水上水下一体化测量设备应用分析

张则飞 蒋婵娟

(1.浙江兴海科技有限公司，浙江 杭州 310007； 2.浙江省海洋技术中心，浙江 杭州 310007)

水上水下一体化测量设备应用分析

张则飞1蒋婵娟2

(1.浙江兴海科技有限公司，浙江 杭州 310007； 2.浙江省海洋技术中心，浙江 杭州 310007)

为丰富海岸带测量方式，提升海岸数据获取效率与质量,解决海岸带测量同步性差、数据精度不高、信息采集困难等问题，通过分析当前主流测量方式，对比其优缺点，推出水上水下一体化测量设备，并以典型应用为实例，简述了设备组装、数据采集、数据处理、三维建模等过程的应用策略，论证了其效果和精度，对海岸带测量具有重要意义。

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0 引言

我国提出建设海洋强国的梦想，随着“一带一路”发展理念的提出，海洋在经济建设中的地位显著提升。随着《海洋环境保护法》《海域使用管理法》和《海岛保护法》等一系列法律法规的贯彻实施，海洋综合管理科学化、精细化、规范化、信息化、透明化的要求越来越高。因此，全面掌握海岸带基本情况，分析其现状及变化趋势，有利于进一步加强科学决策，提高海洋综合管控能力。

海岸带是指海洋和陆地相互作用的地带，即由海洋向陆地的过渡地带，包括受海水潮汐涨落影响的潮间带及其两侧一定范围的陆地和浅海。海岸带处于海洋和陆地的交界地带，在实现海岸与海洋资源可持续开发和利用中扮演着重要作用。近年来，海洋开发活动日益增多，围海、填海、港口等人类开发活动，造成海岸带变化频繁，准确、快速监测海岸带的范围及动态，对加强海岸带综合管理，实现海岸带可持续开发，具有非常重要的意义。传统意义上的海岸带测量主要分为水上和水下地形测量两个方面，水上地形测量主要依托遥感测量的方式进行，借助GPS，RTK，进行岸线测量、堤岸测量等，水下地形测量主要依靠水深测量方式完成，利用单波束水深测量、多波束水深测量等仪器完成，这种水上、水下分开的测量方式带来了很多问题，如基准不统一、效率不高、仪器操作复杂等[1]。因此，研发水上水下一体化测量系统，对提高测量效率、统一测量基准、提高测量精度有重要意义。本文对海岸带测量应用方法进行分析比较，推出水上水下一体化测量设备。

1 海岸带测量现状

目前，海岸带测量主要有基于遥感影像分析、低空摄影测量、机载激光雷达、水上水下一体化设备监测等。其中各种监测方式具有各自的优劣势，具体分析如下。

1.1 基于遥感影像的海岸带测量

优点：遥感是一种不直接接触物体，却能获取物体数据的一种手段，具有强大的数据获取、分析、处理能力，由于其观测范围大，可以在短时间内对同一地区进行探测，实现海岸带的动态监测[2]。

缺点：由于可见光遥感对光线、云层要求较高，需要选择特定时间窗口并且需要在卫星经过待测区域上空时才可以实现数据采集，数据的时效性比较滞后。此外，由于获取不同时间段的海岸带数据需要频繁采购较高分辨率的卫星影像，会造成数据采购成本偏高。由于是自上而下获取正射影像，对于起伏较大的海岛、海岸数据获取效果较差。

1.2 基于低空摄影测量的海岸带测量

优点：低空摄影测量，采用无人机方式进行拍摄，拍摄投入成本相对低廉一些，能快速对目标区域进行反应以及获取高质量数据，由于低空遥感因为拍摄时处于云层下面，所以基本不受天气条件限制，可以快速的获取作业区域的高分辨率影像数据。

缺点：

1)低空遥感受天气限制较大，海边多雾、多风，可作业时间较短。

2)低空遥感应用的是无人机，这种飞机保养价格便宜，但是对操作人员的要求很高，无人机失事率也相对较高，受到飞行信号以及航线空中垃圾影响，很容易在项目实施过程中失去信号或者丢失等。

3)无人机飞行高度较低，所以很容易受对流、乱流层或者空中风力影响，数据质量拍摄不稳定，会有模糊不清等现象出现，项目拍摄返工率比较高。

4)数据处理价格相对较高。因为低空遥感定位精度不足，多数需要在后期内业处理中采用大量的工作量进行数据处理工作，工作比较繁琐并且数据必须经过正射才能够进行使用，不然误差极大。

1.3 基于机载激光雷达的海岸带测量

优点：机载激光雷达也是遥感技术的一种，它集成了GPS，IMU，激光扫描仪，数码相机等光谱成像设备。其中主动传感系统(激光扫描仪)利用返回的脉冲可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像技术可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过综合处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果。激光雷达技术在各个方面迅速发展，相对于其他遥感技术，激光雷达技术是遥感技术领域的一场革命[4]。

缺点：

1)大型机载激光雷达价格较贵，一般在千万级别，由于其重量较大，作业时一般需要有人机或者大型无人机搭载，作业成本极高。

2)由于机载激光雷达作业的特殊性，机载平台工作时需要提前申请空域，流程与手续均比较复杂。

3)由于软件均为进口，并且多为第三方开发，售后服务及应用相对难以开展。

2 水上水下一体化测量设备简介

水上水下一体化采集技术是近两年刚开始应用的新型技术，是目前进行海岸带监测数据来源最广泛、效率最高、精度最高的解决方案。

2.1 系统组成

水上水下一体化系统组成部分包括：三维激光扫描子系统、影像采集子系统、导航定位定姿定向子系统、集成控制与数据采集子系统、数据处理与应用子系统等组成。

1)三维激光扫描子系统：由1台高精度三维激光扫描测量设备和数据采集系统组成，可提供高精度、高密度、可量测的点云数据。

2)全景采集子系统：利用4台高清晰数码相机、采集控制与相应的数据采集软件，为系统提供360°高清晰全景影像数据。

3)导航定位定姿定向子系统：由GPS，IMU等设备与相应的数据采集软件组成，为三维激光扫描系统和全景相机提供精确位置信息与姿态信息。系统组成部分包括：三维激光扫描子系统、影像采集子系统、导航定位定姿定向子系统、集成控制与数据采集子系统、数据处理与应用子系统等组成。

4)集成控制与数据采集子系统：由计算机、同步控制器与电源组成，同步控制器为系统提供统一的时间基准，各数据采集软件安装在嵌入式机上，电源为各个设备供电。

5)数据处理与应用子系统：主要由各种软件组成，为系统提供激光点云数据处理、影像拼接及内外方位参数检校、影像与点云配准融合、集成影像激光点云数据的地形测图、航道街景发布等应用服务。

2.2 工作原理

系统可以同时采集带大地坐标的海岸带、岛礁高密度点云数据、水底地形数据，以及沿岸地带的全景影像。这些精准的数据可以用于海岛、海岸线、植被、潮间带的监测。随着GIS技术的发展，实景与高精度、高密度测绘数据相结合，可以基于GIS平台生产出大比例尺地形图、等高线图、全景影像、水岸线、符号库等多种数据成果，直接应用。水上水下一体化测量设备可以安装在车、船等载体上，方便快捷，采用激光作为主动光源，设备作业时可以不受外界干扰24 h作业，成为目前海岸带监测的主流技术。

3 水上水下一体化测量设备优势分析

水上水下一体化测量设备相比其他测量方式有其特有的优势，主要体现在：

1)一体化设备集成。

主要是将各个不同采样频率的硬件设备时间坐标统一，对于GPS、惯导系统、三维激光扫描仪、全景相机等不同采样率的硬件，需要精准的控制并获取数据，否则数据精度太差或者无法完成采集。

2)无需标定。

不同零部件的集成需要精确的标定技术，中海达的设备将所有的硬件封装于刚性结构中，经过出厂标定后，无需使用单位进行现场标定或校准，大大降低了使用难度。

3)软硬件一体化。

由于该系统采购的数据量极大，必须结合专业的后续处理软件才能应用，中海达提供数据采集、数据处理、点云建模、全景展示、后续开发接口等一系列软件。

4)后期数据处理成熟。

在海岛、海岸线、植被、潮间带等数据复杂的情况下，有成熟的数据处理系统，监测数据可直接应用于生产和管理。

4 岛礁测量应用实例

水上水下一体化测量是最近两年新推出的技术，由于国内外起步时间相差不多，目前国内在水上水下一体化测量技术的应用走在了国际前沿。下面以中海达公司生产的水上水下一体化设备HD iScan应用为例，对水上水下一体化测量应用进行分析。

4.1 点云与全景数据

全景配准后的iScan-M工程数据，可以基于全景影像进行地物量测，方便直观判读地物要素及地物类别属性识别。

4.2 大比例尺测图成果

通过iScan-M配套的内业测图软件可以加载浏览海量点云和全景数据，基于点云和全景加工采集地形要素，生产地形图成果数据。

5 结语

相对于空天地测量而言，在水域测量方面比较薄弱，特别是针对海洋管理和开发、港口的建设、航道疏浚和水库的监测等应用领域。因此，加强和提升海洋、河道、湖泊等水域测量技术，为海洋、湖泊、水利等综合管理服务，提高数字测量技术在海洋、湖泊、河流、水库等区域的应用，是对传统测量体系的有效补充。本文提出的水上水下一体化测量设备，是针对目前水体测量缺乏有效采集设备和技术解决方案的现状提出的，集中利用多传感器集成、同步控制、多源数据处理和水上水下可视化应用等技术[5]，为数字水利、智能航道、全景海洋、三维海岛等提供基础数据、应用系统和管理决策支持。

[1] 余建伟，张攀攀，翁国康，等.中海达iScan-P便携式移动三维激光测量系统概述[J].测绘通报，2015(3)：140-141.

[2] 杜丽萍，柏 岩，王树英.基于遥感影像的海岸线提取方法研究[J].山东林业科技，2009(8):92-93.

[3] 冯 梅.基于LIDAR和航空影像的三维建模方法探讨[J].测绘通报，2011(12):114-115.

[4] 杜国庆，史照良，龚越新，等.LIDAR技术在江苏沿海滩涂测绘中的应用[J].城市勘测，2007(10):67-68.

[5] 张智勇.全景移动测量系统及其应用前景展望[J].测绘通报，2014(3):66-67.

The integration of measuring equipment used analysis in upwater and underwater

Zhang Zefei1Jiang Chanjuan2

(1.ZhejiangXinghaiTechnologyCo.，Ltd,Hangzhou310007,China;2.ZhejiangProvinceOceanTechnologyCenter,Hangzhou310007,China)

In order to rich coastal zone measurement mode, enhance the quality and efficiency of marine data acquisition, solve the problem of the coastal zone, the data synchronization of measurement accuracy is not high, the difficulty to collect information, through the analysis of the current mainstream survey method, compare their advantages and disadvantages, the introduction of integrated measurement equipment of upwater and underwater, and the typical application as an example, application of assembly equipment, data acquisition, data processing, 3D modeling process, to demonstrate the efficiency and accuracy, has the vital significance to the coastal zone measurement.

upwater and underwater, integration, coastal zone, measuring

2015-06-29

张则飞(1983- )，男，硕士，工程师； 蒋婵娟(1979- )，女，硕士，工程师

1009-6825(2015)25-0210-02

TH761

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