船载水陆一体化测绘关键技术研究进展

胡合欢，曾强炜

（长江宜昌航道局，湖北 宜昌 443000）

传统的水上与水下地形测绘中一般采用GPSRTK、全站仪等传统测绘手段对海岛礁或海岸河岸进行点式采集，对海底河底地形地貌采用单波束测深仪进行测绘，将水上水下测绘作业分开单独执行，效率低下。而且会存在比较多的测量盲点，目前我国水面以上和水面以下的高程测量基准没有一致标准。因此，在水上、水下的地形成果中会存在一定的偏差，难以做到水陆地形的无缝隙拼接。

近些年来随着无人机等新型摄影硬件平台的升级和发展，搭载船载LiDAR 扫描系统和多波束测深系统的水上水下一体化测绘系统，对这两种测绘设备进行结合，形成了船载水陆一体化测绘技术，这是一种能够实现水陆地形测量无缝衔接的新型测绘装备技术。船载水陆一体测量技术具有适用性高、适用领域较多的特点和具有快速获取高精度、高分辨率的三维空间信息的能力，还能满足同时进行水上水下一体化测绘的要求，并且效率和精度都得到了保证。目前，该测量技术能够精准并快速地测量水上水下地形地貌。并可实现水域、岸边的无缝测量，特别是在地形地貌条件较为特殊的山区、海岛等区域，能更好地显示出测量效果。据资料显示，我国现阶段对该技术研究已经进入初步研究阶段。随着研究的不断深入，技术提高和设备性能的改进，船载水陆一体测量将会在水陆基础地理信息的动态监测、数据处理中起到重要作用。

1 国内外发展现状

1.1 国内发展现状

国内多波束起步较晚，始于70年代末由中科院声学研究所和天津声学研究所一同研制完成的861 小型多波束测深深呐模型样机。我国于20世纪90年代就已提出海陆一体化策略，其中海陆一体化测绘为其中重要的一个环节应运而生。船载水陆一体测量技术可实现水陆结合部地形的无缝测量。目前，我国对该系统的研究尚处在起步阶段。在海洋测绘专业研究报告中有专家学者指出我们应当优化并改进陆海一体测量软件、硬件装备，继续完善水上水下地形一体化测绘理论和技术。并适时制订相对应的测量技术国家或行业标准，加快推进测绘技术的工程化运用[1]。

从2009年起， 秦海明等对船载多传感器综合测量系统开展理论研究，经过多年科研攻关，取得了显著进展，解决了克服了VTK 技术点云实时显示、动态吃水改正等难点[2]。2015年，青岛秀山移动测量公司研发出一款能够测量Vsurs-W 系统及相关配套的软件，并成功应用于海岸带的实际测量，取得了不错的效果；2012年，中海达公司研制出iScan 一体化移动测量系统；2016年，北京海卓同创发明了一体化多波束测深装置；江苏中海达联合声学所研制成功i-beam 浅水多波束，北京海卓同创公司推出MS200 和MS400 系列多波束产品。 2017年，李清泉[3]对我国珠海伶仃岛进行了水陆一体化综合测量，并对其测量结果进行了比对并探讨了该测量技术的应用前景。

激光雷达（light detection and ranging）是一种非接触、主动式快速获取测量物体表面三维密集点云的技术。纯固态激光雷达具有结构简单、尺寸小的特点，由于该雷达不需将部件旋转，可大幅缩小雷达的尺寸，从而提高使用寿命，并降低成本。国内各大厂家激光雷达产品及参数见表1。

表1 国产激光雷达产品及参数

1.2 国外发展现状

激光雷达测绘技术于1970年由美国航天局（NASA）主导开发，随着GPS 全球定位系统和惯性导航系统的快速发展，使得激光雷达扫描技术与之结合将获取高精度测绘数据成为可能。2010年，美国推出一款商业便携式多波束激光雷达系统。将三维激光扫描仪和多波束测深仪进行了集成。

国外学者对如何将集成在一个系统上的多个传感器相对位置的精确定位进行了研究。2013年，康斯伯格公司提出便携式综合地形测量解决方案。配置了多波束测深仪和多款主流的激光扫描仪，最后生成了能兼容多款软件的数据产品，完成了水陆一体的测绘目标。

2017年，Velodyne 公司推出了一款激光雷达传感器VLS-128，具有超远的探测距离和高清晰的分辨率的特点。可以广泛应用在无人驾驶、水陆一体测绘等各个方面。

2 船载水陆一体测量系统

2.1 船载水上水下一体化综合测量系统简介

船载水陆一体测量系统在传感器技术指标方面国内外差别不是很大。国外的船载水陆一体化测量系统在载体平台设计方面较国内的技术水平高。国外的载体平台整体稳定，可便携运输、拆卸简便等特点。

船载水陆一体测量系统进行地形测量时，在数据处理方面采用重叠区激光雷达数据校准多波束水深数据，几乎可以消除误差，该系统的最大误差来源是人工量测产生的误差。

国家海洋局第一研究所引进了船载水上水下一体化综合测量系统。该系统是由多波束测深系统、激光扫描系统、定位定姿系统等传感器组成，并配套采集、导航及后处理软件。海洋一所研究人员利用该系统对青岛千里岩海岛分别从水上、水下、空中进行了全方位空间立体测量。利用RTK 定位结果评估了其水上点云精度，完成了水上水下一体化测绘目标。在高动态测量条件下，激光点云水平定位和高程精度均优于0.3m。

2.2 系统组成及原理

船载水陆一体测量系统将定位接收机、同步控制器等多传感器集于一体，利用全站仪精测各传感器，经校准获取相对位置关系和安装角度。在数据处理阶段，多波束水深数据和激光点云经艏摇、横摇、纵摇校准，完成潮位改正等处理后可实现目标点由传感器坐标系。其中同步控制器的作用是时间同步。系统的主要构成如图1所示。

图1 船载水上水下一体化系统构成图

传感器的处理单元对时钟校正、时间同步有较高的要求，系统传感器需要输入秒脉冲信号，可以完成脉冲信号的时间对准。各个传感器的空间配准是生成高精度点云数据的前提，一般空间配准是通过将各传感器采用刚性连接的方式固定于船载平台上，姿态传感器一般放置于参考中心。通过全站仪测量各个传感器相位中心的偏差距离，以便后期误差改正使用。虽然通过准确的测量和安装但是仍然会有系统误差的存在，主要为安置角系统偏差，选择合理的同步频率可避免数据的浪费，保证船载水上水下一体化系统的稳定。

2.3 系统数据采集

系统数据采集分为两个阶段，分别是前期准备阶段和信息采集阶段。

2.3.1 前期准备阶段

系统安装之前要做好准备，测绘系统尽量安装在船舷中部或者船舷右侧，尽量离船舶发动机远些。多波束换能器常规的安装方式是垂直安装，这种方式会有很多缺点，在测量中会出现很多盲区。为了解决这一问题，需要在船体上安装倾斜换能器解决，倾斜角度控制在上仰30°～45°之间。系统安装完成后进行调试，可以实现无缝衔接，并利用差分定位系统设立基准站和流动站。

2.3.2 采集阶段

选择适宜的地点作为水陆测量校正区域。在这一区域对MBES 和TLS 分别进行校准；数据采集过程中应实时监控各个传感器的显示状态，密切关注相关控制参数。在数据采集过程中要重视测绘数据的质量控制，采集时要尽量避免船速的变动及船只急转弯。要避免水深、离岸距离、船速等因素对测量数据的累积误差，从而对数据质量、点云密度等产生影响。

水陆动态测量数据的准确性不仅取决于系统本身的优劣，还与辅助测量设备密切相关，需要经常对相关辅助设备进行检验和调试，确保质量、测量精度满足要求。

2.4 数据处理

点云的无缝拼接设置了5 个坐标系统。利用POS信息将船载坐标系坐标换算到当地的水平坐标系中，再对多波束测深数据和三维激光点云潮位进行改正，并对船体的横摇、纵摇、艏摇等三个参数进行精校准、滤波。完成上述操作后，最后输出坐标，可实现水陆测绘数据的无缝隙拼接。拼接流程如图2所示。

图2 点云数据无缝拼接流程

3 存在问题

船载水陆一体测量系统在数据集成、应用和数据处理等方面仍存在以下问题：

3.1 存在测量盲区

该系统点云数据采集的完整性受到系统安装位置、平台航向、船只吃水、水陆障碍物等因素的影响。在地形环境较规整的港口码头、航道、岛礁等区域系统适用性较强，在潮差较小、坡度变化较大的地形复杂区域，则常出现测量盲区。

3.2 数据处理问题

测量设备易受海水侵蚀的影响，长时间会出现锈蚀松动的现象。反复拆装设备会增加设备的校准次数，从而降低测量效率。由于陆海地形地貌等要素差别较大，现有的滤波算法有一定的局限性。

4 发展趋势

目前，我国船载水陆一体测量系统研究尚处在起步阶段，其未来的发展趋势主要表现在：

（1）快速构建多分辨率数字高程/深度模型，精细化显示近岸复杂地形。

（2）提高系统兼容性，硬件要以集成为主。提高系统的便携性的同时降低系统成本。

（3）根据数据特点及类型改进点云滤波、数据分类分割等算法，加强测绘数据的处理技术及应用软件的开发应用，并考虑植被对地形地貌测量的影响。

5 结语

水上水下一体化测绘在未来地理信息调查和检测中起到重要作用。对于船载水陆一体测量系统来讲，获取精确的基础地理信息有着灵活性强、密度高且成本低的优势，为水上水下测绘一体化框架的构建提供了一套解决方案。将来会在电子航道图工程、数字航道工程、海岛、海岸带监测中具有较为广泛的应用价值。