水上水下一体化测绘技术研究

宋宜明 罗成

上海升海勘察工程有限公司 上海 200137

1 引言

在传统的模式中，要对水上与水下地形进行测绘，一般采用的手段是通过全站仪、GPS-RTK等技术进行测绘，通过点式采集的方式，利用单波束测深仪对海底河底地形地貌的信息进行探测收集。并且在具体执行的过程中，水上水下测绘作业分开单独执行。这种执行方式效率低下。为了进一步提高测绘的效率，国内外的学者和专家对此开展了积极的探索，也因此新的测绘装备和测绘手段相继被发明出来，测绘的效率质量以及安全性都得到了很大的提升[1]。

随着世界范围内测绘业的快速发展，新型的对水底地形地貌进行测绘的多波束测深系统被制造出来。这是一种声呐测深组合设备。相比起传统的单波束测深系，该项技术有了很大的提升。首先是多波束测深系统能够对一个海域进行条带状覆盖扫描测深，避免了传统的单波束测深系统再具体应用中，只能进行单点测深值的局限性，从单波束到多波束的升级，实现了由点到面的巨大跨越。

2 船载激光雷达扫描系统的组成和原理

船载激光雷达扫描系统是一种结合了多科技术制造出的高精度测绘系统，在此之中包括定位技术、姿态传感技术以及激光测距技术。再具体作业当中，首先通过地物对激光信号的反射作用，利用激光雷达扫描的方式，以发射激光脉冲信号的方式完成对观测目标的信息采集和数据分析，获取观测目标在三维空间里的数据信息，在基于这些信息的基础上，通过对点云数据的后处理，最终将这些数据加工成不同的测绘产品[2]。

2.1 扫描方式

在当下的LiDAR系统中，其具体工作是的扫描方式主要有四种，具体如图1所示。

图1 扫描方式图例

摆镜式；这种扫描方式是通过激光发射器发出的光线，光线路径在遇到反射镜后会发生反射，同时周期性的摆动反射镜，通过这种方式控制射出的激光，再具体检测中会在测物体上形成“之”字形扫描。

圆锥镜扫描式；这种扫描方式的控制原理与摆镜式类似，在形式上有所区分。通过中轴作旋转的阵形棱镜形成相应的反射效果，最后扫描时扫描路线会呈现椭圆形。

光学纤维电扫描式；通过机械转动的方式对激光投射进行调整，保证激光准确的投射到光纤上，通过光纤传递整合，最终形成平行扫描。

旋转棱镜式；这种方式依旧是通过利用反射原理，将激光投射到连续旋转的多棱镜上，通过多棱镜表面的反射作用，最终在地面上形成连续的并且相互平行的扫描线。

2.2 激光测距原理

激光测距技术是利用激光反射原理。在其工作中，首先向检测目标发射一序列短暂的脉冲激光束，在遇到物体后会发生反射效应，激光测距单元接收激光脉冲信号，对其反射回来的时间以及相位变化的信息进行分析，最后时限对发射器中心与目标距离的计算。其主要采用的测距方法有以下几种，并且应用时其性能成本也有所差异。具体情况如表1所示[3]。

表1 测距类型性能统计表

通过上表的内容可分析出，在所有的测距技术类型中，脉冲测距除了其造价较高工艺较难外，在测量速度、范围以及抗干扰能力等方面均表现良好，优于其他两种方法。在当下的应用中，该项技术的精度可以达到厘米级。这一精度足以满足相关测绘需求。在具体应用中，激光脉冲在空间里传播也不可避免的会遇到电力线、植被等干扰，造成不同的反射效果，在面对同一束激光脉冲就会被多次反射的情况，就会出现接收机检测出多次回波信的现象发生，进而根据回波信号进行分析，将首次和末次回波进行相减，就能够获取地物的相关信息，这种操作方式能在一定程度上降低数据处理的难度。不同物体对于激光脉冲的反射能力不同，基于这一特点，激光雷达系统可以获取地面目标点反射的激光脉冲的强度信息，并同时对这一信息进行记录。与此同时通过相应的量化方法，对一束激光脉冲全程的能量变化进行分析，进而可以获得全波形数据，这一数据在回收中具体会呈现出连续性能量变化。通过对全波形数据进行分析，能较为直观的对地物进行判断分类，数据的定位精度和密度都能得到很大的提升。其反射的波形变化如图2所示。

图2 多次回波的全波形对比图例

2.3 多波束系统的组成和原理

多波束测深系统是一种组合设备。其作用是对水底地形地貌进行测绘。相比传统的单波束测深系统，这种多波束测深系统能对被测海域进行条带状覆盖扫描测深，相比单波的直线测距形式而言，从单波束到多波束的升级，实现了由线至面的阶段性跨越，这一进步对于海洋测绘具有里程碑的意义。在多波束测深系统当中，其组成部分主要有姿态传感器、收发换能器、声速剖面仪、声呐控制接口、GNSS系统以及数据处理软件等，其组成结构如图3所示。

图3 多波束系统组成结构图

在多波束系统中，最为重要的组成部分是换能器，其功能在于发送和接收波束，是能量形式的转换装置，能将电能和声能之间进行转换。根据换能器设计，换能器基元具备指向性功能。在声波发生重，会通过阵列基元，实现朝向设定方向发射声波。在声波传递过程中遇到障碍物会发生反射，此时接收阵列能对反射信号进行接收，将反射信号采集回收，于此同时，声呐控制接口、处理计算机等会对反射回来的声波信号进行加工处理，这些后台处理软件等部分都算作多波束数据采集处理系统中的组成部分，也是多波束测深系统的甲板单元。在具体作业的环节中，该部分的功能在于同步声呐和各个传感器、导航与定位以及监控设备等[3]。

辅助传感器主要包括：GNSS、声速剖面仪、姿态传感器等。在此之中姿态传感器的功能是为该系统提供三轴加速度以及三轴姿态和相关信息等。GNSS系统主要是提供高精度的定位信息的装置。声音在不同水深中其传播速度有一定的变化，声速剖面的功能是结合水深的变化，修改多波束系统的声速，为后期的数据计算处理提供依据。如图4所示。

图4 多波束系统原理图

多波束系统在进行信号探测时，首先通过系统中的环能器装置，想海底发射扇形声波束。在声波遇到障碍物后会发生反弹，进而形成反射信号。利用换能器接收阵列接收来自海底的反射信号，通过调整基阵，结合声波入社角度，根据其反射时间以及相位等对反射信号进行计算，可以实现对每个波束对应点的水深值进行测算。多波束系统每发射一次就能获得线状的水深数据，通过对这些线状的水深数据进行整合，能直接获得条带状测深数据。在多波束测深系统中，其发生的声波是经过了干涉作用后，具有较强指向性的波束。在每个波束中，其信号组成主要分为三部分，分贝是主叶瓣、背叶瓣和侧叶瓣。声波中携带的能量主要隐藏在主瓣上。为了进一步提高多波束测深系统的测绘效果，保证能量进一步集中，在此可以通过调整侧叶瓣的大小让能量更加集中。如图5所示。

图5 声波形状结构图

3 水上水下一体化数据处理关键技术

在通过多波束技术完成信息采集后，其数据并不是直接能够使用的，需要通过处理关键技术对这些数据进行加工处理，实现格式转换等，这些数据才有更大的价值。在目前对多波束信息进行处理中，其处理方式有很大的区别。在此主要围绕以下几方面，对多波束文件的信息处理技术开展讨论。

3.1 粗差改正

在设备操作使用中，往往会由于人为原因造成操作不当等情况发生，因此造成的误差被称为粗差。在传统的测绘模式当中，数据处理的过程较为复杂，并且有多重条件的限制。为了进一步提高测绘的质量，相关的研究人员相继发展了一些处理粗差的理论和方法。在此之中如荷兰巴尔达教授提出的数据探测法、选权迭代法等处理办法，通过平差计算等方式，最终实现剔除粗差的效果。在多波束数据处理过程中，粗差改正的办法主要是采用人机交互的方式实现。在去除粗差的相关内容中，主要有测量粗差、定位偏差以及姿态数据粗等内容。在进行数据处理中，这些粗差剔除的方式大多是依靠经验，以主观判断的方式去除粗差。在进行勘探检测中，对于反馈的数据中存在跳跃点或异常值的时候，会由数据处理员观察测量点进行删除，通过这种手动删除异常点进行多波束测深数据的粗差剔除。除此之外对测绘的质量造成影响的另一因素是非随机性误差。对于这种误差进行处理时，只需要通过相应的处理软件，通过建模的方式进行改正即可，这一误差也被称为系统误差。

3.2 潮位改正

在采用多波束测深系统进行测绘时，产生的系统误差中潮位误差是主要的速偏差类型。海水受潮汐力作用下，会产生海洋潮汐现象。此时海洋的水体会呈现出周期波动的情况。在铅直方向上，会表现为潮位升降的现象。在水平方向会表现为潮流涨落的现象。在进行海洋测绘是，多波束测绘一般持续数小时甚至数天，因此不可避免的会遭遇到潮汐现象。潮汐现象会带来海水水体的剧烈波动，因此会对多波束测深系统造成非常大的影响，在测量过程中，要针对潮汐影响对数据进行改正，在此主要采用的方式是通过水尺测量得到的潮位数据，或者通过当地验潮站中检测的数据为基准，在完成数据收集在潮汐数据的基础上进行修正。

如图6中的内容所示，Zt表示瞬时潮位高度，Zm表示瞬时水深值，Zr表示基准面的水深，此三者之间的数量关系为：

图6 潮汐修正图解

在一般情况下，测得的潮位数据为固定间隔时间点的潮位数据，因此在进行数据处理是，一般会采用图解法或解析法，通过这种方式获得连续时刻的潮位值。在此之中，图解法即以时间为X轴，瞬时潮位为Y轴。通过曲线的方式，链接瞬时潮位信息点，进而获得一条平滑的曲线，在此基础上可求得所需时刻的潮位改正值。解析法的应用是采用插值的方式进行数据处理，在观测得到的潮位数据为基础，以此作为采样值进行插值，通过这种方式获得更加详细的潮位改正值。在使用插值方法进行处理时，常见的办法有多项式插值、拉格朗日插值等。

除此之外，随着近年来的科技发展，北斗定位技术的日益成熟，精度也在不断的提升，因此“无潮汐改正”的模式逐渐诞生出来。在该模式汇总，主要是通过采用RTK即实时动态差分GPS获得高精度实时高程信息，通过这种方法，直接获得高精度的测深数据，进而优化掉了潮汐改正的过程。但这种办法的实用会受到基站覆盖范围的限制，因此往往只能适用于近海或内河这一部分区域，在进行远海测绘中，其应用效果较差。

4 结束语

总而言之，测绘技术对海洋研究十分重要。随着技术的发展，水上水下一体化测绘技术应运而生，在很大程度上避免了传统测绘技术带来的局限性，并且采实际应用中，其效率以及质量均得到很大的提升。解决了同时对水上和水下地形地貌进行测绘的难题。除此之外，通过结合多波束技术，实现了由点到线的跨越，这一进步在测绘技术的发展史中具有重要意义。本文对当今的水上水下一体化测绘技术进行了分析研究，阐述了其原理以及系统组成结构，并对数据处理的关键技术办法进行了讨论，期望为进一步推进水上水下一体化测绘技术的发展做出贡献，为相关工作人员提供参考价值。