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• 作者：增职业务执行中心-郑彦龙
• 发布时间：2020-12-11 17:12
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【概要描述】长期以来，海洋测绘一直是海洋研究的前沿领域之一。伴随着近年间我国“海洋强国”和“海上丝绸之路”等相关战略的陆续实施，海洋测绘更是已成为目前挖掘海洋经济的重要手段与海洋开发过程中的首要生产力。 　　在此背景下，用于海洋测绘的高新技术手段——水下目标的实时三维可视化探测与跟踪技术也具备了极大的商业和军事价值，在快速收集分析水下环境信息，为水下运动和作业提供指导的同时，更能够助力实现海洋环境的充分开发利用。 　　考虑到单波束测深系统获取海底地形需要密集布线，测量效率低成本高，多波束测深系统虽然能够同时获取批量测深数据，但价格昂贵且操作复杂，本方案以目前海洋测绘广泛应用的声呐数据为目标数据源，综合利用几何校正、影像特征点匹配及平差计算、地理编码、伪彩色处理、二维高度图生成、三维点云图像生成、声呐图像三维重构、目标物提取与跟踪等技术，高效实现海洋测绘过程中海底探测目标的精确三维重建与相关信息获取。 　　   　　方案原理 　　本方案详细技术流程如下文所述。 　　声呐探测 　　声呐探测系统通常通过安装在探测设备左右两侧的换能器向外发射扇形声波来获取海底声学影像。声呐设备工作时，首先由换能器向垂直于航向方向的左右两岸各发射一个扇形脉冲，脉冲水平波束宽度较小，垂直波束宽度较大，以球面波的形式向外传播，碰到海底或水中物体后即产生散射，其中反射波及后向散射波会按照原传播路线传播并被接收换能器接收，随后通过换能器转换成一系列幅度大小不等的电脉冲串作为海洋探测的原始数据。 　　同时，考虑到声呐数据采集过程中海水对声波的吸收、散射作用以及声波的扩散使得声波在海水中传播时随着距离的增大其反向散射强度逐渐衰减，声呐硬件需配备相应增益补偿措施。 　　海底线检测 　　作为声呐图像中表征拖鱼至海底高度变化的线，海底线既是声呐横向增益的起始线，也是几何校正的基准线，因此正确地进行海底线精确检测是声呐图像数据预处理的关键一步。 　　声呐数据校正 　　声呐系统在实际工作过程中，图像变形、信号衰减、投影不稳定、航向及旁向姿态、航速、倾斜距离改正等多方面因素均会影响声呐数据获取的准确性并导致图像的几何畸变，需要从相对定向、控制场绝对定向、地理编码等三个方面来实现声呐图像的几何校正。 　　相对定向 　　依据同名光线共面原则，通过光学机械法、解析法恢复光束间相对方位，并通过恢复出的结果对原始图像进行斜距校正，从而正确表征海底目标物的真实形状与尺寸。 　　   　　控制场绝对定向 　　对已完成相对定向的声呐图像进行旋转平移操作，使其与实际地理坐标数据相匹配，从而在声呐图像中建立起地面坐标系统并查找控制点完成声呐图像的绝对定向。同时，利用视差分布情形所提供的线索，通过对两个声呐探测器的调整来建立声呐数据的立体模型。 　　   　　地理编码 　　将斜距改正后的侧扫声呐声图根据其航行轨迹投射到实际地理坐标系中，将各种变形综合考虑，使声图纵横比相等，消除走航造成的几何变形。 　　   　　声呐图像坐标转换 　　要实现从二维侧扫声呐到三维图像的重建，必须明确了解三维目标物映射到二维声呐图像上的映射流程，本方案借鉴相机投影原理来推导出二维声呐图像坐标系与三维空间坐标系之间的转换关系，明确从三维目标物到声呐图像的坐标转换主要包括：从三维世界坐标系向三维声呐坐标系的刚体转换、三维声呐坐标系向理想成像坐标系的转换以及理想成像坐标系向实际成像坐标系的转换等三大步骤。 　　三维点云实时显示与快速刷新 　　在明确三维世界坐标系与二维声呐图像质检的坐标转换关系后，可利用点云库生成三维点云数据并进行显示。自主优化研发的点云显示及管理库可以实现大批量点云数据的高效显示、漫游优化及管理分析功能，目前在倾斜三维、激光遥感以及虚拟现实等领域均得到广泛应用。 　　基于回波信息的水下目标物三维重构 　　基于获取的描述目标物外侧形状的回波信息，本方案首先通过图像处理手段，先后得到一幅二维声呐亮度图以及一幅二维声呐高度图，然后通过前期推导出的二维声呐图像坐标系与三维空间坐标系之间的转换关系，利用点云库生成水下目标物的三维点云图像，从而最终实现基于回波信息的水下目标物三维重构。 　　   　　GIS空间分析 　　基于探测目标点云数据重构的三维模型成果进行点位坐标量测、距离量测、面积量测、土方量量测等GIS空间分析应用。 　　经过以上方案作业原理的详细技术解析以及实际项目应用，航天远景基于声呐系统的全新海洋探测与目标跟踪技术可行性已得到充分验证，后续航天远景还将顺应海洋测绘行业发展需求，持续进行水下多源多传感器信息融合与高效数据处理研究，在全面赋能海洋测绘发展的同时，结合已有航测遥感相关成果，构建自主研发的海陆空一体化的地理信息获取与处理项目体系。 　　~长期以来，海洋测绘一直是海洋研究的前沿领域之一。伴随着近年间我国“海洋强国”和“海上丝绸之路”等相关战略的陆续实施，海洋测绘更是已成为目前挖掘海洋经济的重要手段与海洋开发过程中的首要生产力。 　　在此背景下，用于海洋测绘的高新技术手段——水下目标的实时三维可视化探测与跟踪技术也具备了极大的商业和军事价值，在快速收集分析水下环境信息，为水下运动和作业提供指导的同时，更能够助力实现海洋环境的充分开发利用。 　　考虑到单波束测深系统获取海底地形需要密集布线，测量效率低成本高，多波束测深系统虽然能够同时获取批量测深数据，但价格昂贵且操作复杂，本方案以目前海洋测绘广泛应用的声呐数据为目标数据源，综合利用几何校正、影像特征点匹配及平差计算、地理编码、伪彩色处理、二维高度图生成、三维点云图像生成、声呐图像三维重构、目标物提取与跟踪等技术，高效实现海洋测绘过程中海底探测目标的精确三维重建与相关信息获取。 　　方案原理 　　本方案详细技术流程如下文所述。 　　声呐探测 　　声呐探测系统通常通过安装在探测设备左右两侧的换能器向外发射扇形声波来获取海底声学影像。声呐设备工作时，首先由换能器向垂直于航向方向的左右两岸各发射一个扇形脉冲，脉冲水平波束宽度较小，垂直波束宽度较大，以球面波的形式向外传播，碰到海底或水中物体后即产生散射，其中反射波及后向散射波会按照原传播路线传播并被接收换能器接收，随后通过换能器转换成一系列幅度大小不等的电脉冲串作为海洋探测的原始数据。 　　同时，考虑到声呐数据采集过程中海水对声波的吸收、散射作用以及声波的扩散使得声波在海水中传播时随着距离的增大其反向散射强度逐渐衰减，声呐硬件需配备相应增益补偿措施。 　　海底线检测 　　作为声呐图像中表征拖鱼至海底高度变化的线，海底线既是声呐横向增益的起始线，也是几何校正的基准线，因此正确地进行海底线精确检测是声呐图像数据预处理的关键一步。 　　声呐数据校正 　　声呐系统在实际工作过程中，图像变形、信号衰减、投影不稳定、航向及旁向姿态、航速、倾斜距离改正等多方面因素均会影响声呐数据获取的准确性并导致图像的几何畸变，需要从相对定向、控制场绝对定向、地理编码等三个方面来实现声呐图像的几何校正。 　　相对定向 　　依据同名光线共面原则，通过光学机械法、解析法恢复光束间相对方位，并通过恢复出的结果对原始图像进行斜距校正，从而正确表征海底目标物的真实形状与尺寸。 　　控制场绝对定向 　　对已完成相对定向的声呐图像进行旋转平移操作，使其与实际地理坐标数据相匹配，从而在声呐图像中建立起地面坐标系统并查找控制点完成声呐图像的绝对定向。同时，利用视差分布情形所提供的线索，通过对两个声呐探测器的调整来建立声呐数据的立体模型。 　　地理编码 　　将斜距改正后的侧扫声呐声图根据其航行轨迹投射到实际地理坐标系中，将各种变形综合考虑，使声图纵横比相等，消除走航造成的几何变形。 　　声呐图像坐标转换 　　要实现从二维侧扫声呐到三维图像的重建，必须明确了解三维目标物映射到二维声呐图像上的映射流程，本方案借鉴相机投影原理来推导出二维声呐图像坐标系与三维空间坐标系之间的转换关系，明确从三维目标物到声呐图像的坐标转换主要包括：从三维世界坐标系向三维声呐坐标系的刚体转换、三维声呐坐标系向理想成像坐标系的转换以及理想成像坐标系向实际成像坐标系的转换等三大步骤。 　　三维点云实时显示与快速刷新 　　在明确三维世界坐标系与二维声呐图像质检的坐标转换关系后，可利用点云库生成三维点云数据并进行显示。自主优化研发的点云显示及管理库可以实现大批量点云数据的高效显示、漫游优化及管理分析功能，目前在倾斜三维、激光遥感以及虚拟现实等领域均得到广泛应用。 　　基于回波信息的水下目标物三维重构 　　基于获取的描述目标物外侧形状的回波信息，本方案首先通过图像处理手段，先后得到一幅二维声呐亮度图以及一幅二维声呐高度图，然后通过前期推导出的二维声呐图像坐标系与三维空间坐标系之间的转换关系，利用点云库生成水下目标物的三维点云图像，从而最终实现基于回波信息的水下目标物三维重构。 　　GIS空间分析 　　基于探测目标点云数据重构的三维模型成果进行点位坐标量测、距离量测、面积量测、土方量量测等GIS空间分析应用。 　　经过以上方案作业原理的详细技术解析以及实际项目应用，航天远景基于声呐系统的全新海洋探测与目标跟踪技术可行性已得到充分验证，后续航天远景还将顺应海洋测绘行业发展需求，持续进行水下多源多传感器信息融合与高效数据处理研究，在全面赋能海洋测绘发展的同时，结合已有航测遥感相关成果，构建自主研发的海陆空一体化的地理信息获取与处理项目体系。