激光扫描测量技术在海事管理中的应用探讨

施翔宇

【摘要】研究激光扫描测量技术在船舶动态监管领域中的应用，探讨如何与海事管理常用手段相结合，表明在海事管理中的巨大应用价值。

【关键词】激光扫描测量；海事管理

1、研究背景

船舶的识别、运行状态监测和异常行为处理始终是海事管理的工作重点之一。近年来随着经济的发展，我国运输船舶的数量显著增加，船舶运行状况的复杂度加大，随之带来的管理要求也不断提高。如何有效地利用现代化的技术手段实现船舶的监测预警已成为提升海事管理当务之急。

目前在海事管理中主要通过人工监管、雷达成像、视频监控、AIS、RFID等技术手段获取船舶动态信息。其中雷达波容易受波浪、建筑物的干扰，采集到的模拟信号无船舶尺寸、类型等船舶物理信息，无法判定船舶装载情况。视频监控技术受光照度和能见度影响较大，在反射阳光的水面或夜晚等特殊场景下无法准确识别船舶特征。AIS监管属于被动式监管，不仅需要船舶安装AIS终端设备，还需要保证终端设备始终开机工作。不同厂商的RFID设备通讯频率和协议标准各不相同，通讯距离越远识别率越低，无法单独判断目标方位。人工监管是目前海事管理的主要方式，通过海事管理人员上船检查，凭借专业技能和工作经验对船舶进行监管。这种方式受人力资源的限制，往往不能对所有过往船舶逐条检查，且这种方式对海事管理人员专业技能要求较高，容易受人的主观判断影响，甚至滋生腐败现象。这种传统的管理方式已经越来越不能适应当前海事管理的需要，它不仅效率低下，更不利于营造公平的海事管理环境，甚至会减低海事管理部门的公信力。激光扫描测量技术为海事管理部门提供了一种高效、精确的科技手段，能够很好地解决上述问题。

2、激光測距和扫描测量技术原理

激光测距技术通过激光发射器发出若干激光脉冲波，当激光脉冲波碰到遮挡物体后反射部分能量，激光接收器收到反射的激光波时，数据处理单元根据发射和接收信号时间差计算出与遮挡物体的距离值。

激光扫描测量技术是在激光测距技术基础上的延伸，它通过激光扫描器连续不停的发射激光脉冲波，激光脉冲波照射到高速旋转的镜面上，并将激光脉冲波向各个方向发射从而形成一个扇形二维平面区域。在扫描器的扫描范围内，扫描器测量出每个测量点的距离，根据此距离信息可以计算出物体某个断面的外型轮廓坐标定位数据。通过移动扫描器和物体的相对位置扫描出物体多个断面，就能够得到物体的整体外形轮廓数据，还可以进一步通过空间建模，将物体3D可视化。

3、激光扫描测量技术在海事管理中的应用难点

尽管激光扫描测量技术具有精度高、非接触等优点，但不同于建筑物等固定测量物体，航行船舶是非匀速运动物体，对它的扫描测量难度非常大，如果不能够准确测量出船舶的航行速度，将会产生较大的测量误差。在对宽阔水域航行船舶进行测量时，测量范围宽达几十米甚至上千米，而激光幕帘范围有限，如果激光反射距离太远也会造成反射激光能量太弱而无法识别或产生较大测量误差。当多船舶交汇于同一激光幕帘时，测量结果的计算就更加复杂。

4、激光扫描测量技术的应用

为了解决上述问题，在桥梁通航孔中心位置安装两组激光扫描测量器，这样就在船舶通航区域形成两道激光幕帘对下方航行船舶进行连续扫描。两道激光幕帘之间有一定夹角，可以根据测量对象的同一部位，准确计算出船舶实时航行速度等信息。再通过一系列计算获得船舶的航向、航速、船长、船宽、船高、干舷等信息。

4.1 与视频监控技术的结合应用

通过在测量点附近安装一个或多个视频摄像机或照相机，将激光器的测量结果为触发信号，联动高清图像设备抓拍现场船舶照片或录取视频。得到的照片或视频可以根据抓拍时间快速进行检索，便于海事管理人员有目的地查找。尽管现有视频监控技术已经可以实现运动物体自动抓拍功能，但是受到水面波纹和杂物等干扰，抓拍准确度不高，容易造成漏拍或误拍。视频监控技术通过与激光扫描测量技术的结合，可以根据测量的船舶位置和船长自动调整焦距和最佳抓拍时间，或根据测量的船舶特征如驾驶室和人员抓拍船舶船名号和驾驶员脸部特征。这些照片、视频和测量数据是涉嫌超载超限船舶违法行为的有力证据。

4.2 与AIS技术的结合应用

AIS的开机率问题一直是海事管理的难题之一，对安装AIS终端并正常运行的船舶监管可以说是非常有效。但部分违章船舶通过关闭AIS终端电源或遮挡天线等方式逃避监管。AIS终端安装不当或故障损坏也会影响海事监管效果。AIS技术通过与激光扫描测量技术的结合，在测量点附近安装AIS信号接收装置，就可以准确判断出被扫描船舶AIS信号是否正常。另一方面，对于接收到AIS信号的被扫描船舶，可以将AIS信号中获得的船名、主尺度等静态信息与测量结果作比较，不仅可以准确识别船舶船名号，还可以大致判定船舶是否有改装、套牌、更改AIS终端识别码等违法违规行为，能够有效杜绝船舶规避海事监管。在对事故船舶逃逸调查、超限船舶闯禁预警等海事管理中激光扫描测量技术能够发挥积极作用。

4.3 与RFID技术的结合应用

RFID技术通过将接收到的射频卡识别码与数据库登记船舶信息比对，能够迅速对船舶进行唯一性识别，但该技术存在无法判断目标方位和运动状况等缺点。激光扫描测量技术最大的不足之处就是无法对船舶做到唯一性识别，因此这两种技术具有很好的互补性。通过将RFID技术取得的船舶识别数据与激光扫描测量数据结合，能够快速准确判断被扫描船舶身份，了解船舶准确方位和运动状态，这对于法规未强制安装AIS终端的小型船舶可以起到很有效的监管作用。

4.4 船舶流量监测应用

船舶流量监测也是海事管理的难题之一，使用激光扫描测量技术对测量点过往船舶的数量进行监测和统计，可以实时掌握航道中船舶的流量数据并自动预警，防止因船舶过多造成碰撞事故或堵航。同时通过对船舶干舷的测量，能够很容易判断出船舶装载情况，若该测量点位于不同地区分界点，只要结合上下行船舶数据，就能够准确了解货物进出某地区情况。这些数据能够用于分析地区水运交通和贸易状况，为经济决策和产业布局调整提供科学依据。

4.5 航道水位监测应用

航道水位受降雨或潮汐影响会发生变化，这种变化会严重影响船舶航行安全，也是海事管理重要工作之一。航道水位过高时，船舶过桥困难，容易造成撞桥事故；航道水位过低时，船舶容易搁浅。激光扫描测量技术能够对水位情况进行实时精确测量，同时能对过往船舶实际最大高度进行测量。通过简单计算，就能够判断该船舶能否通过航道上其他通航高度较低的桥梁和管线，实现提前预警。当测量到水位过低时，能够通过LED显示屏等方式自动提醒过往船舶。

5、在绍兴杭甬运河上的应用实践

5.1 系统组成

2015年绍兴市港航管理局在杭甬运河先进桥建成船舶流量自动化观测系统。该系统基于激光扫描测量技术，由数据采集子系统、数据处理子系统和辅助子系统三个部分组成。其中数据采集子系统包括一组2套激光扫描测量仪和3台摄像机；数据处理子系统包括工控机和软件；辅助子系统包括网络和电源控制系统。先进桥为单孔桥梁，通航孔净高7米、净宽55米，激光扫描测量仪就安装在通航孔正上方。

5.2 工作过程

激光扫描测量仪对正下方的航道进行不间断的激光扫描，采集到的数据通过网络电缆进行传输，高速网卡将激光器采集的数据传送给后端的工控机进行处理。为实现断面和速度数据的实时匹配，工控机需同时处理两路采集的激光数据。工控机对数据进行滤波等数据处理后，根据数据变化率判定是否有船舶经过。若检测到船舶，则实时记录测量到的截面数据，根据多个截面的形状构建船舶的三维尺寸，同时对船舶的流量进行累加统计。

船舶特征辨识是将两组激光器的数据分别转换到直角坐标系中，通过位置坐标来找到同一艘船舶，然后使用数据融合技术对两坐标系数据进行融合。为消除激光器水平误差、水面波浪和杂物对测量结果的影响，需要对数据的倾斜进行校正和平滑处理。通过机器学习结合形态学的相关知识，对因遮挡而未检测到的船舶部位进行重构，以减少测量的误差。

激光扫描测量仪以设定频率扫描桥梁下方航道，根据收到水面的反射信号计算出实时水位。当检测到船舶经过两道激光幕帘时，工控机根据信号触发机制向3台摄像机发送抓拍指令，并将摄像机传输来的图像信息存储到数据库中。

5.3 测试情况

2015年3月23日00：00至2015年3月24日23：59对绍兴市杭甬运河先进大桥观测点数据进行测试。测试确认系统对经过观测点船舶的数量、航向、長和宽、出水高、空重载等特征的24小时不间断测量的准确度。测试期间人工观测共有299艘船舶经过测量点，系统采集到的通过船舶数量为299艘，其中航向错误11艘、空重载错误8艘、抓拍图像错误7艘。

6、结论

激光扫描测量技术是测量领域一次重大创新，它具有远距离、非接触、高效率、高精度的优点，是传统测量方法所无法实现的。它扫描速度快、自动化程度高，在众多领域都具有巨大的应用价值。在海事管理中推广应用激光扫描测量技术能够实现对船舶的自动监管，同时结合视频监控、AIS、RFID等现有海事管理技术，实现对船舶全方位立体监管。它是实现海事管理由经验管理向智能管理转变的重要技术手段。

参考文献：

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