船载移动测量在水库地形测绘中的应用探析

船载移动测量在水库地形测绘中的应用探析

发表时间：2018-11-16T20:31:30.247Z 来源：《基层建设》2018年第26期作者：许婷婷[导读] 摘要：船载移动测量系统具有高精度、高效率等特点，能较好地推广到水库地形的测量应用中。河北大地数字信息技术有限公司河北保定市 071000

摘要：船载移动测量系统具有高精度、高效率等特点，能较好地推广到水库地形的测量应用中。本文提出基于VSur-W的船载移动测量方案，通过具体工程案例和精度评定实验对该系统的适用性进行了分析。关键词：船载移动测量系统；水库地形测绘；精度分析

船载移动测量系统可集成多波束测深模块，，除能获取激光点云和全景影像外，还能获取水下地形数据，通过系统配备的数据加工处理、海量数据管理和应用服务软件，从而为用户提供快速、机动、灵活的水上水下一体化三维移动测量解决方案。 1VSurs-W在水库地形测量的适用性简介

1.1系统组成和工作原理

1）一体化数据采集系统由GNSS双天线头、工业相机、激光扫描仪、GNSS接收机、组合导航系统、工业电脑、多波束测深系统、同步板等设备高度集成，并通过刚性结构与测量船固连在一起，用于水上扫描范围的影像数据、水上地形地貌的激光点云、水下地形地貌的测深点云、时间同步数据等同步采集。

2）数据预处理系统由组合导航定位定姿数据处理、工业相机影像解析处理、测深数据的解析处理，以及多源数据融合软件组成，用于对数据的解析、处理、融合和点云数据的生成。

3）点云处理系统可实现点云时空融合，点云与影像融合，点云的编辑、滤波、管理、格式转换、坐标系统转换等功能。 4）地形图成图系统可实现点云数据中特征点、线、面的自动或半自动精细提取，地形、各类地物的符号化表达、绘制。

1.2技术适用性

1）多传感器稳定平台的设计。在水库动态环境下，为保证测绘成果的精度，多传感器平台的稳定程度至关重要。该系统依照稳定性、平台减震、模块化设计原则，研制了稳定性良好、方便拆卸的刚性稳定平台，并配套为平台设计的测量船。 2）多传感器实时同步数据采集。水上水下一体化需保证地面激光点云、水下测深点云、相机影像数据、定姿定位数据的同步采集。系统采用软硬件结合的方法：定义单传感器的坐标系统，通过坐标转换模型，实现系统空间配准；结合各传感器内部时间同步机制，设计同步时间控制器，为系统提供时间同步信号，实现了时间配准。

3）双天线GNSS方位参考系统技术。系统采用双天线GNSS测姿同惯导进行组合，将GNSS双天线解算提供的姿态数据作为惯导初始对准的辅助观测信息，通过滤波器进行精对准，提高了系统可观测性，进一步提高了初始对准的准确性和快速性，解决了船载测量初始对准场地选择困难的难题。

4）多波束换能器安装角度可调技术。针对水上水下点云拼接处存在空白的问题，设计了多波束换能器安装角度可调方法，使多波束扫测方向倾向船的右侧，这样在保证靠近岸边水上地物地貌在船行进方向右侧的情况下，实现水上水下点云无缝拼接。 2工程案例

2.1工程概况

测区为某大型水库枢纽工程，水库控流面积达441 km2，总库容为1.38亿m3，为年调节水库。该水库地物复杂，主要有主坝、副坝、溢洪道、放水洞、发电站等。水库呈南北走向，水岸曲折，区内河床宽约200m，南半部平均水深约4m，北半部平均水深约1.5m，水深较深的地方集中在水库中心轴上，而水岸处水深较浅，尤其东北方向1km2平均水深只有0.5m，水岸坡度范围15°-60°。

2.2测绘方案

根据水岸交接处水深较浅的问题，采用的解决方案为多波束换能器角度调整为60°，沿岸线布设间隔10m的两条测线。水深水域多波束换能器角度调整为90°，根据水岸的具体走向特点，布设呈西南-东北走向的测线，测线根据水深顾及测线旁向重叠度间隔为10m。外业采集前，采用距离水库大坝500m的一个保存完好控制点作为外业基站的架设处。

2.3系统作业技术流程

1）外业采集。①基站架设。选择测量航道中已知控制点作为基站架设点，采用纯静态模式采集，为设备提供后差分处理的静态数据，通常采集时间间隔为1s，截止高度角为10°，水库扫描工程需对每天的采集情况进行记录。②IMU对齐。设备开机后，首先让船体进行高动态运动，进行IMU对齐，由于船只行驶的轨迹速度方向及GPS信号状态会对IMU的收敛有所影响，IMU在进行动态对齐时应按直线8字形及圆形的轨迹进行收敛，这种行驶轨迹下的收敛速度最快。③数据采集。船载移动测量系统需设置的参数主要包括激光器参数和全景相机参数，为保证点云精度符合航道测量需求，按水库测量依据规范，激光设备参数选择测距为950m，垂直分辨率为0.05°，限制船速为7节，可保证垂直和水平方向的点间距在15cm。另外，全景相机拍摄的参数按6s/张进行拍照，拍照间距约为21m。④数据拷贝存储。完成数据采集后，分别拷贝POS轨迹数据、激光原始数据、影像数据和基站数据，便于后续数据融合解算。

2.4成果制作

VSurs-W船载移动测量系统勘测水库的成果丰富，主要有水上水下一体化三维点云、水上水下一体化等高线图、水上影像和水下声呐影像仪等高技术产品。

2.5精度评定与分析

水上点云精度评定与分析：选择水库开阔水域作为检校场，岸上距船20-80m不等，沿岸线1km布设特制靶标，系统进行扫描，靶标点云中心坐标通过强度模式进行读取。Leica TPS2000全站仪实测靶标中心坐标，采用公式（1）分别计算两次中心坐标X、Y、Z坐标方向的差值；公式（2）计算中误差。

Δx＝X-χ，Δy＝Y-y，Δz＝Z-z（1）

式中，X、Y、Z为点云中心坐标，x、y、z为全站仪所测坐标。

（2）

式中，Δ为点云量测坐标与全站仪实测坐标相减得到测差值，n为有效数。

靶标中心点坐标读取误差偏大，计算可得，X方向的中误差为0.141，Y方向的中误差为0.143，Z方向的中误差为0.186。根据大比例尺数字测图成果精度执行《GB14912-2005 1：500 1：1000 1：2000外业数字测图技术规程》，满足1：2000数字测图精度要求。

水下点云精度评定与分析：水下多波束测深成果的评定与分析采用布设和主测线相交的几条检查测线，用公式（3）计算重合点差值，用公式（4）计算重合点标准差，并统计各误差段的比例。该方法可评估水下测深系统各传感器安装、校准、水位改正、声速改正等因素对水深测量精度的总体影响。结果表明：此次水下测深的检查线和主测线的测深值偏差小于0.1m的为89％，小于0.2m的为98％，小于0.4m的为100％，满足《水运工程测量规范》规范的要求。

式中，hz为主测线水深，hj为检查线水深。

查看水上水下一体化点云，统计水岸线无缝拼接处的地形，结果表明：水岸坡度小于30°的情况下水岸交接处存在空白区域，水岸线坡度大于30°的情况下水岸交接处基本上达到无缝拼接。在无缝拼接的点云中选择渔船停靠码头的防撞胶垫，在扫测点云中找到其对应的点云，并单独对防撞胶垫水下平面进行拟合、水下左边缘进行直线拟合。通过计算水上点云到水下拟合面的距离和标准差结果表明：此次水上点云到拟合面的距离偏差小于0.001m的为93％，小于0.002m的为98％，小于0.003m的为100％。

结语

移动测量技术是目前测绘界较为前沿的科技之一，它结合了激光扫描技术和多波束测深技术，可在时空统一的基础上快速高效地获取水上水下精细化地形地貌数据，可为水库精细化管理和运营提供解决方案。

参考文献：

[1]邵振峰.从数字地球到智慧地球[J].大学学报，2015.