水陆一体化三维测量技术研究

水陆一体化三维测量技术研究

甄冬松

天津市测绘院有限公司 天津市 300381

摘要：搭载船载激光雷达扫描技术和多波束测量技术的水上水下一体化测绘系统，成功弥补了航空摄影测量和机载激光雷达的不足。由于世界范围内测绘业的快速发展，三维激光扫描技术作为一种先进的测绘手段引起了人们的注意。其主要特点是能够快速获取被测物体的三维点云以及回波强度等数据，相较于传统的单点测量实现了维度提升的革命性跨越。

关键词：水陆一体化三维测量技术研究

引言

多波束测量技术是一种对水底地形地貌进行测绘的声呐测量组合设备。与传统的单波束测量系统每次只能获得垂直向下的单点测量值相比，多波束测量技术能够对一个海域进行条带状覆盖扫描测量。从单波束到多波束的升级，也实现了从点至线到由线至面测绘的跨越，对于海洋测绘来说其技术进步意义十分突出。

1.船载激光雷达扫描技术

1.1船载激光雷达扫描技术原理

船载激光雷达扫描技术是融合了各学科技术而制作出的具有高精度，高效率特点的测绘系统。主要包括激光测距技术，高精度的全球定位技术以及高灵敏度姿态传感技术等。船载激光雷达扫描系统利用了地物对激光信号的反射作用，通过向观测目标发射激光脉冲信号进行数据采集，从而获取观测目标在三维空间里的高精度坐标信息的点云数据，通过对点云数据的后处理进而得到不同的测绘产品。

1.2船载激光雷达扫描技术组成

船载激光雷达扫描技术的构成主要包括：

（1）激光测距单元，利用向观测目标发射的激光脉冲信号往返传播的时间来测量发射器中心到观测目标的距离。一般把传播的时间称为飞行时间，根据光线在大气中传播的速度S，可以计算出被测物体距离L；

（2）控制记录单元,控制整个系统的协调运行并记录获取的数据信息；

（3）光学机械扫描单元，控制激光光束的发射方向从而实现激光光束对扫描面的覆盖；

（4）惯性导航单元IMU；

（5）差分全球定位系统，提供激光传感器高精度的三维坐标信息。

2.多波束技术

2.1多波束技术的组成和原理

多波束测量技术是一种对水底地形地貌进行测绘的声呐测量组合设备。与传统的单波束测量系统每次只能获得垂直向下的单点测量值相比，多波束测量技术能够对被测海域进行条带状覆盖扫描测量。从单波束到多波束的升级，也即实现了从点至线测量到由线至面测绘的跨越，对于海洋测绘来说其技术进步意义十分突出。多波束测量技术一般由：收发换能器、姿态传感器、声速剖面仪、表面声速仪、声呐控制接口、GNSS系统和处理计算机以及数据后处理软件组成。

换能器为多波束测量技术中最为重要的组成部分，它的主要功能为发送和接受波束，是声能和电能转换的装置，由若干个换能器单位基元组合而成。根据换能器设计，换能器基元具备指向性功能，其发射阵列基元能够向某一个设定的方向发射，接受阵列能够接收到来自水底的反射信号。

声呐控制接口、处理计算机以及数据后处理软件等都可以算作多波束数据采集处理系统，又称作多波束测量技术的甲板单元，主要的工作为负责同步声呐和各个传感器、实时采集数据、导航与定位以及监控设备等。辅助传感器主要包括：姿态传感器、GNSS、声速剖面仪、表面声速仪等。姿态传感器主要为多波束测量技术提供三轴加速度，三轴姿态以及电子罗经信息；GNSS系统为多波束测量技术提供高精度的定位信息；声速剖面仪提供了不同水深的声速，为后期多波束系统的声速改正提供依据；表面声速仪通过测量直接参与多波束系统的实时波束脚印位置的解算。上述辅助传感器为多波束系统的精准数据采集提供了保障。

多波束系统的换能器有接受和发射单元，通过其换能器发射阵列向海底发射超宽扇形声波束，并利用换能器接收阵列接收来自海底的反射信号。接收基阵根据不同角度入射的回波时间或者相位即可算出每个波束对应点的水深值。多波束系统每发射一次就能获得线状的水深数据，将多次接受的回波数据组合就能得到相应的条带状测量数据。

多波束测量技术发射的声波经过了声波干涉是具有指向性的波束。每个波束信号由主叶瓣、背叶瓣和侧叶瓣组成，但是波束的主要能量集中在主瓣上，为了更好的测绘效果多波束测量技术使用基阵束控技术，使能量主要集中在主瓣上，旁瓣尽量小。

2.2多波束数据处理关键技术

（1）粗差改正

由于设备操作不当或人为原因导致的较大误差一般称为粗差。传统的测绘过程或数据处理过程中通过进行冗余观测，或利用几何条件的闭合差大小加以限制等。在多波束数据处理过程中对于粗差的改正主要采用人机交互的方式进行。粗差剔除主要包括：测量粗差，GNSS定位偏差以及姿态数据粗差。这种粗差剔除的方式主要依赖于人工处理经验和结合现场情况的主观判断。对于多波束多ping测量数据，由数据处理员观察测量点是否存在跳跃点或异常值，加之对测量现场的勘探，手动删除异常点进行多波束测量数据的粗差剔除。

（2）潮位改正

海洋潮汐是指海水受潮汐力作用而产生的海洋水体的长周期波动现象。这种波动又称潮波。它在铅直方向表现为潮位升降,在水平方向表现为潮流涨落。在我国渤海沿岸多属于不正规半日潮。黄海,东海沿岸多属于正规半日潮,南海沿岸较复杂，日间潮汐变化大，在浙江沿海潮汐最大可达8米。多波束测绘一般持续数小时甚至数天，所以潮汐对多波束测量技术的影响非常大，在数据处理过程中必须要对潮汐影响进行改正。

3.点云数据去噪技术

水上水下一体化系统在获取船载激光雷达点云数据和多波束数据时，由于人为的干扰或者扫描仪本身的缺陷使得生成的三维数据往往带有许多小振幅噪声和离群点，使得重建后的点云模型粗糙零乱。

通常对于点云数据的预处理工作就是去噪处理，虽然微小但是却对后续处理非常重要。想要取得更好的点云校准、匹配、分类、分割以及三维重建效果，就必须在滤波过程中将噪声点和离群点一一剔除，有时还需要对点云进行下采样等处理降低点云密度，以提升后续处理的精度。

目前几种常见的滤波器如下：

（1）直通滤波：直通滤波器的使用一般结合仪器探测范围的具体参数，对于超出探测范围的数据可以直接进行剔除，或只需要数据的具体范围并对其进行截取，达到第一步粗略处理的效果。

（2）体素滤波：体素之于点云相当于像素之于图片，以每个体素中点云的质心代表整个网格，对点云数据进行体素化能够在最大限度保留点云几何结构特征的同时，通过对体素分辨率的调整将噪声点网格剔除。

（3）高斯滤波：基于点云分布特征属性，具有实际表达特征的点云表现为一定密度的数据点，可以通过指定密度阈值，计算每个点到其最近k个点的平均距离，则其距离应当符合高斯分布特征，对于不符合特征的点可剔除。

（4）条件滤波：通过人为设置具体滤波条件进行滤波，当点云在一定范围则留下，不在则舍弃。

（5）半径滤波：半径滤波指遍历三维点云模型中每一个数据点，规定每个数据点在指定半径内至少要有一定数目的近邻。滤波器中的半径和近邻点数需要人工设定，需要对点云数据有充分的了解，才能取得较好的去噪效果。

结语

在海洋测绘专业研究报告中专家学者指出我们应当继续完善陆海一体化水上水下地形三维测绘理论与技术方法,优化改进陆海一体化测绘软硬件装备,制订相应的技术标准,推进工程化应用。

参考文献

[1]胡昌顺.单波束测量仪系统仿真设计[D].哈尔滨工程大学,2019.

[2]杨盼.水陆三维一体化测量系统的集成与实现[D].成都理工大学,2018.

[3]李英成，文沃根，王伟.快速获取地面三维数据的LIDAR技术系统[J].测绘科学,2018,(04):35-38.