水上水下一体化测绘关键技术研究

邢稳

（华东冶金地质勘查局综合地质大队，安徽 马鞍山243000）

我国地域辽阔、水文资源丰富，因此在当前依旧存在部分胡泊与河流未经过系统性的水域调查。水域调查是我国地理国情监测、数字水利、智慧航道等工作进行的关键内容，需要进行重点展开。当前，为了提升水域调查的效率与效果，普遍使用了水上水下一体化测绘的方法。基于此，探究其中的关键技术具有极高的经济价值与社会价值。

1 水上水下一体化测绘的简述

1.1 测量原理

1.1.1 多传感器集成原理

依托船载刚性稳定平台实现水上水下所有传感器的固联；确定水上水下一体化系统中所有传感器的坐标值；在实时采集软件中输入测定的杆壁值，展开数据提取；完成数据处理后，解算GNSS-IMU 定位定姿数据，导入系统；将数据转化到统一坐标系中，完成水上水下一体化测绘。

1.1.2 数据融合原理

融合水下多传感器测量的数据，进行水下点云数据三维坐标的计算；融合水上多传感器测量的数据，展开水下点云数据三维坐标、全景影像内外方位元素的计算。

1.2 测量系统构成

当前常用的水上水下一体化测量系统主要由多种传感器完成测绘工作，包括激光扫描仪、组合导航系统以及多波束测深仪等等。在水上测绘过程中，一般使用船载水上测量器件（激光扫描仪）完成三维移动测量工作，保证了测量的高速度、高精度以及高分辨率。在水下测绘过程中，普遍应用船载水下测量器件（多波束测深仪）完成测量，确保测量数据（包括图像）的高精度、高分辨率以及高质量[1]。

2 水上水下一体化测绘的关键环节与技术分析

2.1 案例简述

本研究选取了2019 年某水库外扩100 米范围内的部分展开水上水下一体化测绘。在测绘中，使用的数据主要来源于水下多束测深点云、航摄数字线划图、边岸船载三维激光扫描点云等。为了保证测绘结果的科学准确性，在实际的一体化测绘工作中还参考了单波束测深点云、边岸GPS-RTK 人工测量特征点等数据。

2.2 边岸地面点云数据提取技术

在实际的水上水下一体化测绘工作中，三维激光扫描仪片普遍在船只上完成架设，显示出的点云数据主要有地表数据、植被数据、人工对象数据、水面漂点异常点数据、边岸折射点异常点数据等。对于这些数据，特别是异常点数据而言，其不能直接应用于后续处理，必须要在完成激光点云数据的剔点与分类后，落实相应边岸地面点云的提取。

由于TerraScan 软件能够加载数量更多的点云数据，因此本次研究中选用了该软件进行边岸地面点云提取参数的分析。其中，边岸地面点云提取参数的流程如下：依托高水界信息，对超过高程范围的点云数据实施剔除；结合水面点的平均高程数值，对水下折射噪点落实剔除（应进行区分水域的左右岸检查）；绘制剪裁多边形，完成边岸以下水上人工要素影响的剔除，包括浮标、渔网等等；展开地面点提取，并使用Axelsson P 形成不规则的三角格网加密方式；多次建立地表三角网模型，对地表上的点进行分离，并完成提取。

使用参数Max building size 实现初始点的限定，该参数与边岸以上建筑物的最大边长有着相对紧密的联系。通常来说，当某一建筑物的最大边长为20 米，则程序就判定每间隔20 米存在至少一个位于地表的点（地面点）。使用参数Terrain angle 进行所研究区域内地表允许最大坡度的限定，联合参数Iteration distance，能够形成反复参数，完成模型中决定点距离的确定。其中，参数Iteration distance 表示一个点和三角形最近顶点连线与该三角形构成平面的最大夹角数值，该数值越小，意味着云内部起伏变化越小[2]。利用参数Iteration distance，可以实现在地表模型中剔除高度较低的建筑物，取值范围一般控制在0.5-1.5 米的范围内。

将使用上述方法得出的数值与GPS-RTK 人工测量的特征进行对比，在人工测量中，应用的RTK 以及三维激光扫描测量均使用了统一基站的控制点，并引入2000 国家大地坐标系，得出的精度对比结果显示：利用边岸地面点云数据提取技术获得的地面点与参考特点高程差的均值为0.3、均方差为0.2，证实了该技术能够迅速、准确的从海量船载三维激光扫描数据中提取地面点数据。

笔者在实践中发现，边岸地面点云数据提取技术虽然操作简单且具有极高的可行性，但是必须要保证实际数据处理中所有参数设定的准确性；参数值大小的确定需要结合分类数据集中的数据特征实现，基于此，要提前对所有待处理数据的特点进行全面了解。

2.3 空白区处理技术

在现阶段的实践中，水上水下一体化测绘工作一般划分为两部分展开。其中，水上测绘部分由航空摄影以及船载三维激光扫描仪实现；水下测绘部分由；测探仪完成。使用这样的方法，在成图过程中普遍会出现空白区[3]。结合笔者的实践经验发现，这种空白区可以划分成两种类型：第一，由于水域上存在养殖网箱、浅滩而致使测量船只无法到达边岸，以此导致测量盲区的产生。第二，受到时相差的影响而出现水位差（在航摄、水域作业中由于发生水位差而形成数据空缺、重叠），最终造成测量空白区的产生。

对于这种存在于水上与水下衔接处的数据空白区来说，其直接对内业处理精度与效率产生影响，需要重点处理。基于此，本研究主要以绘制等高线操作为例，阐述由于上述两种情况形成空白区的处理。

第一，针对因存在杂物、障碍物而产生的空白区，需要将水下点云数据与船载三维激光扫描数据进行有机结合，并以此生成不规则三角网，实现对空白区的填补。

第二，针对因水位影响而产生的空白区，需要使用如下解决策略：融合船载三维激光扫描数据与陆域、航摄提取的数据；生成不规则三角网填补空白区；但填补中，若发生空白区域过大的现象（对TIN 精度产生影响），应当利用等高线内插的方式完成处理；对于重叠区域，应提前保留陆域数据、删除船载激光数据，并通过人工操作实现衔接处激光点云生成的等高线趋势的处理。

结合这样的处理方法，能够在最短的时间内完成空白区的填补。可以说，上述两种填补方法是水上水下一体化测绘中外业盲区处理的最佳辅助工序。

2.4 水上水下一体化成图技术

结合上文提出的两种技术，结合目前主流的点云处理与绘图软件，笔者构建起了更加适合水上水下一体化测绘成图的技术流程。该技术流程主要可以划分为三个阶段，即有水域点云处理阶段、数字成果生产阶段以及质检阶段。其中，水域点云处理阶段的技术流程如下：结合船载激光点云与水下多波束点云进行数据的预处理，主要完成数据的格式转换、坐标投影转换、高程异常改正以及可用性检查；在处理后的数据中提取边岸地面点云，实施水下折射点、空中点、植被与人工对象点的剔除；落实点云抽稀；完成范围调整后，进行水域要素的绘制，主要进行水下点云数据以及边岸地面的绘制。

实现水域要素绘制后，即可展开数字成果生产阶段的操作，具体技术流程如下：处理空白区，确定网箱、水域高程点、水域等高线；结合陆域线划数据进行要素整合；输出一体化DLG 与元数据，形成等高线、高程点以及其他要素；使用等高线与高程点构建TIN；输出一体化DEM与元数据完成横、纵断面线的绘制，输出一体化断面图与成果表。

质检阶段的技术流程如下：对数字成果生产阶段输出的一体化DLG 与元数据、一体化DEM与元数据、一体化断面图与成果表展开质检，质检不合格返回数据输出前操作，质检合格后形成水上水下一体化数字产品，即有水上水下一体化DLG 与元数据、水上水下一体化DEM与元数据、水上水下一体化断面图与成果表。

结束语

综上所述，本研究提出了点云处理以及空白区填补的方式，结合TerraScan 软件形成了边岸地面点云数据提取技术以及空白区处理技术。同时，更新了等高线的修测方式，生成了水上水下一体化测绘内业生产的技术流程，保证了测绘工作的标准化与系统化，提升了测绘结果的准确性与可靠性。