三维激光扫描在水上水下一体化测量中的应用

摘要：三维激光扫描技术以海量点云数据采集为依托，克服了传统测量耗费人工、测量成果人为因素影响大的弊端，被广泛应用数字城市建设、建筑物快速建模等方面。本文拟以三维激光扫描技术作为研究对象，将其与多波束测深系统相结合应用于航道水上水下一体化测量，以探究其在水上地形测绘、水下测深采集中的应用，提升航道信息测量的整体水平。

关键词：三维激光扫描；多波束测深；点云；移动测量系统；数据采集

从工程设计与运营维护的角度，航道管理部门通常对航道沿线开展定期测绘工作，通常包含沿岸地形数据采集、水深观测等。早期采用平板仪测图、全站仪野外测图等技术，伴随GNSS技术的推广应用，以差分定位RTK技术为代表的数据快速采集手段，然而以上传统航道数据采集方法，人工采集效率较低、测量点位相对分散、精度难以统一控制；伴随三维激光扫描技术的快速发展，以无人机、测量船、测量车为依托的移动测量系统，结合GPS、IMU信息快速定位解算POS中心位置，完成点云快速采集、多源数据融合与快速建模工作。

1 三维激光扫描仪技术概述

三维激光扫描技术作为新兴的测绘技术，能完整高精度地重建扫描实物数据，快速完成逆向三维数据采集与模型重构。因其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。由于技术上突破了传统的单点测量方法，其最大特点就是精度高、速度快，与研究对象表面空间分布一致，可将其应用于地表信息采集、航道沿岸地形数据快速提取等工作。

从点云采集方式划分，三维激光扫描分脉冲、相位和脉冲相位组合式，其中脉冲式测距范围最大，但精度较低，受外界环境影响较小，适合低精度室外大范围观测；相位式扫描范围较小，但精度较高，易受光线等因素制约；而脉冲相位组合扫描仪兼具二者优点，长距离高精度数据采集测量，抗外界因素能力强。

2 水上水下一体化测量系统数据采集原理

将三维激光扫描技术、GNSS接收机、惯性导航与多波束测深仪相结合，可实现水上快速定位、水下信息快速采集，实现实时同步定位、地表空间数据扫描与水下地形地貌测深的有效融合。

三维扫描利用激光测距，其点云坐标采集原理为测定水平与垂直角，以及脉冲激光发射与回收的时间差值所求取的间距，进而计算待测点坐标。以独立坐标系统扫描为例，设定扫描设备为原点建立空间直角坐标系统，X、Y为平面，Z为垂直方向，通过距离L、以及点位与各轴的夹角，求得待测目标点P相对于坐标原点的空间坐标：

而多波束采用超声波探测，测定换能器发出的声波在水体中往返传播时间，解析水体深度。相对于单波束而言，多波束由的换能器采取正交形式分组构成，呈现一定指向的窄波束，并向水体发射扇形脉冲波，单次探测即可瞬时获取航向正交面的水深数据，进而表示出水体地形起伏情况。

3 基于三维扫描仪的水上水下一体化测绘应用分析

航道测绘中，采用船体作为数据采集平台的运行载体，安置GNSS双频接收机、IMU惯性导航模块、激光扫描仪与多波束测深系统。基本流程如下：

（1）水上点云获取与去燥处理。实际施测过程中，利用三维激光扫描仪采集航道沿岸地表数据模型，结合内置CCD相机采集构筑物纹理特征，并利用POS定位信息，提升了点云配准的精度和效率；数据拼接中，将回波信号所引发的噪声点，通过设置阈值的方法将其过滤剔除。

（2）航道沿岸地表建模。设置格网间距，并将扫描仪内置相机所拍摄的建筑物立面图片影像，镶嵌于格网模型表面，构建航道沿线地表三维模型。某航道激光扫描点云成果如图2所示：

（3）水下地形地貌数据采集。将多波束换能器固定于测量船舷，并将GNSS设备固定于安装杆，利用多波束采集的庞大数据点云，基于海量数据处理平台，首先利用多余观测量，剔除测量中的粗差错误数据，建立以TIN三角网为基础来构建码头基坑数字高程模型。

4 结语

本文以三维激光扫描技术为依托，结合多波束测深系统，在阐述其数据采集相关工作原理的基礎上，探究其在水上水下一体化测绘中的应用。利用三维激光扫描技术可实现无接触式测量，既不会对航道沿岸建筑构成干扰，又提升了数据采集的效率；利用多波束测深扫描，基于双GNSS定位设备进行差分定位解算，快速高精获取航道地表与水下数据。

参考文献：

[1]曹海龙，杨晓波.三维激光扫描技术在建筑物建模中的应用[J].甘肃科技纵横，2015（07）.

[2]李兆堃，严勇.三维激光扫描在工程测量中的应用研究[J].苏州科技学院学报，2009（22）.

作者简介：任洪玉（1985），男，山东潍坊人，汉族，本科，现为中海油能源发展管道工程安装分公司工程师，主要从事海洋测绘、航道水深测量、海底管线路由勘察、水上水下一体化测量等方面的研究。