甄冬松

關(guān)鍵詞：坐標(biāo)系統(tǒng)一、時間基準(zhǔn)

引言

激光和多波束點(diǎn)云水因有不同的參考基準(zhǔn)、比例尺和坐標(biāo)系統(tǒng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度也存在差異;并且內(nèi)陸水域一般多為不規(guī)則的形狀區(qū)域，水下地形與岸邊水上地形接邊處難以實(shí)現(xiàn)平滑拼接。在實(shí)際中水上與水下是互相連接的，然而在應(yīng)用中水下地形和陸地地形數(shù)據(jù)是兩部分，并未實(shí)現(xiàn)一體化應(yīng)用。因此，有必要對內(nèi)陸水下地形數(shù)據(jù)進(jìn)行測繪以及整合，實(shí)現(xiàn)各種基準(zhǔn)空間數(shù)據(jù)的整合，才能實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)地理信息的融合集成管理。

1 空間統(tǒng)一

1）三維激光掃描儀坐標(biāo)系

三維激光掃描儀坐標(biāo)系是自定義坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系的原點(diǎn)定義于三維激光掃描儀的發(fā)射中心，Z軸與極軸平行，方向垂直向上，與X軸構(gòu)成激光掃描面（XOZ面），Y軸垂直于XOZ 面。在進(jìn)行激光束掃描時，待測點(diǎn)P坐標(biāo)可由P點(diǎn)與掃描儀中心距離S、水平角、垂直角計(jì)算得出。

2）多波束測線坐標(biāo)系

由于多波束測深儀采用具有一定角度的扇形波束發(fā)射，多陣列回波信號接收

和多波束數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化及處理等技術(shù)。為了建立多波束測量水底地形點(diǎn)位的空間關(guān)系，進(jìn)行多波束測量波束的空間位置轉(zhuǎn)化，須首先建立多波束測量自身的參考坐標(biāo)系統(tǒng)。多波束坐標(biāo)系原點(diǎn)為換能器中心，發(fā)射的扇形波束面的每一根波束的角度固定且已知，由聲速及傳播時間，計(jì)算每個波束到達(dá)水底點(diǎn)位的斜距，進(jìn)而計(jì)算各波束位置及水深。

3）船載坐標(biāo)系

船載多傳感器綜合測量系統(tǒng)主要將三維激光掃描儀、多波束測深儀、GNSS、定姿定向系統(tǒng)等集成在測量船上，其基本思想是：系統(tǒng)通過傳感器穩(wěn)定平臺，將水上水下設(shè)備進(jìn)行固聯(lián)，用以確定掃描儀、多波束與GPS 的空間位置關(guān)系，從而將組合導(dǎo)航GPS /IMU 的實(shí)時位置、姿態(tài)信息提供給激光掃描儀和多波束。通過船載多傳感器的協(xié)同信息采集，將測得的點(diǎn)位坐標(biāo)歸算到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。本次測量時，定姿定向系統(tǒng)固定在船艙內(nèi)部，處于整條測量船的中心位置。三維激光掃描儀固定在船艏。多波束測深儀固定在船右舷。以 Trimble R4 GPS接收機(jī)的中心位置建立了船參考坐標(biāo)系，利用全站儀、鋼尺測算了多波束、三維激光掃描儀、定姿定向系統(tǒng)等各傳感器相對于參考坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移量和水面與參考原點(diǎn)之間的高差，記入到多波束系統(tǒng)安裝、校準(zhǔn)綜合手簿、三維激光掃描儀文件參數(shù)和船型文件中。

水陸一體化測量系統(tǒng)集成了三維激光掃描儀、多波束測深儀、GNSS、OCTANS 和測船等設(shè)備，各傳感器均有其獨(dú)立的坐標(biāo)系，通過其相對位置關(guān)系確定，結(jié)合 GNSS 實(shí)時定位數(shù)據(jù)、OCTANS 實(shí)時姿態(tài)及定向數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為該水陸一體化地理坐標(biāo)系。

三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)最終歸化到船載坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)式為

多波束系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)最終歸化到船載坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣數(shù)學(xué)表達(dá)式為

最后將船載坐標(biāo)系歸算到地理坐標(biāo)系

2 時間基準(zhǔn)統(tǒng)一

水陸一體化三維測量系統(tǒng)由多傳感器組成，為了將各傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確融合，除需各坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)正確時間也必不可少。時間同步一般有兩種方法：一種是時間延遲法;另一種是時間同步法。時間延遲法是基于時間延遲恒定不變的假設(shè)，會有一定誤差;時間同步法就是利用GPS的時間與1PPS不停地調(diào)整各傳感器的時間，使各傳感器的時間始終與GPS的時間保持同步。本次項(xiàng)目時間系統(tǒng)采用的是利用GPS的1PPS時間分別連接到多波束系統(tǒng)、定姿定向系統(tǒng)和三維掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時間的同步。

時間配準(zhǔn)的目的是讓每個激光掃描點(diǎn)都能得到測量該移動站的實(shí)時坐標(biāo)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。由于GPS接收機(jī)的頻率為10Hz、定姿定向系統(tǒng)的頻率為50Hz和三維激光掃描儀的頻率為10KHz，多波束測深儀的頻率為200KHz且數(shù)據(jù)獲取時刻并不互相重合，因此需要將頻率低的傳感器所采集的數(shù)據(jù)以時間為標(biāo)準(zhǔn)向頻率高的傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插處理?？紤]到時間間隔小，采用加權(quán)平均值求取即可。通過GPS接收機(jī)的位置信息和定姿定向系統(tǒng)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，便可以求取激光掃描儀和多波束測深儀的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

式中X為內(nèi)插值，L₁為插值區(qū)間起始時間的測量值，L₂為插值區(qū)間結(jié)束時間的測量值，K₁為插值時間與插值區(qū)間起始時間之差，K₂為插值時間與插值區(qū)間結(jié)束時間之差。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

項(xiàng)目組對本系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用示范，對水陸一體化采集系統(tǒng)進(jìn)行了針對性測試。其中，系統(tǒng)水上部分采用LANDMark Marine三維激光掃描儀，最大測量距離為1700m，測量精度8mm，垂直掃描角度為30°～130°;系統(tǒng)水下部分采用多波束Seabat 7125SV2，最大量程500m，量程分辨率為1. 25cm，覆蓋寬度10°～160°，分為256 個波束。圖3.20給出了系統(tǒng)對團(tuán)泊東區(qū)別墅區(qū)附近的實(shí)驗(yàn)效果圖，利用水陸三維一體化測量系統(tǒng)，提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)風(fēng)險，減輕了作業(yè)勞動強(qiáng)度，且成果豐富，應(yīng)用廣泛。

4.總結(jié)

通過水陸一體化三維測量技術(shù)研究，研制了船載水陸三維一體化綜合測量系統(tǒng)，提出了水陸地形無縫掃測方案及無需潮位觀測的多波束水深測量技術(shù)，給出了船載多源傳感器配置方案、校準(zhǔn)方法、坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一方法、測深和地形點(diǎn)云處理方法、多源點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合方法以及精度評估方法，形成了水上水下一體化測量的方法體系，取得了滿足規(guī)范要求的點(diǎn)云精度，克服了傳統(tǒng)測繪方法的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了河道帶狀地形圖的一體化移動測量，為河道及灘涂三維地理信息要素的高精度、低成本、高效獲取提供了一種新途徑。

參考文獻(xiàn)

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