海岛礁、海岸带、江河湖泊、水库、人工岛等水陆结合部和水中构筑物是海洋测绘、航道测绘中一直密切关注的区域。其地理信息获取通常按水上、水下工程分别施测, 采用船载单波束、多波束测深仪进行水下地形测量, 利用GNSS RTK技术或航空摄影技术进行陆部要素测量。而传统测量方式中常存留大量施测盲区, 加之水上水下高程基准的不统一, 导致水陆地形成果难以实现水陆地形的无缝拼接测量。

船载水陆一体化综合测量系统是水陆地形无缝测量中一种新兴的海洋测绘设备。目前, 国内对其存在多种定义:船载多传感器水上水下一体化测量系统、船载水上水下一体化移动三维测量系统及水岸一体综合测量系统, 本文简称为船载水陆一体测量系统。

船载水陆一体测量系统与机载激光测深系统均具备快速获取高分辨率、高精度的三维空间信息的能力, 而船载水陆一体测量技术应用领域相对较为广泛, 适用性较高。目前, 中国科学院上海光学精密机械研究所和海洋测绘研究所已研制出机载激光测深系统样机, 网格点密度达5 m×5 m, 且主流的机载激光测深系统测量点云密度远低于船载水陆一体测量系统的点云密度, 1 m×1 m内多不足一个点位^[1]。可以说, 在水陆结合部大比例尺地形精细采集中, 机载激光测深系统并未完全取代船载声学测深技术^[2]。

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, 解决了地形的快速、精准获取等难题, 尤其在地形复杂区域施测效果良好。目前, 我国对该系统的研究尚处在起步阶段, 随着硬件性能的提高及关键技术的改进, 船载水陆一体测量技术必将在我国海洋及内陆水域基础地理信息的动态监测、经济开发、国防保障中发挥重要作用。

1 国内外发展现状 1.1 国外发展现状

21世纪初, 美国、英国、新西兰等多个国家开始了集成三维激光扫描仪(terristrial laser scanners, TLS)、多波束测深仪(multibeam echosounders, MBES)、惯性测量单元(IMU)、GNSS定位接收机、工业全景相机(CCD)、同步控制器等多传感器系统的研制, 并成功将其应用于港口、码头、桥梁、海岛礁等水陆结合部的基础地理信息采集, 验证了水下与陆地地形无缝拼接测量的可行性, 成果达到了最新海道测量精度指标的各项要求。

2010年, 美国Geosolutions iLinks公司推出一款商业便携式多波束激光雷达系统PMLS-1。理论上, 对于主流采集软件所支持的多波束测深仪和三维激光扫描仪, 均可根据不同的应用需求和应用目的, 进行船载水陆一体测量系统的灵活集成。而船载水陆一体测量系统集成了多个传感器, 因此各传感器相对空间位置的精准确定是影响最终数据成果质量的一个关键因素。针对这一问题, 国内外学者已有一些检校研究^[3-4]。文献[3]利用斑片测试方法, 通过分析两测线的测量数据求解了激光扫描仪或多波束测深仪相对于惯性导航系统的角度安装误差; 2013年, Kongsberg公司提出便携式综合地形测量解决方案, 该方案可配置EM 2040C多波束测深仪和Riegl、MDL、Optech等品牌的激光扫描仪, 最后生成了ArcGIS、AutoCAD、MapInfo、CARIS等完全兼容的数据产品。

1.2 国内发展现状

2009年起, 山东科技大学开始对船载多传感器综合测量系统进行理论研究, 克服了动态吃水改正、VTK技术点云实时显示等难题, 取得了一系列科研成果^[5-10]。2015年, 青岛秀山移动测量有限公司推出船载水陆一体测量Vsurs-W系统及其配套的软件。山东省国土测绘院2018年购置该系统, 并应用于海岸带测量; 2012年, 国家海洋局第一海洋研究所(海洋一所)引进了国外水上水下一体化测量系统, 并将该系统成功应用于海岛测绘^[11]; 2017年, 文献[12]对伶仃岛进行了水岸一体综合测量, 对测量结果进行了验证, 并探讨了一体化综合测量系统的应用前景; 2012年, 广州中海达卫星导航技术股份有限公司(中海达)研制出iScan一体化移动测量系统^[13], 之后升级为iAqua系统; 2016年, 北京海卓同创科技有限公司发明了一体化多波束测深装置^[14]; 目前, 国内已有多家航道测绘、海洋测绘单位组装成功船载水陆一体测量系统, 其中, 中水珠江规划勘测设计有限公司组装的系统经验证点位中误差可达0.281 m, 陆地高程中误差为0.252 m, 水下地形高程中误差为0.310 m, 满足规范要求^[15]。

1.3 几种常见的船载水陆一体化测量系统 1.3.1 VSurs-W型系统

2012年始, 山东科技大学、海洋一所、中国测绘科学研究院等单位共同参与船载多传感器综合测量系统相关技术研究, 于2014年实现了多波束测深系统和船载激光扫描系统的协同信息采集, 之后推出船载多传感器岛礁综合测量系统升级版Vsurs-W及配套软件系统, 系统精度在西沙群岛区域得到验证, 精度可以满足实际应用需求。其中水上点云的均方误差为0.133 m, 水上点云重复精度优于5 cm@50 m, 水下点云重复精度优于20 cm@50 m, 水上水下点云在垂直方向上的缝隙间距≤0.3 m, 水平方向上的平均缝隙间距≤0.2 m^[10], 均满足规范要求^[16-18]。此外, Vsurs-W系统分为内河版和海测版。内河版配备自主设计测量船, 仅适用于湖泊、水库等风浪较小的水域; 海测版则需将系统安装在渔船等船载平台。

1.3.2 船载水上水下一体化综合测量系统

海洋一所引进的船载水上水下一体化综合测量系统由丹麦Reson SeaBat7125多波束测深系统、加拿大Optech ILPJS-LR激光扫描系统、加拿大Applannix POS MV 320定位定姿系统等传感器组成, 配套PDS2000、ILRIS 3D PC Controller、POS View、POS Pac等采集、导航及后处理软件。在实际应用中, 海洋一所采用船载水陆一体测量系统与SIRIUS PRO-天狼星测图系统, 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, 数据融合后得到完整的千里岩水上、水下三维地形图, 并利用RTK定位结果评估了其水上点云精度。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0.3 m。

1.3.3 iAqua系统

2012年, 中海达研制出第一台国产地面三维激光扫描仪, 其后又推出自主研制的一体化移动三维测量系统iScan; 在此基础上, 于2014年自主研制成功iAqua船载水上水下一体化移动三维测量系统, 并提取了高精度的水边线。目前, iAqua系统及配套的国产点云处理软件HD_3LS_SCENE和HD_Pt Vector已商业化, 并可为用户提供高精度、高密度的基础地理空间数据。系统先后在长江九江段、长江三峡段测试, RTK采集了特征点(房屋角点、线状物、棱台等), 定位结果绝对精度可达10 cm。

1.3.4 PMLS-1系统

2010年, 美国便携式多波束激光雷达系统(portable mulibeam & LiDAR system)PMLS-1研制成功, 该系统水上部分采用MDL公司的一款集多传感器为一体的激光雷达系统Dynascan, 水下部分采用EM 2040C多波束测深系统, 并配有自主设计快速调度测量船(rapid deployment survey vessel, RDSV), 将其应用于内河航道、沿海海域、湖泊与水库疏浚、救助搜救等。PMLS-1系统完全兼容HyPAC/HyScript 2016、EIVA和PDS2000软件, 与国内配置自主设计测量船的VSurs-W系统内河版的不同之处在于PMLS-1自主设计测量船适应了近海测量。表 1列出了目前国内4种常见的船载水陆一体测量系统的主要技术指标。

目前, 国内外船载水陆一体测量系统在传感器技术指标性能上差距不大, 而在载体平台设计方面, 国内研发的船载水陆一体化测量系统并未达到国外测量船整体标定、普通车型即可便携运输、安置平台仅需简易拆装的设计水准。其中, 人工量测误差是船载水陆一体测量系统中最大的误差来源。数据处理方面, 国外在海底无特征地形时采用重叠区激光雷达数据校准多波束水深数据, 目前国内尚未对此着手研究。

1.4 船载水陆一体测量系统典型应用

2013—2014年间, 荷兰QPS BV公司利用MBES和TLS在柬埔寨湄公河获取了300多千米河床、水岸线和水线以上地带的超高分辨率点云, 描述了湄公河床、河岸变化的性质, 建立了气候变化情景下预测泥沙转移的变化模型; 2014年3月, 华盛顿州海岸的监测和分析采用R2Sonic 2022测深系统、Optech移动激光扫描仪、Applanix POS MV 320 v5定位定姿系统对甘布尔港进行了高分辨率水深地形调查, 为清除有毒物质进行生态恢复工作提供了有力的基础信息保障。2016年, 浙江省地理信息中心采用VSurs-W型系统实施了千岛湖水上水下一体化测量, 获取了水下古城区域及相关水岸线。综合国内外船载水陆一体化测量系统应用情况, 系统应用区域集中在:江河湖泊、水库、海岛礁、海岸带、人工岛等水陆结合部和水中构筑物。

2 船载水陆一体测量系统 2.1 系统组成及原理

船载水陆一体测量系统将TLS、MBES、定位接收机、IMU、同步控制器等多传感器集于一体, 根据激光测距与回声测深原理, 采取主动测量方式, 走航式动态同步获取水上水下地形。利用工业全站仪精测各传感器参考中心位置, 经粗校准与精校准获取相对位置关系和安装角度后。数据处理阶段, 多波束水深数据和激光点云经横摇、纵摇、艏摇校准, 完成潮位改正等处理后可实现目标点由传感器坐标系到WGS-84地心参考框架的转换, 从而得到测区水上水下无缝多分辨率三维点云数据、DEM、DLG、DMI等测量成果^{[14, 19]}。船载水陆一体测量系统有着全覆盖、高效率、高密度、高精度、全天候、同基准的特点。以Kongsberg公司的集成系统为例, 图 1展示了船载水陆一体测量系统组成。

其中同步控制器的作用是时间同步。向系统传感器输入秒脉冲信号1PPS(pulse per second)和UTC时, 完成1PPS上升沿和下降沿的时间对准, 达到对传感器的处理单元进行时钟校正、时间同步的目的, 为相关事件标记GPS时间。其中选择合理的同步频率可避免数据的浪费, 因GPS数据频率最低, 以此频率为同步频率, 通过对系统内各子系统采集数据内插处理, 实现多传感器时间配准; 而定位定姿系统IMU/GNSS紧组合的模式则极大程度减小了载体平台的移动对定位和航向精度的影响, 确保系统的稳定性。

2.2 数据采集

前期准备阶段。系统安装要远离发动机, 安置在船舷右侧或船体中部, 避免噪音干扰; 多波束换能器按常规的垂直安装方式会导致浅水测量出现盲区, 通过倾斜安装换能器上仰30°~45°, 倾斜测量实现水陆地形的无缝拼接^[14], 船载水陆一体测量系统的一种安装与采集方式如图 2所示; 系统完成安装后, 需要采用差分定位系统设立基准站、流动站; 最后, 精测传感器相对位置及辅助设备用于解算的必需参数。

采集阶段。选择适宜的水陆校正区域, 分别进行MBES和TLS的校准作业; 采集中应实时监控各传感器显示状态, 控制相关参数, 避免船速、水深、离岸距离对点云密度与数据质量产生影响; 多波束浅水测深能力较弱, 为弥补其不足, 可在低潮期进入测区, 此时侧重TLS采集水上数据, 高潮期则侧重多波束测深仪补充采集水陆交接地带水下信息。

数据质量控制在数据采集中至关重要。其中, 定位定姿误差会影响数据的质量, 船速的增减及船只急转弯都会带来INS误差的累积^[20-22], 导致采集不真实的地形数据, 因此采集时要尽量避免其发生; 此外, 海洋动态测量过程中误差具有多源性, 数据质量不仅取决于系统本身的先进性, 还与其辅助设备有关^[23-24], 应提前完成辅助设备的质检。

2.3 数据处理

点云的无缝拼接定义了5个坐标系统:载体坐标系、激光扫描仪坐标系、多波束测深仪坐标系、站心坐标系和大地坐标系。无缝拼接处理主要包括位置与姿态(POS)解算、多波束数据处理和三维激光数据处理。POS数据解算采用紧组合的方式, 得到惯导中心的动态位姿信息; 空间配准中, 首先根据TLS和MBES在载体平台下的空间安置参数, 将激光扫描仪数据和多波束测深数据从各自传感器坐标系归算至以惯导中心为原点的船载坐标系; 然后查找1PPS脉冲信号标记的事件, 进数据内插, 再利用POS信息将船载坐标系坐标归算至当地水平坐标系; 完成多波束测深数据和三维激光点云潮位改正、三参(横摇、纵摇、艏摇)精校准、滤波等操作后, 输出大地坐标系下的坐标, 实现水陆点云的无缝拼接。QINSy中激光点云横摇校正选择斜坡校正, 达到精校准示例如图 3所示, 水上水下点云无缝拼接的基本流程如图 4所示。

3 系统存在的问题及发展趋势

船载水陆一体测量系统是新兴的三维空间信息探测技术, 由于多传感器集成的复杂性、水域动态测量的特性, 系统集成、应用、数据处理方面仍存在诸多问题:

(1) 存在测量盲区。系统安装位置、水空障碍物、平台航向、船只吃水、潮汐等因素均会影响点云数据采集的完整性, 在地形环境较规整的港口码头、航道、岛礁、桥梁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。

(2) 数据处理问题。现有滤波算法具有局限性, 由于陆海非地形要素差别较大, 三维激光点与多波束水深点云滤波多采用交互式滤波与自动滤波, 忽视了系统误差对高度与深度的影响, 并未根据误差源类型与特点进行相应滤波削弱误差^[23-24]; 点云处理成果部分区域存在不真实的地形, 植被等地面附着物致使无法直接测定地貌的真实高度; 应建立测区三维动态声速场模型, 实现了低掠射声波束的准确归位, 确保近岸多波束低掠射波束的有效性。

(3) 其他问题。固联设备受海水锈蚀影响, 常锈蚀松动, 反复拆装增加了多波束和船载激光的校准次数, 降低了作业效率; 无统一的一体化测量作业标准, 测量盲区时宜依靠不同移动测量系统之间的优势互补, 协同作业^{[12, 19, 25-26]}, 但多系统联合作业又会增加水陆一体测量作业的复杂性; 当前的船载水陆一体测量系统对激光扫描仪和多波束测深仪的检校工作多是分开进行, 即水上水下的传感器使用不同的目标物或标定场, 角度安装系统误差和偏移量系统误差检校分开进行, 这也使得船载水陆一体测量系统检校工作较为复杂。

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) 硬件以集成为主, 提高系统兼容性。

(2) 加强数据处理技术及应用软件开发, 根据数据类型和特点改进点云滤波、数据分类分割等算法, 考虑植被对地形测量的影响提取出真实地形, 并重视海量点云的快速显示方法研究。

(3) 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。

(4) 降低成本, 同时提高系统的便携性, 建立行之有效的仪器检校和应用技术标准。

4 结语

从内河航运到海岸带再到海洋岛屿, 这些区域都将是我国未来地理国情调查和监测的主要内容。精确的基础地理信息获取将在电子航道图工程、数字航道工程、智能航运工程、海洋经济开发、海洋管理、国防建设中发挥举足轻重的作用。船载水陆一体测量系统有着成本低、灵活性强、密度高的优势, 为水陆结合部的无缝接图及陆海测绘一体化框架的构建提供了一套有效完整的解决方案, 可以说其在未来的海岛、海岸带监测中具有较为广泛的应用价值^[27]。