基于激光掃描的航道水深快速測量技術研究

莊振祿

（廣州市四維城科信息工程有限公司，廣東 廣州 510000）

航道水深是指在水路交通中，為保障船只安全行駛所需的水深。航道水深的測量是水運事業(yè)發(fā)展的基礎和保證，對于確保船只通航安全、提高航行效率和保護船舶及海洋環(huán)境等方面具有重要作用。過去的航道水深測量方式主要依賴人工測量和單點測量儀器，但這些方式存在測量效率低、測量精度不高、數(shù)據(jù)量少等缺點。因此，尋求一種高效、精確的航道水深測量方法已成為當今水路交通事業(yè)發(fā)展的重要課題之一。基于激光掃描的航道水深快速測量技術具有高效、精確、可靠等優(yōu)點，能夠有效解決傳統(tǒng)測量方法的缺陷，該技術可以快速獲取航道水深信息，并且測量結(jié)果精度高、數(shù)據(jù)量大，具有良好的可靠性和實用性。這種技術可以在實際應用中對航道水深進行高效、準確地測量，為航運業(yè)提供更加安全、快捷、高效的服務，提高整個水路交通的運輸效益和質(zhì)量。

1 相關技術原理

1.1 激光掃描原理

激光掃描技術是利用激光束在空間內(nèi)掃描物體并記錄其反射回來的信號來獲取物體表面形狀和位置信息的一種測量技術。其原理基于激光器發(fā)射激光束，經(jīng)過光路系統(tǒng)的聚焦和反射后照射到被測物體表面上，被測物體表面反射的光信號經(jīng)過接收器接收并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號處理后，可得到物體表面點的坐標和反射強度信息。激光掃描技術具有高精度、高速度、高分辨率等優(yōu)點，常用于三維測量、工業(yè)設計和制造、文化遺產(chǎn)保護等領域。同時，其也面臨如光強衰減、反射信號受雜散光影響、測量距離受限等問題。在航道水深快速測量中，激光掃描技術通過高速的激光掃描設備，可以快速掃描并記錄航道表面的水深信息。通過數(shù)據(jù)采集和處理技術，將水深測量結(jié)果進行處理，可得到高精度的航道水深信息，具有快速、準確、高效的特點。

1.2 航道水深測量原理

航道水深測量是航道管理和水運安全的重要組成部分。目前，航道水深測量的主要方法包括單波束測深、多波束測深等（如圖1 所示）。這些方法在實際應用中存在一定的局限性，例如，單波束測深范圍窄、效率低、精度低，多波束測深成本高、對水下地形反應不夠精細。為了克服這些缺陷，研究人員提出了基于激光掃描的航道水深測量技術。該技術通過使用激光掃描儀，可以實現(xiàn)對水面上每個點的測量，有效地解決了傳統(tǒng)方法存在的測量范圍窄、數(shù)據(jù)不足等問題。

圖1 單波束聲波脈沖測量方式和多波束聲波脈沖測量方式對比

1.3 基于激光掃描的航道水深測量技術原理

基于激光掃描的航道水深測量技術原理是，通過激光掃描設備對水體進行高精度掃描，獲取水深數(shù)據(jù)并計算出航道水深的一種技術。具體來說，該技術原理是通過激光掃描儀將激光束發(fā)射到水體上，激光束經(jīng)過反射后返回掃描儀，并由掃描儀接收到反射信號，進而計算出水體表面及水底的距離和高程信息。通過采集多個位置處的水深數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)等技術，可以構(gòu)建出航道水深圖，并對航道水深進行分析和預測。激光掃描測量水深的原理較為復雜，可以簡單地描述，如圖2所示。

圖2 激光掃描測量水深原理圖

激光先到達水面時會反射一部分回波（藍色虛線所示），到達水下時又會反射回波（綠色實線所示），通過測量兩次激光回波的時間差（t2-t1）=△t，乘速度得到傳播的距離S。假設激光入射角為θ，折射角為φ，海水折射率定義為n，海水深度為D。那么可得到水深D：

僅僅獲得一個深度是不夠的，還需要獲得被測物體的三維坐標，因此由GNSS、IMU 測得飛機的三維坐標，加上深度值D 就可以獲取我們水底的三維坐標了。激光水深的誤差源從以上公式以及考慮海浪和潮汐等影響來看，主要的誤差有回波時間測量誤差、折射率誤差、入射角測量誤差、海浪測量誤差、潮汐測量誤差，最后，在水深測量時，還需要考慮海浪和潮汐影響因素。

該技術的優(yōu)勢在于具有高精度、高效率、非接觸性和安全性等特點。與傳統(tǒng)的水深測量方法相比，基于激光掃描的航道水深測量技術可以大大提高測量效率和精度，減少人力和物力成本，同時還可以避免傳統(tǒng)方法可能存在的危險因素。因此，該技術將會被廣泛應用于航道測量、水文監(jiān)測、水利工程和海洋科學等領域。然而，該技術也存在一些缺點，例如，在強光下會受到干擾，同時需要考慮水體的透明度和水面波動等因素。因此，在實際應用中，需要進行充分的技術優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理，以提高技術的可靠性和實用性。

2 關鍵技術和方法

2.1 激光掃描設備的選型和參數(shù)設置

激光掃描設備是基于激光測距原理的測量設備，是實現(xiàn)基于激光掃描的航道水深快速測量技術的關鍵。在選型和參數(shù)設置方面，需要根據(jù)實際測量需求和場地情況，綜合考慮以下因素。

首先，是激光掃描儀的型號選擇，需要根據(jù)測量范圍和精度要求進行選擇。目前，比較知名的有RIEGL VQ-880GH、RIEGL BDF-1 等。一般情況下，航道水深測量所需的掃描范圍較大，因此需要選擇具有廣角掃描功能的激光掃描儀。同時，為了保證測量精度，還需要選擇具有較高分辨率的儀器。其次，是激光掃描儀的參數(shù)設置，包括激光發(fā)射頻率、激光功率、掃描速度等。激光發(fā)射頻率的選擇需要根據(jù)航道水深的測量范圍和精度要求進行選擇，一般情況下，選擇高頻率可以提高測量精度；激光功率需要根據(jù)測量距離和反射率進行調(diào)整，以保證接收到足夠的反射信號；掃描速度的選擇需要平衡測量精度和測量效率之間的關系，一般情況下，選擇適中的掃描速度。最后，需要考慮激光掃描儀的安裝和校準問題，包括激光掃描儀與測量船之間的安裝方式和安裝位置、儀器坐標系的確定以及校準參數(shù)的設置等，正確的安裝和校準能夠保證測量的精度和可靠性。

綜上所述，激光掃描設備的選型和參數(shù)設置是實現(xiàn)基于激光掃描的航道水深測量技術的重要步驟，需要綜合考慮多種因素，以保證測量精度和可靠性。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理方法

在基于激光掃描的航道水深快速測量技術中，數(shù)據(jù)采集與處理是非常關鍵的環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集一般使用激光掃描儀進行，通過掃描航道表面，采集點云數(shù)據(jù)。采集的點云數(shù)據(jù)需要進行濾波和校正，以減少數(shù)據(jù)噪聲和誤差，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。濾波算法一般包括高斯濾波、均值濾波、中值濾波等。其中，高斯濾波能夠有效濾除噪聲，但會造成數(shù)據(jù)平滑化，損失一些細節(jié)信息；均值濾波能夠較好地平衡濾波效果和數(shù)據(jù)細節(jié)，是較為常用的濾波算法之一；中值濾波能夠有效去除噪聲同時保留數(shù)據(jù)細節(jié)，但在處理較大點云數(shù)據(jù)時效率較低。因此，不同的濾波算法需要根據(jù)實際情況選擇合適的方法。

在數(shù)據(jù)處理方面，需要進行點云數(shù)據(jù)處理和水深計算。點云數(shù)據(jù)處理包括點云配準和拼接等。點云配準是指將多個采集的點云數(shù)據(jù)進行對齊，以減少點云數(shù)據(jù)的重復和遺漏，提高數(shù)據(jù)準確度。點云拼接是指將配準后的點云數(shù)據(jù)拼接成一整個點云，用于后續(xù)水深計算。水深計算需要根據(jù)點云數(shù)據(jù)的密度和距離等參數(shù)進行處理，一般采用插值算法進行處理。插值算法能夠根據(jù)測量數(shù)據(jù)快速生成水深模型，同時提高數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。常用的插值算法包括三角剖分法、反距離權(quán)重法、克里金插值法等。不同的插值算法需要根據(jù)實際應用情況進行選擇。因此，數(shù)據(jù)采集與處理是基于激光掃描的航道水深快速測量技術中不可缺少的環(huán)節(jié)。采集的點云數(shù)據(jù)需要進行濾波和校正，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量；數(shù)據(jù)處理需要進行點云配準、拼接和水深計算，以獲取水深模型。合理選擇濾波算法和插值算法，能夠有效提高數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。

2.3 水深計算方法

在基于激光掃描的航道水深快速測量技術中，水深計算是一個非常重要的步驟，其準確性直接影響著整個技術的測量精度和實際應用效果。因此，本文對水深計算方法進行了深入的分析。

水深計算方法主要涉及三個方面的因素，即激光掃描儀測量數(shù)據(jù)、水位高程數(shù)據(jù)以及相應的校正因子。首先，激光掃描儀能夠獲取到水面及水底各點的距離信息，通過將其減去水位高程數(shù)據(jù)，就可以得到每個點的水深。其次，水位高程的測量也是非常重要的，可以通過全球定位系統(tǒng)(GPS)、水位計等儀器進行測量。最后，由于激光掃描儀測量時受到多種因素的影響，如大氣折射、儀器偏差等，因此需要進行校正。校正因子可以通過與現(xiàn)場實際測量的水深數(shù)據(jù)進行比對，從而得到。

在具體的計算方法上，通常采用的是均方根誤差(RMS)最小化的方法。具體地，首先，通過獲取的激光掃描數(shù)據(jù)和水位高程數(shù)據(jù)，建立三維坐標系，然后根據(jù)校正因子進行數(shù)據(jù)校正；其次，利用插值方法將離散的數(shù)據(jù)點插值成一定間隔的等間距點；最后，計算每個等間距點的水深，并采用RMS 最小化的方法對計算結(jié)果進行優(yōu)化。該方法可以克服由于船舶行駛不規(guī)則帶來的數(shù)據(jù)缺失和偏差等問題，從而提高了水深的計算精度。

需要注意的是，水深計算方法的準確性不僅受到各個因素的影響，還受到水體本身的復雜性的影響，如水流速度、水深變化等。因此，在實際應用中，需要根據(jù)不同的環(huán)境和需求，進行合理的數(shù)據(jù)處理和算法優(yōu)化，以保證計算結(jié)果的準確性和穩(wěn)定性。水深計算方法是基于激光掃描的航道水深快速測量技術中的關鍵環(huán)節(jié)之一。通過對各個因素的分析和優(yōu)化，可以提高計算精度和穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)更加準確和實用的水深測量結(jié)果。

3 應用前景和推廣價值

基于激光掃描的航道水深快速測量技術是一種新興的水深測量方法，具有高效、高精度、實時監(jiān)測等優(yōu)勢，并且具有廣泛的應用前景和推廣價值，將會成為未來水深測量領域的重要發(fā)展方向。

首先，該技術具有較強的實用性。適用于海洋測繪、航道管理、港口建設等領域，相比傳統(tǒng)的水深測量方法，該技術無須直接接觸水面，可以實現(xiàn)通航狀態(tài)下快速、準確地獲取水深數(shù)據(jù)，且測量精度高，適用于不同類型的航道測量，大幅度提高了水深測量的效率，減少了人工測量的時間成本。其次，該技術具有高精度的優(yōu)勢。通過激光掃描設備進行高精度的掃描和數(shù)據(jù)采集，可以實現(xiàn)對航道水深的高精度測量和計算，該技術可以有效地避免傳統(tǒng)測量方法中存在的誤差和漏測等問題，提高了水深測量的精度和可靠性。此外，還可以實現(xiàn)對深度變化的實時監(jiān)測，通過實時監(jiān)測航道水深的變化情況，可以及時發(fā)現(xiàn)淤積、沖淤等問題，為航道維護和管理提供有力的技術支持。最后，該技術還具有廣泛的應用前景。除了航道水深測量外，該技術還可以應用于水利、海洋等領域，如對港口、船舶碼頭、海岸線等進行快速高精度的測量和監(jiān)測，為各領域的工作提供有力的支撐。

4 結(jié)語

本文研究了基于激光掃描的航道水深快速測量技術，充分闡述了該技術的基本原理、關鍵技術和方法，詳細介紹了激光掃描設備的選型和參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集與處理方法以及水深計算方法等方面的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)該技術在航道水深測量方面具有高精度、高效率、高自動化等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對航道水深的快速、準確測量，并且具有廣泛的應用前景和推廣價值。然而，也意識到該技術存在一些局限性，需要不斷地改進和優(yōu)化相關技術和方法，未來，將繼續(xù)深入研究該技術，在實踐中不斷探索、改進和優(yōu)化，以實現(xiàn)對航道水深測量更加準確、快速、高效的要求。