嚴(yán)佩娟 許軍明

（1.寧波市鄞州區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 寧波 315000；2.浙江省工程勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315000）

1 引言

為了發(fā)揮和維護(hù)水域在供水、防洪、排澇、生態(tài)環(huán)境等方面的作用，全面推進(jìn)水域監(jiān)管數(shù)字化轉(zhuǎn)型，浙江省開展了新一輪水域調(diào)查工作。水域調(diào)查需要測(cè)繪池塘、水庫(kù)、河道、山塘、湖泊、蓄滯洪區(qū)、人工水道等水域及其岸基空間數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)信息[1]。常規(guī)水域調(diào)查測(cè)繪需將水上和水下部分分開作業(yè)，水下測(cè)量一般借助于載人或無(wú)人測(cè)量船搭載單波束和多波束測(cè)深儀、側(cè)掃聲吶設(shè)備采集水深數(shù)據(jù)；水上部分通常采用航空攝影測(cè)量或全野外數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)成圖。這種水上水下分開作業(yè)的方式存在工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、坐標(biāo)基準(zhǔn)不統(tǒng)一、精度不一致，以及水陸交接處通常留有大量施測(cè)盲區(qū)，測(cè)量成果難以實(shí)現(xiàn)水陸地形的無(wú)縫拼接等弊端[2]。近年來(lái)，智能無(wú)人船艇技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，由其搭載多種高精度傳感器進(jìn)行水上水下一體化地理信息數(shù)據(jù)采集成為現(xiàn)實(shí)。該技術(shù)可以快速、高精度地獲取水下及水陸交界處地物地形的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用專業(yè)軟件進(jìn)行融合處理，可實(shí)現(xiàn)水上水下一體化成圖，已廣泛應(yīng)用于三維航道掃測(cè)、海岸帶、湖泊水庫(kù)、壩體、岸堤、河流港口調(diào)查等領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)組成

以武漢世隆科技有限公司生產(chǎn)的SL-M 多波束3D雙體無(wú)人船移動(dòng)水文測(cè)繪系統(tǒng)為例，集成激光采集系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)、導(dǎo)航與定位GNSS 設(shè)備等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)水上水下一體化的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 無(wú)人船水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

（1）無(wú)人船系統(tǒng)。無(wú)人船系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的載體，船體采用穩(wěn)定性高的雙體船設(shè)計(jì)方式，使用三維電子陀螺儀測(cè)定船體實(shí)時(shí)三維姿態(tài)，通訊組件、動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)模塊、導(dǎo)航與定位GNSS 設(shè)備及姿態(tài)測(cè)量與控制模塊通過(guò)串口、RJ45 或自定義協(xié)議與ARM 嵌入式控制模塊相連接[3]。ARM 控制模塊通過(guò)計(jì)算當(dāng)前位置與規(guī)則線差異，調(diào)整兩電機(jī)的速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船只的控制，控制準(zhǔn)則結(jié)合國(guó)家對(duì)水下地形測(cè)繪等范圍的要求，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的有效性。ARM 控制模塊可讀取、記錄三維電子陀螺儀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用于航向控制，同時(shí)通過(guò)歸算改正GNSS 接收天線與傳感器間的偏距。ARM 控制模塊可實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)控制、實(shí)時(shí)規(guī)劃線、目標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)控制及無(wú)鏈接自主測(cè)量控制四種模式。無(wú)人船支持兩套通訊模式，一是基于WiFi 的兩公里短距離通訊模式，該模式可支持豐富的圖像和音頻實(shí)時(shí)通訊，二是10 公里長(zhǎng)距離電臺(tái)通訊模式。岸基控制平臺(tái)可通過(guò)通訊設(shè)備向ARM 控制模塊發(fā)送指令，下達(dá)測(cè)量任務(wù)或走行命令。

（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是無(wú)人船測(cè)量系統(tǒng)的核心，測(cè)量人員通過(guò)操控岸基控制平臺(tái)，系統(tǒng)即可自動(dòng)采集并記錄水下水上點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]。系統(tǒng)同時(shí)搭配先進(jìn)的三維激光掃描儀、多波束測(cè)深儀、組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其中三維激光掃描儀整體性能達(dá)到水上100 萬(wàn)點(diǎn)頻，掃描距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000m，精度可達(dá)4cm@500m，且可提供100°開角的掃描視場(chǎng)，能夠滿足水上復(fù)雜作業(yè)情況的需要。多波束測(cè)深儀可達(dá)到水下300 米的測(cè)深范圍，姿態(tài)橫滾和俯仰精度達(dá)到0.005°，航向角精度達(dá)到0.015°，多波束探頭可整體偏轉(zhuǎn)30°，提高水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的覆蓋度，保障水上水下點(diǎn)云拼接的一致性，并能精細(xì)化反映水下地形及構(gòu)筑物的紋理。組合導(dǎo)航系統(tǒng)選用的GNSS 設(shè)備采用了可支持GPS、GLONASS 以及中國(guó)北斗系統(tǒng)的接收機(jī)，接收機(jī)開通了RTK（Real Time Kinematic）功能，可支持多種格式的差分?jǐn)?shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

為貫徹落實(shí)省、市“五水共治”工作總體部署和碧水行動(dòng)實(shí)施計(jì)劃，寧波市鄞州區(qū)加快推動(dòng)全區(qū)河道、湖泊、山塘、水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)、人工水道等主要水域基礎(chǔ)信息、空間信息和工程信息的調(diào)查工作。寨基水庫(kù)位于東錢湖鎮(zhèn)郭家峙、東村、俞塘村境內(nèi)（測(cè)區(qū)衛(wèi)星影像如圖2 所示），本次調(diào)查需要對(duì)庫(kù)區(qū)水上水下地形進(jìn)行測(cè)繪。寧波市鄞州區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院嘗試將SL-M 多波束3D 雙體水文測(cè)繪無(wú)人船系統(tǒng)應(yīng)用到該調(diào)查項(xiàng)目，主要任務(wù)是通過(guò)水上水下一體化測(cè)量，獲得水庫(kù)周邊完整精準(zhǔn)的水上水下一體化三維模型，為庫(kù)區(qū)水域保護(hù)規(guī)劃提供最現(xiàn)勢(shì)的地理信息數(shù)據(jù)。

圖2 測(cè)區(qū)衛(wèi)星影像

3.2 作業(yè)方案

無(wú)人船下水后首先與岸基控制平臺(tái)連接，通訊正常后接入ZJCORS 系統(tǒng)，并檢查各種設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常；利用系統(tǒng)配套軟件設(shè)置無(wú)人船的作業(yè)參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出頻率、波長(zhǎng)、發(fā)射功率、發(fā)射開角等系數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。本項(xiàng)目的水下測(cè)線布設(shè)如下：主測(cè)線布設(shè)方向垂直于水庫(kù)橫向中心線，各測(cè)線布設(shè)盡量平行，測(cè)線間距20m，定位點(diǎn)間距為5m，重點(diǎn)區(qū)域加密補(bǔ)充測(cè)線。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，在PC 端利用配套的多源數(shù)據(jù)融合處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成對(duì)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、測(cè)深數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)的集成、配準(zhǔn)、融合和定位測(cè)圖。為檢查無(wú)人船水上水下一體化測(cè)量精度，項(xiàng)目通過(guò)布設(shè)水下檢測(cè)線和50 個(gè)水上檢核點(diǎn)的方式進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證。水下檢測(cè)線根據(jù)《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL197-2013）的要求布設(shè)，需垂直于主測(cè)線，長(zhǎng)度約為主測(cè)線總長(zhǎng)度的5%左右；水上檢核點(diǎn)采用實(shí)地測(cè)量坐標(biāo)比對(duì)的方式進(jìn)行檢查。

3.3 數(shù)據(jù)采集

水下部分?jǐn)?shù)據(jù)采集包括位置信息、水深信息、姿態(tài)及表面聲速，采集過(guò)程中航線盡量與測(cè)線一致，航線速度保持一致，當(dāng)航行到一段測(cè)線盡頭后才能停止該段數(shù)據(jù)的采集，航行至下一段測(cè)線外時(shí)開始采集下一段測(cè)線數(shù)據(jù)，直至設(shè)置范圍內(nèi)所有測(cè)線的數(shù)據(jù)采集完畢。采用區(qū)域動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分作業(yè)模式確定區(qū)域平面控制基準(zhǔn)，依照等角模式或等距模式采集水上數(shù)據(jù)，根據(jù)激光掃描儀垂直掃描開角確定掃測(cè)距離，圍繞測(cè)量對(duì)象由近及遠(yuǎn)中低船速掃描，實(shí)現(xiàn)岸基全覆蓋點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。

3.4 水上水下部分?jǐn)?shù)據(jù)處理

水下數(shù)據(jù)處理前，首先檢查數(shù)據(jù)處理軟件的投影參數(shù)、橢球體參數(shù)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)、各傳感器的位置偏移量、系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)需要對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速改正、潮位改正；隨后檢查每條測(cè)線的定位數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)。根據(jù)水底地形、陸地近岸地形數(shù)據(jù)的質(zhì)量設(shè)置合理的參數(shù)濾波，經(jīng)線模式編輯、子區(qū)編輯等人機(jī)交互處理后，抽稀水深，對(duì)特殊水深點(diǎn)應(yīng)從作業(yè)區(qū)域、回波個(gè)數(shù)、信號(hào)質(zhì)量等加以判讀、分析。數(shù)據(jù)經(jīng)編輯及改正后，應(yīng)再次綜合檢查所有數(shù)據(jù)。最后根據(jù)制圖比例尺和數(shù)據(jù)用途對(duì)水下數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，輸出成果以備綜合利用。

水上激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要是飛點(diǎn)去噪處理，對(duì)于明顯遠(yuǎn)離點(diǎn)云的，漂浮點(diǎn)云上方的稀疏、離散的點(diǎn)，遠(yuǎn)離點(diǎn)云中心、小而密集的點(diǎn)云，掃描時(shí)測(cè)區(qū)控制不可能完整控制，通常會(huì)比原定掃描區(qū)域大，從而形成多余掃描的點(diǎn)云和正確點(diǎn)云混在一起的噪聲點(diǎn)，通過(guò)可視化交互、濾波器及基于最小二乘算法進(jìn)行刪除[5]。對(duì)剔除后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)壓縮，基于散亂點(diǎn)云簡(jiǎn)化壓縮的方法很多，本次任務(wù)主要運(yùn)用距離閥值法、曲線檢查法與采樣法進(jìn)行壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行全局配準(zhǔn)處理，最終得到水上點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果。

利用系統(tǒng)配套的數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)處理軟件合并水上水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并檢查處理過(guò)程中由于水位升降造成的水面分界處的點(diǎn)云重疊和空白區(qū)，最終形成包含水域周邊陸地和水下地形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（如圖3 所示）。利用此成果可以形成多種測(cè)繪產(chǎn)品，如水上水下一體化數(shù)字高程模型（DEM）、水上水下一體化地形圖（如圖4 所示）等。

圖3 水上水下點(diǎn)云拼接效果

圖4 水上水下一體化地形圖

3.5 精度檢查

（1）水下點(diǎn)位精度檢查。水下點(diǎn)位精度通過(guò)布置水下檢測(cè)線的方法進(jìn)行實(shí)測(cè)檢查，檢測(cè)線垂直于主測(cè)深線，長(zhǎng)度大于主測(cè)深線總長(zhǎng)度的5%。經(jīng)檢查，檢測(cè)線與主測(cè)深線相交處圖上1mm 范圍內(nèi)水深點(diǎn)，高程最大差值均小于0.2m，隨機(jī)抽取100 個(gè)水下點(diǎn)位作為樣本點(diǎn)來(lái)統(tǒng)計(jì)測(cè)深點(diǎn)的高程誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 水下點(diǎn)位精度檢查

（2）水上點(diǎn)位精度檢查。利用50 個(gè)水上檢核點(diǎn)對(duì)無(wú)人船系統(tǒng)測(cè)量的水上地形精度進(jìn)行檢測(cè)和分析，選取路燈、水庫(kù)堤壩護(hù)欄拐角處、電線桿等明顯且易人工測(cè)量的特征點(diǎn)作為檢核點(diǎn)。利用GNSS-RTK 實(shí)測(cè)這些檢核點(diǎn)的坐標(biāo)，將測(cè)量結(jié)果與在水上三維點(diǎn)云模型中量取的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，從中隨機(jī)抽取10 個(gè)點(diǎn)作為樣本點(diǎn)，樣本點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

從表2 可以看出，10 個(gè)樣本檢核點(diǎn)的平面位置中誤差為0.012m，高程中誤差為0.026m，滿足《水利水電工程測(cè)量規(guī)范》（SL197-2013）中的相關(guān)精度要求。

表2 GNSS-RTK實(shí)測(cè)坐標(biāo)與水上點(diǎn)云數(shù)據(jù)量測(cè)坐標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用無(wú)人船水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)順利完成寨基水庫(kù)調(diào)查測(cè)繪工作，經(jīng)檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)精度符合設(shè)定要求，水下地形成果可與陸地測(cè)繪成果無(wú)縫銜接，實(shí)現(xiàn)了水上水下地形數(shù)據(jù)的快速、精準(zhǔn)和同步采集目標(biāo)，解決了傳統(tǒng)測(cè)繪方法水陸交接區(qū)域數(shù)據(jù)覆蓋完整度低的問(wèn)題。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用對(duì)于水域調(diào)查基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的完整覆蓋、水陸地形數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)有重要意義。