吳小東，聞 平，桂 林，孫嘉駿

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041）

基于Skyline的水下多波束測深數(shù)據(jù)應(yīng)用

吳小東1，聞 平1，桂 林1，孫嘉駿1

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650041）

探討了多波束測深數(shù)據(jù)的獲取方式及處理流程，通過程序開發(fā)將其轉(zhuǎn)換為Skyline點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式，采用二次開發(fā)的方式，完成了“水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了水下多波束測深數(shù)據(jù)在Skyline大場景中的應(yīng)用。

多波束測深系統(tǒng)；點(diǎn)云；Skyline

通過多波束獲取準(zhǔn)確可靠的水庫水下地形數(shù)據(jù)，可以為水庫安全運(yùn)行提供有力保障。隨著三維、3S技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，基于三維大場景的綜合式管理也日漸興起，水下地形數(shù)據(jù)無疑是其中不可或缺的一部分[1]。Skyline作為三維大場景軟件中的佼佼者，提供了對DEM數(shù)據(jù)及特定格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)的支持[2]，但并不直接支持多波束測深數(shù)據(jù)。此外，多波束數(shù)據(jù)由于其數(shù)據(jù)量大，將其轉(zhuǎn)換為DEM數(shù)據(jù)耗時(shí)多[3]，同時(shí)DEM格式數(shù)據(jù)不利于多期數(shù)據(jù)在Skyline中對比分析，將其轉(zhuǎn)換為Skyline支持的點(diǎn)云格式無疑是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

1 多波束數(shù)據(jù)獲取及處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

多波束測深系統(tǒng)由實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)3部分構(gòu)成[4]。數(shù)據(jù)主要采集流程如下：①硬件安裝及連接；②羅經(jīng)姿態(tài)傳感器設(shè)置；③換能器設(shè)置；④聲速剖面測量；⑤GPS控制點(diǎn)聯(lián)測；⑥船姿與換能器安裝校正；⑦測線布置；⑧外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，船只按布置的測線航行，根據(jù)作業(yè)環(huán)境變化動(dòng)態(tài)調(diào)整聲納參數(shù)，完成外業(yè)采集工作。

1.2 數(shù)據(jù)處理

多波束水深數(shù)據(jù)處理工作量大而繁瑣[5]，采用Caris Hips軟件對水深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖1。

圖1 多波束測深數(shù)據(jù)處理流程

1）參數(shù)改正：利用姿態(tài)改正參數(shù)、聲速剖面數(shù)據(jù)及潮位數(shù)據(jù)等進(jìn)行參數(shù)改正[6]；

2）格式轉(zhuǎn)換：將外業(yè)采集的PDS2000格式轉(zhuǎn)換為HDCS格式，并合并數(shù)據(jù)；

3）構(gòu)建曲面：利用合并的水深數(shù)據(jù)建立水深曲面；

4）檢查及編輯：編輯測線，以手工方式或參數(shù)自動(dòng)化的方式過濾噪聲和錯(cuò)點(diǎn)[7]。

1.3 成果數(shù)據(jù)輸出

多波束測深系統(tǒng)的成果極其豐富，包括三維點(diǎn)云、水下地形等深線圖、各類柵格圖、數(shù)字高程模型、三維立體模型、聲納影像等高技術(shù)產(chǎn)品。在經(jīng)過參數(shù)改正、數(shù)據(jù)剔除等內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，可根據(jù)工程應(yīng)用需要生成不同類型、不同格式、不同坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是經(jīng)數(shù)據(jù)處理后最原始的數(shù)據(jù)形態(tài)，由海量的包含三維坐標(biāo)信息的點(diǎn)組成。通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以生產(chǎn)其他各類數(shù)據(jù)，如等深線數(shù)據(jù)、剖面圖、DEM、三維立體模型等，圖2為多波束輸出的DEM數(shù)據(jù)。

圖2 多波束輸出DEM數(shù)據(jù)

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

2.1 點(diǎn)云格式比較

Caris Hips輸出的點(diǎn)云格式如下：點(diǎn)序號 Y坐標(biāo) X坐標(biāo) 高程值

Skyline中支持的點(diǎn)云格式如下：

X坐標(biāo) Y坐標(biāo) 高程值 R B G

可見，二者之間存在差異，尤其是Skyline中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含渲染時(shí)的顏色RBG值，二者間的轉(zhuǎn)換必不可少。

2.2 格式轉(zhuǎn)換

2種格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，主要在于空間點(diǎn)位數(shù)據(jù)和渲染顏色RGB轉(zhuǎn)換2個(gè)方面。

1）空間點(diǎn)位數(shù)據(jù)。Skyline中點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)值單位最好為 m，這樣點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載后不需要進(jìn)行縮放系數(shù)設(shè)置。Caris Hips輸出的點(diǎn)云格式數(shù)據(jù)到Skyline識別的點(diǎn)云格式數(shù)據(jù)，在空間參考和單位相同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)位轉(zhuǎn)換較為簡單，只需改變其對應(yīng)坐標(biāo)在點(diǎn)云文件中的位置即可。代碼如下：

2）渲染顏色RGB。由于Skyline中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要渲染顏色RGB信息，一般情況下根據(jù)高程值對點(diǎn)進(jìn)行顏色渲染，渲染方式有拉伸、離散、分類、唯一值等方式。以下代碼實(shí)例中，根據(jù)高程值拉伸進(jìn)行顏色RGB信息設(shè)置。

2.3 數(shù)據(jù)制作加載

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到Skyline場景中需要將其制作成*．cpt格式文件，即Skyline自身的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式文件。該格式基于Skyline自身的數(shù)據(jù)組織存儲結(jié)構(gòu)及調(diào)用算法，具有很高的數(shù)據(jù)加載及瀏覽效率[8]。圖3為漫灣電站水庫壩前段水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 Skyline中加載水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有較高的點(diǎn)密度，水下地形的細(xì)節(jié)表現(xiàn)明顯，圖4為Skyline中漫灣水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)展示。

圖4 Skyline中水下點(diǎn)云細(xì)節(jié)展示

3 應(yīng)用開發(fā)

Skyline提供了較為強(qiáng)大的二次開發(fā)接口。本文結(jié)合Skyline二次開發(fā)接口[9]，采用C#．NET語言，開發(fā)完成“水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)”[10]，如圖5所示。

圖5 水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)

系統(tǒng)具有水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)管理功能，可以管理不同的采樣間距、不同時(shí)期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，方便調(diào)用查閱。此外，系統(tǒng)還具有距離量算、剖面分析（如圖6）、不同時(shí)期水下點(diǎn)云對比（如圖7）、沖淤等功能。

圖6 剖面分析

圖7 不同時(shí)期水下點(diǎn)云對比

4 結(jié) 語

將多波速測深系統(tǒng)獲取的水下高密度、高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Skyline中支持的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為三維場景提供水下地形數(shù)據(jù)，結(jié)合基于Skyline二次開發(fā)的“水庫水下點(diǎn)云管理應(yīng)用系統(tǒng)”，為水庫提供精確的水下地形數(shù)據(jù)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能和高效的數(shù)據(jù)分析功能，有利于用戶充分了解水庫的歷史及現(xiàn)狀，時(shí)刻把握水庫沖刷及淤積情況，為水庫的安全運(yùn)行、科學(xué)化管理和決策提供技術(shù)支撐。

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圖4 災(zāi)毀前

圖5 災(zāi)毀后

4 結(jié) 語

于田地震震中位于無人區(qū)，人煙稀少。利用影像快速處理方法對震前震后大量影像進(jìn)行快速處理，與傳統(tǒng)的影像處理過程相比，能大大縮短影像處理時(shí)間。影像實(shí)時(shí)處理方法主要是面向應(yīng)急，所以不能做到傳統(tǒng)的數(shù)字影像生成的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。此外，有些傳感器的全色影像和多光譜影像間由于存在夾角等原因會(huì)有錯(cuò)位，直接進(jìn)行融合會(huì)出現(xiàn)重影，需要在選擇更高精度的DEM和自動(dòng)配準(zhǔn)等方面開展進(jìn)一步的研究工作。

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第一作者簡介：胡朝暉，碩士，工程師，主要從事災(zāi)害遙感監(jiān)測、地震大地測量學(xué)研究。

P229

B

1672-4623（2016）02-0025-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.009

吳小東，碩士，主要研究方向?yàn)?S集成應(yīng)用。

2015-01-19。

項(xiàng)目來源：云南省科技資助項(xiàng)目（2013ZB006）。