船載水岸一體測量技術在碼頭改造工程中新應用

管明雷，陳智鵬,，李清泉,，朱家松

(1. 深圳大學海岸帶地理環境監測國家測繪地理信息局重點實驗室，廣東 深圳 518060；2. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079)

近年來，隨著國家對海洋資源的持續開發與利用，海洋沿岸基礎設施的改擴建工作也正緊鑼密鼓地進行著。深圳港媽灣港區海星碼頭1#～4#泊位舊碼頭拆除工程實施過程中，需要對原碼頭樁柱進行精密測量。為了防止在碼頭新建過程中，深底層保留樁柱對新建樁柱的影響，需要精準計算保留樁柱部分的首尾點位和斜率。目前國內外測量技術無法對淺地層以下直樁體進行精確測量，因此在計算保留樁柱部分的樁首點位和斜率時，必須基于表地層以上樁柱的精密測量結果來計算表地層以下樁柱走向及其樁首點位。

本文采用船載綜合測量系統水上水下一體化測量技術對媽灣港1#～4#泊位樁柱進行了水岸一體化高精度測量，通過利用激光掃描儀和多波束分別測量出水上、水下樁柱引水面點云圖。作業過程中采用高低潮位控制測量方法，使得水下、水上樁柱引水面點云圖存在公共拼接部分。基于高精度水面點云絕對坐標對水上、水下樁柱引水面點云進行特征拼接，從而獲得樁柱引水面高精度絕對位置。然后根據引水面絕對位置和樁柱尺寸精準計算出保留樁柱泥面以下部分的點位和斜率。通過對碼頭10個特征點進行外符合精度驗證，樁柱定位的水平絕對精度為9 cm，垂直絕對精度為8 cm。最后，將測量結果與新樁柱設計結果對比，結果表明：新舊樁柱在2#泊位存在一個樁柱發生碰撞，4#泊位存在10根樁柱新舊樁柱水平間隔小于10 cm，由于測量精度的限制，使得在施工過程中這10根新舊樁柱也可能發生碰撞。

1 水岸一體綜合測量系統

船載多傳感器水岸一體化綜合測量技術是近年來的一項新技術，通過統一測量坐標系，避免由于水上、水下分步測量造成的地形拼接問題，工作效率和測量精度能夠達到相應的規范要求[1-3]。水岸一體海岸帶測繪系統主要是由水下多波束測深系統、水上激光掃描系統、全景影像采集系統和船POS定位定向系統等硬件組成，依據成熟的控制系統實現了對多傳感器的同步控制、多數據源的同步采集。該綜合測量系統的思路是：通過將水上水下設備進行固聯來確定水上激光掃描儀、水下多波束換能器與GNSS主機的距離關系，利用POS定位定向系統獲取測量船的實時的位置、姿態信息并為兩組測量傳感器提供連續、精確的位置和方向信息[4-6]。通過同步控制器對多傳感器進行協同信息采集， 同時將測得的點位坐標歸算到統一的坐標系下，實現水岸上下一體化測量。

2 基于水岸一體綜合測量系統的碼頭樁柱測量

2.1 外業數據采集

首先需要將各種設備固定到測量船上，同時保證各個測量單元為剛體固連。其安裝布設如圖1所示。

2.2 設備校準

為了保證多波束系統與POS系統的精度，必須要保證兩個系統之間的時間與空間同步。一般時間同步可在硬件集成時解決。空間同步是由于安裝誤差，多波束換能器與POS定位定姿系統之間存在安裝誤差角，需要對誤差角(橫滾、俯仰和航向)進行精確標定，才能保證精度。采用將多次測線得到的多波束水底點云進行拼接和最小二乘評查，估計安裝誤差角。具體來說，通過往返測線估計橫滾角和俯仰角誤差，通過同方向有部分重疊的測線估計方位角安裝誤差，通過不同速度的測線估計POS系統與多波束系統之間的時間誤差，如圖2、圖3所示。

2.3 測量采集

由于多波束條帶覆蓋角度為165°，船載三維激光掃描儀無法穿透水介層進行測量，因此將多波束換能器采用正常方式安裝會導致水岸一體化測量結果中出現測量“盲區”。針對這一“盲區”，一般有兩種作業原則：一是利用潮位來控制測量，低平潮進行水上潮間帶測量，高平潮進行水下地形測量，然后再將水下水上結果進行拼接，可大大減少潮間帶的測量“盲區”。二是將多波束換能器面岸方面水平方向上仰30°進行水下地形傾斜測量，配合激光掃描儀進行水上地形測量，實現了水上水下點云覆蓋無縫，從而有效地解決“盲區”測量問題。本文采用潮位控制測量方法。根據深圳媽灣半日潮潮位變化特點，選擇本月大潮日。平潮(高潮)貼近測量，多波束獲得水界面下樁柱點云；停潮(低潮)全景測量，船載激光獲取樁柱露出水面后點云。由于1#～4#泊位全長800 m，因此每次作業進行了3次測量。將3次測量結果進行對比融合，可以校驗測量精度，并保證測量可靠性。

2.4 內業數據處理

外業數據采集完成后，需要首先對多波束系統的檢校參數進行估計。然后解算高精度POS軌跡，分別處理水下多波束和水上激光點云數據。多波束數據后處理使用CARIS對原始的數據格式進行分析，提取出測深數據、圖像數據、位置數據、姿態數據，再對數據進行差值剔除、數據濾波、聲速剖面改正、潮位改正、數據合并與平滑等編輯[7-12]。結合POS系統提供的位置姿態及預標定的坐標轉換矩陣，最終生成具有絕對坐標的水下測深點云[13-15]。

水上樁柱數據采集系統實時提取海量激光點云的距離、平面角度和垂直角度，POS系統提供的位置姿態及預標定的坐標轉換矩陣，經過軟件后處理生成具有絕對坐標的三維點云。最終測量成果為WGS-84坐標系下水岸一體化激光點云及水下地形點云，然后將WGS-84坐標系下測量結果轉換成深圳獨立坐標系[1,10,15]。

3 測量精度驗證和成果分析

在精度評估過程中，水上部分采用RTK定位結果驗證，標記1#～4#泊位10個激光點云的特征角點，如圖4所示，采用RTK方法對其重定位，驗證激光點云的外符合精度，見表1。

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船載水岸一體測量系統在作業過程中，由于聲速改正、姿態標定和設備安裝的問題導致水下多波速實際測量精度不及水上激光測量精度。因此，采用水上激光點云為準，根據高程值拼接水下多波速點云。

根據1#～4#泊位點云拼接結果，提取樁柱引水面中軸線。已知樁柱橫截面尺寸為60 cm×60 cm，因此，根據引水面中軸線位置和樁柱橫截面尺寸，利用CAD畫出舊樁柱實際水下位置圖。最后基于舊樁柱水下位置圖疊加新樁柱設計位置圖，比較新舊樁柱的點位情況。通過對1#～4#泊位新舊樁柱位置圖對比，發現2#2-36存在新舊樁柱碰撞的情況。

圖5為2#2-36號舊樁柱與新樁柱點位俯視圖。其中，圓形代表新建樁柱；方形表示舊樁柱，方形中間線為中軸線，方形樁柱左下方為樁柱頂端。通過俯視圖可以看出新舊樁柱會發生碰撞。通過計算得到，2#2-36號樁柱中軸線處與新樁柱在-12.5 m處相交，表明舊樁柱與新樁柱在此處可能發生碰撞。

此外，本次樁柱測量結果精度控制在10 cm，4#泊位存在部分新舊樁柱之間距離小于10 cm。以10 cm為判別標準，將新舊樁柱距離在10 cm以內的樁柱統計出來。

本文以中誤差10 cm測量精度作為新舊樁柱點位判別標準，見表2，發現4#泊位存在4#1-1等10根樁柱與新樁柱之間最小距離在10 cm以內。以測量精度作為判別標準，因此4#存在10樁柱與新樁柱可能發生碰撞。

表2 疑似問題樁柱點位值 cm

4 結 語

船載水岸一體綜合測量系統是多波束測深系統和激光掃描系統進行集成化應用的測量系統，是一種高度集成、高效率數據獲取方式，是對傳統海洋測量方式的有效補充，解決了目前依托水體的測繪應用缺乏有效的采集設備和技術方案的現狀。我國領海、專屬經濟區的確定需要準確的海島(礁)和大陸架海底地形作為海洋基礎地理信息數據，水岸一體綜合測量系統為解決了海岸帶、海島礁、港口工程、水庫及水中構筑物等的水上下一體化測量問題提供了有效的解決方案。同時，水岸一體綜合測量系統屬于快速移動測量技術，也是未來測量技術發展中，最具發展潛力的數據獲取方式。