邓神宝;沈清华;王小刚
【摘 要】为快速、准确地同步采集陆地及水下三维点云,构建船载激光三维扫描系统,集成三维激光扫描仪、多波束测深仪和光纤罗经等设备,介绍系统组成及其工作原理,总结了系统的关键技术,应用于北江某河段三维一体化测量,获得了精细的陆地水下一体化点云模型,与常规测量进行对比并统计了数据精度.结果表明,船载激光三维扫描成果精度满足规范要求. 山药种植开沟机【期刊名称】《人民珠江》
【年(卷),期】2016(037)010
【总页数】4页(P23-26)
【关键词】船载激光;三维扫描;一体化点云;校准
【作 者】邓神宝;沈清华;王小刚
【作者单位】中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州510610;中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州510610;中水珠江规划勘测设计有限公司,广东 广州510610
【正文语种】中 文
【中图分类】P2
河道地形测量、海岸线测绘、岛礁测绘和港口测量等工程，常需获得陆地、水下一体化的地形成果，而且成果要求越来越趋向于三维立体化[1-3]。对于以上工程需求，常规测量采取陆地、水下分开作业的方式，陆地使用GPS-RTK或全站仪，水下部分结合RTK和单波束回声测深仪采集数据。传统测量方法，不但劳动强度大、工作效率低、风险高，而且数据成果单一，无法满足日益增加的三维应用需求。近年来，三维激光扫描仪、多波束测深仪等设备的应用日趋成熟[4-7]，两者均可快速获取高精度的三维点云，将两者集成在测量船上，结合测量级光纤罗经记录的运动姿态数据，组成船载激光三维扫描系统，可实现陆地水下三维一体化测量，提高工作效率的同时，也为数字水利、建筑信息模型(BIM)等应用提供技术支持。已有的船载激光扫描研究，部分应用只实现了陆地三维扫描[8-9]，水下作业仍采用单波束声呐测深仪[10]，并未同步实现陆地水下三维一体化测量。研究船载激光三
维扫描系统的构建原理及其关键技术，应用于北江干流某河段，获得了一体化的三维点云模型及地形图，并统计了成果精度。
船载激光三维扫描系统的组成部件较多，系统组件可概括为三部分：①空间数据采集设备，用于获取水陆一体化点云模型及空间定位，包括RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪、R2Sonic 2022多波束测深仪、以及GPS接收机；②辅助设备，主要用于采集姿态、声速等改正数据，包括iXSEA OCTANS光纤罗经、AML声速剖面仪以及计算机等，主要设备的性能指标见表1；③设备控制程序，主要使用QINSy软件控制三维激光扫描仪、多波束测深仪和光纤罗经的工作状态，并具备数据采集、存储、可视化和初步校准功能。
本系统的工作原理为：①外业采集时，随着测量船的推进，三维激光扫描仪采集陆地点云，多波束测深仪不断获取水下三维数据，光纤罗经同步记录船体的横摇、纵摇和艏向偏差等运动姿态数据，GPS接收机提供导航定位服务的同时，还为系统持续输入时间源，以保证系统各部件时间同步；②内业数据处理，首先由QINSy软件输出点云数据，导入专业的处理软件CARIS，结合姿态、声速和潮位3项改正，分别校准水下及陆地点云，经拼接后得到一体化的三维点云模型，具体技术路线见图1。
为保证成果精度，必须牢固安装所有设备，保持其相对位置稳固不变，并建立船体坐标系量化设备之间的相对位置，设备的船体坐标是后续校准的重要参数。此外，采集完整可用的3项改正数据，并严格保持系统各设备时间同步，是船载激光三维扫描系统的关键技术。
2.1 设备安装及船体坐标系
主要设备的安装位置见图2，RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪装置在船顶左边缘，底部基座经焊接固定于船顶。多波束探头固定在船头左侧，探头完全没入水中。光纤罗经固定在船舱甲板上，位于船体重心位置。GPS分主副2个，主GPS靠近船尾安装于船顶左边缘，副GPS靠近船头安装在多波束探头上方，两GPS相距1.5 m，两者连线平行船体中心线，并保持相同高度。
为标定设备间相对位置，定义船体坐标系：以测量船前进方向为Y轴正方向，X轴正方向指向船体右侧，Z轴正方向垂直XOY向上，原点O(0,0,0)位于探杆与水面的交点处。例如，根据实际测量结果，得到多波束探头船体坐标为X=0 m，Y=-0.182 m，Z=-0.367 m，同理可确定其他设备的船体坐标。
2.2 三项改正
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三项改正指的是潮位改正、声速改正和姿态改正，其中潮位数据为潮位观测所得，声速改正文件由声速剖面仪测得，运动姿态数据由光纤罗经全程记录，它们是校准点云的关键参数，务必保证各项数据完整可用，因此必须采取以下措施。
a) 潮位观测时段需含盖整个测量时段，使得每一时刻均有潮位改正值，若测区较大，需在测区内均匀布置若干观测点，插值获得整个测区的潮位改正数据；
b) 声速改正的水深范围需包含多波束测深仪测得的水深区间，使得所有水深处均有对应的声速改正值；
c) 光纤罗经的记录时间必须含盖整个测量时段，并与其他设备保持时间同步。钢管自动切割机
2.3 时间同步
系统配备了2台GPS，其中副GPS信号用作时间源，输入时间同步适配器，经适配器处理输出秒脉冲，通过相应接口传输给其他设备，如光纤罗经、多波束测深仪及三维激光扫描仪，从而保证系统各设备时间同步。
基于前文介绍的原理和技术路线，构建了船载激光三维扫描系统，将其应用于佛山市北江某河段三维一体化测量，获得了陆地水下一体化的点云模型，与常规测量成果进行比较并统计了成果精度。
3.1 测区概况
测区位于佛山市三水区北江干流某河段，水流流向由北向南，全长约6.8 km，测量时段属于北江枯水期，最大水深19.2 m，测区左岸为齐整的北江大堤，点云可视化效果更为直观更具整体性，因此选取左岸为陆地扫描对象，水下部分扫描整个测区。
3.2 数据成果
3.2.1 点云模型
由于测区内停泊船只较多，测量船无法覆盖所有区域，水下模型存在部分盲区。经过1天的外业扫描，共获得38条测线超过10 G的数据。内业数据处理使用CARIS软件，分别完成陆地和水下点云的姿态、声速和潮位改正，拼接后得到一体化点云模型见图3。图4为测区内某货运码头的点云模型，可见模型完整，点云校准无误、拼接准确。
3.2.2 成图比较
为检测船载激光三维扫描系统的测量精度，选取其中长约800 m的河段，使用本系统扫描所得点云绘制地形图，与已有常规测量成果对比，结果见图5，两图等高线分布及走向一致，地形地物吻合。
3.3 精度统计
参照SL 197—2013《水利水电工程测量规范》，平地地物点点位、高程允许误差以及水下等高线高程允许中误差见表2。其中，等高线高程中误差是由检测点高程与相应图面等高线内插高程的差值求得。
结合已有的常规测量成果，得到陆地地物检查点共30对，计算得到点位中误差为±0.228 m、等高线高程中误差为±0.176 m；水下地形共统计117对检查点，算得水下地形点的等高线高程中误差为±0.338 m。根据表2所列的规范要求，本次实验成果精度满足规范要求。由于篇幅所限，以下仅列出部分统计结果。
3.3.1 陆地点位中误差
从30对检查点中随机选取10对地物点(表3)，求得点位中误差为±0.281 m，结果满足表2所列基本比例尺规范要求。
3.3.2 陆地高程中误差
从30对检查点中随机选取10对陆地高程点(表4)，求得陆地高程中误差为±0.252 m，结果满足表2所列基本比例尺规范要求。牙疳药
3.3.3 水下高程中误差
从117对检查点中随机选取10对水下高程点(表5)，求得水下地形点高程中误差为±0.310 m，结果满足表2所列基本比例尺规范要求。
构建的船载激光三维扫描系统，集成三维激光扫描仪、多波束测深仪和光纤罗经等设备，介绍系统的工作原理及技术路线，总结系统的关键技术，将其应用于北江某河段，获得了精细准确的一体化点云模型，经统计校核，成果精度满足行业规范要求。然而，由于测区平均水深较小，本次应用并未充分发挥船载激光三维扫描系统的优势，不能体现其高效率的特点，接下来将致力于向数字水利、海洋测绘及建筑信息模型等方面大力推广。降阻模块
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【相关文献】
[1] 李杰，孙楠楠，唐秋华，等. 三维激光扫描技术在海岸线测绘中的应用[J]. 海洋湖沼通报，2012(3):90-95.
[2] 汪连贺. 三维激光移动测量系统在海岛礁测量中的应用[J]. 海洋测绘，2015(5):79-82.
[3] 徐柏松. 三维激光扫描测量技术在海港礁石区测量中的应用[J]. 港工技术，2012(4):61-63.
