杨文宙1 徐俊洲2
交通运输部东海航海保障中心上海海事测绘中心 上海市200082
摘要：声呐技术伴随着失事沉船扫测而发展起来，目前已经成为认识、开发和利用海洋的重要手段。特别是近20年来声呐技术不断进步，已经能够在非接触测量模式下快速获取水下目标物的尺寸及相对于声呐的方位信息，在水下沉船姿态探测方面也逐渐开始应用。通过研究采用多波束测深仪与三维扫描声呐相结合的技术方法，建立了水下沉船的三维点云模型，既能为沉船姿态测量和损伤评价提供支持，也能为打捞方案设计提供基础数据，对提高打捞成功率具有重要作用。
关键词：沉船姿态探测；多波束测深；三维扫描声呐
船舶大型化是当前海洋运输的发展趋势，所以提升大吨位沉船整体打捞能力具有极其重要的意义。为了保证沉船能够被高效快速的打捞，沉船姿态探测与损伤观测是制定打捞方案的重要前提。因此利用现代化测量手段快速准确地测定沉船姿态及损伤程度是保证打捞成功率的重要数据保障，也是当前救捞系统面临的迫切任务。
一、水下沉船的三维点云模型
首先使用多波束测深仪扫测沉船的精细轮廓和周边地形，使用的多波束为了减小误差、提高精度，将姿态传感器与多波束探头尽量接近，并将RTK GPS天线置于固定杆顶部；考虑到沉船底部和侧面不容易扫描到，将多波束探头向外侧倾斜30°安装。数据采集采用无动力的驳船，在沉船四周抛好锚，通过绞锚在沉船上方缓慢移动。测量范围为200 m×60 m，使用三维扫描声呐对沉船侧面、底面进行扫测，目的是精确测量沉船的局部细节，是对多波束测量的补充。为了使三维扫描声呐能够固定在海底稳定工作，制作了带配重的专用支架，并在支架上安装水下定位信标。三维扫描声呐连接调试正常后，将其吊放入水，由定位信标引导到设计位置。通过调整前后缆，保证三维扫描声呐艏向基本朝向沉船。为保证全覆盖，在沉船周围共布设测站，布设位置如图所示。
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二、基于水下载体的沉船姿态探测数据处理
1、数据拼接。多波束原始数据经过坐标、姿态改正后，得到的每个点云数据都有准确的三维位置；而三维扫描声呐使用座底式测量，所有的原始数据都是相对于采集点的三维数据，各站之间必须通过比较共同点实现对接后可得到相对位置下的点云。因此，数据的拼接分为：三维扫描数据本身的拼接、三维扫描数据与多波束数据的拼接两个过程。其中三维扫描数据的拼接又分为粗拼接和精拼接两个过程，粗拼接过程中需要在相邻两站中找出至少四个同名标志点，使用传统的最近点迭代算法（ICP）将点云旋转、平移实现基本对接；精拼接过程中通过软件自动分析共同点周围点云的拓扑关系，进行最小二乘法计算，获得最适当的坐标转换参数［1］。 水下沉船三维点云生成流程如图所示。
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三维扫描数据的粗拼接，是沉船点云数据处理最繁琐的过程，也是难度最大的过程。由于三维扫描声呐探测量程仅有30 m左右，每个测站得到的点云数据都是沉船的局部，重叠部分较少且特征点不明显，需要参照沉船的照片或设计图纸仔细识别。使用软件设置中的3D view设置每个测站点云数据的视图属性，调整显示方式和颜色，达到最佳显示效果并使之易于区分。拼接点的质量和数量决定了粗拼接的精度和运算速度。选取拼接共同点时，应调整最佳视图角度以防止选错相堆叠的其它错误点，选择完成后应该予以多视图角度的检查。根据扫描站的顺序，使用相邻扫描站重叠区内的同名标志点，依次进行数据的拼接，拼接成功则软件给出拼接精度数值。若共同点明显选择错误，则软件会提示重新选取。 为了提高软件计算的效率，在精拼接前可通过手动调整目标站点的自由度参数，或以单个坐标轴为基准，多次修正平移距离参数和旋转角度参数，逐步靠近理想的拼接精度。精拼接时，Riegl Riscan Pro软件采用最小二乘法对全部的坐标转换参数进行加权误差分配，并依此对各站扫描点云进行坐标变换，最终得到多站扫描点云的无缝拼接结果。由于消除了拼接过程中旋转和平移参数的累积误差，所以最终得到的拼接结果是无缝的，真实地刻画了沉船的细节几何形态。多站扫描数据整体拼接结束后，软件给出的统计精度是0.06 m，虽稍高于扫描声纳自有精度0.02 m，但已能满足沉船探测要求。多波束与扫描声呐数据的拼接也照此进行。
2、数据滤波。数据滤波，包括拼接前和拼接后。由于水声学设备的特性，数据中混杂了大量的噪声点、粗差点、冗余点，不但对沉船的真实形态造成干扰，而且增加了下一步数据处理的工作量，因此必须将其剔除。滤波的目标是在剔除噪声重建光滑表面的同时，保持原有采样表面的拓扑特征。这个过程中，应该参考沉船出事前的照片和设计图纸，以免重要的特征信息被无意中删掉。不同的元素应提取出来分别处理，如沉船主体、海床、残骸等。（1）拼接前的滤波。拼接前数据的滤波，是与采集数据的处理同步进行的，主要是多波束水深数据的滤波和三维扫描声呐数据的滤波。多波束数据的滤波采用Caris Hips软件， 三维扫描声纳数据的滤波采用Leica Cyclone软件。 这个阶段的滤波工作，主要是去除粗差点和噪声点。由于沉船的边界非常明显，远离沉船表面的飞点、孤立点可方便的剔除。这个过程主要采用手动删除，参考沉船的三维模型，避免删掉重要特征，如桅杆、吊机、螺旋桨等。 完成的沉船数据拼接完成前，不建议做非常精细的滤波工作。一方面，沉船的三维面貌还没有整体呈现，可能会出现误操作；另一 方面，数据拼接后会出现大量的冗余点，可能会进行重复作业。（2）拼接后的滤波。这个过程主要是为了沉船数据的表面去噪，并去除冗余点，提高三维处理的效率。滤波采用的软件为 Cloud?Compare。 点云的表面滤波，采用qPCL插件中的S.O.R.滤波器，通过设置 最近相邻点的半径和最大误差值，可以将点云中远离船体表面的大部分噪声点都滤除干净。
多波束测深声呐与三维扫描声呐的结合，能够获得大吨位沉船在水下的完整点云数据消除了以往只使用多波束测深时存在的盲区，提供了沉船姿态和损伤的大量细节信息，实现了水下沉船姿态的三维显现与船体表面损伤的清晰探测，可有效提高打捞方案制定的效率及质量。
参考文献：
[1]吴英姿．多波束测深系统地形跟踪与数据处理技术研究[J]．哈尔滨工程大学，2019．
[2]程显皓，骆承树．三维成像声呐在水下工程中的应用研究[J]．科技创新与应用，2016(6)：30．
[3]吴丽媛，徐国华，余琨．基于前视声呐的成像与多目标特征提取[J]．计算机工程与应用，2017，49(2)：25．