張 旻

(中鐵第四勘察設(shè)計院有限公司,武漢 430063)

引言

長江航道途經(jīng)地域地形復雜多變,受各種自然條件的影響,航道一直處于動態(tài)變化之中。 另一方面,工程建設(shè)也影響到航道的周邊環(huán)境,定期地形監(jiān)測對了解航道運行現(xiàn)狀,制定航道整治方案,動態(tài)指導航道疏浚施工及維護至關(guān)重要。 長江航道測繪的主要內(nèi)容有:航道水深監(jiān)測、整治建筑物沉降位移及水毀監(jiān)測、岸線變化及堤岸穩(wěn)定性監(jiān)測、沙洲體積變化監(jiān)測、航道輔助設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測等。 已有學者展開相關(guān)研究,鄒小鋒等對長江航道測繪存在的問題及建設(shè)方向進行研究[1];石碩崇概述國內(nèi)外航道測繪的研究現(xiàn)狀,并對長江航道測繪的研究和發(fā)展提出了建議[2];蔡顏夢等介紹近年來長江航道測繪信息成果的相關(guān)情況,針對長江航道測繪地理信息成果管理體系建設(shè)內(nèi)容展開了分析,內(nèi)容包括數(shù)據(jù)成果分析、建設(shè)數(shù)據(jù)中心、大數(shù)據(jù)成果管理、數(shù)據(jù)異質(zhì)備份及數(shù)據(jù)分析和使用等[3];胥洪川等為進一步提高河道業(yè)務生產(chǎn)效率,保證數(shù)據(jù)成果質(zhì)量,設(shè)計了長江上游河道業(yè)務處理系統(tǒng)[4]。 目前,航道常規(guī)地形、地物數(shù)據(jù)采集方法主要包括RTK陸上地形測量、單波束水下地形水深測量等,測繪成果通常只能以坐標點、矢量線形式體現(xiàn)在圖紙上,無法獲取測區(qū)直觀的影像資料,并且受現(xiàn)場測量技術(shù)和條件的制約,在測區(qū)較大、特殊或危險地區(qū)、測量時間緊、任務重、通航或施工繁忙等情況下,難以保證測量的時效性、一致性和完整性等方面充分滿足需求。

1 長江航道測量現(xiàn)狀

近年來,隨著無人機低空攝像測量、多波束掃測、三維激光掃描等高新測繪技術(shù)的發(fā)展和應用,常規(guī)測繪方式的不足已得到了部分緩解,能夠提供更豐富、更直觀、更全面的測繪成果。 徐鵬鵬等論述無人機攝影測量和三維激光掃描儀互補的測量方法在陸上測量實例中的應用[5];孫愛國等認為,在合適的內(nèi)外部條件下,無人機測量技術(shù)適用于長江航道1 ∶500 等大比例測圖場景[6];袁曹振等引入無人機低空攝影測量技術(shù)對航道整治建筑物實施1 ∶1 000 大比例觀測,獲取了亞米級的高清影像數(shù)據(jù),生產(chǎn)了DOM 和DSM、DLG 數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)[7];梁達煒等概述多波束、激光雷達、無人船、無人機等測繪設(shè)備在航道測量中的必要性[8];馬隨陽等針對橋梁測量的傳統(tǒng)測量方法、無人機傾斜攝影與地面三維激光掃描耦合方法,開展了橋梁三維建模方法對比研究,系統(tǒng)分析兩者的技術(shù)特點與不足,并提出航道測繪技術(shù)創(chuàng)新的建議[9]。

對于低空攝影測量而言,無人機結(jié)構(gòu)簡單、機動靈活,是獲取陸地測繪數(shù)據(jù)的一種重要技術(shù)手段,能夠獲取高清晰、大比例、高現(xiàn)勢性的影像資料,可直觀反映測區(qū)的岸線、建筑、特種地物地貌等。 但在蘆葦、樹林等地面遮擋嚴重的區(qū)域和特殊地形區(qū)域(如陡岸、崩岸),其測量精度難以達到要求,也無法承擔水下地形、地物測量任務。 對于三維激光掃描而言,該測繪技術(shù)可獲取被掃對象表面的三維坐標和深度影像信息,構(gòu)建高精度的三維模型,具有精度高、速度快等優(yōu)點,但其成本高,數(shù)據(jù)處理復雜,只適用于對部分重點區(qū)域、重點地物的掃描。 付作民等分析了在巷道管理中應用多波束測深系統(tǒng)開展測量的相關(guān)流程及測探結(jié)果[10];李宇輝等針對航道測繪中需全覆蓋、高精度測量問題,結(jié)合工程項目的實際情況,探討多波束測深儀在航道測繪中的應用效果[11]; 楊海忠等以SEABAT8125 多波束測深系統(tǒng)在某航道疏浚工程為研究對象,探討多波束測深系統(tǒng)安裝測試方法、定位導航實施方法、測量步驟與數(shù)據(jù)處理思路[12]。 邊志剛等通過對船載水上水下一體化綜合測量系統(tǒng)實施海島礁、陜西黑河水庫一體化測量案例,闡明系統(tǒng)在應用中的優(yōu)缺點[13]。 趙春明等對水上水下無縫一體化測量進行了探討,對陸海垂直測繪基準統(tǒng)一的測量方法進行了嘗試[14];一體化快速測繪系統(tǒng)是將多種測繪傳感器集成在同一個載體上,進行空中、地面及水下的一體化測繪,同步采集多目標數(shù)據(jù)[15-17]。 對于多波束測量而言,其測量精度可與單波束測量相當,但效率遠高于常規(guī)單波束水深測量,可極大提高水下地形測繪效率,但其只適用于具備一定水深條件的水域,不適用于淺區(qū)及陸上地形測量。 為了克服傳統(tǒng)測繪中測量點離散、成果形式單一、作業(yè)效率低下等缺點,對長江航道測量開展“空地水”一體化測繪技術(shù)研究。

2 系統(tǒng)組成原理及架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

一體化多源數(shù)據(jù)融合處理及可視化編輯系統(tǒng)平臺可以對航道多種測繪技術(shù)進行協(xié)同采集與數(shù)據(jù)融合處理,并自動生成基于多源數(shù)據(jù)的航道地形數(shù)字地面模型,對航道整治工程河道影響變化進行多時相分析,進而實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)管理與展示。 “一體化測量系統(tǒng)”的主要設(shè)備見表1。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺架構(gòu)分為數(shù)據(jù)管理、多源數(shù)據(jù)導入、數(shù)據(jù)編輯處理、數(shù)據(jù)分析及成果輸出等5 個部分(見圖1)。

圖1 多源數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)架構(gòu)

(1) 多源數(shù)據(jù)管理

“空地水”一體化測繪包括控制測量、無人機航攝、多波束水深測量和激光雷達測量4 個方面的數(shù)據(jù),系統(tǒng)平臺通過工程管理實現(xiàn)了對原始控制數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù),以及加工后的產(chǎn)品數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的存儲管理[18]。

(2) 多源數(shù)據(jù)導入與融合

系統(tǒng)能導入項目涉及的數(shù)據(jù)源。 如控制成果、激光點云、全景影像、正射影像和三維模型等,可將水上水下數(shù)據(jù)在平臺中進行融合。

(3) 數(shù)據(jù)編輯處理

系統(tǒng)平臺可對點云數(shù)據(jù)及矢量數(shù)據(jù)進行編輯處理,其主要功能框架見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)處理框架

(4) 數(shù)據(jù)展示與分析

支持多種模式的點云渲染及數(shù)據(jù)顯示,利用多波束水深數(shù)據(jù),提取航道斷面,通過不同時期測量成果的斷面疊加,對航道演變進行分析。

(5) 數(shù)據(jù)成果與輸出

包括輸出數(shù)據(jù)文件、三維模型、DEM、矢量文件等。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 多源數(shù)據(jù)一體化協(xié)同融合處理技術(shù)

軟件平臺研發(fā)過程中綜合采用上述技術(shù),即利用實景數(shù)據(jù)和高密度點云三維坐標對航道沿岸地形空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行一體化采集,研究多源數(shù)據(jù)的協(xié)同融合處理技術(shù),依據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準進行處理融合及加工處理,以用于數(shù)據(jù)融合展示與分析。 基于自主研發(fā)的后處理軟件,進行針對性定制開發(fā),將多源測量數(shù)據(jù)所具有的不同時間和空間基準進行高精度配準,實現(xiàn)了無人機攝影測量、三維激光掃描、多波束測量以及單波束測量多種傳感器采集的數(shù)據(jù)協(xié)同處理生產(chǎn),構(gòu)建了“空地水”一體化的航道測繪和動態(tài)監(jiān)測體系。

3.2 航道多源數(shù)據(jù)可視化集成與展示應用技術(shù)

長江航道地理數(shù)據(jù)形式多樣、維度不一,既有空間數(shù)據(jù)也有屬性數(shù)據(jù),既有刪格數(shù)據(jù)也有矢量數(shù)據(jù)。 如何對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理和展示,尤其是水上水下三維地形地物的展示,是本系統(tǒng)的一個關(guān)鍵點。

將獲取的高精度航空攝影數(shù)據(jù)、水上水下點云數(shù)據(jù)等進行集中海量存儲管理,并通過研發(fā)三維地形集成展示平臺實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)、三維動畫、航拍影像展示,以及大比例的 DLG、DOM、DEM 測繪產(chǎn)品的展示和重點區(qū)域、整治建筑物的三維場景展示[19-20]。

3.3 TB 級海量點云引擎技術(shù)

多源數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)的4D 產(chǎn)品,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)量一般為百兆級別,而多源數(shù)據(jù)一般為GB 至TB 級別。海量數(shù)據(jù)的存儲、管理、調(diào)用等是系統(tǒng)平臺運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。 三維激光掃描儀點采集速度可達1 000 000 點/s,掃描采集一個場景通?？色@得上百萬個點;多波束測深儀以全覆蓋方式采集水下地形數(shù)據(jù),其數(shù)據(jù)量也達到了TB 級。 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)時的掃描視場與掃描速度設(shè)置,一次作業(yè)需要掃描的點云數(shù)量可達億級。 以一個測次數(shù)據(jù)量為例,三維激光雷達采集的數(shù)據(jù)量見表2。

表2 三維激光雷達采集數(shù)據(jù)量

4 長江航道應用示例

為了驗證多源數(shù)據(jù)融合處理及展示平臺在長江航道測量中的適用性,選取了武安段航道整治項目中的張家州水道和沙洲水道的護岸工程、護底帶工程、護灘工程作為算例。 張家洲水道和沙洲水道涵蓋了長江干線航道的沖刷、淤積、沖槽、崩塌、分流等現(xiàn)象,其地形復雜,航道整治工程種類多樣,能夠代表長江航道整治的主要情況,按照上文介紹的技術(shù)路線,在試驗區(qū)域現(xiàn)場進行系統(tǒng)的聯(lián)合運行調(diào)試和應用,包括實地采集各項數(shù)據(jù)、利用軟件進行數(shù)據(jù)處理等,開展多種測繪技術(shù)協(xié)同采集與數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)應用,對成果數(shù)據(jù)進行動態(tài)可視化展示和分析。

利用多波束水深數(shù)據(jù),提取航道斷面,通過不同時期測量成果的斷面疊加,對航道演變進行分析。

此外,在多波束測量數(shù)據(jù)中截取工程區(qū)中的重點斷面(見圖3、圖4),與工程區(qū)的設(shè)計文件進行斷面對比。 分析工程區(qū)的變化情況(見圖5、圖6),其中,紫色線為設(shè)計測量河床線,藍色線為2020 年9 月測量河床線,通過對比,可以清楚地看出工程實施后河床地形的變化,以分析工程的實施效果。

圖3 重點斷面位置選擇

圖4 重點斷面高程位置

圖5 沙洲水道左汊護底工程軸線斷面比較(單位:m)

圖6 沙洲水道左汊護底工程2 個橫斷面比較(單位:m)

圖7 兩期數(shù)據(jù)對比的沖淤變化

圖8 報表導出結(jié)果

對同一區(qū)域不同測次的數(shù)據(jù)進行沖淤分析,計算沖淤量,分析航道沖淤情況,為航道清淤決策提供依據(jù)。

長江航道地理數(shù)據(jù)形式多樣、維度不一,既有空間數(shù)據(jù)也有屬性數(shù)據(jù),既有刪格數(shù)據(jù)也有矢量數(shù)據(jù),研究的航道多源數(shù)據(jù)可視化集成系統(tǒng)可將三維實景、點云管理展示引擎進行二次開發(fā)集成,將獲取得到的高精度航空攝影數(shù)據(jù)、水上水下點云數(shù)據(jù)等進行集中海量存儲管理,研發(fā)三維地形集成展示平臺實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)展示、三維動畫展示、航拍影像展示、大比例的 DLG、DOM、DEM 測繪產(chǎn)品的展示,以及重點區(qū)域、整治建筑物的三維場景展示。

5 精度分析

(1) 多波束測深精度分析

多波束測深平面中誤差達到0.19 m,高程中誤差達到0.18 m,具體統(tǒng)計情況見表3。

表3 多波束水深比對結(jié)果m

(2)激光雷達點云精度分析

為檢核激光雷達數(shù)據(jù)的精度,實施測量時,在沙洲水道測區(qū)選擇10 個,在張家洲水道測區(qū)選擇了41 個具有明顯特征的點進行觀測,獲取其精準的平面坐標及高程值,與激光雷達采集的點云數(shù)據(jù)中的同名點進行比對,以獲取點云的平面及高程精度。張家洲水道測區(qū)激光雷達數(shù)據(jù)平面及高程精度分析見表4、表5。

表4 激光點云平面精度分析cm

表5 激光點云高程精度分析cm

由表4、表5 可知,表中計算所得的中誤差值均滿足規(guī)范精度要求。

6 結(jié)語

(1)將“空地水”一體化測繪所采集的Lidar 數(shù)據(jù)、多波束數(shù)據(jù),以及收集到的電子航道圖、整治工程的線劃圖等數(shù)據(jù),依據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準進行處理融合及加工處理,有利于數(shù)據(jù)融合展示與分析。

(2)多源數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)的4D 產(chǎn)品,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)量一般在百兆級別,而多源數(shù)據(jù)一般的幾百GB 甚至TB 級別。 海量數(shù)據(jù)的存儲、管理、調(diào)用等是系統(tǒng)平臺運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

(3)針對長江航道及兩岸的整體地形狀況,通過多種測繪技術(shù)手段的有機結(jié)合,從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理的各環(huán)節(jié),將激光雷達系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)等處理軟件整合集成引入航道一體化協(xié)同測繪平臺上,構(gòu)建“空地水”一體化的航道測繪和動態(tài)監(jiān)測體系,形成了一套適用于長江航道的多工作平臺多設(shè)備協(xié)同一體化測量作業(yè)流程及作業(yè)規(guī)范。