船载水岸线水上水下一体化测量系统集成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及海洋测绘技术领域，具体涉及一种船载水岸线水上水下一体化测量系 统集成方法。
【背景技术】
[0002] 准确的海岛（礁）和大陆架海底地形是确定我国领海、专属经济区的重要依据，远 海岛礁浅水区海底地形及近岸水上地形测量一直是国内外测绘领域的一个难点问题。
[0003] 传统的外业测绘一般使用船载单波束回声测深仪进行水下浅滩测量，采用人工跑 滩、航空摄影以及卫星遥感等技术手段进行水上地形测量；由于不是一体化的测量方式，不 仅使得成本较高，而且很难在相近的时刻获得水上和水下数据，从而引入额外的测量误差。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种船载水岸线水上水下一体化测量系统集成方法，解决了 海岸带、海岛礁、内河航道及水中构筑物等的水上下一体化测量问题。
[0005] 本发明采用以下的技术方案：
[0006] 船载水岸线水上水下一体化测量系统集成方法，该系统的传感器包括激光扫描 仪、多波束测深仪和GNSS/INS组合导航设备，包括：
[0007] 步骤1 :构建数据采集显控软件的总体框架，数据采集显控软件的总体框架由控 制层、数据层和显示层三部分组成；
[0008] 步骤2 :建立网络通信机制，数据采集显控软件包括监控端和采集端，监控端通过 与采集端进行通信连接，发送控制命令，并接收采集端的反馈信息及传输的采集数据信息， 采集端同时与监控端和传感器建立通信，各个传感器发送至显控软件监控端需要保存并实 时显示的数据称之为上行数据，监控端发送至各传感器的控制命令、设置参数数据为下行 数据；
[0009] 步骤3:优化多线程控制算法，数据传输采用多线程传输，在算法中设置有主线 程、三个子线程和缓冲区，三个子线程分别对应多波束测深仪、激光扫描仪和GNSS/INS组 合导航设备，主线程负责下行数据的通讯传输，三个子线程用于传输上行数据，在上行数据 由采集端发送至监控端的过程中，上行数据先保存到缓冲区中，然后再以报文的形式发送 到监控端；
[0010] 步骤4 :规划点云实时显示模块，数据采集显控软件通过可视化技术来规划点云 实时显示模块，将源、过滤器、映射器、角色和渲染器依次连接起来；
[0011] 步骤5 :进行多源数据融合解算，多源数据融合解算包括点云数据预处理、数据内 插和空间配准三步；
[0012] 步骤6:点云数据预处理，包括点云滤波和点云抽稀，点云滤波包括回波信号去 噪、距离去噪和时间去噪，点云抽稀是对密集的点云数据进行缩减；
[0013] 步骤7 :数据内插，数据内插采用线性内插，将低频率的数据按照高频率的数据进 行内插，在进行数据内插时，首先，导入惯导姿态数据，根据检校参数得到各个时刻激光扫 描仪和多波束测深仪中心点的坐标及姿态；然后，导入原始激光数据和测深数据，对其进行 解析，从而得到测点在传感器坐标系下的坐标以及GPS时；根据各个点的时间对应查找此 时刻传感器的位置与姿态，以得到坐标匹配模型中构成旋转矩阵的三个角度，以及三个平 移参数；
[0014] 步骤8 :空间配准，定义五个坐标系统，包括载体坐标系、激光扫描仪坐标系、多波 束测深仪坐标系、站心坐标系和大地坐标系，激光扫描仪坐标系和多波束测深仪坐标系为 传感器坐标系，载体坐标系的坐标原点位于惯性测量单元的质心，Yi轴指向前进方向，X i轴 垂直于Yi轴指向前进方向的右侧，Z 3由垂直于X p Yi轴指向上方，构成右手坐标系；激光扫 描仪坐标系是一个以垂线和扫描平面为参考的右手坐标系，以激光发射参考点为原点，以 垂直向上的方向为zji，以载体前进方向为Ys轴，Xs轴垂直于Ys轴指向前进方向的右侧； 多波束测深仪坐标系以换能器接收端中心为坐标原点，以换能器前进方向为Ym轴，沿接收 端阵列平面垂直于Ym轴向右为X "轴，过该点垂直于接收端阵列向连接法兰方向为Z "轴，建 立右手坐标系；站心坐标系原点位于GNSS天线的相位中心，Yi轴指向当地北子午线方向，Χι 轴与Yi轴垂直指向东方向，zji向上与XiOYi平面垂直构成右手坐标系；大地坐标系为地心 地固坐标系；
[0015] 步骤9 :根据坐标匹配模型得到测点在大地坐标系下的坐标，通过传感器坐标系 到载体坐标系的转换、载体坐标系到站心坐标系的转换和站心坐标系到大地坐标系的转 换，将传感器的点位坐标归算到大地坐标。
[0016] 优选地，所述数据采集显控软件的主界面设置有任务栏和显示区域，任务栏由控 制命令按钮组成，控制命令按钮有搜索、项目、连接、对准、设置、开始、暂停、断开和完成，显 示区域由定位类模块、姿态类模块、点云实时显示类模块和日志监控类模块组成。
[0017] 本发明具有的有益效果是：
[0018] 本发明提供的船载水岸线水上水下一体化测量系统，该系统包括一体化测图装 置，测图装置通过使用不同口径的内六角安装固定，并设置有方便吊装的接口，便于测图装 置与载体船之间的快速安装和拆解。
[0019] 测图装置的多传感器升降平台设计实现测量系统的硬件集成，满足测量船在不同 工况条件下改变传感器上下位置的要求。多传感器升降平台可通过一体化检校方式确定传 感器空间位置关系，且一次检校后各传感器之间的偏移量和旋转角系统参数不会随升降位 置变化而变化，避免了测量作业过程中的多次重复标定工作。
[0020] 本发明所涉及的数据采集显控软件集成方法通过将各传感器发送给监控端的数 据实时地显示在显控界面上，直观地向用户展现设备工作状态，特别是提供水上、水下地形 瀑布式点云显示，提高了信息挖掘能力和现场决策支持能力。
[0021] 本发明所涉及的多源数据融合解算技术为点云实时显示提供了算法支持；严密的 时间和空间配准及坐标转换模型保证了精确的点位关系，为后续点云正确显示奠定基础； 点云滤波与抽稀剔除了噪声和冗余数据，提高了数据内插效率。
【附图说明】
[0022] 图1为船载水上水下一体化测图装置中升降机构落下状态时的结构示意图。
[0023] 图2为船载水上水下一体化测图装置的平台装置的俯视图。
[0024] 图3为船载水上水下一体化测图装置中升降机构升起状态时的结构示意图。
[0025] 图4为数据采集显控软件总体架构图。
[0026] 图5为多线程网络通信设计框架图。
[0027] 图6为点云可视化通道管线设计图。
[0028] 图7为多传感器数据融合解算流程图。
[0029] 图8为数据内插设计图。
[0030] 图9为点云数据配准算法流程图。
[0031] 图10为载体坐标系的正视图。
[0032] 图11为载体坐标系的俯视图。
[0033] 图12为激光扫描仪坐标系示意图。
[0034] 图13为多波束测深仪坐标系示意图。
[0035] 图14为传感器坐标系到载体坐标系的转换示意图。
[0036] 图15为载体坐标系到站心坐标系的转换示意图。
[0037] 图16为站心坐标系到地心地固坐标系的转换示意图。
[0038] 图17为各传感器仪器中心和坐标系转换关系示意图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图对本发明进行具体的说明：
[0040] 结合图1至图3,该系统包括船载水上水下一体化测图装置，该一体化测图装置包 括固定机构和升降机构。
[0041] 其中，固定机构包括四根第一钢管15,第一钢管15的上下两端分别焊接有固定机 构的顶板7和固定机构的底板17,固定机构的顶板7和固定机构的底板17之间连接有一横 截面为三角形的中间钢板16,中间钢板16上设置有滑轮12和旋转固定装置5。固定机构 的顶板7上设置有基座13,固定机构的底板17上还设置有盖板18,固定机构的底板17下 部固定连接有用于与船体连接的连接板8。
[0042] 升降机构包括主板4,主板的四个角处设置有四根第二钢管14,主板4的中间位置 处通过固定螺栓11连接有主钢管9。主板4上端固定连接有激光扫描仪和GNSS/INS组合 导航设备封装外壳2,主钢管9下端通过法兰盘10固定连接有多波束测深仪外壳1。
[0043] 第二钢管14能够伸入到第一钢管15内，并沿第一钢管15内壁滑动，主钢管9插 入中间钢板16内，并自固定机构的底板17伸出，固定机构的底板17上还设置有升降机3， 升降机为手摇式升降机。升降机3上通过卡扣连接有钢丝绳