论文专区▏三维激光移动测量系统在海岛礁测量中的应用

【编者按】本文主要介绍三维激光移动测量系统的发展现状及应用方向，初步阐述了其工作原理，并把该技术成功应用到长山水道海岛礁岸线地形测量，将测量系统设备安装在船上，在快速移动航行过程中采集岸边激光点云和全景影像，内业通过数字化测图提取海岛礁地形数据，并对设备采集的数据进行了精度分析，表明该技术在岸线地形以及实景采集等测量工作中的可行性。在100米范围内，测量精度可达10cm，本次测量精度验证结果是：东方向均方差为0.11m，北方向均方差为0.122m，高程方向均方差为0.138m，全景影像分辨率8192×4096。本文发表在《海洋测绘》2015年第5期上，现编发给朋友们阅读了解。汪连贺，1973出生，男，天津市人，天津海事测绘中心，高级工程师，主要从事海岛礁测量及测绘软件开发研究。

一、引言

三维激光移动测量系统作为新型地形测量和信息采集设备，目前已经广泛应用于带状地形图测量、公路交通资产普查、园林绿化普查、城管部件普查、河道海岛礁测量^[１-5]。国家也相继出台相关标准，促进三维激光移动测量应用发展。该技术具有工作方便、效率高、精度高、采集信息全面全覆盖等特点，在实际测量领域中的应用越来越广泛，发挥着重要作用。本单位因工作要求以及提高能力建设需要，开展了三维激光移动测量系统相关技术研究和应用，利用中海达iScan三维激光移动测量系统完成了长山水道17个海岛礁岸线地形的测量，并进行了精度分析。

二、三维激光移动测量系统工作原理

三维激光移动测量系统采用非接触式高速激光测量的方式，能够获取复杂物体的几何图形数据和影像数据^[6]，然后通过融合解算软件、GPS定位信息、激光扫描仪相对于IMU相对位置信息、全景相机相对于IMU相对位置信息，激光扫描数据等，解算绝对激光点云绝对坐标和全景曝光时刻位置姿态信息。最终由后处理数据的软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，并转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，能以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同项目的需要。系统组成包括：三维激光扫描子系统、影像采集子系统、导航定位定姿子系统、集成控制与数据采集子系统、数据处理与应用子系统等组成。

⑴三维激光扫描子系统：由1台高精度三维激光扫描测量仪RIEGL VZ1000与相应的数据采集软件组成，为系统提供可量测的高密度三维激光点云数据。

⑵影像采集子系统：中海达iStreet，由4台高清晰数码相机、采集控制与相应的数据采集软件组成，为系统提供360度高清晰全景影像数据。

⑶导航定位定姿定向子系统：由GPS、IMU等设备（NovAtel SPAN-FSAS）与相应的数据采集软件组成，为三维激光扫描系统和全景相机提供精确位置信息与姿态信息。

⑷集成控制与数据采集子系统：由计算机、同步控制器与电源组成，同步控制器为系统提供统一的时间基准，各数据采集软件安装在嵌入式机上，电源为各个设备供电。

⑸数据处理与应用子系统：包括融合解算软件，全景拼接软件，点云处理软件，为系统提供激光点云数据处理、影像拼接及内外方位参数检校、影像与点云配准融合、集成影像激光点云数据的地形测图、航道街景发布等应用服务。

针对中海达船载型三维激光测量系统，在测量船不高于15Kn船速时，距离系统100米范围内目标点可实现优于10cm的平面定位精度，优于5cm的影像分辨率。该型号设备最大优点在于硬件安装方便，厂家已经把定位传感器、姿态传感器、激光扫描传感器以及时间同步传感器进行了整体集成，在出厂前进行了严密的测试，在实际测量过程中不需要进行安装校准，减轻外业测量工作量并且校准参数严密；软件配套齐全，操作简单方便。

三、三维激光测量系统在长山水道海岛礁测量中的应用

⒈ 试验区情况概述

长山水道位于山东省烟台海域，地处渤海海峡、黄渤二海交汇处，庙岛海峡北侧，北长山岛与砣矶岛之间，周围分布着大黑山岛、小黑山岛、庙岛、南长山岛、北长山岛、大竹山岛、小竹山岛、车由岛、猴矶岛、高山岛、砣矶岛等岛屿和众多的礁石。水道呈东西走向，全长约23n mile，是进出天津、秦皇岛、黄骅、潍坊、东营、龙口、莱州、蓬莱等各港口的重要水上通道之一。长山水道水域海雾频繁，气候多变，海况复杂，给过往船舶航行安全带来了很大的影响，是交通运输部重点管理水域“四区一线”之一。该水域又是我国北方沿海的重要渔场，在长山水道两侧及附近水域分布着大片养殖。每逢鱼汛季节，大量渔船在长山水道及附近水域从事捕捞作业活动。

2014年9月底，天津海事测绘中心联合武汉海达数云技术有限公司，利用iScan-M船载移动三维激光测量系统，对山东省长岛县（长岛群岛）上山水道海岛礁外业扫描测量，获取海岛礁三维激光点云和全景影像。通过iScan配套内业生产加工处理软件，生产获取岸边线成果。

⒉ 现场试验过程

⑴建立测试控制场

采用全站仪、RTK等方法测量主要特征位置坐标值，以此作为对比基准。

在作业区域周边架设GPS静态观察站，要求需架设在已知控制点上，同时设置基站高度角为10°，采样间隔为1s。

⑵设备初始化

开始正式数据采集前，需对设备内部定位定姿模块进行初始化，要求载体保持静止5min左右，检查设备工作状态。

⑶参数设置

根据现场的水道情况，需要对船载水上水下一体化测量系统中各设备进行相应的参数设置。需要设置的参数有：激光无扫描距离^[7]、角度分辨率、相机曝光参数、采集频率、载体最低行驶速度要求等。

⑷数据采集

设备初始化完成后，测试船即按预定的路线行驶，离岸距离小于100m，贴近岸边，启动水上水下各设备开始数据采集工作，采集的数据包括水下地形与地质构造数据、各级水位下水深数据、流速流量数据、航道设施和岸线地物三维坐标点云数据、高清影像数据及GPS/IMU定位定姿数据及基站静态GPS数据等。

⑸结束采集

停止三维激光扫描仪、GPS/IMU、全景相机采集ꎬ同时将系统采集的激光占云和GPS/IMU数据同步拷贝到采集控制笔记本电脑里。同时，需确保在采集停止后方可停止静态基站采集工作。

⒊ 试验获取数据处理过程

⑴轨迹解算

使用轨迹位置姿态解算软件，添加基站静态采集数据.gps和iScan移动站数据.gps，进行后处理解算IMU轨迹位置姿态信息，本次结算POS内符合精度在0.011m内。

⑵点云数据融合解算

数据融合处理功能在高精度定位定姿数据的支持下^[8]，引入系统检校参数，计算点云数据的三维绝对坐标，获得带严密外方位元素的三维点云数据，实现多个激光扫描仪三维点云及全景影像的严格配准。

⑶点云数据处理

利用海达三维激光点云处理软件进行点云与全景影像配准、点云编辑、点云去噪过滤、点云分类、点云着色、点云数据转换、生成DEM、三维目标测量与地物采集测图。

⑷矢量要素提取

利用海达数字测图软件完成基于激光点云、高清全景影像的点、线、面地物要素采集并输出到Autocad格式数据,界面见图1。

四、激光扫描仪的精度分析

本次精度对比选取长岛港口附近区域特征点位，对比方法是采用RTK测量特征点和iScan点云中提取的特征角点进行坐标比对^[9-10]，共35个点，因篇幅关系，本文仅列取前后各5个特征点坐标比对情况，见表1。RTK和三维激光移动测量系统采用同一基站控制点，坐标系统一采用WGS84高斯投影3°带，高程系统WGS-84椭球高。

通过精度对比分析可以看出，东方向均方差为0.11m，北方向均方差为0.122m，高程方向均方差为0.138m^[11]，特征点离航线距离约150～300m。dx最大为0.215m，dy最大为0.212m，最大距离偏差点为：dx为0.036m，dy为0.084m，dz为0.253m，按最大偏差计算误差dr＝0.268m。

根据《水运测量规范》（JTS 131-2012）6.1.1地形测量精度要求，重要点位精度要优于图上距离0.6mm，次要地物及地形点精度要优于图上距离0.8mm，所以根据此次测试表明该设备满足小于1:1000比例尺甚至1:500比例尺水运工程地形测量的要求。

将特征点位差值三维距离进行统计分析^[12]，形成误差分布图，见图2，大部分点位三维距离误差在0.2m以内。

五、结束语

海岛礁、海岸带地形图是海图数据采集更新的重要组成部分，工作任务繁重，传统作业方式劳动强度大，精度低，作业慢，船载型三维激光移动测量系统逐步成熟后，将给海图测量技术带来创新变革，实现海图数据快速采集更新，并降低作业成本。

本文利用三维激光扫描技术对长山水道海岛礁进行了岸线测量和实景采集，克服了难以接近地区的地形数据采集，并利用RTK采集的数据进行了精度分析，证明精度满足规范要求，可以用于地形或实景采集测量等工程项目中。

参考文献:

[1]船载水上水下一体化测量系统操作手册[Ｍ].武汉海达数云技术有限公司,2015.

[2]宋宏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[Ｊ].测绘技术装备,2008(2):40-43.

[3]龚书林.基于iScan一体化移动测量系统的带状地形图测绘生产技术[Ｊ].测绘通报,2014(5):137-138.

[4]毛方儒,王磊.三维激光扫描测量技术[Ｊ].宇航计测技术,2005(2):1-6.

[5]黄文骞.海岛礁测绘的主要技术及方法[Ｊ].测绘通报,2014(5):123-126.[6]李必军,方志祥,任娟.从激光扫描数据中进行建筑物特征提取研究[Ｊ].武汉大学学报:信息科学版,2003(1):65-70.

[7]郑小宁,刘军平.三维激光扫描的应用与精度分析[J].地理空间信息,2008(1):132-134.

[8]龚书林.三维激光点云处理软件的若干关键技术[Ｊ].测绘通报,2014(6):135-136.

[9]罗德安,朱光,陆立,等.基于三维激光影像扫描技术的整体变形监测[J].测绘通报,2005(7):40-42.

[10]郑德华,沈云中,刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析[Ｊ].测绘工程,2005(2):32-43.

[11]杨伟,刘春,刘大杰.激光扫描数据三维坐标转换的精度分析[Ｊ].工程勘察,2004(3):61-63.

[12]向娟,李钢,黄承亮,等.三维激光扫描单点定位精度评定方法研究[Ｊ].海洋测绘,2009(3):68-70.

[13]JTS 131-2012.水运工程测量规范[S].北京:人民交通出版社,2012.

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