水上水下一體化測繪技術研究

宋宜明 羅成

上海升海勘察工程有限公司 上海 200137

1 引言

在傳統的模式中，要對水上與水下地形進行測繪，一般采用的手段是通過全站儀、GPS-RTK等技術進行測繪，通過點式采集的方式，利用單波束測深儀對海底河底地形地貌的信息進行探測收集。并且在具體執行的過程中，水上水下測繪作業分開單獨執行。這種執行方式效率低下。為了進一步提高測繪的效率，國內外的學者和專家對此開展了積極的探索，也因此新的測繪裝備和測繪手段相繼被發明出來，測繪的效率質量以及安全性都得到了很大的提升[1]。

隨著世界范圍內測繪業的快速發展，新型的對水底地形地貌進行測繪的多波束測深系統被制造出來。這是一種聲吶測深組合設備。相比起傳統的單波束測深系，該項技術有了很大的提升。首先是多波束測深系統能夠對一個海域進行條帶狀覆蓋掃描測深，避免了傳統的單波束測深系統再具體應用中，只能進行單點測深值的局限性，從單波束到多波束的升級，實現了由點到面的巨大跨越。

2 船載激光雷達掃描系統的組成和原理

船載激光雷達掃描系統是一種結合了多科技術制造出的高精度測繪系統，在此之中包括定位技術、姿態傳感技術以及激光測距技術。再具體作業當中，首先通過地物對激光信號的反射作用，利用激光雷達掃描的方式，以發射激光脈沖信號的方式完成對觀測目標的信息采集和數據分析，獲取觀測目標在三維空間里的數據信息，在基于這些信息的基礎上，通過對點云數據的后處理，最終將這些數據加工成不同的測繪產品[2]。

2.1 掃描方式

在當下的LiDAR系統中，其具體工作是的掃描方式主要有四種，具體如圖1所示。

圖1 掃描方式圖例

擺鏡式；這種掃描方式是通過激光發射器發出的光線，光線路徑在遇到反射鏡后會發生反射，同時周期性的擺動反射鏡，通過這種方式控制射出的激光，再具體檢測中會在測物體上形成“之”字形掃描。

圓錐鏡掃描式；這種掃描方式的控制原理與擺鏡式類似，在形式上有所區分。通過中軸作旋轉的陣形棱鏡形成相應的反射效果，最后掃描時掃描路線會呈現橢圓形。

光學纖維電掃描式；通過機械轉動的方式對激光投射進行調整，保證激光準確的投射到光纖上，通過光纖傳遞整合，最終形成平行掃描。

旋轉棱鏡式；這種方式依舊是通過利用反射原理，將激光投射到連續旋轉的多棱鏡上，通過多棱鏡表面的反射作用，最終在地面上形成連續的并且相互平行的掃描線。

2.2 激光測距原理

激光測距技術是利用激光反射原理。在其工作中，首先向檢測目標發射一序列短暫的脈沖激光束，在遇到物體后會發生反射效應，激光測距單元接收激光脈沖信號，對其反射回來的時間以及相位變化的信息進行分析，最后時限對發射器中心與目標距離的計算。其主要采用的測距方法有以下幾種，并且應用時其性能成本也有所差異。具體情況如表1所示[3]。

表1 測距類型性能統計表

通過上表的內容可分析出，在所有的測距技術類型中，脈沖測距除了其造價較高工藝較難外，在測量速度、范圍以及抗干擾能力等方面均表現良好，優于其他兩種方法。在當下的應用中，該項技術的精度可以達到厘米級。這一精度足以滿足相關測繪需求。在具體應用中，激光脈沖在空間里傳播也不可避免的會遇到電力線、植被等干擾，造成不同的反射效果，在面對同一束激光脈沖就會被多次反射的情況，就會出現接收機檢測出多次回波信的現象發生，進而根據回波信號進行分析，將首次和末次回波進行相減，就能夠獲取地物的相關信息，這種操作方式能在一定程度上降低數據處理的難度。不同物體對于激光脈沖的反射能力不同，基于這一特點，激光雷達系統可以獲取地面目標點反射的激光脈沖的強度信息，并同時對這一信息進行記錄。與此同時通過相應的量化方法，對一束激光脈沖全程的能量變化進行分析，進而可以獲得全波形數據，這一數據在回收中具體會呈現出連續性能量變化。通過對全波形數據進行分析，能較為直觀的對地物進行判斷分類，數據的定位精度和密度都能得到很大的提升。其反射的波形變化如圖2所示。

圖2 多次回波的全波形對比圖例

2.3 多波束系統的組成和原理

多波束測深系統是一種組合設備。其作用是對水底地形地貌進行測繪。相比傳統的單波束測深系統，這種多波束測深系統能對被測海域進行條帶狀覆蓋掃描測深，相比單波的直線測距形式而言，從單波束到多波束的升級，實現了由線至面的階段性跨越，這一進步對于海洋測繪具有里程碑的意義。在多波束測深系統當中，其組成部分主要有姿態傳感器、收發換能器、聲速剖面儀、聲吶控制接口、GNSS系統以及數據處理軟件等，其組成結構如圖3所示。

圖3 多波束系統組成結構圖

在多波束系統中，最為重要的組成部分是換能器，其功能在于發送和接收波束，是能量形式的轉換裝置，能將電能和聲能之間進行轉換。根據換能器設計，換能器基元具備指向性功能。在聲波發生重，會通過陣列基元，實現朝向設定方向發射聲波。在聲波傳遞過程中遇到障礙物會發生反射，此時接收陣列能對反射信號進行接收，將反射信號采集回收，于此同時，聲吶控制接口、處理計算機等會對反射回來的聲波信號進行加工處理，這些后臺處理軟件等部分都算作多波束數據采集處理系統中的組成部分，也是多波束測深系統的甲板單元。在具體作業的環節中，該部分的功能在于同步聲吶和各個傳感器、導航與定位以及監控設備等[3]。

輔助傳感器主要包括：GNSS、聲速剖面儀、姿態傳感器等。在此之中姿態傳感器的功能是為該系統提供三軸加速度以及三軸姿態和相關信息等。GNSS系統主要是提供高精度的定位信息的裝置。聲音在不同水深中其傳播速度有一定的變化，聲速剖面的功能是結合水深的變化，修改多波束系統的聲速，為后期的數據計算處理提供依據。如圖4所示。

圖4 多波束系統原理圖

多波束系統在進行信號探測時，首先通過系統中的環能器裝置，想海底發射扇形聲波束。在聲波遇到障礙物后會發生反彈，進而形成反射信號。利用換能器接收陣列接收來自海底的反射信號，通過調整基陣，結合聲波入社角度，根據其反射時間以及相位等對反射信號進行計算，可以實現對每個波束對應點的水深值進行測算。多波束系統每發射一次就能獲得線狀的水深數據，通過對這些線狀的水深數據進行整合，能直接獲得條帶狀測深數據。在多波束測深系統中，其發生的聲波是經過了干涉作用后，具有較強指向性的波束。在每個波束中，其信號組成主要分為三部分，分貝是主葉瓣、背葉瓣和側葉瓣。聲波中攜帶的能量主要隱藏在主瓣上。為了進一步提高多波束測深系統的測繪效果，保證能量進一步集中，在此可以通過調整側葉瓣的大小讓能量更加集中。如圖5所示。

圖5 聲波形狀結構圖

3 水上水下一體化數據處理關鍵技術

在通過多波束技術完成信息采集后，其數據并不是直接能夠使用的，需要通過處理關鍵技術對這些數據進行加工處理，實現格式轉換等，這些數據才有更大的價值。在目前對多波束信息進行處理中，其處理方式有很大的區別。在此主要圍繞以下幾方面，對多波束文件的信息處理技術開展討論。

3.1 粗差改正

在設備操作使用中，往往會由于人為原因造成操作不當等情況發生，因此造成的誤差被稱為粗差。在傳統的測繪模式當中，數據處理的過程較為復雜，并且有多重條件的限制。為了進一步提高測繪的質量，相關的研究人員相繼發展了一些處理粗差的理論和方法。在此之中如荷蘭巴爾達教授提出的數據探測法、選權迭代法等處理辦法，通過平差計算等方式，最終實現剔除粗差的效果。在多波束數據處理過程中，粗差改正的辦法主要是采用人機交互的方式實現。在去除粗差的相關內容中，主要有測量粗差、定位偏差以及姿態數據粗等內容。在進行數據處理中，這些粗差剔除的方式大多是依靠經驗，以主觀判斷的方式去除粗差。在進行勘探檢測中，對于反饋的數據中存在跳躍點或異常值的時候，會由數據處理員觀察測量點進行刪除，通過這種手動刪除異常點進行多波束測深數據的粗差剔除。除此之外對測繪的質量造成影響的另一因素是非隨機性誤差。對于這種誤差進行處理時，只需要通過相應的處理軟件，通過建模的方式進行改正即可，這一誤差也被稱為系統誤差。

3.2 潮位改正

在采用多波束測深系統進行測繪時，產生的系統誤差中潮位誤差是主要的速偏差類型。海水受潮汐力作用下，會產生海洋潮汐現象。此時海洋的水體會呈現出周期波動的情況。在鉛直方向上，會表現為潮位升降的現象。在水平方向會表現為潮流漲落的現象。在進行海洋測繪是，多波束測繪一般持續數小時甚至數天，因此不可避免的會遭遇到潮汐現象。潮汐現象會帶來海水水體的劇烈波動，因此會對多波束測深系統造成非常大的影響，在測量過程中，要針對潮汐影響對數據進行改正，在此主要采用的方式是通過水尺測量得到的潮位數據，或者通過當地驗潮站中檢測的數據為基準，在完成數據收集在潮汐數據的基礎上進行修正。

如圖6中的內容所示，Zt表示瞬時潮位高度，Zm表示瞬時水深值，Zr表示基準面的水深，此三者之間的數量關系為：

圖6 潮汐修正圖解

在一般情況下，測得的潮位數據為固定間隔時間點的潮位數據，因此在進行數據處理是，一般會采用圖解法或解析法，通過這種方式獲得連續時刻的潮位值。在此之中，圖解法即以時間為X軸，瞬時潮位為Y軸。通過曲線的方式，鏈接瞬時潮位信息點，進而獲得一條平滑的曲線，在此基礎上可求得所需時刻的潮位改正值。解析法的應用是采用插值的方式進行數據處理，在觀測得到的潮位數據為基礎，以此作為采樣值進行插值，通過這種方式獲得更加詳細的潮位改正值。在使用插值方法進行處理時，常見的辦法有多項式插值、拉格朗日插值等。

除此之外，隨著近年來的科技發展，北斗定位技術的日益成熟，精度也在不斷的提升，因此“無潮汐改正”的模式逐漸誕生出來。在該模式匯總，主要是通過采用RTK即實時動態差分GPS獲得高精度實時高程信息，通過這種方法，直接獲得高精度的測深數據，進而優化掉了潮汐改正的過程。但這種辦法的實用會受到基站覆蓋范圍的限制，因此往往只能適用于近海或內河這一部分區域，在進行遠海測繪中，其應用效果較差。

4 結束語

總而言之，測繪技術對海洋研究十分重要。隨著技術的發展，水上水下一體化測繪技術應運而生，在很大程度上避免了傳統測繪技術帶來的局限性，并且采實際應用中，其效率以及質量均得到很大的提升。解決了同時對水上和水下地形地貌進行測繪的難題。除此之外，通過結合多波束技術，實現了由點到線的跨越，這一進步在測繪技術的發展史中具有重要意義。本文對當今的水上水下一體化測繪技術進行了分析研究，闡述了其原理以及系統組成結構，并對數據處理的關鍵技術辦法進行了討論，期望為進一步推進水上水下一體化測繪技術的發展做出貢獻，為相關工作人員提供參考價值。