一种船载水上水下一体化测量系统野外实时校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及海洋测绘技术领域，具体设及一种船载水上水下一体化测量系统野外 实时校准方法。
【背景技术】
[0002] Ξ维激光扫描系统可快速获取水面W上大量地形点云数据，多波束测深仪能够快 速获取海底大面积地形点云数据，集成Ξ维激光扫描仪和多波束测深仪的"船载水上水下 一体化测量系统"可W同时获取海底地形和近岸水上地形数据，解决近岸海岸带和滩涂地 形测量问题。"船载水上水下一体化测量系统"的整体检校是保障测量精度的重要方面。此 夕h船载多传感器系统用于海上作业时，有时作业条件不满足对水上水下测量数据整体检 校要求，因此对于"船载水上水下一体化测量系统"整体检校方法有必要进行研究和实施， W保障一体化测量精度。
【发明内容】
[0003] 针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种船载水上水下一体化测 量系统野外实时校准方法，设计合理，提高了测量数据的准确性，具有良好的效果。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种船载水上水下一体化测量系统野外实时校准方法，采用船载水岸线一体化测 量系统，其近岸水上部分包括激光扫描仪和惯性导航系统，水下部分包括多波束测深仪，水 上部分与水下部分通过一个平台支架固连；其中的激光扫描仪用于测量近岸水上地形数 据，多波束测深仪用于测量水下地形数据，惯性导航系统用于为激光扫描仪和多波束测深 仪提供定位信息、时间信息、姿态信息和航向信息；
[0006] 所述的船载水上水下一体化测量系统野外实时校准方法，按照如下步骤进行：
[0007] 步骤1:将六个圆球作为一组按一定顺序串联起来;选用合适材料调整串联圆球的 浮力，使得串联圆球中上方Ξ个圆球处在水面W上，下方Ξ个圆球处在水面W下，圆球自上 而下依次编号为1，2,3,4,5,6，圆球大小设计尺寸适中，水面^上圆球可被激光扫描仪充分 扫描，水面W下圆球可被多波束测深仪充分扫描，同时测量数据能够表示圆球的实际外形； [000引步骤2:选取2组或2组W上六个串联的圆球竖直放置在水中不同位置，2组串联圆 球间距根据实际情况适当选取并选取固定位置进行稳定;选择第一组圆球检校目标物最上 方1号圆球中屯、建立ENU坐标系，并使选取的检校目标物圆球中屯、连线与ENU坐标系的Z轴保 持平行，即圆球中屯、连线保持竖直；
[0009] 步骤3:行驶测量船于目标物一侧，使船行进时惯性导航系统坐标系与建立的ENU 坐标系轴向保持一致，通过激光扫描仪和多波束测深仪同时进行信息采集，针对串联圆球 目标物获取水上水下测量点数据，分别提取放置在水中的几组串联圆球的测量点信息；
[0010] 步骤4:在获取船载多传感器测量系统整体粗标定参数W及激光扫描仪的精检校 参数基础上根据精检校后的激光扫描仪测量数据可作为海上检校目标物的准确空间点云 数据，w粗标定获得的多波束坐标系相对于惯性导航系统坐标系的偏移量和旋转角作初 值，求多波束坐标系相对于惯性导航系统坐标系的偏转角修正值。
[0011] W激光扫描仪测量的数据为准，针对一组串联圆球，根据串联圆球球屯、在同一直 线上，通过激光扫描仪测量数据拟合水面W上Ξ个圆球球屯、坐标并推算出水面W下Ξ个圆 球球屯、坐标，利用多波束测量数据拟合水面W下Ξ个圆球球屯、坐标；由水上圆球球屯、和水 下圆球球屯、坐标在ENU坐标系下拟合分别在X0Y平面，Y0Z平面，X0Z平面的投影直线;分别在 Ξ个平面中利用激光扫描仪和多波束测量数据拟合的直线求解多波束测量数据相对于激 光扫描仪数据在Ξ个平面内的夹角，从而获得船载水上水下一体化测量系统整体检校中多 波束坐标系相对惯性导航系统坐标系的角度偏转量修正值。
[0012] 步骤5:在完成W上偏转角度修正量的确定工作后，此时激光扫描仪测量数据与多 波束测量数据只存在Χ，Υ，ΖΞ个方向的平移，对第一组检校目标物4号球，利用多波束数据 拟合获得的4号圆球球屯、坐标与激光扫描仪数据推算4号圆球球屯、坐标做差获得一组差值； 同理，对5号球和6号球分别进行此操作，最终获得Ξ组多波束数据相对于激光扫描仪数据 在Χ，Υ，ΖΞ个方向的平移值，对运Ξ组值取平均作为多波束坐标系相对于惯性导航系统坐 标系Ξ个坐标轴距离偏移的修正值。
[OOU] 优选地，在步骤帥，具体包括
[0014] 步骤4.1:对船载水上水下一体化测量系统进行整体粗标定，获取激光扫描仪坐标 系W及多波束测深仪坐标系相对于惯性导航系统坐标系的偏移量和旋转角；
[0015] 步骤4.2:对激光扫描仪进行精检校，获得激光扫描仪的精检校参数；
[0016] 步骤4.3:在X0Z平面内对横摇方向偏转夹角δγ大小与方向确定
[0017] 选取第一组串联圆球检校目标物，分别利用水上和水下各Ξ个圆球中屯、拟合在 ENU坐标系下Χ0Ζ平面内的两条投影直线，该两条直线为：
[001 引Li:z=kix+bi
[0019] Lm：z= k2X+b2
[0020] 其中：Li对应激光扫描仪数据拟合直线，Lm对应多波束数据拟合直线。
[0021] 取两条直线与ENU坐标系Z轴正向夹角在0到V2内的向量，则对应激光扫描仪数据 的直线向量为（1，ki)，对应多波束数据所得直线向量为（1，k2)。则多波束数据相对于激光扫 描仪数据在横摇方向的角度偏转为向量(l，ki)与向量(l，k2)之间的夹角。计算两向量与X轴 正向的夹角余弦值，用向量(1，〇)代表X轴正向的，若多波束对应向量与X轴正向的夹角余弦 值大于激光扫描仪对应向量与X轴正向的夹角余弦值，则定义横摇偏转角为正值;若多波束 对应向量与X轴正向的夹角余弦值小于激光扫描仪对应向量与X轴正向的夹角余弦值，则定 义横摇偏转角δγ为负值
[0022] 步骤4.4:在Υ0Ζ平面内对纵摇方向偏转夹角δθ大小与方向确定
[0023] 选取第一组串联圆球检校目标物，分别利用水上和水下各Ξ个圆球中屯、拟合在 ENU坐标系下Υ0Ζ平面内的两条投影直线，运两条直线为：
[0024] Li:z=kiy+bi
[0025] Lm：z=k2y+b2
[0026] 其中：Li对应激光扫描仪数据拟合直线，Lm对应多波束数据拟合直线。
[0027] 取两条直线与ENU坐标系Z轴正向夹角在0到31/2内的向量，则对应激光扫描仪数据 的直线向量为（1，ki)，对应多波束数据所得直线向量为（1，k2)。则多波束数据相对于激光扫 描仪数据在纵摇方向的角度偏转为向量(l，kl)与向量(l，k2)之间的夹角。计算两向量与巧由 正向的夹角余弦值，用向量(1，〇)代表Y轴正向，若多波束对应向量与Y轴正向的夹角余弦值 大于激光扫描仪对应向量与Y轴正向的夹角余弦值，则定义纵摇偏转角为负值;若多波束对 应向量与Y轴正向的夹角余弦值小于激光扫描仪对应向量与Y轴正向的夹角余弦值，则定义 纵摇偏转角δθ为正值
[002引步骤4.5:在Χ0Υ平面内对腊摇方向偏转夹角如大小与方向确定
[0029] 求腊摇方向偏转角度需要用到两组串联圆球检校目标物。首先对两组串联圆球检 校目标物分别对其水面W上Ξ个圆球球屯、进行拟合直线。利用该拟合的直线W及串联圆球 的设计尺寸推算水面W下Ξ个圆球的球屯、位置，获得两组检校目标物水面W下由激光扫描