船载水上下一体化测量的应用

■ 文｜《海洋与渔业》记者 罗茵

船载移动三维测量系统工作原理

“对于海岸来说，采用传统的测绘方法存在一个问题：测深仪声波无法到达岸边，激光无法穿透水面，导致近岸区域存在一定宽度的空白，难以绘制一体化的地形图。”国家海洋局南海调查技术中心工程师王志良指出，空白就意味着包含不确定因素，不确定就代表着会影响安全性和效率性。

王志良指出，目前社会和市场对连续无缝的、且坐标统一的水上水下点云和地形数据的需求很大，可同时采集水上水下数据、一次航行就能完成测绘的船载水上下一体化测量在未来的岛礁测绘、海岸带测绘、水中构筑物测绘都有较大的应用前景。“一体化之后，就可以满足1∶2000的地形测绘的要求。”

传统测绘手段无法同时采集水上下数据

海岛礁的地形、海岸带的侵蚀、水中构筑物的腐蚀、港口航道的建设，以及江河、湖泊、水库的状况……社会上需要用到水上下地形数据的需求不可谓不大，但是传统的测绘方法却存在不少问题。

据王志良介绍说，传统的测绘手段一般是使用GPS RTK、全站仪完成水上地形测绘，使用单波束、多波束测深仪完成水下地形测量。“这会造成什么问题呢？首先它需要人工去测绘，而很多区域不是那么好去的，测绘对象复杂的时候也没办法做到全覆盖，分开测量效率也比较低，统一起来也会比较困难。”

准确绘制完整的水上水下地图（包括河床、海岸线、海岸地貌、人造结构等）。长期以来一直是测量人员面临的巨大挑战，为获得海洋环境完整的三维模型，需要使用声纳（水下）与激光设备（水上）采集数据，“这过程往往比较困难，可能需要两次的航行才能采集到足够的数据。”

“测深仪声波无法到达岸边，激光无法穿透水面，就会导致近岸区域存在一定宽度的空白，难以绘制一体化的地形图。”王志良表示，传统的测绘方式的差不多有 5米的空白区域，这意味着里面存在许多不确定因素。

“还有就是，水上水下传感器之间的杆臂和安置角系统误差会导致所得数据的点云存在错位，不易拼接。”王志良说，这也会严重影响测绘的准确性。“当人工测绘的时候，船只转弯、加速和浪涌，都会造成姿态和位置的解算精度降低，导致海底地形产生波浪状误差。”

在海洋中受到潮汐的影响，在内陆水系由于丰水枯水期的影响，水上水下分界线，即水位线都在不断变化，“因此连续无缝的、且坐标统一的水上水下点云和地形数据具有重要的应用价值。”

三维激光扫描系统可非接触主动测绘

因为可达性问题，所以可非接触主动测绘，直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据的三维激光扫描系统就显得非常重要。

王志良介绍说，三维激光扫描系统，又称为激光雷达（Light Detection and Ranging，简称 LIDAR），是利用激光测距原理确定目标空间位置的新型测量仪器，通过逐点测定激光器发射信号与目标反射信号的相位（时间）差来获取激光器到目标的直线距离，再根据发射激光信号的方向和激光器的空间位置来获得目标点的空间位置。

“一个一个的点组成线，多条线可以形成面，那么，通过激光器对物体表面的密集扫描，就可获得物体的三维表面模型。”王志良指出，这种测绘方式可以在皑皑雪山、波涛汹涌的海面、漆黑的夜里都不受限制。“这套系统能直接穿透树木，把它们绿化，树木的下面就是地形了。”

船载移动测量系统一次航行可完成全部测量

王志良刚从“海洋地质八号”科考船回来，在那次海试，就是采用了船载水上下一体化测量，完成了细担岛外侧地形地貌的测绘。

王志良介绍说，细担岛的三维激光扫描测绘采用集成的船载移动测量系统，该系统由三维激光扫描仪、GPS接收机和惯导组成，该系统能根据GPS提供的位置信息和惯导提供的姿态信息，最终在GPS时间系统下，解算出激光扫描点云在指定坐标系系统下的坐标，可以用于完成海洋、湖泊和河流的船载移动测量。

“简单来说，就像是我们要测绘一面墙壁，激光扫描仪打出去的一点一点的光，形成点云数据，定位接收器提供位置，姿态传感器捕捉姿态数据，多波速测深仪提供水深数据，它们在系统时间内时间工作，同步集成配准融合。”

“我们采用了VZ-6000扫描仪，它能实现超长测距，是目前射程距离最长的扫描仪，最远可达6000米。”王志良指出， VZ-6000扫描仪是由奥地利 RIEGL公司最新推出的 VZ系列三维激光扫描仪，可以实现在沙尘、雨天、雾天等能见度较低的情况下使用并进行多重目标回波的识别，激光发射平率高达 30万点每秒，仪器可以实现5～6000m范围内的测量作业，在雪山、冰川、熔岩等恶劣环境下仍可测量。“一般扫描仪的测量距离在200～2000米。”

“一次航行就可测绘完整的海洋环境，那么在危险区域作业时，就减少了船员的停留时间。”王志良表示，该系统能与水温测量设备无缝集成，同时采集水上水下数据。

最后，数据处理分系统由 GPS/罗经定位定姿数据处理、三维激光扫描数据处理软件组成，用于完成对系统多源数据的集成、配准、融合和定位测图处理。“数据的处理相对繁琐，打比方说，我们出海一个月进行测绘，回来处理数据大概也要一个月。”

可应用于岛礁、海岸工程、水中构筑物等测绘

“目前来说，一般来说还是采用传统的测绘手段，三维激光扫描系统正在推行，用的一般是科研院校，水利局等机关单位以及一些大型国企。”王志良指出，高昂的设备成本是其还没有推广的原因，因为传统测绘仪器的造价一般在几万，而三维激光扫描系统整套设备要 300多万，如果是船载测绘，还需要考虑油费。“测量距离是200～2000米的激光扫描仪，每年的销售量都还比较可观。”

“一体化移动测量系统除了船载，可以车载跟机载，车载的话就是扫路，放在飞机上的话就可以大范围扫描地形了。”王志良指出，移动三维体统可用于实现小型岛礁及其附近水域一次性形成立体图，揭示附近水域真三维场景，达到水上下整体性真三维再现；实现海岸带测绘为海岸带各种工程提供精度高、密度大、坐标系统统一的真三维数据；并为测绘水中构筑物提供一种完整的解决方案。

“譬如说无人岛地形测绘，跨海大桥桥墩测绘，防洪工程违规建筑普查，水库状况监测，探测海底人工鱼礁情况，都可借助这套系统。”王志良指出，国家海洋局南海技术调查技术中心，曾应用它掌握了南海西沙群岛等多个无人岛的地形数据，在矿山、水利、水电、桥梁计和施工方面也大有前景。

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