船載水陸一體化綜合測量系統(tǒng)研究進展

石碩崇，周興華，李 杰，楊 龍，唐秋華，劉森波

(1. 山東科技大學，山東 青島 266510； 2. 中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；3. 自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061； 4. 中國海洋大學，山東 青島 266100)

海島礁、海岸帶、江河湖泊、水庫、人工島等水陸結合部和水中構筑物是海洋測繪、航道測繪中一直密切關注的區(qū)域。其地理信息獲取通常按水上、水下工程分別施測，采用船載單波束、多波束測深儀進行水下地形測量，利用GNSS RTK技術或航空攝影技術進行陸部要素測量。而傳統(tǒng)測量方式中常存留大量施測盲區(qū)，加之水上水下高程基準的不統(tǒng)一，導致水陸地形成果難以實現水陸地形的無縫拼接測量。

船載水陸一體化綜合測量系統(tǒng)是水陸地形無縫測量中一種新興的海洋測繪設備。目前，國內對其存在多種定義：船載多傳感器水上水下一體化測量系統(tǒng)、船載水上水下一體化移動三維測量系統(tǒng)及水岸一體綜合測量系統(tǒng)，本文簡稱為船載水陸一體測量系統(tǒng)。

船載水陸一體測量系統(tǒng)與機載激光測深系統(tǒng)均具備快速獲取高分辨率、高精度的三維空間信息的能力，而船載水陸一體測量技術應用領域相對較為廣泛，適用性較高。目前，中國科學院上海光學精密機械研究所和海洋測繪研究所已研制出機載激光測深系統(tǒng)樣機，網格點密度達5 m×5 m，且主流的機載激光測深系統(tǒng)測量點云密度遠低于船載水陸一體測量系統(tǒng)的點云密度，1 m×1 m內多不足一個點位[1]。可以說，在水陸結合部大比例尺地形精細采集中，機載激光測深系統(tǒng)并未完全取代船載聲學測深技術[2]。

船載水陸一體測量技術可實現水陸結合部地形的無縫測量，解決了地形的快速、精準獲取等難題，尤其在地形復雜區(qū)域施測效果良好。目前，我國對該系統(tǒng)的研究尚處在起步階段，隨著硬件性能的提高及關鍵技術的改進，船載水陸一體測量技術必將在我國海洋及內陸水域基礎地理信息的動態(tài)監(jiān)測、經濟開發(fā)、國防保障中發(fā)揮重要作用。

1 國內外發(fā)展現狀

1.1 國外發(fā)展現狀

21世紀初，美國、英國、新西蘭等多個國家開始了集成三維激光掃描儀(terristrial laser scanners，TLS)、多波束測深儀(multibeam echosounders，MBES)、慣性測量單元(IMU)、GNSS定位接收機、工業(yè)全景相機(CCD)、同步控制器等多傳感器系統(tǒng)的研制，并成功將其應用于港口、碼頭、橋梁、海島礁等水陸結合部的基礎地理信息采集，驗證了水下與陸地地形無縫拼接測量的可行性，成果達到了最新海道測量精度指標的各項要求。

2010年，美國Geosolutions iLinks公司推出一款商業(yè)便攜式多波束激光雷達系統(tǒng)PMLS-1。理論上，對于主流采集軟件所支持的多波束測深儀和三維激光掃描儀，均可根據不同的應用需求和應用目的，進行船載水陸一體測量系統(tǒng)的靈活集成。而船載水陸一體測量系統(tǒng)集成了多個傳感器，因此各傳感器相對空間位置的精準確定是影響最終數據成果質量的一個關鍵因素。針對這一問題，國內外學者已有一些檢校研究[3-4]。文獻[3]利用斑片測試方法，通過分析兩測線的測量數據求解了激光掃描儀或多波束測深儀相對于慣性導航系統(tǒng)的角度安裝誤差；2013年，Kongsberg公司提出便攜式綜合地形測量解決方案，該方案可配置EM 2040C多波束測深儀和Riegl、MDL、Optech等品牌的激光掃描儀，最后生成了ArcGIS、AutoCAD、MapInfo、CARIS等完全兼容的數據產品。

1.2 國內發(fā)展現狀

2009年起，山東科技大學開始對船載多傳感器綜合測量系統(tǒng)進行理論研究，克服了動態(tài)吃水改正、VTK技術點云實時顯示等難題，取得了一系列科研成果[5-10]。2015年，青島秀山移動測量有限公司推出船載水陸一體測量Vsurs-W系統(tǒng)及其配套的軟件。山東省國土測繪院2018年購置該系統(tǒng)，并應用于海岸帶測量；2012年，國家海洋局第一海洋研究所(海洋一所)引進了國外水上水下一體化測量系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)成功應用于海島測繪[11]；2017年，文獻[12]對伶仃島進行了水岸一體綜合測量，對測量結果進行了驗證，并探討了一體化綜合測量系統(tǒng)的應用前景；2012年，廣州中海達衛(wèi)星導航技術股份有限公司(中海達)研制出iScan一體化移動測量系統(tǒng)[13]，之后升級為iAqua系統(tǒng)；2016年，北京海卓同創(chuàng)科技有限公司發(fā)明了一體化多波束測深裝置[14]；目前，國內已有多家航道測繪、海洋測繪單位組裝成功船載水陸一體測量系統(tǒng)，其中，中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司組裝的系統(tǒng)經驗證點位中誤差可達0.281 m，陸地高程中誤差為0.252 m，水下地形高程中誤差為0.310 m，滿足規(guī)范要求[15]。

1.3 幾種常見的船載水陸一體化測量系統(tǒng)

1.3.1 VSurs-W型系統(tǒng)

2012年始，山東科技大學、海洋一所、中國測繪科學研究院等單位共同參與船載多傳感器綜合測量系統(tǒng)相關技術研究，于2014年實現了多波束測深系統(tǒng)和船載激光掃描系統(tǒng)的協(xié)同信息采集，之后推出船載多傳感器島礁綜合測量系統(tǒng)升級版Vsurs-W及配套軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)精度在西沙群島區(qū)域得到驗證，精度可以滿足實際應用需求。其中水上點云的均方誤差為0.133 m，水上點云重復精度優(yōu)于5 cm@50 m，水下點云重復精度優(yōu)于20 cm@50 m，水上水下點云在垂直方向上的縫隙間距≤0.3 m，水平方向上的平均縫隙間距≤0.2 m[10]，均滿足規(guī)范要求[16-18]。此外，Vsurs-W系統(tǒng)分為內河版和海測版。內河版配備自主設計測量船，僅適用于湖泊、水庫等風浪較小的水域；海測版則需將系統(tǒng)安裝在漁船等船載平臺。

1.3.2 船載水上水下一體化綜合測量系統(tǒng)

海洋一所引進的船載水上水下一體化綜合測量系統(tǒng)由丹麥Reson SeaBat7125多波束測深系統(tǒng)、加拿大Optech ILPJS-LR激光掃描系統(tǒng)、加拿大Applannix POS MV 320定位定姿系統(tǒng)等傳感器組成，配套PDS2000、ILRIS 3D PC Controller、POS View、POS Pac等采集、導航及后處理軟件。在實際應用中，海洋一所采用船載水陸一體測量系統(tǒng)與SIRIUS PRO-天狼星測圖系統(tǒng)，對青島千里巖海島分別從水上、水下、空中進行了全方位空間立體測量，數據融合后得到完整的千里巖水上、水下三維地形圖，并利用RTK定位結果評估了其水上點云精度。在高動態(tài)測量條件下，激光點云水平定位和高程精度均優(yōu)于0.3 m。

1.3.3 iAqua系統(tǒng)

2012年，中海達研制出第一臺國產地面三維激光掃描儀，其后又推出自主研制的一體化移動三維測量系統(tǒng)iScan；在此基礎上，于2014年自主研制成功iAqua船載水上水下一體化移動三維測量系統(tǒng)，并提取了高精度的水邊線。目前，iAqua系統(tǒng)及配套的國產點云處理軟件HD_3LS_SCENE和HD_Pt Vector已商業(yè)化，并可為用戶提供高精度、高密度的基礎地理空間數據。系統(tǒng)先后在長江九江段、長江三峽段測試，RTK采集了特征點(房屋角點、線狀物、棱臺等)，定位結果絕對精度可達10 cm。

1.3.4 PMLS-1系統(tǒng)

2010年，美國便攜式多波束激光雷達系統(tǒng)(portable mulibeam & LiDAR system)PMLS-1研制成功，該系統(tǒng)水上部分采用MDL公司的一款集多傳感器為一體的激光雷達系統(tǒng)Dynascan，水下部分采用EM 2040C多波束測深系統(tǒng)，并配有自主設計快速調度測量船(rapid deployment survey vessel，RDSV)，將其應用于內河航道、沿海海域、湖泊與水庫疏浚、救助搜救等。PMLS-1系統(tǒng)完全兼容HyPAC/HyScript 2016、EIVA和PDS2000軟件，與國內配置自主設計測量船的VSurs-W系統(tǒng)內河版的不同之處在于PMLS-1自主設計測量船適應了近海測量。表1列出了目前國內4種常見的船載水陸一體測量系統(tǒng)的主要技術指標。

表1 4種船載水陸一體化綜合測量系統(tǒng)的主要技術指標對比

目前，國內外船載水陸一體測量系統(tǒng)在傳感器技術指標性能上差距不大，而在載體平臺設計方面，國內研發(fā)的船載水陸一體化測量系統(tǒng)并未達到國外測量船整體標定、普通車型即可便攜運輸、安置平臺僅需簡易拆裝的設計水準。其中，人工量測誤差是船載水陸一體測量系統(tǒng)中最大的誤差來源。數據處理方面，國外在海底無特征地形時采用重疊區(qū)激光雷達數據校準多波束水深數據，目前國內尚未對此著手研究。

1.4 船載水陸一體測量系統(tǒng)典型應用

2013—2014年間，荷蘭QPS BV公司利用MBES和TLS在柬埔寨湄公河獲取了300多千米河床、水岸線和水線以上地帶的超高分辨率點云，描述了湄公河床、河岸變化的性質，建立了氣候變化情景下預測泥沙轉移的變化模型；2014年3月，華盛頓州海岸的監(jiān)測和分析采用R2Sonic 2022測深系統(tǒng)、Optech移動激光掃描儀、Applanix POS MV 320 v5定位定姿系統(tǒng)對甘布爾港進行了高分辨率水深地形調查，為清除有毒物質進行生態(tài)恢復工作提供了有力的基礎信息保障。2016年，浙江省地理信息中心采用VSurs-W型系統(tǒng)實施了千島湖水上水下一體化測量，獲取了水下古城區(qū)域及相關水岸線。綜合國內外船載水陸一體化測量系統(tǒng)應用情況，系統(tǒng)應用區(qū)域集中在：江河湖泊、水庫、海島礁、海岸帶、人工島等水陸結合部和水中構筑物。

2 船載水陸一體測量系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及原理

船載水陸一體測量系統(tǒng)將TLS、MBES、定位接收機、IMU、同步控制器等多傳感器集于一體，根據激光測距與回聲測深原理，采取主動測量方式，走航式動態(tài)同步獲取水上水下地形。利用工業(yè)全站儀精測各傳感器參考中心位置，經粗校準與精校準獲取相對位置關系和安裝角度后。數據處理階段，多波束水深數據和激光點云經橫搖、縱搖、艏搖校準，完成潮位改正等處理后可實現目標點由傳感器坐標系到WGS-84地心參考框架的轉換，從而得到測區(qū)水上水下無縫多分辨率三維點云數據、DEM、DLG、DMI等測量成果[14,19]。船載水陸一體測量系統(tǒng)有著全覆蓋、高效率、高密度、高精度、全天候、同基準的特點。以Kongsberg公司的集成系統(tǒng)為例，圖1展示了船載水陸一體測量系統(tǒng)組成。

其中同步控制器的作用是時間同步。向系統(tǒng)傳感器輸入秒脈沖信號1PPS(pulse per second)和UTC時，完成1PPS上升沿和下降沿的時間對準，達到對傳感器的處理單元進行時鐘校正、時間同步的目的，為相關事件標記GPS時間。其中選擇合理的同步頻率可避免數據的浪費，因GPS數據頻率最低，以此頻率為同步頻率，通過對系統(tǒng)內各子系統(tǒng)采集數據內插處理，實現多傳感器時間配準；而定位定姿系統(tǒng)IMU/GNSS緊組合的模式則極大程度減小了載體平臺的移動對定位和航向精度的影響，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 數據采集

前期準備階段。系統(tǒng)安裝要遠離發(fā)動機，安置在船舷右側或船體中部，避免噪音干擾；多波束換能器按常規(guī)的垂直安裝方式會導致淺水測量出現盲區(qū)，通過傾斜安裝換能器上仰30°～45°，傾斜測量實現水陸地形的無縫拼接[14]，船載水陸一體測量系統(tǒng)的一種安裝與采集方式如圖2所示；系統(tǒng)完成安裝后，需要采用差分定位系統(tǒng)設立基準站、流動站；最后，精測傳感器相對位置及輔助設備用于解算的必需參數。

采集階段。選擇適宜的水陸校正區(qū)域，分別進行MBES和TLS的校準作業(yè)；采集中應實時監(jiān)控各傳感器顯示狀態(tài)，控制相關參數，避免船速、水深、離岸距離對點云密度與數據質量產生影響；多波束淺水測深能力較弱，為彌補其不足，可在低潮期進入測區(qū)，此時側重TLS采集水上數據，高潮期則側重多波束測深儀補充采集水陸交接地帶水下信息。

數據質量控制在數據采集中至關重要。其中，定位定姿誤差會影響數據的質量，船速的增減及船只急轉彎都會帶來INS誤差的累積[20-22]，導致采集不真實的地形數據，因此采集時要盡量避免其發(fā)生；此外，海洋動態(tài)測量過程中誤差具有多源性，數據質量不僅取決于系統(tǒng)本身的先進性，還與其輔助設備有關[23-24]，應提前完成輔助設備的質檢。

2.3 數據處理

點云的無縫拼接定義了5個坐標系統(tǒng)：載體坐標系、激光掃描儀坐標系、多波束測深儀坐標系、站心坐標系和大地坐標系。無縫拼接處理主要包括位置與姿態(tài)(POS)解算、多波束數據處理和三維激光數據處理。POS數據解算采用緊組合的方式，得到慣導中心的動態(tài)位姿信息；空間配準中，首先根據TLS和MBES在載體平臺下的空間安置參數， 將激光掃描儀數據和多波束測深數據從各自傳感器坐標系歸算至以慣導中心為原點的船載坐標系；然后查找1PPS脈沖信號標記的事件，進數據內插， 再利用POS信息將船載坐標系坐標歸算至當地水平坐標系；完成多波束測深數據和三維激光點云潮位改正、三參(橫搖、縱搖、艏搖)精校準、濾波等操作后，輸出大地坐標系下的坐標，實現水陸點云的無縫拼接。QINSy中激光點云橫搖校正選擇斜坡校正，達到精校準示例如圖3所示，水上水下點云無縫拼接的基本流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)存在的問題及發(fā)展趨勢

船載水陸一體測量系統(tǒng)是新興的三維空間信息探測技術，由于多傳感器集成的復雜性、水域動態(tài)測量的特性，系統(tǒng)集成、應用、數據處理方面仍存在諸多問題：

(1) 存在測量盲區(qū)。系統(tǒng)安裝位置、水空障礙物、平臺航向、船只吃水、潮汐等因素均會影響點云數據采集的完整性，在地形環(huán)境較規(guī)整的港口碼頭、航道、島礁、橋梁等區(qū)域系統(tǒng)適用性較強，在潮差較小、坡度變化較大的地形復雜區(qū)域，則常出現測量盲區(qū)。

(2) 數據處理問題?，F有濾波算法具有局限性，由于陸海非地形要素差別較大，三維激光點與多波束水深點云濾波多采用交互式濾波與自動濾波，忽視了系統(tǒng)誤差對高度與深度的影響，并未根據誤差源類型與特點進行相應濾波削弱誤差[23-24]；點云處理成果部分區(qū)域存在不真實的地形，植被等地面附著物致使無法直接測定地貌的真實高度；應建立測區(qū)三維動態(tài)聲速場模型，實現了低掠射聲波束的準確歸位，確保近岸多波束低掠射波束的有效性。

(3) 其他問題。固聯(lián)設備受海水銹蝕影響，常銹蝕松動，反復拆裝增加了多波束和船載激光的校準次數，降低了作業(yè)效率；無統(tǒng)一的一體化測量作業(yè)標準，測量盲區(qū)時宜依靠不同移動測量系統(tǒng)之間的優(yōu)勢互補，協(xié)同作業(yè)[12,19,25-26]，但多系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)又會增加水陸一體測量作業(yè)的復雜性；當前的船載水陸一體測量系統(tǒng)對激光掃描儀和多波束測深儀的檢校工作多是分開進行，即水上水下的傳感器使用不同的目標物或標定場，角度安裝系統(tǒng)誤差和偏移量系統(tǒng)誤差檢校分開進行，這也使得船載水陸一體測量系統(tǒng)檢校工作較為復雜。

目前，我國船載水陸一體測量系統(tǒng)研究尚處在起步階段，其未來的發(fā)展趨勢主要表現在：

(1) 硬件以集成為主，提高系統(tǒng)兼容性。

(2) 加強數據處理技術及應用軟件開發(fā)，根據數據類型和特點改進點云濾波、數據分類分割等算法，考慮植被對地形測量的影響提取出真實地形，并重視海量點云的快速顯示方法研究。

(3) 快速構建多分辨率數字高程/深度模型，精細化顯示近岸復雜地形。

(4) 降低成本，同時提高系統(tǒng)的便攜性，建立行之有效的儀器檢校和應用技術標準。

4 結 語

從內河航運到海岸帶再到海洋島嶼，這些區(qū)域都將是我國未來地理國情調查和監(jiān)測的主要內容。精確的基礎地理信息獲取將在電子航道圖工程、數字航道工程、智能航運工程、海洋經濟開發(fā)、海洋管理、國防建設中發(fā)揮舉足輕重的作用。船載水陸一體測量系統(tǒng)有著成本低、靈活性強、密度高的優(yōu)勢，為水陸結合部的無縫接圖及陸海測繪一體化框架的構建提供了一套有效完整的解決方案，可以說其在未來的海島、海岸帶監(jiān)測中具有較為廣泛的應用價值[27]。