無人船搭載雙頻單波束的河道水下地形三維模型構建

2020-07-04 02:42:08王慶洋

機電信息 2020年9期

摘要：城市內陸河流是重要的排洪泄洪通道，獲取準確的水下地形三維模型對排洪量準確估算意義重大。針對傳統RTK測量內河水深點云密度低、深水區域難以獲取數據，淺水、未知等困難區域船基難以到達等問題，采用無人船搭載雙頻單波束同時獲取水下地形和淤泥層界數據，并給出了數據處理、數據內插及三維建模的整體技術方案。在上海市閔行區某河道進行了實驗，驗證了數據獲取和三維建模方法的有效性。

關鍵詞：無人船;水下地形;水下淤泥層;三維模型

0 ? ?引言

伴隨著社會、經濟快速發展，城市建設規模日益擴張，自然環境惡劣變化，城市中內陸河道的防洪、蓄洪、航運等能力需要不斷地加強與改善，對內河水體進行準確測量與勘查對河道治理、疏通、排淤等后續決策工作意義重大[1-3]。三維立體真實感地形圖具備可視度高、使用方便等優勢，得到了用戶和政府決策部門的青睞[4]。目前，傳統內河河道水下地形多借助人工RTK測量，費時、費力、安全性差且獲取水深數據密度低;基于小型橡皮艇、竹筏或木船搭載聲學換能器的測量方法可獲取相對高的點云密度，但仍需人工作業，在水流湍急、地形變化復雜區域作業危險性較高[5]。受河流沖積造成土壤遷移、沉積，人們日常生活排污，采石挖沙等因素的影響，河道淤積現象嚴重，進而帶來了河道變窄、改道等問題[6]。近年來，中國各路臺風肆虐，異常天氣增多，當洪水來臨時，內陸河道排洪泄洪能力減弱，將影響人民群眾生命、財產安全。因此，有必要準確測量內陸河道水下地形及淤泥層界范圍，掌握河道變化情況，推估泄洪能力，進行水情預報，為政府決策提供基礎地理信息數據。

實時、無人、自動化是現代水下測量的發展趨勢，基于無人船技術的測量系統，為解決內河水下地形地貌測量面臨的上述難題提供了較好的解決方案。本文簡要介紹了無人船測量系統、水下地形及淤泥層界測量、水下三維模型構建方法等關鍵技術，并通過實驗驗證了其可行性。

1 ? ?關鍵技術

1.1 ? ?無人船測量系統

無人船測量系統利用其搭載的多種高精度傳感儀器，進行內陸河道區域水下測量工作，具有無人化、集成化、自動化、智能化以及網絡化等特點。測量型無人船多搭載兩個系統：（1）遙控無人測量船子系統，包括動力系統、電源系統、船上控制系統、測量聲學設備和無線數據傳輸模塊等;（2）岸基控制子系統，通過無線傳輸協議，實時接收、分析、處理和顯示遙測船體發送的數據，控制測量船路線或手動走線測量[7]。無人船測量系統能夠實現自主導航和智能避障，同時可以對工作狀態、航姿、任務狀態及測量數據實現實時通信。本次使用的無人船測量系統如圖1所示。

1.2 ? ?水下地形及淤泥層界測量

目前，水下地形測量主要采用GNSS獲取測深點的平面坐標及水面高程，配合水下測深儀器同步采集水深。其中水下測量儀器主要分為多波束測深系統和單波束測深儀兩種，影響其測深精度的因素主要包括測量平臺姿態變化、換能器吃水、聲速、水位、測深儀器本身系統誤差等[8]。

雙頻單波束測深儀其低頻具備穿透淤泥層的測量功能，可測得河底淤泥下表層點狀數據，即低頻回聲測深值（h_LF）;高頻數據返回自河底表層，可認為得到淤泥上表層點狀數據，即高頻回聲測深值（h_HF），同時獲取河底地形。因此，利用高低頻測深值的差值即可得到淤泥層的厚度：dh=h_LF-h_HF。

考慮內陸河道測量環境、要求和無人船搭載載荷限制，建議內陸河道水下地形測量采用單波束測深儀。因此，內陸河道若同時測量水下地形及淤泥層界，可基于雙頻單波束完成。

1.3 ? ?水下三維模型構建

數據采集完畢后，水下三維模型構建主要包括如下幾個步驟：

（1）異常數據濾波，剔除明顯的噪聲點。

（2）選擇模型。目前水下常用DEM數據結構為規則方格網和不規則方格網（TIN），規則格網具有數據存儲結構簡單、與遙感影像數據有相合性及表面分析功能良好等優點，但存在計算效率低、數據冗余及格網結構規則等限制;TIN網具有較少的點即可獲取較高的精度，具有可變分辨率及良好的拓撲結構等優點，但TIN網存在表面分析能力差、構建繁瑣費時、算法設計比較復雜等缺點[9]。在實際應用中具體使用哪種結構，一般由以下幾個因素決定：模型的應用目的、數據的可獲取性、是否考慮特征點、圖形的比例尺及分辨率等。

（3）數據內插。為保證建模數據量，需對格網構建后的數據進行內插，目前常用的內插算法有反距離加權法、克里格內插法及樣條函數內插法等等[9]。

（4）建模成圖，可以基于OpenGL自己開發三維重建及成圖軟件，考慮工程應用也可直接基于3d-max等商業軟件進行模型建立和紋理貼圖處理[10]，三維模型的可靠性和美觀程度取決于紋理制作的好壞以及紋理粘貼位置的精確度。

2 ? ?實驗及分析

2.1 ? ?實驗區域及設備

本次實驗區域選取在上海市閔行區某河道。本次實驗中采用的主要設備有：無人船測量系統SE40、測深儀（HY1602/SDE-

28D）、GNSS接收機（美國天寶光譜/SP80）、電腦兩臺。

2.2 ? ?采集過程

（1）前期收集測區附近的國家三等水準點資料，獲取控制點（平面及高程）數據、測區范圍（基于GPS-RTK分別獲取測區兩個端點坐標）;同時租用船只沿河道實地踏勘，詳細了解測區環境和河道水面及水下情況。

（2）工作人員根據作業規范、技術要求和踏勘所得情況，內業詳細確定外業數據采集方案，具體包括：

1）基于雙頻單波束測深儀獲取水深及淤泥層數據。

2）根據測區范圍，設計無人船測量斷面計劃線，計劃線基本垂直于河道水流方向。

3）無人船斷面航行間距為5 m，船速一般在4～6節，水下測量數據采集間隔為1 m一個點;測線間轉彎時適當減速，減小船體的傾斜引起的測量誤差。

4）為避免無人船碰撞淺石及岸邊石塊，租用木船，工作人員劃木船隨無人船測量，當情況復雜時，改變無人船作業模式為手動控制;測量過程中時刻關注水深測值的異常，當出現測值缺失或其跳躍幅度較大時應及時停止船舶的前進，檢查儀器運行情況。

（3）基于上述作業方案，測量得到測區原始水深及淤泥層界數據，當天對完成的測量數據進行內業數據檢查和處理;對發現存在的問題及稀疏測線區域，第二天進行重測及加密測量。

（4）對測量所得結果進行分類整理和歸檔，獲取河道的原始測量水深及淤泥層界數據。

2.3 ? ?水下模型構建和無人船測量精度分析

（1）對測量所得水深、淤泥層界數據進行濾波;聯合無人船GNSS定位、船體吃水、換能器距離水面高度和水深數據計算所得水面、水底及淤泥層下界的絕對高程數據（吳淞高程），水底與淤泥層下界的高程數據在CAD中需分層處理，整理并生成帶有高程屬性的CAD等高線或者高程點。

（2）針對水下測量的特殊性和復雜性，展現水下地形地貌趨勢。數字高程模型（DEM）按照數據的表現形式主要分為兩種：不規則三角網（TIN）和規則格網，TIN采用離散數據點生成的連續的不重疊的不規則三角網來表示地形，本次選取河道范圍小，河底地形相對起伏變化明顯，因此采用TIN可以構建出較多的三角形，能夠精細地反映地形特征。

基于ArcGIS軟件生成數字高程模型（DEM）：1）將導入的等高線或高程點數據轉換為GIS可編輯的Shapefile文件;2）進一步整理、檢查、修正Shapefile文件中的數據錯誤;3）使用整理好的Shapefile生產數字高程三角模型TIN文件;4）將TIN文件轉換為柵格數字高程模型DEM文件。本次河道的水下數字高程模型（DEM）如圖2所示。

（3）對數字高程模型（DEM）進行立體化處理，基于ArcScene軟件進行三維建模，并對模型和貼圖進行修改和美化，最終形成三維模型。本次河道的水下三維模型如圖3所示。

（4）外業數據準確性直接決定著構建模型的可靠性，為驗證無人船測量結果，本次采用人工手段利用網絡RTK的方式，去復核數據的準確性。根據無人船的測量成果，實地測設部分數據，本次共測設并復核54個無人船數據。基于RTK水下地形（吳淞高程）測量散點高程數據，對無人船測量結果（吳淞高程）進行同精度比較驗證，統計結果如表1所示。統計結果表明，基于無人船搭載雙頻單波束可獲取高精度的水下地形測量結果。

3 ? ?結論與建議

本文基于無人船搭載雙頻單波束實現了河道地形及淤泥層數據的準確獲取，并給出了三維模型構建流程，得到了水下三維地形及淤泥層模型，為后續相關類型項目作業實施和數據處理提供了作業指導和技術支撐。同時，實驗過程中發現無人船測量系統存在和亟需解決的問題如下：

（1）通信問題。內陸河道大都彎曲變化復雜且兩旁多為樹林密集區域，岸基和無人船系統的通信時常中斷，導致測量失敗，此時，解決辦法為移動岸基天線，費時費力。

（2）避碰技術。雖然采用了無人船的避碰和航線自主規劃功能，但內陸河道多存在暗石，水下地形變化復雜，岸邊操控存在視覺盲區;實際作業時大部分區域仍然租用船只，操控手基于母船遙控無人船完成測量，一定程度上增加了作業成本和降低了效率。

[參考文獻]

[1] 駱旭佳，王杉杉.內陸水域水下地形測繪在信息化測繪體系建設過程中的新發展[J].大壩與安全，2016（5）：50-52.

[2] 曹民雄，應翰海，申霞.長江南京以下深水航道二期工程礙航水道演變特性及航道治理思路[J].水運工程，2018（2）：1-12.

[3] 李學祥.內河數字航道技術總結與展望[J].測繪與空間地理信息，2017，40（9）：14-19.

[4] 伍莉，彭文.長江航道水下地形三維可視化研究[J].海洋測繪，2008，28（4）：27-29.

[5] 周建紅，馬耀昌，劉世振，等.水陸地形三維一體化測量系統關鍵技術研究[J].人民長江，2017，48（24）：61-65.

[6] 黃國良，徐恒，熊波，等.內河無人航道測量船系統設計[J].水運工程，2016（1）：162-168.

[7] 陳良周，陳麗麗.智能無人測量船在河道水下地形測量中的應用研究[C]//第十九屆華東六省一市測繪學會學術交流會暨2017年海峽兩岸測繪技術交流與學術研討會論文集，2017：337-340.