確保地面激光點云、相機攝像數據、定位數據。系統通過硬件、軟件結合方式，對傳感器坐標系統進行定義，利用坐標轉換模型，確保空間配準效果。聯合傳感器內部時間同步機制，優化設計同步時間控制器，同時提供時間同步信號，以此確保時間配準效果。

第三，方位參考系統技術。系統通過雙天線同慣導組合方式，解算姿態數據，同時將其作為慣導初始對準信息，利用卡爾曼濾波器進行對準，全面提升系統觀測性能，進一步提升初始對準快速性與準確性，有效處理初始對準場地困難問題。

第四，多波束換能器安裝可調節技術：對于水上、水下點云拼接部位的空白區，優化設計換能器安裝角度可調節方式，確保掃測方向傾向船體右側，確保水上地物地貌在船體右側方向行進，確保水上、水下點云無縫拼接。

2.測繪項目概況

測繪區域屬于大型水庫樞紐工程，總庫容為1.27億立方米，控流面積為437平方千米，屬于年調節水庫。該水庫的地物條件復雜，區域內河床寬度為180米，南部平均水深為5米，北部平均水深為2m，水岸坡度范圍在15-60度。

3.水庫地形測繪方案

如果水岸交接位置的水深比較淺，將多波束換能器角度調整為60°，沿著岸線布設測線。如果水深比較深，則將換能器角度調整為90°，按照水岸走向設置測線。在外業采集之前，在與水庫大壩距離500米設置外業基站。

第一，外業采集。在開始測量之前，需要將基準站架設在預設位置，完成儀器連接后，校準慣性導航系統，校準結束后采集數據。數據采集過程中，根據預先規劃測線進行移動掃描，在具體測量中有導航員指導開船人員，調整行進路線，消除數據采集盲區，全面確保船體和儀器的安全性。

通過測量可知，船吃水0.3m，多波束換能器探測船底0.3m范圍。水庫東部包含淺灘和小水庫區域，岸線和漁網的坡度比較小，測量船無法靠近，在外業工作中需要結合單波數，測深系統和全球定位系統開展水下補測，采用移動測量系統進行水上補測，全面確保水上與水下測繪數據的拼接效果。

4.成果制作

船載移動測量系統可以有效勘測水庫，包括水上水下一體化三維點云、等高線圖、三維立體化模型、三維數字高程模型。按照ArcGIS實時管理系統、水上影像儀器，水下聲吶影像儀等產品，可以獲得如圖1的處理成果。

第一，評估水上點云精度。將水庫開闊水域作為檢校場，與船體距離為20-80m，沿岸線1km布置靶標，系統對靶標進行掃描。通過強度模式，讀取靶標點云中心坐標，全站儀測量靶標中心坐標。

通過測量結果可知，X方向的中誤差為0.139，Y方向中誤差為0.132，Z方向中誤差為0.175。按照大比例尺測圖成果精度，全面按照外業數字測圖技術規程，滿足1:2000數字測圖精度要求。

第二，評定水下點云精度。在評定和分析水下多波束測深結果時，可以布置與主測線相交的檢查測線，計算重合點差值和標準差，統計不同誤差段的比例，如表1所示。通過此種方式可以對水下側身系統傳感，且安裝校準與聲速改正，與水深測量精度的影響關系進行評估。通過評估結果可知，水下側測深度的檢查線與主側線偏差小于0.1m的概率為88%，小于0.2m的概率為97%，小于0.3m的概率為100%。

第三，檢查水上水下一體化點云，同時統計水岸線無縫拼接區域的地形。通過檢查結果可知，當水岸坡度小于30°，水岸交接位置存在空白區域；當坡度大于30°時，基本可滿足無縫拼接要求。在無縫拼接點云中，選擇漁船停靠碼頭的防撞膠墊，同時在掃測點云中尋找對應點云，將其提取出來，與防撞膠墊水下平面、水下左邊緣進行擬合。

圖1 成果圖

表1 水下測深精度統計結果

表2 面點云拼接精度統計

通過計算，水上點云到水下擬合面的距離及標準差如表2所示。通過結果可知，二者的距離偏差小于0.01米的概率為92%，小于0.02米的概率為97%，小于0.03的概率為100%。

第四，計算水上，左邊原點，云至水下，左邊原理和線的距離及標準差，結果如表三所示，通過計算結果可知，二者距離偏差小于0.01米的概率為90%，小于0.02米的概率為95%，小于0.03米的概率為100%，可以滿足水上水下一體化坐標的無縫拼接要求。化、自動化與數字化，可以改善傳統水庫地形測量技術的不足與缺陷，從根本上提升水庫地形測繪效率。同時可以提供多種精細化、直觀化的測繪結果，為水庫運營管理提供高精確度的數據信息依據。然而需要注意的是，為了提升船載移動測量系統的便捷性，實現點云數據地形特征點的自動化、精細化提取，進一步提升系統準確度與智能化水平，還需要技術人員進行深度探索和研究。相信在未來發展中，在水庫地形測繪中會全部展現出船載移動測量系統的應用優勢。

5.結束語

綜上所述，船載移動測量系統可以展示出周邊水域三維場景、測繪坐標系統，實現水岸測繪成果的無縫拼接，能夠為水庫水上、水下一體化發展提供相關方案，同時可以提供水庫地形的真三維現勢數據、三維立體圖，為水庫日常管理運營、清淤護堤等規劃設計、建設實施提供參考依據。系統從外業至內業可以全面實現智能