基于線狀點(diǎn)云的水深測量精度快速評定方法研究

楊松 孫慧敏 張振軍

摘要：

水下地形測量精度主要采用主測線與檢查線的水深比對較差進(jìn)行評定，但在實(shí)際應(yīng)用時，現(xiàn)有的評定方法不能夠準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行分析統(tǒng)計，往往耗費(fèi)大量的人力與時間，也無法合理地表達(dá)水深測量的精度。為了能夠充分利用檢查線數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地對水深測點(diǎn)進(jìn)行精度評定，全面合理判定測深點(diǎn)的質(zhì)量，進(jìn)而反映水下地形測量的精度，研究提出了一種新方法。該方法融合了GIS空間分析技術(shù)，將水下地形測量的主測線以及檢查線的水深數(shù)據(jù)離散為空間點(diǎn)云矢量數(shù)據(jù)，開發(fā)數(shù)據(jù)處理與檢測程序，快速地進(jìn)行水深測量精度評定。該方法在長江荊州河段水下地形測量中得到應(yīng)用，顯著提高了參與精度評定的有效測點(diǎn)數(shù)以及評定效率，更加合理、準(zhǔn)確地表達(dá)了水深測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

關(guān) 鍵 詞：

水深測量; 檢測線; 點(diǎn)云; 精度評定; 長江荊州河段

中圖法分類號： P229

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.07.019

0 引 言

水下地形測量是河道勘測工作過程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，測前需要在測區(qū)河道范圍內(nèi)布設(shè)主測線和檢查線。其中，檢查線主要用于對水深測量的精度進(jìn)行評定，通過比較主測線與檢查線的交叉點(diǎn)較差來檢驗(yàn)和評估水深測量成果的精度和可靠性[1-2]。

目前，按照SL257-2017《水道觀測規(guī)范》[3]中7.6.8和7.6.9技術(shù)要求規(guī)定：“水下地形測量時，應(yīng)在地勢較為平坦區(qū)域布設(shè)一定數(shù)量的檢查線，檢查線的方向應(yīng)與主測線垂直。單波束測量時，檢查線的總長度應(yīng)不小于主測線總長度的5%;多波束測量時，檢查線的總長度應(yīng)不小于主測線總長度的2%。”規(guī)范[4]要求測深檢查線與主測深線相交處：當(dāng)水深小于等于20 m時，圖上1 mm范圍內(nèi)主測線與檢測線的水深點(diǎn)水深值比對較差應(yīng)不大于0.3 m;當(dāng)水深大于20 m時，圖上1 mm范圍內(nèi)主測線與檢測線的水深點(diǎn)水深值比對較差應(yīng)不大于0.015H（相應(yīng)的水深值）。

然而，現(xiàn)有精度檢測方法在實(shí)際作業(yè)中往往遇到以下問題：① 滿足圖上1 mm范圍內(nèi)的主測線與檢查線的交點(diǎn)個數(shù)較少，導(dǎo)致精度檢測不準(zhǔn)確;② 隨著比例尺變小，圖上1 mm代表的實(shí)際距離變大，即兩比較點(diǎn)的實(shí)際距離變大，兩點(diǎn)的高程比較的可靠性也降低，往往導(dǎo)致較差粗差率比較高;③ 僅采用在地形圖中進(jìn)行人為判讀獲取交叉點(diǎn)的差值，導(dǎo)致精度統(tǒng)計效率較低。

國內(nèi)學(xué)者也對水深測量的精度評定方法進(jìn)行了相關(guān)研究：楊夢云[5]研究了影響單波束測深儀測量精度的因素及消除措施;馬耀昌等[6]研究了回聲測深儀水深測量誤差計算，以便提高大水深測量精度;黃珍雄[7]在單波束水下地形測量精度的改進(jìn)方法研究中，通過重復(fù)斷面較差、主測線與檢查線所產(chǎn)生的交叉點(diǎn)高程較差等因素來評定水深測量的內(nèi)符合精度;林紅[8]在對水深測量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評定時采取輸出測線上點(diǎn)間距不大于5 m，計算主測線和檢查線上的測點(diǎn)所確定剖面的交點(diǎn)，通過交點(diǎn)差值進(jìn)行水深測量精度評定;吳敬文等[9]開發(fā)了水深測量質(zhì)量檢查軟件，統(tǒng)計圖上1 mm范圍內(nèi)主測線測點(diǎn)和檢查線測點(diǎn)的河底高程差值，解決了人工計算方法效率較低的問題。上述研究方法僅是在現(xiàn)行規(guī)范要求下，采用主測線測點(diǎn)與檢查線測點(diǎn)重合進(jìn)行統(tǒng)計，但是，往往并不能恰好存在主測線與檢查線測點(diǎn)剛好重合的情況。因此，在現(xiàn)行規(guī)范[1]中規(guī)定“圖上1 mm范圍內(nèi)進(jìn)行搜索”獲取檢查線上的測點(diǎn)作為評價水深測量精度的重合點(diǎn)，這樣降低了水深測量精度統(tǒng)計的可靠性。針對目前在水深測量精度評定方法中存在的問題，本文提出了一種快速進(jìn)行水深測量精度評定方法：① 對主測線與檢查線上回聲儀測量的線狀點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取;② 采用GIS空間鄰近分析技術(shù)，快速準(zhǔn)確地對水深測量進(jìn)行精度評定以及成果的輸出統(tǒng)計。

1 水深測量的線狀離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.1 水深測量的原理

目前，水深測量的數(shù)據(jù)獲取采用回聲測深儀施測，并與DGNSS定位數(shù)據(jù)同步采集，水深測量采用Hypack軟件導(dǎo)航?；芈暅y深儀發(fā)射換能器A和接收換能器B之間的距離為S，稱為基線（見圖1）。發(fā)射換能器A以間歇的形式向水下發(fā)射頻率為20～200 kHz 的超聲波，聲波達(dá)到水底后，一部分能量被吸收，一小部分能量被反射回來。接收換能器B將反射回來的聲振動變?yōu)殡娬袷?，通過電路放大、轉(zhuǎn)換后顯示并記錄水深。[4]

式中：H為水面至海底的深度;D為船舶吃水深度（嚴(yán)格說是水面至換能器底面之間高度）;h為測量水深;S為基線長度;C為聲波在海水中的傳播速度，標(biāo)準(zhǔn)聲速為1500 m/s;t為聲波自發(fā)射至接收所經(jīng)歷的時間。

顯然，只要測出時間t，即可求出水深H，若換能器是收發(fā)兼用換能器，即AB=S=0，取C=1 500 m/s，則測量深度h可表示為

1.2 水深測量原始數(shù)據(jù)文件格式解析

Hypack綜合導(dǎo)航系統(tǒng)用于水域走航式測量（如水深測量、旁側(cè)聲納和淺地層剖面測量）的導(dǎo)航、定位[10]。該軟件可以連接GNSS接收機(jī)、測深儀、側(cè)掃聲納、羅經(jīng)等不同設(shè)備，基于Windows操作系統(tǒng)下的圖形化操作軟件，采集的原始數(shù)據(jù)文件格式為RAW文件[11-12]，包含了水深測量過程中的各個參數(shù)及信息，數(shù)據(jù)信息如圖2所示，其RAW文件中對應(yīng)的字段解釋如表1～3所列。

1.3 獲取水深點(diǎn)云數(shù)據(jù)

分析Hypack原始文件的結(jié)構(gòu)信息，主測線的水深測量定標(biāo)數(shù)據(jù)字段信息根據(jù)FIX定標(biāo)時間和水深信息EC1輸出時間，以及前后時刻的POS（坐標(biāo)信息）數(shù)據(jù)，可插值計算出FIX行以及EC1行對應(yīng)時刻的平面坐標(biāo)信息。采用VS2010開發(fā)環(huán)境+C#編程語言開發(fā)水深測量的線狀點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取轉(zhuǎn)換軟件，如圖3所示。該軟件可實(shí)現(xiàn)RAW文件的解析讀取，并進(jìn)行水下測點(diǎn)數(shù)據(jù)向空間矢量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)主測線及檢查線的水深測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動獲?。╔坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，水深）。

2 基于GIS實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)水深測量精度評定

水深測量的線狀數(shù)據(jù)離散化為空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要快速、準(zhǔn)確地對水深測量精度進(jìn)行評定。在采用本文提出的方法進(jìn)行水深測量精度評定時，需要將檢查線離散為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對于檢查線測點(diǎn)和主測線測點(diǎn)搜索半徑設(shè)置為實(shí)地距離0.2 m時，就可以搜索到比對點(diǎn)，相對于現(xiàn)行規(guī)范要求的“圖上1 mm范圍內(nèi)”，明顯地提高了精度評價的可靠性。

在進(jìn)行主測線和檢查線重合點(diǎn)比對時，若采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計方法，需要將主測線與檢查線的水深點(diǎn)云數(shù)據(jù)展繪后，在地形圖中逐點(diǎn)進(jìn)行人工判讀統(tǒng)計，分析計算效率非常耗時。鑒于傳統(tǒng)方法的局限性，本文基于GIS技術(shù)，對主測線與檢查線離散后的水深點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過GIS空間臨近分析，可快速地獲取一定距離范圍內(nèi)的重合點(diǎn)（即水深測量精度統(tǒng)計的比對點(diǎn)）。

由圖4可以看出：JP為檢查線離散測點(diǎn)，ZP為主測線離散測點(diǎn)，2個要素之間的距離按兩者間最短間距（設(shè)置Search Radius，即2個要素彼此最接近的距離），采用GIS臨近分析工具，可快速獲取主測線與檢查線點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重合點(diǎn)。結(jié)合GIS空間數(shù)據(jù)的屬性表關(guān)聯(lián)，如圖5所示，經(jīng)過GIS臨近分析后檢查線測深點(diǎn)云數(shù)據(jù)的屬性表中將新增字段（NEAR_FID）作為主測線測深點(diǎn)云數(shù)據(jù)屬性記錄的唯一值（FID），同時，也能夠自動統(tǒng)計主測線測深點(diǎn)云數(shù)據(jù)與檢查線測深點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的距離（NEAR_DIST），即2個要素彼此最接近的距離。通過檢查點(diǎn)與主測點(diǎn)的屬性表關(guān)聯(lián)進(jìn)而可計算兩者水深或者河底高程的差值（較差），依照文中表1的要求，實(shí)現(xiàn)水深測量精度的評定。

3 實(shí)例分析

選擇長江荊州河段為實(shí)例，采用單波束測深儀進(jìn)行水下地形測量。施測比例尺為1∶1 000，測區(qū)范圍內(nèi)共布設(shè)主測線195條，檢查線8條，測點(diǎn)間距按照8 m設(shè)置，共施測5 d。經(jīng)統(tǒng)計該測區(qū)的主測線與檢查線總長度（詳見表4列出的檢查線總長度與主測線總長度占比），滿足SL257-2017 《水道觀測規(guī)范》中 “檢查線的總長度應(yīng)不小于主測線總長度的5%” 的規(guī)定，因此，施測的檢查線可作為水深測量精度統(tǒng)計的數(shù)據(jù)。

采用RTK結(jié)合測深儀進(jìn)行水深測量，在測量期間，控制好航行速度、GNSS工作狀態(tài)、測深儀安裝姿態(tài)等，以此進(jìn)一步保證水深采集精度[13-14]。對該測區(qū)內(nèi)5 d施測的水下地形測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行主測線及檢查線數(shù)據(jù)分類提取，通過本文開發(fā)的軟件獲取主測線以及檢查線的水深點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)采用現(xiàn)有方法與本文提出的改進(jìn)方法進(jìn)行質(zhì)量檢查對比，如表4和圖6結(jié)果顯示。

（1） 采用現(xiàn)有方法，將主測線的測點(diǎn)進(jìn)行圖上1.0 mm范圍內(nèi)搜索有效的檢查線測點(diǎn)個數(shù)較少，不符合規(guī)范要求[4]。本文提出的改進(jìn)方法將主測線與檢查線數(shù)據(jù)進(jìn)行離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，參與比對的有效點(diǎn)數(shù)明顯增加，詳見表4中改進(jìn)方法搜索到有效比對點(diǎn)數(shù)，也可根據(jù)圖6所示，有效參與精度評定的比對點(diǎn)明顯地增多。

（2） 采用現(xiàn)有方法，是根據(jù)規(guī)范要求的1.0 m范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，而本文提出的改進(jìn)方法設(shè)置搜索半徑為0.2 m，使得參與水深測量精度評定的比對點(diǎn)之間的位置更加接近，這樣大大提高了精度統(tǒng)計的準(zhǔn)確性。

（3） 采用現(xiàn)有方法，在對day2施測的水下測點(diǎn)進(jìn)行精度評定時（詳見表4），符合限差深度比對點(diǎn)數(shù)占搜索到有效比對點(diǎn)數(shù)僅為60%，因此，深度比對超限點(diǎn)數(shù)超過參加比對總點(diǎn)數(shù)的20%，不能滿足規(guī)范[7]要求的精度指標(biāo)。當(dāng)采用改進(jìn)方法后，搜索到的有效比對點(diǎn)數(shù)明顯增加，符合限差深度比對點(diǎn)數(shù)達(dá)到90%，能夠滿足規(guī)范要求。因此，采用改進(jìn)方法，可避免采用現(xiàn)有方法搜索到比對點(diǎn)數(shù)較少造成的錯誤評定。

（4） 采用現(xiàn)有方法，往往需要人工判斷，點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計，通過改進(jìn)方法結(jié)合了GIS空間分析使得搜索、分析計算效率大大提高。

4 結(jié) 論

水深測量精度評價主要采用主測線與檢查線重合點(diǎn)的較差比對，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范要求的方法在實(shí)際工作中依然會存在一些問題，因此，本文提出了一種快速進(jìn)行精度評定的方法。

（1） 通過分析測深數(shù)據(jù)的原始文件結(jié)構(gòu)信息，開發(fā)軟件自動提取主測線及檢查線對應(yīng)的水深點(diǎn)云數(shù)據(jù)（X坐標(biāo)，Y坐標(biāo)，水深），將線狀水深測量數(shù)據(jù)離散為點(diǎn)云，有效地增加了檢測線與主測線重合點(diǎn)作為比對點(diǎn)進(jìn)行分析。通過本文提出的改進(jìn)方法，可將現(xiàn)有規(guī)范中規(guī)定的搜索距離“圖上1 mm范圍內(nèi)”縮小為實(shí)地距離0.2 m，使得參與評價的主測線測點(diǎn)與檢查線測點(diǎn)距離更近，同時結(jié)合表4中搜索到有效比對點(diǎn)數(shù)明顯增加，因此，可進(jìn)一步提高水深測量數(shù)據(jù)精度評定的可靠性。

（2） 在水深測量精度評定中，采用了GIS空間臨近分析及屬性表關(guān)聯(lián)，能夠快速地實(shí)現(xiàn)水深測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的比對與計算，提高水深測量精度評定工作效率。

（3） 本文改進(jìn)方法可適用于單波束和多波束水深測量。但是，當(dāng)采用多波束進(jìn)行水深測量時，多波束測深儀輸出水深數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，無需采用本文提出的將測線離散為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，可直接采用文中提出的GIS快速精準(zhǔn)的水深測量精度評定方法進(jìn)行評定，精度評定指標(biāo)可執(zhí)行表1規(guī)定。

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（編輯：劉 媛）

引用本文：

楊松，孫慧敏，張振軍.

基于線狀點(diǎn)云的水深測量精度快速評定方法研究

[J].人民長江，2021，52（7）：115-119.

Rapid evaluation method of bathymetric accuracy based on Linear Point Cloud

YANG Song，SUN Huimin，ZHANG Zhenjun

（ Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hanjiang River，Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission，Xiangyang 441021，China）

Abstract：

The accuracy of underwater topographic survey is mainly evaluated by the water depth difference between the main survey line and the inspection line.However，in practical application，the existing evaluation methods can not accurately and quickly analyze statistics，which often consumes a lot of manpower and time，and can not reasonably reflect the accuracy of water depth survey.In order to make full use of the inspection line data to evaluate the accuracy of the bathymetric point quickly and accurately，to judge the quality of the bathymetric point comprehensively and rationally，and to reflect the accuracy of underwater topographic survey，a new method is proposed.In this method，GIS spatial analysis technology is integrated，and the water depth data of the main survey line and the inspection line are discretized into spatial point cloud vector data.The data processing and detection program is developed to evaluate the accuracy of water depth survey quickly.This method has been applied to the underwater topographic survey in the Jingzhou section of Yangtze River，which significantly improves the number of effective measuring points and the evaluation efficiency，and more reasonably and accurately reflects the quality of the bathymetric survey data.

Key words：

bathymetry;detection line;point cloud;accuracy evaluation;Jingzhou reach of Changjiang River