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多波束海底地形三维虚拟仿真研究

王楠;徐永臣;陶常飞

【期刊名称】《《海岸工程》》

【年(卷),期】2019(038)003

【总页数】7页(P203-209)

【关键词】多波束;海底地形;三维可视化;虚拟仿真

【作者】王楠;徐永臣;陶常飞

【作者单位】中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室山东青岛

266100;中国海洋大学海洋地球科学学院山东青岛266100;自然资源部第一海洋

研究所山东青岛266061

【正文语种】中文

【中图分类】P229.1

随着遥感探测技术、地理信息技术、计算机图形图像技术和虚拟现实技术的迅速发

展,作为数字海洋信息空间表现的基础和重要内容,水下地形的三维可视化显示是目

前国内外数字海洋应用研究的重要关注点之一[1-3]。地形的三维可视化表示一般

通过对地形进行几何表面的建模,采用阴影、不同颜色来表示不同地形特征(高度、

材料等),同时可以叠加融合卫星影像来表现[4-6]。在海洋测绘领域,利用高精度的

多波束声呐数据,采用新的处理算法可以快速地建立海底地形场景库,并生成地形和

纹理数据[7-8]。同时,随着虚拟现实技术的广泛应用,可以构建真实度极高的地形场

景,让地形表现更加直观[9]。这些方法使得利用交互式三维可视化分析和解释水下

地形数据得以实现。

本研究基于高精度多波束海底地形数据,建立起了视景仿真领域通用的三维地形场

景数据库模型,利用交互式三维可视化分析软件可以真实直观地反映海底地形环境,

实现了海底地形的三维可视化与漫游,可以更加直观地表现和解译水下地形数据。

1数据获取和处理

获取高精度水下地形数据是构建高仿真度水下地形模型的关键。高分辨率的陆地影

像数据和高精度的局部DEM(DigitalElevationModel)数据可以通过卫星遥感或

无人机测量等手段获得,但是在水域或海域,高精度的水下地形地貌数据多通过多波

束或侧扫声呐等精密海洋探测设备来获得。多波束测深技术可以获取高精度和高密

度的水下地形点云数据,精确地反映水下地形的细节特征。本文以2018-05在青岛

海西湾进行的多波束探测数据为基础,构建水下地形DEM模型,网格尺寸为1m,数

据精度为0.1m。研究区位置见图1。

图1研究区位置Fig.1Locationofthestudyarea

1.1外业采集

1.1.1多波束系统的安装

水深地形测量采用的调查设备为丹麦RESONSeabat7125多波束测深系统。多

波束换能器安装方式采用单探头船舷安装,MRU(MotionReferenceUnit)姿态系

统安装在船的靠近中心位置,GPS天线直接固定在多波束换能器的正上方,现场安装

情况如图2所示。系统安装后精确测量了各个传感器相对于多波束换能器之间的

距离和角度,并输入到控制软件中,进行补偿修正和实时提供船艏向、船只横摇、纵

摇、上下起伏和定位数据。

图2多波束定位、姿态系统及换能器安装Fig.2Positioning,attitudesystem

andtransducerinstallationofthemulti-beam

1.1.2导航定位

海上定位导航软件采用HYPACKMAX(0.05b版)海洋综合测量软件系统。测量工

作中,导航图像通过屏幕显示正在测量的测线和测量船行进的轨迹;导航图像的右侧

窗口,显示各种导航数据,如坐标、船速、船艏向、纪录状态、测线名、事件号、到

线距离、文件名、时间、偏移距、水深等,以保证测量船沿设计测线航行。

1.1.3声速剖面测量

声速是影响多波束测量精度的重要参数,为此,在进行测量工作之前,必须首先使用声

速剖面仪,采集测量海域当时的声速数据,并进行编辑后输入到多波束数据采集工作

站,用于实时改正。

1.1.4潮位观测

为了保证水深数据起算于统一的基准面,在测区码头已知控制点上设立了一个临时

验潮站,采用水尺观测水深测量当日的水位资料,以对多波束数据后处理进行潮位改

正。验潮时每15min观测1次水位,水位观测误差±2cm。

1.1.5多波束全覆盖测量

测量工作中根据水深范围实时对测线间距进行了调整,保证相邻测线重叠约大于

10%,对海底完成了无遗漏的全覆盖测量(图3),面积约1.2km2。

图3多波束现场测量示意图Fig.3Asketch