宋宜明 羅成

上海升海勘察工程有限公司 上海 200137

1 引言

在傳統(tǒng)的模式中，要對(duì)水上與水下地形進(jìn)行測(cè)繪，一般采用的手段是通過全站儀、GPS-RTK等技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪，通過點(diǎn)式采集的方式，利用單波束測(cè)深儀對(duì)海底河底地形地貌的信息進(jìn)行探測(cè)收集。并且在具體執(zhí)行的過程中，水上水下測(cè)繪作業(yè)分開單獨(dú)執(zhí)行。這種執(zhí)行方式效率低下。為了進(jìn)一步提高測(cè)繪的效率，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和專家對(duì)此開展了積極的探索，也因此新的測(cè)繪裝備和測(cè)繪手段相繼被發(fā)明出來，測(cè)繪的效率質(zhì)量以及安全性都得到了很大的提升[1]。

隨著世界范圍內(nèi)測(cè)繪業(yè)的快速發(fā)展，新型的對(duì)水底地形地貌進(jìn)行測(cè)繪的多波束測(cè)深系統(tǒng)被制造出來。這是一種聲吶測(cè)深組合設(shè)備。相比起傳統(tǒng)的單波束測(cè)深系，該項(xiàng)技術(shù)有了很大的提升。首先是多波束測(cè)深系統(tǒng)能夠?qū)σ粋€(gè)海域進(jìn)行條帶狀覆蓋掃描測(cè)深，避免了傳統(tǒng)的單波束測(cè)深系統(tǒng)再具體應(yīng)用中，只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)深值的局限性，從單波束到多波束的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)到面的巨大跨越。

2 船載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的組成和原理

船載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)是一種結(jié)合了多科技術(shù)制造出的高精度測(cè)繪系統(tǒng)，在此之中包括定位技術(shù)、姿態(tài)傳感技術(shù)以及激光測(cè)距技術(shù)。再具體作業(yè)當(dāng)中，首先通過地物對(duì)激光信號(hào)的反射作用，利用激光雷達(dá)掃描的方式，以發(fā)射激光脈沖信號(hào)的方式完成對(duì)觀測(cè)目標(biāo)的信息采集和數(shù)據(jù)分析，獲取觀測(cè)目標(biāo)在三維空間里的數(shù)據(jù)信息，在基于這些信息的基礎(chǔ)上，通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理，最終將這些數(shù)據(jù)加工成不同的測(cè)繪產(chǎn)品[2]。

2.1 掃描方式

在當(dāng)下的LiDAR系統(tǒng)中，其具體工作是的掃描方式主要有四種，具體如圖1所示。

圖1 掃描方式圖例

擺鏡式；這種掃描方式是通過激光發(fā)射器發(fā)出的光線，光線路徑在遇到反射鏡后會(huì)發(fā)生反射，同時(shí)周期性的擺動(dòng)反射鏡，通過這種方式控制射出的激光，再具體檢測(cè)中會(huì)在測(cè)物體上形成“之”字形掃描。

圓錐鏡掃描式；這種掃描方式的控制原理與擺鏡式類似，在形式上有所區(qū)分。通過中軸作旋轉(zhuǎn)的陣形棱鏡形成相應(yīng)的反射效果，最后掃描時(shí)掃描路線會(huì)呈現(xiàn)橢圓形。

光學(xué)纖維電掃描式；通過機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的方式對(duì)激光投射進(jìn)行調(diào)整，保證激光準(zhǔn)確的投射到光纖上，通過光纖傳遞整合，最終形成平行掃描。

旋轉(zhuǎn)棱鏡式；這種方式依舊是通過利用反射原理，將激光投射到連續(xù)旋轉(zhuǎn)的多棱鏡上，通過多棱鏡表面的反射作用，最終在地面上形成連續(xù)的并且相互平行的掃描線。

2.2 激光測(cè)距原理

激光測(cè)距技術(shù)是利用激光反射原理。在其工作中，首先向檢測(cè)目標(biāo)發(fā)射一序列短暫的脈沖激光束，在遇到物體后會(huì)發(fā)生反射效應(yīng)，激光測(cè)距單元接收激光脈沖信號(hào)，對(duì)其反射回來的時(shí)間以及相位變化的信息進(jìn)行分析，最后時(shí)限對(duì)發(fā)射器中心與目標(biāo)距離的計(jì)算。其主要采用的測(cè)距方法有以下幾種，并且應(yīng)用時(shí)其性能成本也有所差異。具體情況如表1所示[3]。

表1 測(cè)距類型性能統(tǒng)計(jì)表

通過上表的內(nèi)容可分析出，在所有的測(cè)距技術(shù)類型中，脈沖測(cè)距除了其造價(jià)較高工藝較難外，在測(cè)量速度、范圍以及抗干擾能力等方面均表現(xiàn)良好，優(yōu)于其他兩種方法。在當(dāng)下的應(yīng)用中，該項(xiàng)技術(shù)的精度可以達(dá)到厘米級(jí)。這一精度足以滿足相關(guān)測(cè)繪需求。在具體應(yīng)用中，激光脈沖在空間里傳播也不可避免的會(huì)遇到電力線、植被等干擾，造成不同的反射效果，在面對(duì)同一束激光脈沖就會(huì)被多次反射的情況，就會(huì)出現(xiàn)接收機(jī)檢測(cè)出多次回波信的現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而根據(jù)回波信號(hào)進(jìn)行分析，將首次和末次回波進(jìn)行相減，就能夠獲取地物的相關(guān)信息，這種操作方式能在一定程度上降低數(shù)據(jù)處理的難度。不同物體對(duì)于激光脈沖的反射能力不同，基于這一特點(diǎn)，激光雷達(dá)系統(tǒng)可以獲取地面目標(biāo)點(diǎn)反射的激光脈沖的強(qiáng)度信息，并同時(shí)對(duì)這一信息進(jìn)行記錄。與此同時(shí)通過相應(yīng)的量化方法，對(duì)一束激光脈沖全程的能量變化進(jìn)行分析，進(jìn)而可以獲得全波形數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)在回收中具體會(huì)呈現(xiàn)出連續(xù)性能量變化。通過對(duì)全波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能較為直觀的對(duì)地物進(jìn)行判斷分類，數(shù)據(jù)的定位精度和密度都能得到很大的提升。其反射的波形變化如圖2所示。

圖2 多次回波的全波形對(duì)比圖例

2.3 多波束系統(tǒng)的組成和原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)是一種組合設(shè)備。其作用是對(duì)水底地形地貌進(jìn)行測(cè)繪。相比傳統(tǒng)的單波束測(cè)深系統(tǒng)，這種多波束測(cè)深系統(tǒng)能對(duì)被測(cè)海域進(jìn)行條帶狀覆蓋掃描測(cè)深，相比單波的直線測(cè)距形式而言，從單波束到多波束的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了由線至面的階段性跨越，這一進(jìn)步對(duì)于海洋測(cè)繪具有里程碑的意義。在多波束測(cè)深系統(tǒng)當(dāng)中，其組成部分主要有姿態(tài)傳感器、收發(fā)換能器、聲速剖面儀、聲吶控制接口、GNSS系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理軟件等，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多波束系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

在多波束系統(tǒng)中，最為重要的組成部分是換能器，其功能在于發(fā)送和接收波束，是能量形式的轉(zhuǎn)換裝置，能將電能和聲能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)換能器設(shè)計(jì)，換能器基元具備指向性功能。在聲波發(fā)生重，會(huì)通過陣列基元，實(shí)現(xiàn)朝向設(shè)定方向發(fā)射聲波。在聲波傳遞過程中遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射，此時(shí)接收陣列能對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行接收，將反射信號(hào)采集回收，于此同時(shí)，聲吶控制接口、處理計(jì)算機(jī)等會(huì)對(duì)反射回來的聲波信號(hào)進(jìn)行加工處理，這些后臺(tái)處理軟件等部分都算作多波束數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中的組成部分，也是多波束測(cè)深系統(tǒng)的甲板單元。在具體作業(yè)的環(huán)節(jié)中，該部分的功能在于同步聲吶和各個(gè)傳感器、導(dǎo)航與定位以及監(jiān)控設(shè)備等[3]。

輔助傳感器主要包括：GNSS、聲速剖面儀、姿態(tài)傳感器等。在此之中姿態(tài)傳感器的功能是為該系統(tǒng)提供三軸加速度以及三軸姿態(tài)和相關(guān)信息等。GNSS系統(tǒng)主要是提供高精度的定位信息的裝置。聲音在不同水深中其傳播速度有一定的變化，聲速剖面的功能是結(jié)合水深的變化，修改多波束系統(tǒng)的聲速，為后期的數(shù)據(jù)計(jì)算處理提供依據(jù)。如圖4所示。

圖4 多波束系統(tǒng)原理圖

多波束系統(tǒng)在進(jìn)行信號(hào)探測(cè)時(shí)，首先通過系統(tǒng)中的環(huán)能器裝置，想海底發(fā)射扇形聲波束。在聲波遇到障礙物后會(huì)發(fā)生反彈，進(jìn)而形成反射信號(hào)。利用換能器接收陣列接收來自海底的反射信號(hào)，通過調(diào)整基陣，結(jié)合聲波入社角度，根據(jù)其反射時(shí)間以及相位等對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)波束對(duì)應(yīng)點(diǎn)的水深值進(jìn)行測(cè)算。多波束系統(tǒng)每發(fā)射一次就能獲得線狀的水深數(shù)據(jù)，通過對(duì)這些線狀的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，能直接獲得條帶狀測(cè)深數(shù)據(jù)。在多波束測(cè)深系統(tǒng)中，其發(fā)生的聲波是經(jīng)過了干涉作用后，具有較強(qiáng)指向性的波束。在每個(gè)波束中，其信號(hào)組成主要分為三部分，分貝是主葉瓣、背葉瓣和側(cè)葉瓣。聲波中攜帶的能量主要隱藏在主瓣上。為了進(jìn)一步提高多波束測(cè)深系統(tǒng)的測(cè)繪效果，保證能量進(jìn)一步集中，在此可以通過調(diào)整側(cè)葉瓣的大小讓能量更加集中。如圖5所示。

圖5 聲波形狀結(jié)構(gòu)圖

3 水上水下一體化數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

在通過多波束技術(shù)完成信息采集后，其數(shù)據(jù)并不是直接能夠使用的，需要通過處理關(guān)鍵技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換等，這些數(shù)據(jù)才有更大的價(jià)值。在目前對(duì)多波束信息進(jìn)行處理中，其處理方式有很大的區(qū)別。在此主要圍繞以下幾方面，對(duì)多波束文件的信息處理技術(shù)開展討論。

3.1 粗差改正

在設(shè)備操作使用中，往往會(huì)由于人為原因造成操作不當(dāng)?shù)惹闆r發(fā)生，因此造成的誤差被稱為粗差。在傳統(tǒng)的測(cè)繪模式當(dāng)中，數(shù)據(jù)處理的過程較為復(fù)雜，并且有多重條件的限制。為了進(jìn)一步提高測(cè)繪的質(zhì)量，相關(guān)的研究人員相繼發(fā)展了一些處理粗差的理論和方法。在此之中如荷蘭巴爾達(dá)教授提出的數(shù)據(jù)探測(cè)法、選權(quán)迭代法等處理辦法，通過平差計(jì)算等方式，最終實(shí)現(xiàn)剔除粗差的效果。在多波束數(shù)據(jù)處理過程中，粗差改正的辦法主要是采用人機(jī)交互的方式實(shí)現(xiàn)。在去除粗差的相關(guān)內(nèi)容中，主要有測(cè)量粗差、定位偏差以及姿態(tài)數(shù)據(jù)粗等內(nèi)容。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理中，這些粗差剔除的方式大多是依靠經(jīng)驗(yàn)，以主觀判斷的方式去除粗差。在進(jìn)行勘探檢測(cè)中，對(duì)于反饋的數(shù)據(jù)中存在跳躍點(diǎn)或異常值的時(shí)候，會(huì)由數(shù)據(jù)處理員觀察測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行刪除，通過這種手動(dòng)刪除異常點(diǎn)進(jìn)行多波束測(cè)深數(shù)據(jù)的粗差剔除。除此之外對(duì)測(cè)繪的質(zhì)量造成影響的另一因素是非隨機(jī)性誤差。對(duì)于這種誤差進(jìn)行處理時(shí)，只需要通過相應(yīng)的處理軟件，通過建模的方式進(jìn)行改正即可，這一誤差也被稱為系統(tǒng)誤差。

3.2 潮位改正

在采用多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差中潮位誤差是主要的速偏差類型。海水受潮汐力作用下，會(huì)產(chǎn)生海洋潮汐現(xiàn)象。此時(shí)海洋的水體會(huì)呈現(xiàn)出周期波動(dòng)的情況。在鉛直方向上，會(huì)表現(xiàn)為潮位升降的現(xiàn)象。在水平方向會(huì)表現(xiàn)為潮流漲落的現(xiàn)象。在進(jìn)行海洋測(cè)繪是，多波束測(cè)繪一般持續(xù)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，因此不可避免的會(huì)遭遇到潮汐現(xiàn)象。潮汐現(xiàn)象會(huì)帶來海水水體的劇烈波動(dòng)，因此會(huì)對(duì)多波束測(cè)深系統(tǒng)造成非常大的影響，在測(cè)量過程中，要針對(duì)潮汐影響對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，在此主要采用的方式是通過水尺測(cè)量得到的潮位數(shù)據(jù)，或者通過當(dāng)?shù)仳?yàn)潮站中檢測(cè)的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在完成數(shù)據(jù)收集在潮汐數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。

如圖6中的內(nèi)容所示，Zt表示瞬時(shí)潮位高度，Zm表示瞬時(shí)水深值，Zr表示基準(zhǔn)面的水深，此三者之間的數(shù)量關(guān)系為：

圖6 潮汐修正圖解

在一般情況下，測(cè)得的潮位數(shù)據(jù)為固定間隔時(shí)間點(diǎn)的潮位數(shù)據(jù)，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是，一般會(huì)采用圖解法或解析法，通過這種方式獲得連續(xù)時(shí)刻的潮位值。在此之中，圖解法即以時(shí)間為X軸，瞬時(shí)潮位為Y軸。通過曲線的方式，鏈接瞬時(shí)潮位信息點(diǎn)，進(jìn)而獲得一條平滑的曲線，在此基礎(chǔ)上可求得所需時(shí)刻的潮位改正值。解析法的應(yīng)用是采用插值的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在觀測(cè)得到的潮位數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以此作為采樣值進(jìn)行插值，通過這種方式獲得更加詳細(xì)的潮位改正值。在使用插值方法進(jìn)行處理時(shí)，常見的辦法有多項(xiàng)式插值、拉格朗日插值等。

除此之外，隨著近年來的科技發(fā)展，北斗定位技術(shù)的日益成熟，精度也在不斷的提升，因此“無潮汐改正”的模式逐漸誕生出來。在該模式匯總，主要是通過采用RTK即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分GPS獲得高精度實(shí)時(shí)高程信息，通過這種方法，直接獲得高精度的測(cè)深數(shù)據(jù)，進(jìn)而優(yōu)化掉了潮汐改正的過程。但這種辦法的實(shí)用會(huì)受到基站覆蓋范圍的限制，因此往往只能適用于近?；騼?nèi)河這一部分區(qū)域，在進(jìn)行遠(yuǎn)海測(cè)繪中，其應(yīng)用效果較差。

4 結(jié)束語

總而言之，測(cè)繪技術(shù)對(duì)海洋研究十分重要。隨著技術(shù)的發(fā)展，水上水下一體化測(cè)繪技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在很大程度上避免了傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)帶來的局限性，并且采實(shí)際應(yīng)用中，其效率以及質(zhì)量均得到很大的提升。解決了同時(shí)對(duì)水上和水下地形地貌進(jìn)行測(cè)繪的難題。除此之外，通過結(jié)合多波束技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了由點(diǎn)到線的跨越，這一進(jìn)步在測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展史中具有重要意義。本文對(duì)當(dāng)今的水上水下一體化測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行了分析研究，闡述了其原理以及系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，并對(duì)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)辦法進(jìn)行了討論，期望為進(jìn)一步推進(jìn)水上水下一體化測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，為相關(guān)工作人員提供參考價(jià)值。