吴榜章
深圳市地籍测绘大队 广东深圳 518000
摘要：水下地形测量是我国新型基础测绘重要组成部分。本文通过Terra Solid对海量水下多波束数据和两岸地形数据中的噪声和非地形数据进行自动滤波和人工交互滤波处理，形成真实的水上水下一体化地形模型，对提高对水下地形数据一体化获取和处理的效率至关重要。
关键词：多波束测深；Terra Solid；数据处理
引 言
多波束测深系统是一种具有高效率、高精度和高分辨率的水下地形测量新技术。近年来，丹麦Reson公司研制的eaBat7125－SV2型多波束测深系统在水下地形测量广泛应用，应该系统属浅水型双频高分辨率多波束测深系统，工作频率为200/400KHZ，水深分辨率为6mm，扫宽为165°，最大测深范围为500ｍ。同时集成三维激光扫描系统，其获取数据密度高、全覆盖、能够准确全面反映地形起伏变化情况，但同时数据中存在水下生物、漂浮物以及定位漂移等造成的噪声数据，由于数据量巨大，如何快速又准确的从海量数据中滤除噪声，是制作水下地形模型的关键步骤。针对如何对海量多波束数据进行处理的问题，本文提出了Terra Scan与Terra Modeler相结合的方法对海量多波束点云数据和三维激光点云滤波处理的方法步骤：海量多波束数据可被看作海底的点云数据，利用随机软件分区导出最大密度的三维点数据，利用Terra Scan软件的宏批量对海量多波束数据的后处理结果进行质量检查并抽稀后，再通过与Terra Modeler软件生成三维模型来检查、编辑影响正确模型的多波束点云数据。
1.多波束测深系统与Terra Solid软件简介
eaBat7125－SV2型多波束测深系统由甲板单元和水下单元两部分组成。水下单元主要包括由压电陶瓷换能器阵列组成的发射和接收换能器，用于声波的发射和接收；甲板单元主要包括处理器主机、控制计算机和实时水深显示等设备。甲板同时集成三维激光扫描系统，可以同时测量水底地形和岸边地形地貌，真正实现水上水下数字化无缝衔接，为航道、港口、水利建设提供精确完整的数据。目前该系统主要用于水文测量、航道测量、海洋工程测量，以及水下检测和目标物定位、海洋调查等领域。
Terra Solid软件是目前商业化、功能齐全的激光点云数据处理软件，包括Terra Scan、Terra Modeler、Terra Match、Terra Photo等系列模块。其中Terra Scan模块专业处理点云数据，可方便快速地显示海量三维点数据、坐标转换、数据分块、滤除噪声点，抽稀点云数据、生成点云剖面、输出三维地形模型等，Terra Modeler是功能齐全的地形模型生成、编辑模块。
2.多波束测深原理
多波束测深系统的发射基阵和接收基阵采用相互垂直的结构，发射基阵平行于船体的艏艉线，接收基阵垂直于船体的艏艉线。实际测量时，多波束的发射和接收是按照一定的模式进行的，通常，发射波束的横向大于纵向，接收波束宽度纵向大于横向。换能器阵发射扇形声波波束，照射测量船正下方的一条狭窄水域。声波在水中传播，碰到该水域底部泥沙等界面时发生反射，因各反射点距离换能器的远近不同，回波返回的时间亦不相同；到达换能器的回波中包含了水下地形的起伏等信息。对各回波信号进行固定方向的多波束形成、能量累积、幅度检测等处理，即完成一次测量。此时根据对应角度的波束可以计算出各反射点到换能器的距离信息，再经过简单的三角变换即可同时测出多点的深度信息。通过GPS、姿态传感器、声速剖面仪等辅助传感器对波束进行绝对位置、姿态等相应改正，即得到海底地形情况。
3.数据准备
数据准备主要包括数据导入、坐标转换、数据分块。
3.1数据导入
三维激光点云由原始格式转换为通用的ＬＡＳ格式，多波束测深数据需利用随机软件按照测量分区输出水深数据为间隔0.2ｍ 的三维点云，采用Terra Scan下导入文本格式*.xyz，内容为：Y坐标X 坐标高程值，中间用空格或者逗号分隔即可。
3.2坐标转换
获取的原始数据为WGS84UTM投影坐标和大地高，根据已知公共点坐标和高程异常值，在Terra Scan下自定义User projection systems和Transformations来完成坐标转换[1]。
3.3数据分块
由于软硬件性能的限制，一般整个测区数据无法整体处理，需将数据根据点云数量进行分块，然后利用Terra Scan强大的宏命令进行批量处理操作，分块一般有规则分块和不规则分块（图1），根据需求选择，此项目的河流水库形状为不规则带状数据，因此最终采用不规则方式分块，避免出现零星数据块。
图1 不规则分块和规则分块
4.数据处理
4.1滤除噪点
由于三维激光扫描和多波束测深系统采集的是海量的空间三维点云数据，其中包含着因各种误差因素引起的噪声和错点，根据与地形的关系分为高点、低点和其他形式的噪声点。噪点的分布一般没有特定的规律，但它们会对生成水上水下地形精度和质量产生很大的影响（图2），因此必须从数据集中剔除这部分点。
图2 滤除前噪点剖面与形成的模型
滤除算法：通常我们认为地表是一个连续的表面，在点云较均匀的前提下，如果一个点或点簇（限定数量）与周围给定范围内的其余点高程差超过设定的阈值时，可以认为此点为噪点。
Terra Scan下利用Airpoints 和 ClassifyLowpoints功能，分别选择选项Singlepoints和Groupsofpoints编写Macro命令，批量对所有数据分块进行运算滤波，其中滤除Groupsofpoints时Ｍａｘｃｏｕｎｔ的阈值根据数据情况定义。经过上述数据剔除之后，处理后数据能更客观的反映真实的水下地形（图3）。图3滤除后噪点剖面与形成的模型3.2提取边岸地面点船载三维扫描仪在扫描边岸时所获取到的点云数据除了地面点云外，还包含有植被、人工地物、点云噪声等相关数据（图4）。因此船载三维激光点云数据需要经过点云分类处理环节，剔除植被、建筑物等非地面点，保留地面点避免非地面点对后期等高线生成的影响[2]。
图4 三维扫描仪全要素点云
主要采用阈值法，依次剔除超出边岸范围点、折射噪声点、水面漂浮点以及边岸一定高度上的植被、人工对象等点云数据，通过在Terra Scan的开两个视窗，视窗1显示点云，视窗2中选择ｍｏｄｅｌ模块下的Createeditablemodel功能创建模型，选择Displaysurface下Dislayshadedsurface命令在视窗2中显示模型。在Drawsection 下选择Synchronizeviewsmatch使两个窗口同步，使得模型和点云数据同步显示。检查模型中是否有不合理的区域。在不合理的区域可以利用单点的分类、多点分类、分类低点、分类高点等命令工具进行精确分类，从而得到范围内的边岸地面点云数据。
4.3水下多波束点云数据处理
在点云的滤波过程中，水下地形需要保留水底各种如沉积物、管线、独立物体等会影响航行或者各种水下活动的地物（图6），由于程序的自动滤波可能会判断为噪点，因此需要人工交互进行检查判断是否进行保留，如下图中某水库中水下被淹没的人工建筑物[3]。
图6 水下地物点云剖面及模型
6.结语
综上所述，随着多波束测深精度的提高以及国内大型水下工程的建设，多波束在水下工程中发挥的作用也越来越大。本文通过激光点云处理软件Terra Solid对海量水下多波束数据和两岸地形数据中的噪声和非地形数据进行自动滤波和人工交互滤波处理，形成了真实的水上水下一体化地形模型，准确表达了水下地形真实情况。
（1）通过Terra Solid海量水上水下一体化数据处理方法，利用Terra Solid的坐标转换功能、海量数据分块后宏批量处理功能、结合船载水上激光点云和水下多波束点云的特点，使海量水上激光点云和水下多波束数据的生产合并应用得以实现。
（2）在实际生产过程中，水上激光点云和水下多波束点云在水面结合处会有重叠和空隙，需要合理进行人工处理。水下多波束数据点输出的抽稀间隔需根据地形特征及后期成图需要确定。点云间隔过小影响分块数量和处理速度，点云间隔过大对后期模型或者等高线的生成也是有较大的影响。
（3）在处理水下数据时，要注意与水上的区别，如在地面的独立石，点云滤波时需放入非地面点，而水底的类似地物，则必须以地面点来表示，保证准确表达水下地形真实情况，使海量多波束数据的生产应用得以实现。
参考文献：
[1]边志刚，王冬.船载水上水下一体化综合测量系统技术与应用[J].港工技术.2017（01）
[2]赵春明，叶作安，谢志茹，赵春城.水上水下一体化测量技术探讨[J].中国水运（下半月）.2016（09）
[3]陆秀平，黄谟涛，翟国君，黄贤源，黄辰虎.多波束测深数据处理关键技术研究进展与展望[J].海洋测绘.2016（04）
论文作者:吴榜章
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/6
标签：波束论文; 水下论文; 数据论文; 地形论文; 海量论文; 模型论文; 测量论文; 《防护工程》2018年第25期论文;