莊振祿

（廣州市四維城科信息工程有限公司，廣東 廣州 510000）

航道水深是指在水路交通中，為保障船只安全行駛所需的水深。航道水深的測量是水運(yùn)事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和保證，對于確保船只通航安全、提高航行效率和保護(hù)船舶及海洋環(huán)境等方面具有重要作用。過去的航道水深測量方式主要依賴人工測量和單點(diǎn)測量儀器，但這些方式存在測量效率低、測量精度不高、數(shù)據(jù)量少等缺點(diǎn)。因此，尋求一種高效、精確的航道水深測量方法已成為當(dāng)今水路交通事業(yè)發(fā)展的重要課題之一?；诩す鈷呙璧暮降浪羁焖贉y量技術(shù)具有高效、精確、可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決傳統(tǒng)測量方法的缺陷，該技術(shù)可以快速獲取航道水深信息，并且測量結(jié)果精度高、數(shù)據(jù)量大，具有良好的可靠性和實(shí)用性。這種技術(shù)可以在實(shí)際應(yīng)用中對航道水深進(jìn)行高效、準(zhǔn)確地測量，為航運(yùn)業(yè)提供更加安全、快捷、高效的服務(wù)，提高整個(gè)水路交通的運(yùn)輸效益和質(zhì)量。

1 相關(guān)技術(shù)原理

1.1 激光掃描原理

激光掃描技術(shù)是利用激光束在空間內(nèi)掃描物體并記錄其反射回來的信號(hào)來獲取物體表面形狀和位置信息的一種測量技術(shù)。其原理基于激光器發(fā)射激光束，經(jīng)過光路系統(tǒng)的聚焦和反射后照射到被測物體表面上，被測物體表面反射的光信號(hào)經(jīng)過接收器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后，可得到物體表面點(diǎn)的坐標(biāo)和反射強(qiáng)度信息。激光掃描技術(shù)具有高精度、高速度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，常用于三維測量、工業(yè)設(shè)計(jì)和制造、文化遺產(chǎn)保護(hù)等領(lǐng)域。同時(shí)，其也面臨如光強(qiáng)衰減、反射信號(hào)受雜散光影響、測量距離受限等問題。在航道水深快速測量中，激光掃描技術(shù)通過高速的激光掃描設(shè)備，可以快速掃描并記錄航道表面的水深信息。通過數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)，將水深測量結(jié)果進(jìn)行處理，可得到高精度的航道水深信息，具有快速、準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)。

1.2 航道水深測量原理

航道水深測量是航道管理和水運(yùn)安全的重要組成部分。目前，航道水深測量的主要方法包括單波束測深、多波束測深等（如圖1 所示）。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性，例如，單波束測深范圍窄、效率低、精度低，多波束測深成本高、對水下地形反應(yīng)不夠精細(xì)。為了克服這些缺陷，研究人員提出了基于激光掃描的航道水深測量技術(shù)。該技術(shù)通過使用激光掃描儀，可以實(shí)現(xiàn)對水面上每個(gè)點(diǎn)的測量，有效地解決了傳統(tǒng)方法存在的測量范圍窄、數(shù)據(jù)不足等問題。

圖1 單波束聲波脈沖測量方式和多波束聲波脈沖測量方式對比

1.3 基于激光掃描的航道水深測量技術(shù)原理

基于激光掃描的航道水深測量技術(shù)原理是，通過激光掃描設(shè)備對水體進(jìn)行高精度掃描，獲取水深數(shù)據(jù)并計(jì)算出航道水深的一種技術(shù)。具體來說，該技術(shù)原理是通過激光掃描儀將激光束發(fā)射到水體上，激光束經(jīng)過反射后返回掃描儀，并由掃描儀接收到反射信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出水體表面及水底的距離和高程信息。通過采集多個(gè)位置處的水深數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，可以構(gòu)建出航道水深圖，并對航道水深進(jìn)行分析和預(yù)測。激光掃描測量水深的原理較為復(fù)雜，可以簡單地描述，如圖2所示。

圖2 激光掃描測量水深原理圖

激光先到達(dá)水面時(shí)會(huì)反射一部分回波（藍(lán)色虛線所示），到達(dá)水下時(shí)又會(huì)反射回波（綠色實(shí)線所示），通過測量兩次激光回波的時(shí)間差（t2-t1）=△t，乘速度得到傳播的距離S。假設(shè)激光入射角為θ，折射角為φ，海水折射率定義為n，海水深度為D。那么可得到水深D：

僅僅獲得一個(gè)深度是不夠的，還需要獲得被測物體的三維坐標(biāo)，因此由GNSS、IMU 測得飛機(jī)的三維坐標(biāo)，加上深度值D 就可以獲取我們水底的三維坐標(biāo)了。激光水深的誤差源從以上公式以及考慮海浪和潮汐等影響來看，主要的誤差有回波時(shí)間測量誤差、折射率誤差、入射角測量誤差、海浪測量誤差、潮汐測量誤差，最后，在水深測量時(shí)，還需要考慮海浪和潮汐影響因素。

該技術(shù)的優(yōu)勢在于具有高精度、高效率、非接觸性和安全性等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的水深測量方法相比，基于激光掃描的航道水深測量技術(shù)可以大大提高測量效率和精度，減少人力和物力成本，同時(shí)還可以避免傳統(tǒng)方法可能存在的危險(xiǎn)因素。因此，該技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用于航道測量、水文監(jiān)測、水利工程和海洋科學(xué)等領(lǐng)域。然而，該技術(shù)也存在一些缺點(diǎn)，例如，在強(qiáng)光下會(huì)受到干擾，同時(shí)需要考慮水體的透明度和水面波動(dòng)等因素。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行充分的技術(shù)優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理，以提高技術(shù)的可靠性和實(shí)用性。

2 關(guān)鍵技術(shù)和方法

2.1 激光掃描設(shè)備的選型和參數(shù)設(shè)置

激光掃描設(shè)備是基于激光測距原理的測量設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)基于激光掃描的航道水深快速測量技術(shù)的關(guān)鍵。在選型和參數(shù)設(shè)置方面，需要根據(jù)實(shí)際測量需求和場地情況，綜合考慮以下因素。

首先，是激光掃描儀的型號(hào)選擇，需要根據(jù)測量范圍和精度要求進(jìn)行選擇。目前，比較知名的有RIEGL VQ-880GH、RIEGL BDF-1 等。一般情況下，航道水深測量所需的掃描范圍較大，因此需要選擇具有廣角掃描功能的激光掃描儀。同時(shí)，為了保證測量精度，還需要選擇具有較高分辨率的儀器。其次，是激光掃描儀的參數(shù)設(shè)置，包括激光發(fā)射頻率、激光功率、掃描速度等。激光發(fā)射頻率的選擇需要根據(jù)航道水深的測量范圍和精度要求進(jìn)行選擇，一般情況下，選擇高頻率可以提高測量精度；激光功率需要根據(jù)測量距離和反射率進(jìn)行調(diào)整，以保證接收到足夠的反射信號(hào)；掃描速度的選擇需要平衡測量精度和測量效率之間的關(guān)系，一般情況下，選擇適中的掃描速度。最后，需要考慮激光掃描儀的安裝和校準(zhǔn)問題，包括激光掃描儀與測量船之間的安裝方式和安裝位置、儀器坐標(biāo)系的確定以及校準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置等，正確的安裝和校準(zhǔn)能夠保證測量的精度和可靠性。

綜上所述，激光掃描設(shè)備的選型和參數(shù)設(shè)置是實(shí)現(xiàn)基于激光掃描的航道水深測量技術(shù)的重要步驟，需要綜合考慮多種因素，以保證測量精度和可靠性。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理方法

在基于激光掃描的航道水深快速測量技術(shù)中，數(shù)據(jù)采集與處理是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集一般使用激光掃描儀進(jìn)行，通過掃描航道表面，采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行濾波和校正，以減少數(shù)據(jù)噪聲和誤差，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。濾波算法一般包括高斯濾波、均值濾波、中值濾波等。其中，高斯濾波能夠有效濾除噪聲，但會(huì)造成數(shù)據(jù)平滑化，損失一些細(xì)節(jié)信息；均值濾波能夠較好地平衡濾波效果和數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，是較為常用的濾波算法之一；中值濾波能夠有效去除噪聲同時(shí)保留數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，但在處理較大點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)效率較低。因此，不同的濾波算法需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法。

在數(shù)據(jù)處理方面，需要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和水深計(jì)算。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理包括點(diǎn)云配準(zhǔn)和拼接等。點(diǎn)云配準(zhǔn)是指將多個(gè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊，以減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重復(fù)和遺漏，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度。點(diǎn)云拼接是指將配準(zhǔn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成一整個(gè)點(diǎn)云，用于后續(xù)水深計(jì)算。水深計(jì)算需要根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度和距離等參數(shù)進(jìn)行處理，一般采用插值算法進(jìn)行處理。插值算法能夠根據(jù)測量數(shù)據(jù)快速生成水深模型，同時(shí)提高數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。常用的插值算法包括三角剖分法、反距離權(quán)重法、克里金插值法等。不同的插值算法需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行選擇。因此，數(shù)據(jù)采集與處理是基于激光掃描的航道水深快速測量技術(shù)中不可缺少的環(huán)節(jié)。采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行濾波和校正，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；數(shù)據(jù)處理需要進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)、拼接和水深計(jì)算，以獲取水深模型。合理選擇濾波算法和插值算法，能夠有效提高數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。

2.3 水深計(jì)算方法

在基于激光掃描的航道水深快速測量技術(shù)中，水深計(jì)算是一個(gè)非常重要的步驟，其準(zhǔn)確性直接影響著整個(gè)技術(shù)的測量精度和實(shí)際應(yīng)用效果。因此，本文對水深計(jì)算方法進(jìn)行了深入的分析。

水深計(jì)算方法主要涉及三個(gè)方面的因素，即激光掃描儀測量數(shù)據(jù)、水位高程數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的校正因子。首先，激光掃描儀能夠獲取到水面及水底各點(diǎn)的距離信息，通過將其減去水位高程數(shù)據(jù)，就可以得到每個(gè)點(diǎn)的水深。其次，水位高程的測量也是非常重要的，可以通過全球定位系統(tǒng)(GPS)、水位計(jì)等儀器進(jìn)行測量。最后，由于激光掃描儀測量時(shí)受到多種因素的影響，如大氣折射、儀器偏差等，因此需要進(jìn)行校正。校正因子可以通過與現(xiàn)場實(shí)際測量的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而得到。

在具體的計(jì)算方法上，通常采用的是均方根誤差(RMS)最小化的方法。具體地，首先，通過獲取的激光掃描數(shù)據(jù)和水位高程數(shù)據(jù)，建立三維坐標(biāo)系，然后根據(jù)校正因子進(jìn)行數(shù)據(jù)校正；其次，利用插值方法將離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)插值成一定間隔的等間距點(diǎn)；最后，計(jì)算每個(gè)等間距點(diǎn)的水深，并采用RMS 最小化的方法對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。該方法可以克服由于船舶行駛不規(guī)則帶來的數(shù)據(jù)缺失和偏差等問題，從而提高了水深的計(jì)算精度。

需要注意的是，水深計(jì)算方法的準(zhǔn)確性不僅受到各個(gè)因素的影響，還受到水體本身的復(fù)雜性的影響，如水流速度、水深變化等。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同的環(huán)境和需求，進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)處理和算法優(yōu)化，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。水深計(jì)算方法是基于激光掃描的航道水深快速測量技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過對各個(gè)因素的分析和優(yōu)化，可以提高計(jì)算精度和穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確和實(shí)用的水深測量結(jié)果。

3 應(yīng)用前景和推廣價(jià)值

基于激光掃描的航道水深快速測量技術(shù)是一種新興的水深測量方法，具有高效、高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)勢，并且具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值，將會(huì)成為未來水深測量領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

首先，該技術(shù)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。適用于海洋測繪、航道管理、港口建設(shè)等領(lǐng)域，相比傳統(tǒng)的水深測量方法，該技術(shù)無須直接接觸水面，可以實(shí)現(xiàn)通航狀態(tài)下快速、準(zhǔn)確地獲取水深數(shù)據(jù)，且測量精度高，適用于不同類型的航道測量，大幅度提高了水深測量的效率，減少了人工測量的時(shí)間成本。其次，該技術(shù)具有高精度的優(yōu)勢。通過激光掃描設(shè)備進(jìn)行高精度的掃描和數(shù)據(jù)采集，可以實(shí)現(xiàn)對航道水深的高精度測量和計(jì)算，該技術(shù)可以有效地避免傳統(tǒng)測量方法中存在的誤差和漏測等問題，提高了水深測量的精度和可靠性。此外，還可以實(shí)現(xiàn)對深度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測航道水深的變化情況，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)淤積、沖淤等問題，為航道維護(hù)和管理提供有力的技術(shù)支持。最后，該技術(shù)還具有廣泛的應(yīng)用前景。除了航道水深測量外，該技術(shù)還可以應(yīng)用于水利、海洋等領(lǐng)域，如對港口、船舶碼頭、海岸線等進(jìn)行快速高精度的測量和監(jiān)測，為各領(lǐng)域的工作提供有力的支撐。

4 結(jié)語

本文研究了基于激光掃描的航道水深快速測量技術(shù)，充分闡述了該技術(shù)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)和方法，詳細(xì)介紹了激光掃描設(shè)備的選型和參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集與處理方法以及水深計(jì)算方法等方面的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在航道水深測量方面具有高精度、高效率、高自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對航道水深的快速、準(zhǔn)確測量，并且具有廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。然而，也意識(shí)到該技術(shù)存在一些局限性，需要不斷地改進(jìn)和優(yōu)化相關(guān)技術(shù)和方法，未來，將繼續(xù)深入研究該技術(shù)，在實(shí)踐中不斷探索、改進(jìn)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對航道水深測量更加準(zhǔn)確、快速、高效的要求。