船載水陸一體化測繪關鍵技術研究進展

胡合歡，曾強煒

（長江宜昌航道局，湖北 宜昌 443000）

傳統的水上與水下地形測繪中一般采用GPSRTK、全站儀等傳統測繪手段對海島礁或海岸河岸進行點式采集，對海底河底地形地貌采用單波束測深儀進行測繪，將水上水下測繪作業分開單獨執行，效率低下。而且會存在比較多的測量盲點，目前我國水面以上和水面以下的高程測量基準沒有一致標準。因此，在水上、水下的地形成果中會存在一定的偏差，難以做到水陸地形的無縫隙拼接。

近些年來隨著無人機等新型攝影硬件平臺的升級和發展，搭載船載LiDAR 掃描系統和多波束測深系統的水上水下一體化測繪系統，對這兩種測繪設備進行結合，形成了船載水陸一體化測繪技術，這是一種能夠實現水陸地形測量無縫銜接的新型測繪裝備技術。船載水陸一體測量技術具有適用性高、適用領域較多的特點和具有快速獲取高精度、高分辨率的三維空間信息的能力，還能滿足同時進行水上水下一體化測繪的要求，并且效率和精度都得到了保證。目前，該測量技術能夠精準并快速地測量水上水下地形地貌。并可實現水域、岸邊的無縫測量，特別是在地形地貌條件較為特殊的山區、海島等區域，能更好地顯示出測量效果。據資料顯示，我國現階段對該技術研究已經進入初步研究階段。隨著研究的不斷深入，技術提高和設備性能的改進，船載水陸一體測量將會在水陸基礎地理信息的動態監測、數據處理中起到重要作用。

1 國內外發展現狀

1.1 國內發展現狀

國內多波束起步較晚，始于70年代末由中科院聲學研究所和天津聲學研究所一同研制完成的861 小型多波束測深深吶模型樣機。我國于20世紀90年代就已提出海陸一體化策略，其中海陸一體化測繪為其中重要的一個環節應運而生。船載水陸一體測量技術可實現水陸結合部地形的無縫測量。目前，我國對該系統的研究尚處在起步階段。在海洋測繪專業研究報告中有專家學者指出我們應當優化并改進陸海一體測量軟件、硬件裝備，繼續完善水上水下地形一體化測繪理論和技術。并適時制訂相對應的測量技術國家或行業標準，加快推進測繪技術的工程化運用[1]。

從2009年起， 秦海明等對船載多傳感器綜合測量系統開展理論研究，經過多年科研攻關，取得了顯著進展，解決了克服了VTK 技術點云實時顯示、動態吃水改正等難點[2]。2015年，青島秀山移動測量公司研發出一款能夠測量Vsurs-W 系統及相關配套的軟件，并成功應用于海岸帶的實際測量，取得了不錯的效果；2012年，中海達公司研制出iScan 一體化移動測量系統；2016年，北京海卓同創發明了一體化多波束測深裝置；江蘇中海達聯合聲學所研制成功i-beam 淺水多波束，北京海卓同創公司推出MS200 和MS400 系列多波束產品。 2017年，李清泉[3]對我國珠海伶仃島進行了水陸一體化綜合測量，并對其測量結果進行了比對并探討了該測量技術的應用前景。

激光雷達（light detection and ranging）是一種非接觸、主動式快速獲取測量物體表面三維密集點云的技術。純固態激光雷達具有結構簡單、尺寸小的特點，由于該雷達不需將部件旋轉，可大幅縮小雷達的尺寸，從而提高使用壽命，并降低成本。國內各大廠家激光雷達產品及參數見表1。

表1 國產激光雷達產品及參數

1.2 國外發展現狀

激光雷達測繪技術于1970年由美國航天局（NASA）主導開發，隨著GPS 全球定位系統和慣性導航系統的快速發展，使得激光雷達掃描技術與之結合將獲取高精度測繪數據成為可能。2010年，美國推出一款商業便攜式多波束激光雷達系統。將三維激光掃描儀和多波束測深儀進行了集成。

國外學者對如何將集成在一個系統上的多個傳感器相對位置的精確定位進行了研究。2013年，康斯伯格公司提出便攜式綜合地形測量解決方案。配置了多波束測深儀和多款主流的激光掃描儀，最后生成了能兼容多款軟件的數據產品，完成了水陸一體的測繪目標。

2017年，Velodyne 公司推出了一款激光雷達傳感器VLS-128，具有超遠的探測距離和高清晰的分辨率的特點。可以廣泛應用在無人駕駛、水陸一體測繪等各個方面。

2 船載水陸一體測量系統

2.1 船載水上水下一體化綜合測量系統簡介

船載水陸一體測量系統在傳感器技術指標方面國內外差別不是很大。國外的船載水陸一體化測量系統在載體平臺設計方面較國內的技術水平高。國外的載體平臺整體穩定，可便攜運輸、拆卸簡便等特點。

船載水陸一體測量系統進行地形測量時，在數據處理方面采用重疊區激光雷達數據校準多波束水深數據，幾乎可以消除誤差，該系統的最大誤差來源是人工量測產生的誤差。

國家海洋局第一研究所引進了船載水上水下一體化綜合測量系統。該系統是由多波束測深系統、激光掃描系統、定位定姿系統等傳感器組成，并配套采集、導航及后處理軟件。海洋一所研究人員利用該系統對青島千里巖海島分別從水上、水下、空中進行了全方位空間立體測量。利用RTK 定位結果評估了其水上點云精度，完成了水上水下一體化測繪目標。在高動態測量條件下，激光點云水平定位和高程精度均優于0.3m。

2.2 系統組成及原理

船載水陸一體測量系統將定位接收機、同步控制器等多傳感器集于一體，利用全站儀精測各傳感器，經校準獲取相對位置關系和安裝角度。在數據處理階段，多波束水深數據和激光點云經艏搖、橫搖、縱搖校準，完成潮位改正等處理后可實現目標點由傳感器坐標系。其中同步控制器的作用是時間同步。系統的主要構成如圖1所示。

圖1 船載水上水下一體化系統構成圖

傳感器的處理單元對時鐘校正、時間同步有較高的要求，系統傳感器需要輸入秒脈沖信號，可以完成脈沖信號的時間對準。各個傳感器的空間配準是生成高精度點云數據的前提，一般空間配準是通過將各傳感器采用剛性連接的方式固定于船載平臺上，姿態傳感器一般放置于參考中心。通過全站儀測量各個傳感器相位中心的偏差距離，以便后期誤差改正使用。雖然通過準確的測量和安裝但是仍然會有系統誤差的存在，主要為安置角系統偏差，選擇合理的同步頻率可避免數據的浪費，保證船載水上水下一體化系統的穩定。

2.3 系統數據采集

系統數據采集分為兩個階段，分別是前期準備階段和信息采集階段。

2.3.1 前期準備階段

系統安裝之前要做好準備，測繪系統盡量安裝在船舷中部或者船舷右側，盡量離船舶發動機遠些。多波束換能器常規的安裝方式是垂直安裝，這種方式會有很多缺點，在測量中會出現很多盲區。為了解決這一問題，需要在船體上安裝傾斜換能器解決，傾斜角度控制在上仰30°～45°之間。系統安裝完成后進行調試，可以實現無縫銜接，并利用差分定位系統設立基準站和流動站。

2.3.2 采集階段

選擇適宜的地點作為水陸測量校正區域。在這一區域對MBES 和TLS 分別進行校準；數據采集過程中應實時監控各個傳感器的顯示狀態，密切關注相關控制參數。在數據采集過程中要重視測繪數據的質量控制，采集時要盡量避免船速的變動及船只急轉彎。要避免水深、離岸距離、船速等因素對測量數據的累積誤差，從而對數據質量、點云密度等產生影響。

水陸動態測量數據的準確性不僅取決于系統本身的優劣，還與輔助測量設備密切相關，需要經常對相關輔助設備進行檢驗和調試，確保質量、測量精度滿足要求。

2.4 數據處理

點云的無縫拼接設置了5 個坐標系統。利用POS信息將船載坐標系坐標換算到當地的水平坐標系中，再對多波束測深數據和三維激光點云潮位進行改正，并對船體的橫搖、縱搖、艏搖等三個參數進行精校準、濾波。完成上述操作后，最后輸出坐標，可實現水陸測繪數據的無縫隙拼接。拼接流程如圖2所示。

圖2 點云數據無縫拼接流程

3 存在問題

船載水陸一體測量系統在數據集成、應用和數據處理等方面仍存在以下問題：

3.1 存在測量盲區

該系統點云數據采集的完整性受到系統安裝位置、平臺航向、船只吃水、水陸障礙物等因素的影響。在地形環境較規整的港口碼頭、航道、島礁等區域系統適用性較強，在潮差較小、坡度變化較大的地形復雜區域，則常出現測量盲區。

3.2 數據處理問題

測量設備易受海水侵蝕的影響，長時間會出現銹蝕松動的現象。反復拆裝設備會增加設備的校準次數，從而降低測量效率。由于陸海地形地貌等要素差別較大，現有的濾波算法有一定的局限性。

4 發展趨勢

目前，我國船載水陸一體測量系統研究尚處在起步階段，其未來的發展趨勢主要表現在：

（1）快速構建多分辨率數字高程/深度模型，精細化顯示近岸復雜地形。

（2）提高系統兼容性，硬件要以集成為主。提高系統的便攜性的同時降低系統成本。

（3）根據數據特點及類型改進點云濾波、數據分類分割等算法，加強測繪數據的處理技術及應用軟件的開發應用，并考慮植被對地形地貌測量的影響。

5 結語

水上水下一體化測繪在未來地理信息調查和檢測中起到重要作用。對于船載水陸一體測量系統來講，獲取精確的基礎地理信息有著靈活性強、密度高且成本低的優勢，為水上水下測繪一體化框架的構建提供了一套解決方案。將來會在電子航道圖工程、數字航道工程、海島、海岸帶監測中具有較為廣泛的應用價值。