激光掃描測量技術在海事管理中的應用探討

施翔宇

【摘要】研究激光掃描測量技術在船舶動態監管領域中的應用，探討如何與海事管理常用手段相結合，表明在海事管理中的巨大應用價值。

【關鍵詞】激光掃描測量；海事管理

1、研究背景

船舶的識別、運行狀態監測和異常行為處理始終是海事管理的工作重點之一。近年來隨著經濟的發展，我國運輸船舶的數量顯著增加，船舶運行狀況的復雜度加大，隨之帶來的管理要求也不斷提高。如何有效地利用現代化的技術手段實現船舶的監測預警已成為提升海事管理當務之急。

目前在海事管理中主要通過人工監管、雷達成像、視頻監控、AIS、RFID等技術手段獲取船舶動態信息。其中雷達波容易受波浪、建筑物的干擾，采集到的模擬信號無船舶尺寸、類型等船舶物理信息，無法判定船舶裝載情況。視頻監控技術受光照度和能見度影響較大，在反射陽光的水面或夜晚等特殊場景下無法準確識別船舶特征。AIS監管屬于被動式監管，不僅需要船舶安裝AIS終端設備，還需要保證終端設備始終開機工作。不同廠商的RFID設備通訊頻率和協議標準各不相同，通訊距離越遠識別率越低，無法單獨判斷目標方位。人工監管是目前海事管理的主要方式，通過海事管理人員上船檢查，憑借專業技能和工作經驗對船舶進行監管。這種方式受人力資源的限制，往往不能對所有過往船舶逐條檢查，且這種方式對海事管理人員專業技能要求較高，容易受人的主觀判斷影響，甚至滋生腐敗現象。這種傳統的管理方式已經越來越不能適應當前海事管理的需要，它不僅效率低下，更不利于營造公平的海事管理環境，甚至會減低海事管理部門的公信力。激光掃描測量技術為海事管理部門提供了一種高效、精確的科技手段，能夠很好地解決上述問題。

2、激光測距和掃描測量技術原理

激光測距技術通過激光發射器發出若干激光脈沖波，當激光脈沖波碰到遮擋物體后反射部分能量，激光接收器收到反射的激光波時，數據處理單元根據發射和接收信號時間差計算出與遮擋物體的距離值。

激光掃描測量技術是在激光測距技術基礎上的延伸，它通過激光掃描器連續不停的發射激光脈沖波，激光脈沖波照射到高速旋轉的鏡面上，并將激光脈沖波向各個方向發射從而形成一個扇形二維平面區域。在掃描器的掃描范圍內，掃描器測量出每個測量點的距離，根據此距離信息可以計算出物體某個斷面的外型輪廓坐標定位數據。通過移動掃描器和物體的相對位置掃描出物體多個斷面，就能夠得到物體的整體外形輪廓數據，還可以進一步通過空間建模，將物體3D可視化。

3、激光掃描測量技術在海事管理中的應用難點

盡管激光掃描測量技術具有精度高、非接觸等優點，但不同于建筑物等固定測量物體，航行船舶是非勻速運動物體，對它的掃描測量難度非常大，如果不能夠準確測量出船舶的航行速度，將會產生較大的測量誤差。在對寬闊水域航行船舶進行測量時，測量范圍寬達幾十米甚至上千米，而激光幕簾范圍有限，如果激光反射距離太遠也會造成反射激光能量太弱而無法識別或產生較大測量誤差。當多船舶交匯于同一激光幕簾時，測量結果的計算就更加復雜。

4、激光掃描測量技術的應用

為了解決上述問題，在橋梁通航孔中心位置安裝兩組激光掃描測量器，這樣就在船舶通航區域形成兩道激光幕簾對下方航行船舶進行連續掃描。兩道激光幕簾之間有一定夾角，可以根據測量對象的同一部位，準確計算出船舶實時航行速度等信息。再通過一系列計算獲得船舶的航向、航速、船長、船寬、船高、干舷等信息。

4.1 與視頻監控技術的結合應用

通過在測量點附近安裝一個或多個視頻攝像機或照相機，將激光器的測量結果為觸發信號，聯動高清圖像設備抓拍現場船舶照片或錄取視頻。得到的照片或視頻可以根據抓拍時間快速進行檢索，便于海事管理人員有目的地查找。盡管現有視頻監控技術已經可以實現運動物體自動抓拍功能，但是受到水面波紋和雜物等干擾，抓拍準確度不高，容易造成漏拍或誤拍。視頻監控技術通過與激光掃描測量技術的結合，可以根據測量的船舶位置和船長自動調整焦距和最佳抓拍時間，或根據測量的船舶特征如駕駛室和人員抓拍船舶船名號和駕駛員臉部特征。這些照片、視頻和測量數據是涉嫌超載超限船舶違法行為的有力證據。

4.2 與AIS技術的結合應用

AIS的開機率問題一直是海事管理的難題之一，對安裝AIS終端并正常運行的船舶監管可以說是非常有效。但部分違章船舶通過關閉AIS終端電源或遮擋天線等方式逃避監管。AIS終端安裝不當或故障損壞也會影響海事監管效果。AIS技術通過與激光掃描測量技術的結合，在測量點附近安裝AIS信號接收裝置，就可以準確判斷出被掃描船舶AIS信號是否正常。另一方面，對于接收到AIS信號的被掃描船舶，可以將AIS信號中獲得的船名、主尺度等靜態信息與測量結果作比較，不僅可以準確識別船舶船名號，還可以大致判定船舶是否有改裝、套牌、更改AIS終端識別碼等違法違規行為，能夠有效杜絕船舶規避海事監管。在對事故船舶逃逸調查、超限船舶闖禁預警等海事管理中激光掃描測量技術能夠發揮積極作用。

4.3 與RFID技術的結合應用

RFID技術通過將接收到的射頻卡識別碼與數據庫登記船舶信息比對，能夠迅速對船舶進行唯一性識別，但該技術存在無法判斷目標方位和運動狀況等缺點。激光掃描測量技術最大的不足之處就是無法對船舶做到唯一性識別，因此這兩種技術具有很好的互補性。通過將RFID技術取得的船舶識別數據與激光掃描測量數據結合，能夠快速準確判斷被掃描船舶身份，了解船舶準確方位和運動狀態，這對于法規未強制安裝AIS終端的小型船舶可以起到很有效的監管作用。

4.4 船舶流量監測應用

船舶流量監測也是海事管理的難題之一，使用激光掃描測量技術對測量點過往船舶的數量進行監測和統計，可以實時掌握航道中船舶的流量數據并自動預警，防止因船舶過多造成碰撞事故或堵航。同時通過對船舶干舷的測量，能夠很容易判斷出船舶裝載情況，若該測量點位于不同地區分界點，只要結合上下行船舶數據，就能夠準確了解貨物進出某地區情況。這些數據能夠用于分析地區水運交通和貿易狀況，為經濟決策和產業布局調整提供科學依據。

4.5 航道水位監測應用

航道水位受降雨或潮汐影響會發生變化，這種變化會嚴重影響船舶航行安全，也是海事管理重要工作之一。航道水位過高時，船舶過橋困難，容易造成撞橋事故；航道水位過低時，船舶容易擱淺。激光掃描測量技術能夠對水位情況進行實時精確測量，同時能對過往船舶實際最大高度進行測量。通過簡單計算，就能夠判斷該船舶能否通過航道上其他通航高度較低的橋梁和管線，實現提前預警。當測量到水位過低時，能夠通過LED顯示屏等方式自動提醒過往船舶。

5、在紹興杭甬運河上的應用實踐

5.1 系統組成

2015年紹興市港航管理局在杭甬運河先進橋建成船舶流量自動化觀測系統。該系統基于激光掃描測量技術，由數據采集子系統、數據處理子系統和輔助子系統三個部分組成。其中數據采集子系統包括一組2套激光掃描測量儀和3臺攝像機；數據處理子系統包括工控機和軟件；輔助子系統包括網絡和電源控制系統。先進橋為單孔橋梁，通航孔凈高7米、凈寬55米，激光掃描測量儀就安裝在通航孔正上方。

5.2 工作過程

激光掃描測量儀對正下方的航道進行不間斷的激光掃描，采集到的數據通過網絡電纜進行傳輸，高速網卡將激光器采集的數據傳送給后端的工控機進行處理。為實現斷面和速度數據的實時匹配，工控機需同時處理兩路采集的激光數據。工控機對數據進行濾波等數據處理后，根據數據變化率判定是否有船舶經過。若檢測到船舶，則實時記錄測量到的截面數據，根據多個截面的形狀構建船舶的三維尺寸，同時對船舶的流量進行累加統計。

船舶特征辨識是將兩組激光器的數據分別轉換到直角坐標系中，通過位置坐標來找到同一艘船舶，然后使用數據融合技術對兩坐標系數據進行融合。為消除激光器水平誤差、水面波浪和雜物對測量結果的影響，需要對數據的傾斜進行校正和平滑處理。通過機器學習結合形態學的相關知識，對因遮擋而未檢測到的船舶部位進行重構，以減少測量的誤差。

激光掃描測量儀以設定頻率掃描橋梁下方航道，根據收到水面的反射信號計算出實時水位。當檢測到船舶經過兩道激光幕簾時，工控機根據信號觸發機制向3臺攝像機發送抓拍指令，并將攝像機傳輸來的圖像信息存儲到數據庫中。

5.3 測試情況

2015年3月23日00：00至2015年3月24日23：59對紹興市杭甬運河先進大橋觀測點數據進行測試。測試確認系統對經過觀測點船舶的數量、航向、長和寬、出水高、空重載等特征的24小時不間斷測量的準確度。測試期間人工觀測共有299艘船舶經過測量點，系統采集到的通過船舶數量為299艘，其中航向錯誤11艘、空重載錯誤8艘、抓拍圖像錯誤7艘。

6、結論

激光掃描測量技術是測量領域一次重大創新，它具有遠距離、非接觸、高效率、高精度的優點，是傳統測量方法所無法實現的。它掃描速度快、自動化程度高，在眾多領域都具有巨大的應用價值。在海事管理中推廣應用激光掃描測量技術能夠實現對船舶的自動監管，同時結合視頻監控、AIS、RFID等現有海事管理技術，實現對船舶全方位立體監管。它是實現海事管理由經驗管理向智能管理轉變的重要技術手段。

參考文獻：

[1]趙軍輝，射頻識別技術與應用，機械工業出版社，2008

[2]陳靜，李清泉，李必軍，激光掃描測量系統的應用研究，測繪工程，2001（1）：49～52

[3]李暉，吳祿慎，三維激光掃描技術在虛擬現實中的應用，南昌大學學報（工科版），2007（10）：289

[4]沈世宏，基于激光傳感器的船舶特征提取和流量檢測：[碩士學位論文]，南京；南京理工大學，2013

[5]豐瑋，李芬，王迅，基于激光傳感器的內河船舶交通量觀測系統的研究與應用，中國水運（下半月），2012（02）