，　，(. 華東測繪地理信息有限公司，杭州　30000；. 長江水利委員會水文局長江中游水文水資源勘測局，武漢　430000)

1　概　述

傳統(tǒng)的河道勘測手段都是通過人工外業(yè)RTK或者全站儀測量，存在測量效率低、危險系數(shù)高、成果單一等缺點。隨著測繪科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，航空攝影測量、激光雷達(dá)測量、三維激光掃描測量、多波束掃測等新技術(shù)發(fā)展日趨成熟，為提高長江中游河道的測量技術(shù)水平，中游局對這些先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了反復(fù)研究，開展對應(yīng)的實驗工作，為找到一種既適合長江中游河道地形特點又能大力提高生產(chǎn)效率的測量手段提供決策依據(jù)。

本次實驗將三維激光掃描系統(tǒng)與多波束測深系統(tǒng)[1]進(jìn)行整合，形成河道陸域地形與水域地形一起掃測的水陸一體化測量系統(tǒng)。

2　數(shù)據(jù)采集

2.1　實驗區(qū)選擇及測線布設(shè)

本次實驗區(qū)選在武漢河段，河段情況如圖1所示。

圖1　實驗測區(qū)位置圖

測線順?biāo)鞣较虿荚O(shè)，為避免產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，三維激光掃描測線選擇在近岸100m左右。

2.2　多波束測深

2.2.1儀器設(shè)備準(zhǔn)備

本次施測的儀器設(shè)備為RESON SeaBat7125多波束測深系統(tǒng)，定位設(shè)備為Trimble SPS461，運動傳感器為光纖羅經(jīng)Octans。

2.2.2水深測量

①校準(zhǔn)測量

多波束測深系統(tǒng)安裝好后，要對整個系統(tǒng)進(jìn)行安裝誤差的校正，它包括GPS定位羅經(jīng)、GPS運動傳感器的校正以及多波束水下探頭安裝姿態(tài)的動態(tài)校正。橫搖、縱揺、艏向和延時4個方面。由于RESON SeaBat7125多波束測深系統(tǒng)直接接入了1PPS信號，因此主要校核橫搖、縱搖、艏向3個參數(shù)[2]。

②校準(zhǔn)計算

根據(jù)安裝偏差角相互影響程度大小和校準(zhǔn)方法，確定不同的校準(zhǔn)順序。由于在平坦地形進(jìn)行橫向校正不受其他偏差的影響，即橫搖偏差校準(zhǔn)獨立于其他校正，故應(yīng)予首先進(jìn)行。艏向偏差對縱搖偏差的影響最小，應(yīng)先于縱搖校準(zhǔn)，最后進(jìn)行縱搖測定。每一項參數(shù)校準(zhǔn)都需要在特定的水下地形進(jìn)行，經(jīng)過外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)處理后計算才能完成。由于受潮位和聲速的變化，可能會對多波束校準(zhǔn)產(chǎn)生影響。本次多波束參數(shù)的校正時間是在白天的落潮穩(wěn)定時段，此時能夠?qū)⒊蔽缓吐曀俚挠绊懡档阶畹停敬涡?zhǔn)計算結(jié)果Roll=0.73、Pitch=4.31、Yaw=13.36。將改正參數(shù)輸入多波束測深系統(tǒng)，不定時對校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行檢查，保證多波束測深數(shù)據(jù)的正確性[3]。

③多波束測深

系統(tǒng)測深過程中，天氣良好，沒有測出的橫搖或縱傾超過補(bǔ)償精度范圍的情況發(fā)生。多波束測深前進(jìn)行聲速剖面測量，本系統(tǒng)聲納探頭位于測船左舷位置，采用固定安裝方式，探頭安裝牢固、受噪聲干擾小。

將預(yù)先布置好的主測線導(dǎo)入測量軟件中進(jìn)行導(dǎo)航。當(dāng)遇有船只或者水下異物擋住波的發(fā)射，產(chǎn)生空塊時，均進(jìn)行了補(bǔ)測。在線測量時，均使用小舵角修正航向，避免急轉(zhuǎn)彎。在船調(diào)頭時均提前結(jié)束測線，等船調(diào)好頭后再上線，保證線上需用數(shù)據(jù)的完整性。

整個數(shù)據(jù)采集過程中，GPS衛(wèi)星信號及數(shù)傳信號良好，河床掃測條帶回波信號呈像清晰，系統(tǒng)通過外接表面聲速儀(RESON SVP 70)實時改正換能器表面聲速，修正波束指向角度，提高精度。輸入GPS 1PPS信號可使各設(shè)備UTC時間同步，避免因時間延遲降低測量精度。水下掃測點距平均約0.3m，掃測覆蓋測區(qū)范圍，測點重復(fù)度良好。

測量結(jié)束后，再次核對多波束測深系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，及時將外業(yè)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至內(nèi)業(yè)軟件能使用的數(shù)據(jù)格式，記錄簽字后，交付內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用[4]。

2.3　三維激光掃描測量

本次施測的儀器設(shè)備為Rigel VZ-400激光掃描測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了激光雷達(dá)掃描儀、高精度的POS系統(tǒng)(GPS/IMU)和計算機(jī)控制單元，具有集成度高、采集效率高、數(shù)據(jù)精度高、使用限制少、操作維護(hù)簡單、快速拆裝等特點。數(shù)據(jù)采集過程包括基站架設(shè)、采集準(zhǔn)備、初始化準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、結(jié)束和數(shù)據(jù)拷貝。

3　數(shù)據(jù)處理

3.1　多波束數(shù)據(jù)處理

對于多波束測得的水深數(shù)據(jù)，采用CARIS HIPS 9.1內(nèi)外業(yè)一體化軟件進(jìn)行處理，由5個功能強(qiáng)大的模塊組成：(1)設(shè)備校準(zhǔn)模塊；(2)水深編輯模塊；(3)GPS位置編輯模塊；(4)DTM模型網(wǎng)格模塊；(5)網(wǎng)格拼接模塊。其基本流程為：波束水深編輯-校正系統(tǒng)偏移值-加入聲速計算-加入水位計算-建立數(shù)據(jù)格網(wǎng)模型-拼接數(shù)據(jù)-內(nèi)插格網(wǎng)點位-輸出網(wǎng)格點位。數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，軟件輸出不同格網(wǎng)密度的水下測點高程，用于制作地形圖。

3.2　三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理

3.2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括POS解算、激光處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。其中：POS解算生成PosT文件，可按時間輸出載體的位置、姿態(tài)信息；激光處理則對原始激光文件進(jìn)行解碼，并對激光點坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到WGS-84坐標(biāo)系下的LAS格式點云；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是根據(jù)用戶需求，將點云成果轉(zhuǎn)換到工程獨立坐標(biāo)系下[5]。

3.2.2點云數(shù)據(jù)后處理

點云后處理包括點云抽稀、噪點剔除、濾波分類等，數(shù)據(jù)通過精細(xì)分類后，剔除了植被點、噪聲點、建筑物點等地物點，獲得精準(zhǔn)的地面點，并提取出保留了特征地形的高程點數(shù)據(jù)[6]。

3.2.3地形圖制作

地形圖制作主要包括高程點、等高線的生成以及地物繪制。利用地面點繪制等高線，最后再對其進(jìn)行修飾，可以制作出高精度的數(shù)字高程模型DEM產(chǎn)品，針對需要繪制地物的區(qū)域，基于CAD軟件導(dǎo)入點云，進(jìn)行地物繪制，最終形成完整的1∶2000帶狀地形圖。

4　精度分析

4.1　測深精度分析

為了檢驗多波束的測深精度，在實驗區(qū)同步測了一些單波束水深數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，選取單波束測點坐標(biāo)和高程作為真值，由于對比水深數(shù)據(jù)太多，現(xiàn)只展示部分結(jié)果，對比結(jié)果如表1。

根據(jù)表1可知：|ΔXmax|=6cm,|ΔYmax|=5.0cm,|ΔHmax|=19.4cm。通過計算X坐標(biāo)較差中誤差為3.4cm，Y坐標(biāo)較差中誤差為1.8cm，高程較差中誤差為7.5cm。在本次試驗中，X、Y坐標(biāo)誤差均在5cm以內(nèi)，可以認(rèn)定單波束測點和多波束測點為同一測點。由于實驗過程中單波束測深和多波束測深存在時間差、水下地形自身存在沖刷、作業(yè)習(xí)慣、數(shù)據(jù)處理方法等因素，導(dǎo)致高程較差中誤差略大，多波束測深基本滿足河道測量規(guī)范，應(yīng)用于水下測量是完全可行的。

為了檢驗測深數(shù)據(jù)整體吻合性，對多波束點云數(shù)據(jù)斷面與單波束斷面進(jìn)行對比分析，如圖2和圖3所示。

表1　單波束、多波束測點精度對比

圖2　多波束與單波束斷面

圖3　多波束與單波束斷面

從斷面圖可以看出，多波束斷面和單波束斷面基本一致，由于單波束測點數(shù)量有限，河底少許坑洼的地形未顯示出來，而多波束測點密集，能夠更加精確直觀地反映出河底地形，這是多波束測深所具備的優(yōu)勢。

4.2　三維激光掃描精度

在進(jìn)行船載三維激光掃描測量近岸地形的同時，用RTK對局部特征點進(jìn)行了對比測量，選取二者同一位置的8個測點作為檢測點，結(jié)果如表2所示。

在本次試驗中，把RTK所測的點的坐標(biāo)當(dāng)做真值，從表2可以看出，ΔXmax=8.6cm,ΔYmax=4.0cm,ΔHmax=6.7cm，大部分測點平面差值和高程差值均在±5cm以內(nèi)。計算三者的中誤差分別為Mx=4.18cm,My=2.58cm,Mz=3.93cm，在地形圖繪制時，根據(jù)河道測量規(guī)范，檢測點的平面坐標(biāo)中誤差小于5cm，可以認(rèn)定RTK測點和三維激光測點為同一測點，高程中誤差小于5cm，能夠達(dá)到繪制地形圖的要求，滿足一般測圖的需要，應(yīng)用于地形測量完全可行。

表2　三維激光掃描與RTK測量值對比

5　成果展示

5.1　點云成果

圖4　三維激光掃描點云成果

圖5　多波束點云成果

5.2　DEM和DLG成果

利用三維激光掃描與多波束測量的點云數(shù)據(jù)可以生成DEM，如圖6所示，輸出的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以制作出DLG成果，如圖7所示。

圖6　實驗段DEM成果

圖7　實驗段DLG成果

6　總　結(jié)

實驗通過集合三維激光掃描設(shè)備和多波束測深設(shè)備，形成以測船為載體的水陸一體化掃測系統(tǒng)，在武漢河段進(jìn)行了實驗，對數(shù)據(jù)采集，點云處理、DEM、DLG數(shù)據(jù)制作進(jìn)行了全面摸索，獲得了客觀全面的實測數(shù)據(jù)，對整個系統(tǒng)在長江中游河段掃測運用打下了堅實基礎(chǔ)。系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點：

(1)速度快、精度高。水陸一體化掃測系統(tǒng)測量技術(shù)不同于傳統(tǒng)測量技術(shù)的單點定位方式，全自動高精度測量，進(jìn)而得到完整的、全面的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點的三維坐標(biāo)。這種方法采用非接觸測量，速度快、精度高、真實還原，能反映出微觀地形。

(2)成果更豐富。水陸一體化掃測系統(tǒng)外業(yè)采集完成后，能夠在極短的時間內(nèi)生成高精度的點云數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、DLG數(shù)據(jù)，成果種類更豐富。

(3)DLG生產(chǎn)更方便。使用高精度的點云數(shù)據(jù)，可快速進(jìn)行矢量生產(chǎn)。

同時，也存在以下不足：

(1)激光器受植被的影響，對于河道植被覆蓋率高的區(qū)域仍然獲取不了有效數(shù)據(jù)。

(2)無合適的外業(yè)軟件在一個界面里同時采集三維激光掃描數(shù)據(jù)和多波束測深數(shù)據(jù)，都是靠后期內(nèi)業(yè)拼接完成。

(3)本次測量沒有在三維激光掃描上同步加載全景攝像鏡頭，無法獲取全景影像資料。

參考文獻(xiàn)：

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