船載水岸線水上水下一體化測量系統(tǒng)集成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海洋測繪技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種船載水岸線水上水下一體化測量系 統(tǒng)集成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 準(zhǔn)確的海島（礁）和大陸架海底地形是確定我國領(lǐng)海、專屬經(jīng)濟區(qū)的重要依據(jù)，遠(yuǎn) 海島礁淺水區(qū)海底地形及近岸水上地形測量一直是國內(nèi)外測繪領(lǐng)域的一個難點問題。
[0003] 傳統(tǒng)的外業(yè)測繪一般使用船載單波束回聲測深儀進行水下淺灘測量，采用人工跑 灘、航空攝影以及衛(wèi)星遙感等技術(shù)手段進行水上地形測量；由于不是一體化的測量方式，不 僅使得成本較高，而且很難在相近的時刻獲得水上和水下數(shù)據(jù)，從而引入額外的測量誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種船載水岸線水上水下一體化測量系統(tǒng)集成方法，解決了 海岸帶、海島礁、內(nèi)河航道及水中構(gòu)筑物等的水上下一體化測量問題。
[0005] 本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：
[0006] 船載水岸線水上水下一體化測量系統(tǒng)集成方法，該系統(tǒng)的傳感器包括激光掃描 儀、多波束測深儀和GNSS/INS組合導(dǎo)航設(shè)備，包括：
[0007] 步驟1 :構(gòu)建數(shù)據(jù)采集顯控軟件的總體框架，數(shù)據(jù)采集顯控軟件的總體框架由控 制層、數(shù)據(jù)層和顯示層三部分組成；
[0008] 步驟2 :建立網(wǎng)絡(luò)通信機制，數(shù)據(jù)采集顯控軟件包括監(jiān)控端和采集端，監(jiān)控端通過 與采集端進行通信連接，發(fā)送控制命令，并接收采集端的反饋信息及傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)信息， 采集端同時與監(jiān)控端和傳感器建立通信，各個傳感器發(fā)送至顯控軟件監(jiān)控端需要保存并實 時顯示的數(shù)據(jù)稱之為上行數(shù)據(jù)，監(jiān)控端發(fā)送至各傳感器的控制命令、設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)為下行 數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟3:優(yōu)化多線程控制算法，數(shù)據(jù)傳輸采用多線程傳輸，在算法中設(shè)置有主線 程、三個子線程和緩沖區(qū)，三個子線程分別對應(yīng)多波束測深儀、激光掃描儀和GNSS/INS組 合導(dǎo)航設(shè)備，主線程負(fù)責(zé)下行數(shù)據(jù)的通訊傳輸，三個子線程用于傳輸上行數(shù)據(jù)，在上行數(shù)據(jù) 由采集端發(fā)送至監(jiān)控端的過程中，上行數(shù)據(jù)先保存到緩沖區(qū)中，然后再以報文的形式發(fā)送 到監(jiān)控端；
[0010] 步驟4 :規(guī)劃點云實時顯示模塊，數(shù)據(jù)采集顯控軟件通過可視化技術(shù)來規(guī)劃點云 實時顯示模塊，將源、過濾器、映射器、角色和渲染器依次連接起來；
[0011] 步驟5 :進行多源數(shù)據(jù)融合解算，多源數(shù)據(jù)融合解算包括點云數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)內(nèi) 插和空間配準(zhǔn)三步；
[0012] 步驟6:點云數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括點云濾波和點云抽稀，點云濾波包括回波信號去 噪、距離去噪和時間去噪，點云抽稀是對密集的點云數(shù)據(jù)進行縮減；
[0013] 步驟7 :數(shù)據(jù)內(nèi)插，數(shù)據(jù)內(nèi)插采用線性內(nèi)插，將低頻率的數(shù)據(jù)按照高頻率的數(shù)據(jù)進 行內(nèi)插，在進行數(shù)據(jù)內(nèi)插時，首先，導(dǎo)入慣導(dǎo)姿態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)檢校參數(shù)得到各個時刻激光掃 描儀和多波束測深儀中心點的坐標(biāo)及姿態(tài)；然后，導(dǎo)入原始激光數(shù)據(jù)和測深數(shù)據(jù)，對其進行 解析，從而得到測點在傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)以及GPS時；根據(jù)各個點的時間對應(yīng)查找此 時刻傳感器的位置與姿態(tài)，以得到坐標(biāo)匹配模型中構(gòu)成旋轉(zhuǎn)矩陣的三個角度，以及三個平 移參數(shù)；
[0014] 步驟8 :空間配準(zhǔn)，定義五個坐標(biāo)系統(tǒng)，包括載體坐標(biāo)系、激光掃描儀坐標(biāo)系、多波 束測深儀坐標(biāo)系、站心坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系，激光掃描儀坐標(biāo)系和多波束測深儀坐標(biāo)系為 傳感器坐標(biāo)系，載體坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點位于慣性測量單元的質(zhì)心，Yi軸指向前進方向，X i軸 垂直于Yi軸指向前進方向的右側(cè)，Z 3由垂直于X p Yi軸指向上方，構(gòu)成右手坐標(biāo)系；激光掃 描儀坐標(biāo)系是一個以垂線和掃描平面為參考的右手坐標(biāo)系，以激光發(fā)射參考點為原點，以 垂直向上的方向為zji，以載體前進方向為Ys軸，Xs軸垂直于Ys軸指向前進方向的右側(cè)； 多波束測深儀坐標(biāo)系以換能器接收端中心為坐標(biāo)原點，以換能器前進方向為Ym軸，沿接收 端陣列平面垂直于Ym軸向右為X "軸，過該點垂直于接收端陣列向連接法蘭方向為Z "軸，建 立右手坐標(biāo)系；站心坐標(biāo)系原點位于GNSS天線的相位中心，Yi軸指向當(dāng)?shù)乇弊游缇€方向，Χι 軸與Yi軸垂直指向東方向，zji向上與XiOYi平面垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系；大地坐標(biāo)系為地心 地固坐標(biāo)系；
[0015] 步驟9 :根據(jù)坐標(biāo)匹配模型得到測點在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，通過傳感器坐標(biāo)系 到載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、載體坐標(biāo)系到站心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換和站心坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn) 換，將傳感器的點位坐標(biāo)歸算到大地坐標(biāo)。
[0016] 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集顯控軟件的主界面設(shè)置有任務(wù)欄和顯示區(qū)域，任務(wù)欄由控 制命令按鈕組成，控制命令按鈕有搜索、項目、連接、對準(zhǔn)、設(shè)置、開始、暫停、斷開和完成，顯 示區(qū)域由定位類模塊、姿態(tài)類模塊、點云實時顯示類模塊和日志監(jiān)控類模塊組成。
[0017] 本發(fā)明具有的有益效果是：
[0018] 本發(fā)明提供的船載水岸線水上水下一體化測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一體化測圖裝 置，測圖裝置通過使用不同口徑的內(nèi)六角安裝固定，并設(shè)置有方便吊裝的接口，便于測圖裝 置與載體船之間的快速安裝和拆解。
[0019] 測圖裝置的多傳感器升降平臺設(shè)計實現(xiàn)測量系統(tǒng)的硬件集成，滿足測量船在不同 工況條件下改變傳感器上下位置的要求。多傳感器升降平臺可通過一體化檢校方式確定傳 感器空間位置關(guān)系，且一次檢校后各傳感器之間的偏移量和旋轉(zhuǎn)角系統(tǒng)參數(shù)不會隨升降位 置變化而變化，避免了測量作業(yè)過程中的多次重復(fù)標(biāo)定工作。
[0020] 本發(fā)明所涉及的數(shù)據(jù)采集顯控軟件集成方法通過將各傳感器發(fā)送給監(jiān)控端的數(shù) 據(jù)實時地顯示在顯控界面上，直觀地向用戶展現(xiàn)設(shè)備工作狀態(tài)，特別是提供水上、水下地形 瀑布式點云顯示，提高了信息挖掘能力和現(xiàn)場決策支持能力。
[0021] 本發(fā)明所涉及的多源數(shù)據(jù)融合解算技術(shù)為點云實時顯示提供了算法支持；嚴(yán)密的 時間和空間配準(zhǔn)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型保證了精確的點位關(guān)系，為后續(xù)點云正確顯示奠定基礎(chǔ)； 點云濾波與抽稀剔除了噪聲和冗余數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)內(nèi)插效率。
【附圖說明】
[0022] 圖1為船載水上水下一體化測圖裝置中升降機構(gòu)落下狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2為船載水上水下一體化測圖裝置的平臺裝置的俯視圖。
[0024] 圖3為船載水上水下一體化測圖裝置中升降機構(gòu)升起狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖4為數(shù)據(jù)采集顯控軟件總體架構(gòu)圖。
[0026] 圖5為多線程網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計框架圖。
[0027] 圖6為點云可視化通道管線設(shè)計圖。
[0028] 圖7為多傳感器數(shù)據(jù)融合解算流程圖。
[0029] 圖8為數(shù)據(jù)內(nèi)插設(shè)計圖。
[0030] 圖9為點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)算法流程圖。
[0031] 圖10為載體坐標(biāo)系的正視圖。
[0032] 圖11為載體坐標(biāo)系的俯視圖。
[0033] 圖12為激光掃描儀坐標(biāo)系示意圖。
[0034] 圖13為多波束測深儀坐標(biāo)系示意圖。
[0035] 圖14為傳感器坐標(biāo)系到載體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換示意圖。
[0036] 圖15為載體坐標(biāo)系到站心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換示意圖。
[0037] 圖16為站心坐標(biāo)系到地心地固坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換示意圖。
[0038] 圖17為各傳感器儀器中心和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行具體的說明：
[0040] 結(jié)合圖1至圖3,該系統(tǒng)包括船載水上水下一體化測圖裝置，該一體化測圖裝置包 括固定機構(gòu)和升降機構(gòu)。
[0041] 其中，固定機構(gòu)包括四根第一鋼管15,第一鋼管15的上下兩端分別焊接有固定機 構(gòu)的頂板7和固定機構(gòu)的底板17,固定機構(gòu)的頂板7和固定機構(gòu)的底板17之間連接有一橫 截面為三角形的中間鋼板16,中間鋼板16上設(shè)置有滑輪12和旋轉(zhuǎn)固定裝置5。固定機構(gòu) 的頂板7上設(shè)置有基座13,固定機構(gòu)的底板17上還設(shè)置有蓋板18,固定機構(gòu)的底板17下 部固定連接有用于與船體連接的連接板8。
[0042] 升降機構(gòu)包括主板4,主板的四個角處設(shè)置有四根第二鋼管14,主板4的中間位置 處通過固定螺栓11連接有主鋼管9。主板4上端固定連接有激光掃描儀和GNSS/INS組合 導(dǎo)航設(shè)備封裝外殼2,主鋼管9下端通過法蘭盤10固定連接有多波束測深儀外殼1。
[0043] 第二鋼管14能夠伸入到第一鋼管15內(nèi)，并沿第一鋼管15內(nèi)壁滑動，主鋼管9插 入中間鋼板16內(nèi)，并自固定機構(gòu)的底板17伸出，固定機構(gòu)的底板17上還設(shè)置有升降機3， 升降機為手搖式升降機。升降機3上通過卡扣連接有鋼絲繩