水上水下一體化測(cè)繪關(guān)鍵技術(shù)研究

邢穩(wěn)

（華東冶金地質(zhì)勘查局綜合地質(zhì)大隊(duì)，安徽 馬鞍山243000）

我國地域遼闊、水文資源豐富，因此在當(dāng)前依舊存在部分胡泊與河流未經(jīng)過系統(tǒng)性的水域調(diào)查。水域調(diào)查是我國地理國情監(jiān)測(cè)、數(shù)字水利、智慧航道等工作進(jìn)行的關(guān)鍵內(nèi)容，需要進(jìn)行重點(diǎn)展開。當(dāng)前，為了提升水域調(diào)查的效率與效果，普遍使用了水上水下一體化測(cè)繪的方法。基于此，探究其中的關(guān)鍵技術(shù)具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值。

1 水上水下一體化測(cè)繪的簡(jiǎn)述

1.1 測(cè)量原理

1.1.1 多傳感器集成原理

依托船載剛性穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)現(xiàn)水上水下所有傳感器的固聯(lián)；確定水上水下一體化系統(tǒng)中所有傳感器的坐標(biāo)值；在實(shí)時(shí)采集軟件中輸入測(cè)定的桿壁值，展開數(shù)據(jù)提取；完成數(shù)據(jù)處理后，解算GNSS-IMU 定位定姿數(shù)據(jù)，導(dǎo)入系統(tǒng)；將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，完成水上水下一體化測(cè)繪。

1.1.2 數(shù)據(jù)融合原理

融合水下多傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)的計(jì)算；融合水上多傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，展開水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維坐標(biāo)、全景影像內(nèi)外方位元素的計(jì)算。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

當(dāng)前常用的水上水下一體化測(cè)量系統(tǒng)主要由多種傳感器完成測(cè)繪工作，包括激光掃描儀、組合導(dǎo)航系統(tǒng)以及多波束測(cè)深儀等等。在水上測(cè)繪過程中，一般使用船載水上測(cè)量器件（激光掃描儀）完成三維移動(dòng)測(cè)量工作，保證了測(cè)量的高速度、高精度以及高分辨率。在水下測(cè)繪過程中，普遍應(yīng)用船載水下測(cè)量器件（多波束測(cè)深儀）完成測(cè)量，確保測(cè)量數(shù)據(jù)（包括圖像）的高精度、高分辨率以及高質(zhì)量[1]。

2 水上水下一體化測(cè)繪的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與技術(shù)分析

2.1 案例簡(jiǎn)述

本研究選取了2019 年某水庫外擴(kuò)100 米范圍內(nèi)的部分展開水上水下一體化測(cè)繪。在測(cè)繪中，使用的數(shù)據(jù)主要來源于水下多束測(cè)深點(diǎn)云、航攝數(shù)字線劃圖、邊岸船載三維激光掃描點(diǎn)云等。為了保證測(cè)繪結(jié)果的科學(xué)準(zhǔn)確性，在實(shí)際的一體化測(cè)繪工作中還參考了單波束測(cè)深點(diǎn)云、邊岸GPS-RTK 人工測(cè)量特征點(diǎn)等數(shù)據(jù)。

2.2 邊岸地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取技術(shù)

在實(shí)際的水上水下一體化測(cè)繪工作中，三維激光掃描儀片普遍在船只上完成架設(shè)，顯示出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要有地表數(shù)據(jù)、植被數(shù)據(jù)、人工對(duì)象數(shù)據(jù)、水面漂點(diǎn)異常點(diǎn)數(shù)據(jù)、邊岸折射點(diǎn)異常點(diǎn)數(shù)據(jù)等。對(duì)于這些數(shù)據(jù)，特別是異常點(diǎn)數(shù)據(jù)而言，其不能直接應(yīng)用于后續(xù)處理，必須要在完成激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的剔點(diǎn)與分類后，落實(shí)相應(yīng)邊岸地面點(diǎn)云的提取。

由于TerraScan 軟件能夠加載數(shù)量更多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此本次研究中選用了該軟件進(jìn)行邊岸地面點(diǎn)云提取參數(shù)的分析。其中，邊岸地面點(diǎn)云提取參數(shù)的流程如下：依托高水界信息，對(duì)超過高程范圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)施剔除；結(jié)合水面點(diǎn)的平均高程數(shù)值，對(duì)水下折射噪點(diǎn)落實(shí)剔除（應(yīng)進(jìn)行區(qū)分水域的左右岸檢查）；繪制剪裁多邊形，完成邊岸以下水上人工要素影響的剔除，包括浮標(biāo)、漁網(wǎng)等等；展開地面點(diǎn)提取，并使用Axelsson P 形成不規(guī)則的三角格網(wǎng)加密方式；多次建立地表三角網(wǎng)模型，對(duì)地表上的點(diǎn)進(jìn)行分離，并完成提取。

使用參數(shù)Max building size 實(shí)現(xiàn)初始點(diǎn)的限定，該參數(shù)與邊岸以上建筑物的最大邊長有著相對(duì)緊密的聯(lián)系。通常來說，當(dāng)某一建筑物的最大邊長為20 米，則程序就判定每間隔20 米存在至少一個(gè)位于地表的點(diǎn)（地面點(diǎn)）。使用參數(shù)Terrain angle 進(jìn)行所研究區(qū)域內(nèi)地表允許最大坡度的限定，聯(lián)合參數(shù)Iteration distance，能夠形成反復(fù)參數(shù)，完成模型中決定點(diǎn)距離的確定。其中，參數(shù)Iteration distance 表示一個(gè)點(diǎn)和三角形最近頂點(diǎn)連線與該三角形構(gòu)成平面的最大夾角數(shù)值，該數(shù)值越小，意味著云內(nèi)部起伏變化越小[2]。利用參數(shù)Iteration distance，可以實(shí)現(xiàn)在地表模型中剔除高度較低的建筑物，取值范圍一般控制在0.5-1.5 米的范圍內(nèi)。

將使用上述方法得出的數(shù)值與GPS-RTK 人工測(cè)量的特征進(jìn)行對(duì)比，在人工測(cè)量中，應(yīng)用的RTK 以及三維激光掃描測(cè)量均使用了統(tǒng)一基站的控制點(diǎn)，并引入2000 國家大地坐標(biāo)系，得出的精度對(duì)比結(jié)果顯示：利用邊岸地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取技術(shù)獲得的地面點(diǎn)與參考特點(diǎn)高程差的均值為0.3、均方差為0.2，證實(shí)了該技術(shù)能夠迅速、準(zhǔn)確的從海量船載三維激光掃描數(shù)據(jù)中提取地面點(diǎn)數(shù)據(jù)。

筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，邊岸地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取技術(shù)雖然操作簡(jiǎn)單且具有極高的可行性，但是必須要保證實(shí)際數(shù)據(jù)處理中所有參數(shù)設(shè)定的準(zhǔn)確性；參數(shù)值大小的確定需要結(jié)合分類數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)特征實(shí)現(xiàn)，基于此，要提前對(duì)所有待處理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行全面了解。

2.3 空白區(qū)處理技術(shù)

在現(xiàn)階段的實(shí)踐中，水上水下一體化測(cè)繪工作一般劃分為兩部分展開。其中，水上測(cè)繪部分由航空攝影以及船載三維激光掃描儀實(shí)現(xiàn)；水下測(cè)繪部分由；測(cè)探儀完成。使用這樣的方法，在成圖過程中普遍會(huì)出現(xiàn)空白區(qū)[3]。結(jié)合筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種空白區(qū)可以劃分成兩種類型：第一，由于水域上存在養(yǎng)殖網(wǎng)箱、淺灘而致使測(cè)量船只無法到達(dá)邊岸，以此導(dǎo)致測(cè)量盲區(qū)的產(chǎn)生。第二，受到時(shí)相差的影響而出現(xiàn)水位差（在航攝、水域作業(yè)中由于發(fā)生水位差而形成數(shù)據(jù)空缺、重疊），最終造成測(cè)量空白區(qū)的產(chǎn)生。

對(duì)于這種存在于水上與水下銜接處的數(shù)據(jù)空白區(qū)來說，其直接對(duì)內(nèi)業(yè)處理精度與效率產(chǎn)生影響，需要重點(diǎn)處理。基于此，本研究主要以繪制等高線操作為例，闡述由于上述兩種情況形成空白區(qū)的處理。

第一，針對(duì)因存在雜物、障礙物而產(chǎn)生的空白區(qū)，需要將水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)與船載三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并以此生成不規(guī)則三角網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空白區(qū)的填補(bǔ)。

第二，針對(duì)因水位影響而產(chǎn)生的空白區(qū)，需要使用如下解決策略：融合船載三維激光掃描數(shù)據(jù)與陸域、航攝提取的數(shù)據(jù)；生成不規(guī)則三角網(wǎng)填補(bǔ)空白區(qū)；但填補(bǔ)中，若發(fā)生空白區(qū)域過大的現(xiàn)象（對(duì)TIN 精度產(chǎn)生影響），應(yīng)當(dāng)利用等高線內(nèi)插的方式完成處理；對(duì)于重疊區(qū)域，應(yīng)提前保留陸域數(shù)據(jù)、刪除船載激光數(shù)據(jù)，并通過人工操作實(shí)現(xiàn)銜接處激光點(diǎn)云生成的等高線趨勢(shì)的處理。

結(jié)合這樣的處理方法，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)完成空白區(qū)的填補(bǔ)。可以說，上述兩種填補(bǔ)方法是水上水下一體化測(cè)繪中外業(yè)盲區(qū)處理的最佳輔助工序。

2.4 水上水下一體化成圖技術(shù)

結(jié)合上文提出的兩種技術(shù)，結(jié)合目前主流的點(diǎn)云處理與繪圖軟件，筆者構(gòu)建起了更加適合水上水下一體化測(cè)繪成圖的技術(shù)流程。該技術(shù)流程主要可以劃分為三個(gè)階段，即有水域點(diǎn)云處理階段、數(shù)字成果生產(chǎn)階段以及質(zhì)檢階段。其中，水域點(diǎn)云處理階段的技術(shù)流程如下：結(jié)合船載激光點(diǎn)云與水下多波束點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，主要完成數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換、高程異常改正以及可用性檢查；在處理后的數(shù)據(jù)中提取邊岸地面點(diǎn)云，實(shí)施水下折射點(diǎn)、空中點(diǎn)、植被與人工對(duì)象點(diǎn)的剔除；落實(shí)點(diǎn)云抽稀；完成范圍調(diào)整后，進(jìn)行水域要素的繪制，主要進(jìn)行水下點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及邊岸地面的繪制。

實(shí)現(xiàn)水域要素繪制后，即可展開數(shù)字成果生產(chǎn)階段的操作，具體技術(shù)流程如下：處理空白區(qū)，確定網(wǎng)箱、水域高程點(diǎn)、水域等高線；結(jié)合陸域線劃數(shù)據(jù)進(jìn)行要素整合；輸出一體化DLG 與元數(shù)據(jù)，形成等高線、高程點(diǎn)以及其他要素；使用等高線與高程點(diǎn)構(gòu)建TIN；輸出一體化DEM與元數(shù)據(jù)完成橫、縱斷面線的繪制，輸出一體化斷面圖與成果表。

質(zhì)檢階段的技術(shù)流程如下：對(duì)數(shù)字成果生產(chǎn)階段輸出的一體化DLG 與元數(shù)據(jù)、一體化DEM與元數(shù)據(jù)、一體化斷面圖與成果表展開質(zhì)檢，質(zhì)檢不合格返回?cái)?shù)據(jù)輸出前操作，質(zhì)檢合格后形成水上水下一體化數(shù)字產(chǎn)品，即有水上水下一體化DLG 與元數(shù)據(jù)、水上水下一體化DEM與元數(shù)據(jù)、水上水下一體化斷面圖與成果表。

結(jié)束語

綜上所述，本研究提出了點(diǎn)云處理以及空白區(qū)填補(bǔ)的方式，結(jié)合TerraScan 軟件形成了邊岸地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取技術(shù)以及空白區(qū)處理技術(shù)。同時(shí)，更新了等高線的修測(cè)方式，生成了水上水下一體化測(cè)繪內(nèi)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)流程，保證了測(cè)繪工作的標(biāo)準(zhǔn)化與系統(tǒng)化，提升了測(cè)繪結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。