林曉彬，楊志敏

(1.福建省港航管理局勘測中心,福建 福州 350009;2.招商局(漳州)碼頭有限公司 ,福建 漳州 363105)

海洋是極具戰(zhàn)略意義的開發(fā)領(lǐng)域，隨著港口設(shè)施的快速發(fā)展，港口涉水工程的安全性和穩(wěn)定性越來越受關(guān)注。港口工程一般包括水上和水下結(jié)構(gòu)，水下結(jié)構(gòu)長期受海洋潮流、泥沙、波浪的沖刷和腐蝕，以及船舶的碰撞等多種復(fù)雜載荷的疊加影響，導(dǎo)致水下結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)斷裂、破損、變形等現(xiàn)象，由于水下結(jié)構(gòu)的隱蔽性導(dǎo)致日常維護中難以發(fā)現(xiàn)這些細微的破損變形，進而破損情況逐級嚴重，影響港口的安全運營;同時水上結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢也對水下結(jié)構(gòu)的安全帶來影響，所以對港口工程水上水下結(jié)構(gòu)的檢測對港口的安全平穩(wěn)運行至關(guān)重要[1]。

當(dāng)前，因受檢測條件限制，港口工程檢測通常采用水上和水下工程分別進行，水上工程主要采用GNSS RTK、無人機遙感技術(shù)、三維激光掃描儀等，港口水下隱蔽工程結(jié)構(gòu)檢測常用的技術(shù)有無人遙控潛水器、多波束測深系統(tǒng)、水下三維聲吶成像系統(tǒng)等。水下高精度三維數(shù)據(jù)的獲取是水下結(jié)構(gòu)檢測的基礎(chǔ)，而對涉水工程的穩(wěn)定性及發(fā)展趨勢監(jiān)測和評估又迫切需要水上水下高精度三維數(shù)據(jù)融合并進行定量分析[2]。因此，研究一種水陸一體化，多種傳感器信息融合的檢測方法，建立水陸一體化高精度三維模型，對港口近海工程的檢測具有重要意義。

基于此，本文系統(tǒng)闡述了基于無人機LiDAR系統(tǒng)、SeaBat T50-P多波束測深系統(tǒng)、Bv5000-1350三維聲吶成像系統(tǒng)等多傳感器系統(tǒng)集成原理和數(shù)據(jù)融合方法，并在東海某濱海電廠防波提開展聯(lián)合測量研究，建立水陸一體化三維地貌模型，驗證系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)融合的可行性，實現(xiàn)了對港口防波堤的三維可視化、定量分析，以期為防波堤建設(shè)和維護全生命周期管理體系的建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 多傳感器信息融合系統(tǒng)

1.1 多波束測深系統(tǒng)

多波束測深系統(tǒng)具有全覆蓋和高分辨率掃測的特點，系統(tǒng)發(fā)射換能器通過聲波發(fā)射寬覆蓋的脈沖條帶，接收換能器以密集排列的窄波束定向接收，在與航跡垂直面上形成高分辨率數(shù)據(jù)[3];本文采用SeaBat T50-P寬帶超高分辨率多波束測深系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：PSP聲吶處理器、EM7128單寬頻接收/TC2181單寬頻發(fā)射換能器、iXSEA OCTANS光纖羅經(jīng)運動傳感器、聲速剖面儀、GNSS接收機;SeaBat T50-P多波束系統(tǒng)能夠沿航跡發(fā)射512個1°的超窄波束且等角模式下掃角寬度達到165°，測深分辨率6 mm，工作頻率可根據(jù)作業(yè)需要從190～420 Hz實時選擇20多個工作頻率，系統(tǒng)具有波束聚焦及多點探測能力，在防波堤檢測作業(yè)中可以通過波束聚焦將512個波束聚合于防波堤處，并通過調(diào)整波束角度對防波提進行傾斜和旋轉(zhuǎn)測量，確保作業(yè)船只與防波堤在一定安全距離情況下獲取水下精細地形數(shù)據(jù)，SeaBat T50-P多波束測深系統(tǒng)示意見圖1。

圖1 SeaBat T50-P多波束系統(tǒng)構(gòu)成

1.2 BV5000三維全景成像聲吶系統(tǒng)

三維全景聲吶成像系統(tǒng)利用美國BlueView公司研發(fā)的BV5000-1350三維聲吶系統(tǒng)，系統(tǒng)集成掃描聲吶頭和云臺，聲吶采用緊湊型低重量設(shè)計，可安裝于三腳架及ROV設(shè)備，系統(tǒng)最小分辨率1.5 cm,最優(yōu)掃描距離1～20 m。BV 5000通過聲吶頭發(fā)射固定頻率聲波并經(jīng)目標物反射后經(jīng)聲吶頭接收實時生成水下目標的三維圖像，系統(tǒng)能夠在低能見度甚至零能見度區(qū)域獲取三維圖像并能夠與傳統(tǒng)陸地激光掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)無縫集成。全景聲吶成像系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)二維面陣實現(xiàn)垂直方向130°、水平方向360°大范圍掃測，直接獲取掃測目標表面水平(X)、垂直(Y)、高度(Z)數(shù)據(jù);聲吶系統(tǒng)根據(jù)聲波反向散射獲得聲波傳播時間t和回波強度值，然后根據(jù)傳播時間、輸入的聲速值計算距離L，云臺控制系統(tǒng)實時獲取波束的橫向角度觀測值α和縱向角度觀測值θ[4]。根據(jù)波束角度觀測值和距離觀測值計算三維聲吶波束腳印在儀器坐標系內(nèi)的坐標值：

XP=Scosβcosα;YP=Scosβsinα;ZP=Scosβ

圖2 三維成像聲吶BV5000 測量原理

1.3 無人機激光雷達測量系統(tǒng)

機載激光雷達(LiDAR)具有高精度、高效率、高密度、非接觸及全天候工作的優(yōu)點，突破了傳統(tǒng)測繪儀器的局限。機載激光雷達系統(tǒng)集成了GPS定位系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、激光掃描儀、數(shù)碼相機等成像設(shè)備[5]，其中主動傳感系統(tǒng)可以根據(jù)返回的脈沖式窄紅外激光束獲得地形地物的距離、坡度坡向、反射率等高分辨率信息，被動光電成像系統(tǒng)可以實時獲取地形地物的高分辨率數(shù)字成像數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理生成地面采樣點三維坐標信息。本文采用AS-300HL多平臺激光雷達測量系統(tǒng)、大疆經(jīng)緯M600無人機系統(tǒng)組成的機載激光雷達系統(tǒng)(圖3)。AS-300HL多平臺激光雷達測量系統(tǒng)激光發(fā)射頻率100 000點/s，測量范圍250 m,掃描頻率10～100 Hz,IMU更新頻率200 Hz;大疆經(jīng)緯M600無人機系統(tǒng)采用六旋翼布局，集成IMU、GNSS模塊，可靈活掛載多種任務(wù)載荷，具有飛行姿態(tài)平穩(wěn)、抗風(fēng)能力強的特點，滿足港口設(shè)施檢測作業(yè)全過程需要。

圖3 機載激光雷達系統(tǒng)

2 研究區(qū)域與研究方法

2.1 研究區(qū)域

東海某新建濱海燃煤電廠，航道及港池為人工開挖形成，受水流及波浪影響，淤積嚴重。為防御波浪沖蝕岸線，阻攔泥沙，減少港內(nèi)淤積，保證港內(nèi)水深及水域平穩(wěn)拋設(shè)約1 km長防波堤。該防波堤采用大型的混泥土方塊、扭王字塊、四腳空心塊等按照固定擺放序列，加固堤岸，減小波浪對防波堤的沖擊力，維持港內(nèi)水域平穩(wěn);保護港區(qū)免受不良天氣影響，以便船舶安全航行與靠泊，減少港池內(nèi)部泥沙淤積，保護陸域及碼頭建筑物;減小電廠碼頭泊位的淤積速度，減輕波浪對電廠岸線的沖蝕力度。防波堤建設(shè)至今，多年來受到多次臺風(fēng)及風(fēng)暴潮侵襲，防波堤周圍海床，特別是堤頭附近海床受涌浪、海流等沖刷，水下地形發(fā)生較大變化，防波堤扭王字塊、四腳空心塊等人工塊體受到一定損壞。

為了更全面的掌握防波堤護體、海底地形變化情況及防波堤壩體的穩(wěn)定性，為電廠安全管理部門更全面、準確地評估防波堤水下工程質(zhì)量情況，本文采用多波束測深系統(tǒng)、三維聲吶掃描系統(tǒng)、無人機激光雷達測量系統(tǒng)組成的多傳感器系統(tǒng)進行實驗性應(yīng)用研究。

2.2 測量方法

2.2.1陸上邊坡測量

為保證點云采樣密度和設(shè)備安全，外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中，設(shè)置相對航高70 m，激光采樣頻率320 kHz，IMU更新頻率200 Hz,飛行速度6 m/s，點云密度為300 pts/m2,為保證精度要求，起飛前和落地后均應(yīng)靜止觀測5 min，且為避免IMU誤差積累，起飛后在空中進行IMU激活的飛行操作，之后進入工程航線。無人機外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后應(yīng)及時檢查原始數(shù)據(jù)是否保存，若數(shù)據(jù)保存正常即可結(jié)束外業(yè)采集。

2.2.2水下邊坡測量

為了降低點云噪聲，多波束傳感器應(yīng)選擇在船長1/2處舷側(cè)安裝，換能器傾斜為15°或無旋轉(zhuǎn)，應(yīng)盡可能避免在船尾安裝多波束傳感器;為精確測量多波束換能器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，光纖羅經(jīng)傳感器安裝于測船首尾線上，羅經(jīng)北方向指向船首;在多波束數(shù)據(jù)采集開始前應(yīng)先對多波束系統(tǒng)進行校準，在數(shù)據(jù)采集前必須進行多波束系統(tǒng)校準[6]?，F(xiàn)場測線布設(shè)根據(jù)防波堤及地形情況布設(shè)，由于防波堤堤頭距離岸線最遠，三面均受波浪劇烈淘刷，受力情況較為復(fù)雜，所以現(xiàn)場測量時防波堤堤頭按10 m間隔進行測線布設(shè);多波束數(shù)據(jù)采集過程中，采用波束傾斜旋轉(zhuǎn)功能混合采集，為保證防波堤坡面與坡底數(shù)據(jù)完全覆蓋，數(shù)據(jù)采集時將多波束換能器物理旋轉(zhuǎn)15°，測量船盡可能以勻速進行。

2.2.3三維掃描聲吶數(shù)據(jù)采集

利用BlueView5000-1350聲吶掃描儀對多波束掃測后發(fā)現(xiàn)防波堤坍塌部位進一步放大檢測，通過掃描儀對防波堤坍塌部位進行定量統(tǒng)計分析。根據(jù)多波束掃測結(jié)果獲取防波堤沖刷范圍，設(shè)計聲吶掃描儀測站和標靶放置的位置。為保證相鄰測站數(shù)據(jù)的拼接精度，2個相鄰測站間必須要有不低于10%的重疊區(qū)域，并且相鄰測站應(yīng)包含3個及以上且不共線的同名標靶。三維掃描聲吶數(shù)據(jù)采集過程中采用三腳架固定儀器確保掃描儀不因波浪沖擊而產(chǎn)生晃動，確保三維掃描聲吶數(shù)據(jù)采集精度。掃描開始前利用海鷹HY1200聲速儀測定聲速值，并輸入Proscan軟件，設(shè)置掃描方式、聲吶在水平方向上的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

2.3.1激光點云數(shù)據(jù)處理

采用 Inertial Explorer對飛行軌跡數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)及系統(tǒng)所提供的各類參數(shù)和GNSS基站數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算，生成高精度定位定姿數(shù)據(jù)。然后利用 Inertial Explorer軟件進行GNSS、INS數(shù)據(jù)融合處理，獲取高精度組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)[7]。解算流程見圖4。

圖4 Inertial Ex-plorer數(shù)據(jù)處理流程

利用CoPre將無人機激光掃描系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)、飛行軌跡數(shù)據(jù)、高精度導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行融合處理，還原地形地物的三維空間坐標及屬性，生成LAS格式點云數(shù)據(jù)[8]。再利用Terrascan軟件進行點云裁切，去噪和地面點分類，點云分類先利用軟件進行自動粗分類，然后再人機交互進行精細分類。

為了檢核點云數(shù)據(jù)精度，在測區(qū)利用RTK控制點采集功能采集特征點坐標，對研究區(qū)采集的點云數(shù)據(jù)進行精度驗證，選取點云中對應(yīng)地面特征點的點坐標，經(jīng)過統(tǒng)計數(shù)據(jù)質(zhì)量見表1。

表1 點云數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計

2.3.2多波束點云數(shù)據(jù)處理

多波束測深系統(tǒng)在水下三維數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，采用加拿大Caris公司研發(fā)的專業(yè)多波束數(shù)據(jù)處理軟件Caris Hips 9.0編輯船型配置文件[9]、聲速剖面改正、潮位數(shù)據(jù)改正、刪除及噪點的粗差濾除、水底曲面生成、數(shù)據(jù)合并與平滑等編輯，生成格網(wǎng)化的點云數(shù)據(jù)。其中聲速剖面數(shù)據(jù)改正是為了將多波束數(shù)據(jù)采集過程中以波束角度和聲波傳播時間格式記錄的多波束原始觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為沿航跡垂直航跡及深度格式的數(shù)據(jù)。

2.3.3三維掃描聲吶數(shù)據(jù)處理

由于測量目標反射特性的不均勻和三維聲吶掃描儀的特性，水下三維觀測數(shù)據(jù)中存在大量噪聲點、粗差點、冗余點，對水下目標的真實形態(tài)帶來干擾，因此需要點云濾波，然后利用QuickStitch軟件自動分段處理、抽取及不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型構(gòu)造，生成三維模型[10]。在數(shù)據(jù)采集過程中三維掃描聲吶采用座底式測量，采集的數(shù)據(jù)為系統(tǒng)自身坐標系，各掃描站之間需采用同名點匹配實現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接，在拼接過程中采用最近點迭代(ICP)法實現(xiàn)初步拼接，然后采用Rieglscan Pro軟件提取同名點附近點云之間的拓撲關(guān)系，經(jīng)過多次迭代獲取精確的平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，最后采用最小二乘法對坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)進行加權(quán)分配，完成各測站點云的無縫拼接。

2.4 點云數(shù)據(jù)融合

2.4.1點云數(shù)據(jù)融合方法

測量水上水下均采用CGCS2000坐標系，高斯3°帶投影，中央子午線120°，高程系統(tǒng)采用 1985國家高程系統(tǒng)。雖然水陸統(tǒng)一采用CGCS2000坐標系，但受定位方式及測量環(huán)境的影響，兩者數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)完全融合[11]，由于多波束測量過程中聲速改正、姿態(tài)改正、潮位改正及設(shè)備安裝參數(shù)量取存在誤差，本次數(shù)據(jù)融合以機載激光為基準;因為多波束測深數(shù)據(jù)與機載激光點云數(shù)據(jù)所采用的坐標系、控制點均統(tǒng)一，首先將機載激光LAS點云數(shù)據(jù)與多波束點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入RiScan Pro中統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為LAS數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地形數(shù)據(jù)初步配準，根據(jù)地形初步拼接結(jié)果，分別生成水陸交界區(qū)域的polydata，用于作為數(shù)據(jù)拼接的源數(shù)據(jù)。

因受潮水影響水下多波束點云與機載激光點云數(shù)據(jù)重疊區(qū)域位于水陸交界區(qū)域，特征點稀少，且不宜放置標靶點，重疊區(qū)域約占掃測面積的12.5%;根據(jù)地形實際本次融合采用迭代最近點(ICP)點云拼接算法進行點云數(shù)據(jù)融合，ICP點云拼接算法的基本模型為[12]：給定2個點云Ps和Pt，對兩點云間的變換矩陣進行求解，使得：

(1)

式中R——旋轉(zhuǎn)矩陣;t——平移向量;Ps、Pt——源點云和目標點云。

水下三維掃描數(shù)據(jù)因采用自身坐標系[14]，且水下三維掃描區(qū)域為多波束掃測后存在防波堤坍塌且較明顯區(qū)域，因此水下三維掃描數(shù)據(jù)與多波束、機載激光數(shù)據(jù)拼接先采用同名點進行初始拼接，然后同樣采用上述迭代最近點(ICP)拼接方法，最后生成海陸地形全面精準描述、海陸基準統(tǒng)一的高精度三維模型。

2.4.2地形融合精度分析

為檢驗數(shù)據(jù)融合精度，校核點選擇防波堤拐角、扭王塊、礁石、沉船等水陸交界的明顯地物點，采用統(tǒng)一坐標系和高程基準并在同一天內(nèi)利用GNSS RTK系統(tǒng)實測特征地物點坐標，與融合結(jié)果進行對比分析;本次共采集37個特征點，并隨機抽取10個作為樣本點進行差值比對，精度統(tǒng)計分析結(jié)果見表2。

表2 融合精度統(tǒng)計 單位:m

根據(jù)上表可知，誤差隨機分布且符合正態(tài)分布規(guī)律[15]，平面和高程誤差均小于0.15 m，根據(jù)《水運工程測量規(guī)范》地形測量基本精度要求為圖上±0.6 mm,因此數(shù)據(jù)融合結(jié)果符合測圖精度要求。

2.4.3地形融合結(jié)果

地形融合結(jié)果(圖4)顯示，融合數(shù)據(jù)基本實現(xiàn)海陸全覆蓋。水下部分多波束點云覆蓋寬度約400 m，平坦區(qū)域海底高程約為-8.0 m，水上部分為三維激光點云成像，兩者完全拼接比例大于95%。

圖4 地形融合結(jié)果

根據(jù)三維圖像分析，整個防波堤堤頭護面、護腳塊體均存在不同程度滑落，受海浪潮水等自然因素影響，防波堤堤頭附近水流最大，沖刷最為嚴重[16]，最遠塊體距邊界約10 m。防波堤護面塊體近水端排列無序，受海床沖刷影響塊體局部滑落，坡腳受海浪水流沖刷呈現(xiàn)高低不均的起伏狀態(tài)，地形的不連續(xù)及塊體滑落改變周邊的水流動力場結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致邊坡侵蝕加劇。圖5顯示，防波堤西側(cè)因沉船影響局部水流動力場變化形成明顯的沖刷坑，沖刷坑呈橢圓形，長約5 m，最深約3 m。根據(jù)激光三維掃描圖顯示，圖6出現(xiàn)塊體滑落，排序錯亂。

a)沖刷坑

b)海床沖刷

通過三維成像聲吶可以獲取海底結(jié)構(gòu)物的位置、大小及分布范圍，更加直觀、清晰，從圖7中可以清晰的分辨出護腳塊體滑落、空洞現(xiàn)象，可以與多波束系統(tǒng)三維圖像相互比對和驗證，為數(shù)據(jù)分析提供更有力的數(shù)據(jù)支撐。

a)空洞

b)塊體滾落

a)塊體滾落、空洞

b)塊體滑落

通過多傳感器信息融合，最終生成高精度水上水下三維模型，通過模型直觀、定量的展示水下構(gòu)筑物的海底沖刷情況，通過定量分析，及時為可能出現(xiàn)的情況提供數(shù)據(jù)支撐。后續(xù)通過定期觀測，將高精度三維地形數(shù)據(jù)進行對比分析，揭示水下構(gòu)筑物附近沖刷坑的發(fā)育、變化規(guī)律，為水下構(gòu)筑物的維護管理提供依據(jù)。

3 結(jié)語

詳細介紹了多傳感器信息融合技術(shù)的設(shè)備組成、試驗原理和方法，并詳細描述了系統(tǒng)設(shè)備集成、數(shù)據(jù)采集和處理、多源數(shù)據(jù)融合，在港口水下結(jié)構(gòu)檢測中取得了理想的效果。

數(shù)據(jù)采集方式采用機載激光雷達、多波束、三維掃描聲吶等非接觸方式，有效規(guī)避了傳統(tǒng)測量方式的局限性，提高了測量效率和測量精度，通過數(shù)據(jù)融合獲取高精度水陸一體化的三維數(shù)據(jù)模型，可以準確的分析水下結(jié)構(gòu)沖刷情況及陸上地形變化情況，對港口碼頭結(jié)構(gòu)檢測、橋墩及水下結(jié)構(gòu)檢測均有較好的適用性。但是，多傳感器集成系統(tǒng)尚且處于初級集成階段，儀器的安裝固定方式、定位精度及數(shù)據(jù)融合精度均會影響數(shù)據(jù)精度，因此，還需要依靠技術(shù)的進步及規(guī)范化安裝設(shè)備，實現(xiàn)多傳感器的高度集成是后續(xù)研究中需要解決的技術(shù)難題。