水上水下一体化测绘技术研究

水上水下一体化测绘技术研究

扈利钊

大连华信理化检测中心有限公司 辽宁省大连市116620

摘要：随着国家对江河湖海水域资源的大力开发利用及传感器、卫星定位、计算机等技术的发展，海洋测量新技术新方法均取得了显著的进展。单波束声呐、多波束声呐、图像声呐、无人水下机器人等仪器设备广泛应用于海洋、内河、水利水电工程水下测量领域。

关键词：水上水下；一体化测绘；技术研究；

引言

在传统的水面和水下地形测绘模型中,通常使用全站仪测绘方法,GPS-RTK等技术,使用点采集方法,使用单光度测量来检测和收集有关水下河底地貌的信息。此外,在具体实施过程中,水下测绘工作是单独进行的。这种执行方式是无效的。为了进一步提高制图效率,国内外科学家和专家对此进行了积极的探索,因此发明了新的制图和制图手段,制图的效率,质量和安全性都有了很大的提高。随着世界制图业的快速发展,新的多光谱测深系统被用于绘制水下地形图。这是声音深度的组合。与传统的单灯系统相比,该技术有了很大的改进。首先,多光谱测深系统可以进行覆盖海域的条带扫描,避免了传统单光谱测深系统只能在单点测深值上使用的局限性,实现了从单光谱到多光谱的现代化,实现了从点到面的巨大过渡。

1水上水下一体化测绘的简述

1.1 测量原则

通过船载稳定平台将所有传感器固定在水下;确定水下综合系统中所有传感器的坐标;在实时数据采集软件中,输入杆壁的测量值并展开数据提取;数据处理完成后,解析GNSS-IMU定位数据并将其导入系统;将数据转换为单一坐标系,以完成复杂的水下测量。

1.2 测量系统的组成

目前广泛应用的水下综合测量系统主要是利用激光扫描仪、组合导航系统、多光谱传感器等多种传感器进行测绘。在绘制水上地图的过程中,通常采用机载水上测量设备(激光扫描仪)进行三维移动测量,提供高速、高精度和高分辨率的测量。在水下测绘过程中,船舶水下测量仪器(多光束气压计)被广泛用于测量,以确保测量数据(包括图像)的高精度,高分辨率和高质量。

2多波束测深系统

多波束声呐是一种水下地形测量设备，由发射基阵、接收基阵、表面声速仪、运动传感器、罗经、ＧＮＳＳ、声速剖面仪和数据采集与处理计算机组成多波束测深系统。其中，发射基阵发出声脉冲，脉冲在水中传播并被水底物体反射，反射信号被多个接收基阵接收，表面声速仪实时提供表面声速，罗经为测量船航行提供方向，姿态仪在测量过程中改正船体姿态，ＧＮＳＳ系统则为测量提供实时定位。定位与水深测量同步进行，获取实时测深点三维坐标，声速剖面仪在后期改正水体剖面声速。相对于单波束而言具有质的飞跃，多波束通过一个Ｐｉｎｇ即可完成一个条带上几十、几百甚至上千个点的水深精确测量，通过两两叠加后形成一定数量的波束脚印。多波束测点密度大、精度高、可视化好，能完成常规方法难以胜任的任务，在微地形测量方面具有明显优势。

3激光测距原理

激光距离技术采用激光反射原理。在其工作中,首先对探测目标触发一系列短脉冲激光束,与物体相遇后出现反射效应,激光遥测接收激光脉冲信号,分析其反射时间和相位变化信息,最终时间计算发射器中心与目标之间的距离。在具体应用中,激光脉冲在空间中的传播不可避免地会遇到力线、植被等干扰,造成不同的反射效应,在面对同一束激光脉冲时会反射多次,出现接收器检测到多个反馈信号的现象,然后根据回波信号进行分析,首先和最后的图像进行推断,就可以得到有关位置的相关信息,这种操作在一定程度上可以降低数据处理的复杂性。不同的物体有不同的反射激光脉冲的能力,基于这种特性,激光雷达系统可以获取地面反射的激光脉冲强度的信息,并同时记录这些信息。同时,借助相应的定量方法,分析整个激光脉冲波束中能量的变化,可以得到完整波形的数据,具体显示能量在回收过程中的连续变化。通过分析全波形数据,可以更直观地对物体进行分类,定位精度和数据密度可以大大提高。

4水上水下一体化测绘的关键环节与技术分析

4.1 海岸点地面云数据提取技术

在实际的水下综合测绘工作中,通常安装在船上的三维激光扫描仪,显示点云数据,主要是表面数据,植被数据,人工对象数据,表面漂移数据,转折点数据等。对于这些数据,特别是对于异常点数据,不能直接用于后续处理,激光点云数据的定义和分类完成后,需要实现相应的岸边点云的提取。

4.2 空区处理

通常,综合水下测量分两部分进行,水上部分使用航空摄影和机载三维激光扫描仪进行,水下部分使用米;然而,在绘图过程中,存在一个空的点云问题。空区主要分为两大类:1、水域中的网箱或小块区域由于测量盲区而阻碍测量船到达岸边;水位差异引起的相位差异,即由于航空摄影和水上作业中水位的差异,水下对接处的数据空隙对加工精度和行业效率有很大的影响,对于上述两种情况,对相应的解决方案进行了实验总结:1)在有障碍物的情况下,将三维激光扫描数据与水下云数据结合,形成不规则的三角形网络进行填充。2)在水位影响的情况下,陆地航空航天数据与船上的3D激光扫描数据相结合:空白区域填充不规则三角形网格,如果空白区域对TIN结构的精度影响太大,可以通过插值地平线进行处理;在重叠区域中,存储地面空间数据,删除机载激光数据,手动调整交界处激光点云产生的水平线趋势。

4.3水下机器人测量系统

在复杂多变的水下环境中，水下机器人（简称ＲＯＶ）探测更具优势。ＲＯＶ常用于水下环境观察、检测和施工，作为各种传感器的载体平台，为传感器的使用提供了新的方式。以自主研制的测量型ＲＯＶ为载体，其外观和搭载的设。核心部件是水下推进器和水下摄像系统，本体有６台推进器，可实现升沉、进退、回转、横滚等自由度灵活运动，辅以导航、测深和结构物外观扫测。测量型ＲＯＶ尺寸和重量较小，负载较低，由水面设备和水下设备两部分组成，通过脐带缆连接。其中水面设备包括甲板单元、绞缆车、释放回收设备、电源及导航与数据采集系统等；水下设备主要由潜器、成像系统、水下定位跟踪系统等部分组成。ＲＯＶ通过脐带缆提供动力电源及通信功能，具有不受供给限制、数据实时传输显示、脐带缆能够承受一定抗拉强度等优点，多用于常规检测作业。

结束语

总的来说,制图技术对海洋研究很重要。随着技术的发展,集成水下测绘技术应运而生,在很大程度上避免了传统测绘方法带来的限制,其效率和质量在实际应用中得到了很大的提高。解决了同时绘制水面和水下地形的问题。此外,通过使用多光束技术实现了从点到线的过渡,这在制图技术史上具有重要意义。本文对现代水下综合测绘技术进行了分析,阐述了其原理和系统结构,并探讨了数据处理的关键技术方法,以期为水下综合测绘技术的进一步发展做出贡献,为相关工作者提供参考价值。

参考文献

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