■ 文｜《海洋與漁業(yè)》記者 羅茵

船載移動(dòng)三維測(cè)量系統(tǒng)工作原理

“對(duì)于海岸來(lái)說(shuō)，采用傳統(tǒng)的測(cè)繪方法存在一個(gè)問(wèn)題：測(cè)深儀聲波無(wú)法到達(dá)岸邊，激光無(wú)法穿透水面，導(dǎo)致近岸區(qū)域存在一定寬度的空白，難以繪制一體化的地形圖?！眹?guó)家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心工程師王志良指出，空白就意味著包含不確定因素，不確定就代表著會(huì)影響安全性和效率性。

王志良指出，目前社會(huì)和市場(chǎng)對(duì)連續(xù)無(wú)縫的、且坐標(biāo)統(tǒng)一的水上水下點(diǎn)云和地形數(shù)據(jù)的需求很大，可同時(shí)采集水上水下數(shù)據(jù)、一次航行就能完成測(cè)繪的船載水上下一體化測(cè)量在未來(lái)的島礁測(cè)繪、海岸帶測(cè)繪、水中構(gòu)筑物測(cè)繪都有較大的應(yīng)用前景?！耙惑w化之后，就可以滿足1∶2000的地形測(cè)繪的要求?！?/p>

傳統(tǒng)測(cè)繪手段無(wú)法同時(shí)采集水上下數(shù)據(jù)

海島礁的地形、海岸帶的侵蝕、水中構(gòu)筑物的腐蝕、港口航道的建設(shè)，以及江河、湖泊、水庫(kù)的狀況……社會(huì)上需要用到水上下地形數(shù)據(jù)的需求不可謂不大，但是傳統(tǒng)的測(cè)繪方法卻存在不少問(wèn)題。

據(jù)王志良介紹說(shuō)，傳統(tǒng)的測(cè)繪手段一般是使用GPS RTK、全站儀完成水上地形測(cè)繪，使用單波束、多波束測(cè)深儀完成水下地形測(cè)量。“這會(huì)造成什么問(wèn)題呢？首先它需要人工去測(cè)繪，而很多區(qū)域不是那么好去的，測(cè)繪對(duì)象復(fù)雜的時(shí)候也沒(méi)辦法做到全覆蓋，分開(kāi)測(cè)量效率也比較低，統(tǒng)一起來(lái)也會(huì)比較困難?！?/p>

準(zhǔn)確繪制完整的水上水下地圖（包括河床、海岸線、海岸地貌、人造結(jié)構(gòu)等）。長(zhǎng)期以來(lái)一直是測(cè)量人員面臨的巨大挑戰(zhàn)，為獲得海洋環(huán)境完整的三維模型，需要使用聲納（水下）與激光設(shè)備（水上）采集數(shù)據(jù)，“這過(guò)程往往比較困難，可能需要兩次的航行才能采集到足夠的數(shù)據(jù)?！?/p>

“測(cè)深儀聲波無(wú)法到達(dá)岸邊，激光無(wú)法穿透水面，就會(huì)導(dǎo)致近岸區(qū)域存在一定寬度的空白，難以繪制一體化的地形圖?！蓖踔玖急硎?，傳統(tǒng)的測(cè)繪方式的差不多有 5米的空白區(qū)域，這意味著里面存在許多不確定因素。

“還有就是，水上水下傳感器之間的桿臂和安置角系統(tǒng)誤差會(huì)導(dǎo)致所得數(shù)據(jù)的點(diǎn)云存在錯(cuò)位，不易拼接?！蓖踔玖颊f(shuō)，這也會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)繪的準(zhǔn)確性?！爱?dāng)人工測(cè)繪的時(shí)候，船只轉(zhuǎn)彎、加速和浪涌，都會(huì)造成姿態(tài)和位置的解算精度降低，導(dǎo)致海底地形產(chǎn)生波浪狀誤差?！?/p>

在海洋中受到潮汐的影響，在內(nèi)陸水系由于豐水枯水期的影響，水上水下分界線，即水位線都在不斷變化，“因此連續(xù)無(wú)縫的、且坐標(biāo)統(tǒng)一的水上水下點(diǎn)云和地形數(shù)據(jù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值?！?/p>

三維激光掃描系統(tǒng)可非接觸主動(dòng)測(cè)繪

因?yàn)榭蛇_(dá)性問(wèn)題，所以可非接觸主動(dòng)測(cè)繪，直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描，且沒(méi)有白天和黑夜的限制，快速將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)的三維激光掃描系統(tǒng)就顯得非常重要。

王志良介紹說(shuō)，三維激光掃描系統(tǒng)，又稱為激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，簡(jiǎn)稱 LIDAR），是利用激光測(cè)距原理確定目標(biāo)空間位置的新型測(cè)量?jī)x器，通過(guò)逐點(diǎn)測(cè)定激光器發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)反射信號(hào)的相位（時(shí)間）差來(lái)獲取激光器到目標(biāo)的直線距離，再根據(jù)發(fā)射激光信號(hào)的方向和激光器的空間位置來(lái)獲得目標(biāo)點(diǎn)的空間位置。

“一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)組成線，多條線可以形成面，那么，通過(guò)激光器對(duì)物體表面的密集掃描，就可獲得物體的三維表面模型?！蓖踔玖贾赋?，這種測(cè)繪方式可以在皚皚雪山、波濤洶涌的海面、漆黑的夜里都不受限制?！斑@套系統(tǒng)能直接穿透樹(shù)木，把它們綠化，樹(shù)木的下面就是地形了。”

船載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)一次航行可完成全部測(cè)量

王志良剛從“海洋地質(zhì)八號(hào)”科考船回來(lái)，在那次海試，就是采用了船載水上下一體化測(cè)量，完成了細(xì)擔(dān)島外側(cè)地形地貌的測(cè)繪。

王志良介紹說(shuō)，細(xì)擔(dān)島的三維激光掃描測(cè)繪采用集成的船載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三維激光掃描儀、GPS接收機(jī)和慣導(dǎo)組成，該系統(tǒng)能根據(jù)GPS提供的位置信息和慣導(dǎo)提供的姿態(tài)信息，最終在GPS時(shí)間系統(tǒng)下，解算出激光掃描點(diǎn)云在指定坐標(biāo)系系統(tǒng)下的坐標(biāo)，可以用于完成海洋、湖泊和河流的船載移動(dòng)測(cè)量。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就像是我們要測(cè)繪一面墻壁，激光掃描儀打出去的一點(diǎn)一點(diǎn)的光，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，定位接收器提供位置，姿態(tài)傳感器捕捉姿態(tài)數(shù)據(jù)，多波速測(cè)深儀提供水深數(shù)據(jù)，它們?cè)谙到y(tǒng)時(shí)間內(nèi)時(shí)間工作，同步集成配準(zhǔn)融合?！?/p>

“我們采用了VZ-6000掃描儀，它能實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)測(cè)距，是目前射程距離最長(zhǎng)的掃描儀，最遠(yuǎn)可達(dá)6000米?！蓖踔玖贾赋?， VZ-6000掃描儀是由奧地利 RIEGL公司最新推出的 VZ系列三維激光掃描儀，可以實(shí)現(xiàn)在沙塵、雨天、霧天等能見(jiàn)度較低的情況下使用并進(jìn)行多重目標(biāo)回波的識(shí)別，激光發(fā)射平率高達(dá) 30萬(wàn)點(diǎn)每秒，儀器可以實(shí)現(xiàn)5～6000m范圍內(nèi)的測(cè)量作業(yè)，在雪山、冰川、熔巖等惡劣環(huán)境下仍可測(cè)量?！耙话銙呙鑳x的測(cè)量距離在200～2000米?！?/p>

“一次航行就可測(cè)繪完整的海洋環(huán)境，那么在危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)時(shí)，就減少了船員的停留時(shí)間?！蓖踔玖急硎荆撓到y(tǒng)能與水溫測(cè)量設(shè)備無(wú)縫集成，同時(shí)采集水上水下數(shù)據(jù)。

最后，數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)由 GPS/羅經(jīng)定位定姿數(shù)據(jù)處理、三維激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件組成，用于完成對(duì)系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)的集成、配準(zhǔn)、融合和定位測(cè)圖處理?！皵?shù)據(jù)的處理相對(duì)繁瑣，打比方說(shuō)，我們出海一個(gè)月進(jìn)行測(cè)繪，回來(lái)處理數(shù)據(jù)大概也要一個(gè)月?！?/p>

可應(yīng)用于島礁、海岸工程、水中構(gòu)筑物等測(cè)繪

“目前來(lái)說(shuō)，一般來(lái)說(shuō)還是采用傳統(tǒng)的測(cè)繪手段，三維激光掃描系統(tǒng)正在推行，用的一般是科研院校，水利局等機(jī)關(guān)單位以及一些大型國(guó)企。”王志良指出，高昂的設(shè)備成本是其還沒(méi)有推廣的原因，因?yàn)閭鹘y(tǒng)測(cè)繪儀器的造價(jià)一般在幾萬(wàn)，而三維激光掃描系統(tǒng)整套設(shè)備要 300多萬(wàn)，如果是船載測(cè)繪，還需要考慮油費(fèi)?！皽y(cè)量距離是200～2000米的激光掃描儀，每年的銷售量都還比較可觀?！?/p>

“一體化移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)除了船載，可以車載跟機(jī)載，車載的話就是掃路，放在飛機(jī)上的話就可以大范圍掃描地形了?！蓖踔玖贾赋觯苿?dòng)三維體統(tǒng)可用于實(shí)現(xiàn)小型島礁及其附近水域一次性形成立體圖，揭示附近水域真三維場(chǎng)景，達(dá)到水上下整體性真三維再現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)海岸帶測(cè)繪為海岸帶各種工程提供精度高、密度大、坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一的真三維數(shù)據(jù)；并為測(cè)繪水中構(gòu)筑物提供一種完整的解決方案。

“譬如說(shuō)無(wú)人島地形測(cè)繪，跨海大橋橋墩測(cè)繪，防洪工程違規(guī)建筑普查，水庫(kù)狀況監(jiān)測(cè)，探測(cè)海底人工魚(yú)礁情況，都可借助這套系統(tǒng)?！蓖踔玖贾赋觯瑖?guó)家海洋局南海技術(shù)調(diào)查技術(shù)中心，曾應(yīng)用它掌握了南海西沙群島等多個(gè)無(wú)人島的地形數(shù)據(jù)，在礦山、水利、水電、橋梁計(jì)和施工方面也大有前景。

大橋建筑掃描

島礁測(cè)量

海島調(diào)查組

航道調(diào)查