基于多技術(shù)融合的潮間帶地形測量應(yīng)用實踐

吳敬文，張正明，杜亞南

(1.長江水利委員會水文局長江口水文水資源勘測局,上海 200136；2.江蘇省測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，江蘇 南京 210013)

0 引 言

潮間帶是河流入?？诨蚝０妒艹毕绊懙母叩统敝g的地帶，高潮時被水淹沒，低潮時露出水面。潮間帶蘊含豐富的海洋礦物資源和海洋生物資源，是水產(chǎn)養(yǎng)殖、鹽田開發(fā)、圍海造田(路)以及旅游景區(qū)等綜合開發(fā)利用及管理的重點區(qū)域。因此，對潮間帶進行測量，為海岸工程提供準確的地形信息，日益成為一種迫切需求。

由于潮間帶測量條件的特殊性，測船和人員均難以做到全覆蓋測量，測量的完整性和精度均難以得到保證。特別是當潮間帶發(fā)育大面積的淤泥質(zhì)海灘時，測船和人員均難以進入場區(qū)，容易出現(xiàn)水深測量和陸地測量均無法覆蓋的空白地帶。隨著激光雷達測量技術(shù)的發(fā)展，慣性測量單元小型化和測量精度的提高以及無人機、無人測船、氣墊船等測量平臺的發(fā)展，使潮間帶區(qū)域進行高精度和全覆蓋測量成為可能。實踐表明，基于三維GNSS控制網(wǎng)，綜合運用前述測量手段和測量平臺，能較好解決潮間帶地形數(shù)據(jù)高精度、高效率、全覆蓋獲取的難題。

本文主要以長江河口感潮水域為例，闡述了潮間帶地形測量過程中三維GNSS控制網(wǎng)建立、高程轉(zhuǎn)換模型構(gòu)建、控制網(wǎng)精度確定以及多種測量平臺和新技術(shù)的實施等過程。

1 潮間帶水域三維GNSS控制網(wǎng)建立

控制點可以分為2類：① 作為測量時的GNSS基準站，這類控制點一般選擇在開闊無遮擋的樓頂區(qū)域，采用強制對中裝置，以便測點的長期利用和基準站設(shè)置，其高程聯(lián)測可采用三、四等三角高程測量方式；② 作為建立高程轉(zhuǎn)換模型的控制點，這類控制點可采用普通標石，要求易實施幾何水準聯(lián)測，建立測區(qū)可靠的大地高與正常高之間高程轉(zhuǎn)換模型。要求控制網(wǎng)點有足夠密度，滿足大地高與正常高之間高程轉(zhuǎn)換模型的構(gòu)建及精度檢驗等要求。

1.1 控制網(wǎng)測量

為建立長江口水域高精度的測量基準，項目組在江陰下游長江兩岸布設(shè)了GNSS控制網(wǎng)。為保證在進行GNSS RTK測量時能得到優(yōu)于0.05 m的三維測量精度，相鄰控制點間距離不大于20 km[1]?？刂凭W(wǎng)由70個控制點組成(圖1)，采用6臺Trimble R10型GNSS設(shè)備，按照C級GNSS網(wǎng)的觀測要求進行同步環(huán)觀測，并聯(lián)測了若干個B、C級GNSS起算點。

圖1 GNSS控制點分布示意圖

控制點一般設(shè)置在穩(wěn)定建筑物上，如地面控制點便于水準聯(lián)測，主要用于建立高程轉(zhuǎn)換模型；樓頂控制點便于設(shè)置基準站。采用幾何水準或三角高程測量方法，從附近的Ⅱ等和Ⅲ等水準控制點上引測各GNSS控制點高程。

通過GAMIT等軟件數(shù)據(jù)處理，得到了各GNSS控制點成果：① WGS-84坐標系下各控制點坐標；② CGCS2000坐標系下各控制點坐標；③ 1954北京坐標系下各控制點坐標；④ 各控制點基于1985國家高程基準的正常高。

1.2 平面和高程轉(zhuǎn)換模型的建立

當測區(qū)呈現(xiàn)長距離帶狀時，需要將測區(qū)分為若干子區(qū)，分別建立平面和高程轉(zhuǎn)換關(guān)系。各子區(qū)選取均勻分布的4個以上控制點進行模型參數(shù)求解，實現(xiàn)區(qū)域不同坐標系統(tǒng)下平面和高程基準無縫轉(zhuǎn)換。平面轉(zhuǎn)換可采用BULSA七參數(shù)模型，高程轉(zhuǎn)換可采用BULSA七參數(shù)模型，也可采用曲面模型擬合高程異常的變化，在滿足精度要求條件下，采用同一模型能使工作得到簡化。

轉(zhuǎn)換模型建立以后，需要檢驗?zāi)Ｐ娃D(zhuǎn)換的內(nèi)符合精度σi和外符合精度σe：

(1)

(2)

式(1)-(2)中：Δξi為轉(zhuǎn)換殘差；Δξe為檢驗點計算值與真值之差；n為參與建模點個數(shù)；m為檢驗?zāi)Ｐ忘c個數(shù);內(nèi)符合精度和外符合精度反映了高程轉(zhuǎn)換模型的精度和可靠性。

1.3 控制網(wǎng)高程轉(zhuǎn)換模型精度確定

在測量中，測量結(jié)果的精度受測量精度及高程轉(zhuǎn)換模型精度影響。

對于地形圖來說，平面測量精度達到0.05 m，高程測量精度達到0.15 m(按1/3等高距計算)能滿足包括1∶500在內(nèi)的絕大部分測圖需要。在GNSS RTK技術(shù)條件下，平面定位容易滿足0.05 m的要求，故在此主要討論高程測量的精度。

采用GNSS RTK測量技術(shù)實際能達到的高程測量精度主要包括2個方面：① GNSS設(shè)備測量大地高的精度；② 將大地高轉(zhuǎn)換為正常高的模型轉(zhuǎn)換精度。

理論和實踐表明，一般情況下，RTK高程測量的精度(相對于起算點)容易達到0.10 m，假定最終測量精度只受RTK高程測量和模型轉(zhuǎn)換誤差影響且兩者影響作用相同，根據(jù)等精度影響原則，則有：

(3)

式(3)中，σH為最終高程測量誤差，σH為模型轉(zhuǎn)換誤差，由式(3)可得，σH為0.11 m?？紤]其他不利誤差因素影響，將控制網(wǎng)高程轉(zhuǎn)換模型精度(內(nèi)符合精度和外符合精度)限制為0.07 m是合理的[2]。

在以上所論及的長江口某項目的測量中，將圖1的GNSS控制網(wǎng)所覆蓋的地方分成3個區(qū)域，平面基準采用BULSA七參數(shù)模型實現(xiàn)WGS-84坐標系(或CGCS2000坐標系)與1954年北京坐標系間的建模，高程采用二次曲面或者一次曲面模型擬合高程異常變化，內(nèi)符合精度和外符合檢驗轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于0.05 m，滿足測量精度要求。

2 多技術(shù)融合的潮間帶測量實施

以無人(有人)測船為平臺的RTK三維水深測量技術(shù)、無人機為平臺的機載激光雷達測量技術(shù)、以氣墊船為平臺的RTK走航連續(xù)測量技術(shù)分別從水面、空中、灘地3個不同高程的工作面結(jié)合，可做到潮間帶的全覆蓋測量。

2.1 以無人(有人)測船為平臺的RTK三維水深測量

相對于與水位站進行高程控制的傳統(tǒng)水深測量，基于RTK三維水深測量有以下優(yōu)勢：① 減少水位站布設(shè)，提高工作效率，節(jié)省人力物力；② 對于大小、船型和船速不同的測船，測船不同部位的動態(tài)吃水在0～0.3 m之間，RTK三維水深測量能有效消除船只動態(tài)吃水影響；③ 在一般受潮汐和風浪影響的水域，波浪對測船的作用可在垂直方向上引起0.3～0.5 m的位移，且歷時短，呈周期性特點。RTK三維水深測量能有效消除吃水和波浪對測量成果的影響。

在某測量中(圖2)，通過測量分析得到某測船動態(tài)吃水和受波浪影響測船的縱向位移變化。

圖2 測船因受動吃水和波浪影響的垂直位移過程

對于高潮位時刻的潮間帶區(qū)域，根據(jù)水深情況，可以靈活選擇有人測船或無人測船，采用基于RTK三維水深測量技術(shù)進行測量，輔以姿態(tài)傳感器或慣性測量單元、羅經(jīng)系統(tǒng)，可以消除船只ROLL、PITCH等姿態(tài)影響，并對測深和定位加以改正，提高測量精度。

2.2 以無人機為平臺的激光雷達測量

以無人機為平臺激光掃描測量技術(shù)(Laser scanning)是近年來迅速發(fā)展一項測量技術(shù)。它通過激光雷達傳感器發(fā)射的激光脈沖經(jīng)地面反射后被接收系統(tǒng)接收，配合高精度慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)和定位定向系統(tǒng)(Position and Orientation System，POS)，能直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)。該方法對灘涂區(qū)域和植被覆蓋的淤泥區(qū)域進行非接觸式掃描測量效果較好。

通過對GNSS定位數(shù)據(jù)、姿態(tài)測量數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)的融合處理，得到測量表面高密度的點云數(shù)據(jù)，然后通過濾波和抽稀處理，有效消除植被表面反射信號，得到泥面高程信息。在慣性測量單元、定位定向系統(tǒng)的精度得到保證時，其測量精度滿足相關(guān)規(guī)范要求[3-4]；另一方面，無人機低空測量平臺不受海浪等因素干擾，測量作業(yè)時的傳感器姿態(tài)可保持很好穩(wěn)定性，由于姿態(tài)變化而產(chǎn)生的誤差小于船載平臺測量時產(chǎn)生的誤差，且空中三維測量是一種直接測量的方法，因此不受水位傳遞誤差影響[5]。

在某項目中，采用機載激光雷達測量得到潮間帶泥面高程激光點云，從點云中可以清楚看出蘆葦?shù)?、草灘和淤泥灘?圖3)。采用人工RTK測量檢核蘆葦?shù)氐孛婧陀倌酁┑馗叱炭稍u價點云濾波的可靠性和精度。

圖3 潮間帶區(qū)域激光雷達測量點云

實際上，還可同時采用固定翼無人機獲取測量區(qū)域的正射影像，結(jié)合機載激光點云及影像等相應(yīng)測繪成果，構(gòu)建地物真實三維模型，建立三維可視化管理平臺[6]。

2.3 無人機低空航空攝影測量

航空攝影測量一直是獲取陸上測圖、DSM、DTM的重要手段。由于潮間帶范圍小，采用以專業(yè)航攝飛機進行低空航空攝影的技術(shù)手段并不經(jīng)濟。隨著無人機、數(shù)碼相機、POS系統(tǒng)集成化的發(fā)展，局部區(qū)域采用無人機低空航空攝影測量日漸成為一個現(xiàn)實選擇。

在長江口某灘涂區(qū)域，采用某型無人機進行了低空攝影測量?？偣膊荚O(shè)9 條航線和1條交叉航線，航向重疊度為 64%、航間重疊度為 68%，航高為 180 m，航速控制在 60 km/h以內(nèi)，用時30 min，航拍面積約2 km2，共拍攝1 425 張照片。同時采用專用標志在灘涂上布設(shè)了若干個像控點，采用RTK對像控點進行測量。

經(jīng)過空三加密、絕對定向、DEM 構(gòu)建等處理步驟，生成了DOM、DSM、點云數(shù)據(jù)等成果，在測量區(qū)域內(nèi)進行RTK檢測(表1)。

表1 內(nèi)外符合精度檢測表

2.4 以氣墊船平臺的RTK(或PPK)測量

在實際工作中，低空飛行器由于經(jīng)常受到嚴格管制及飛行條件限制而無法飛行，在此情況下，可采用以氣墊船為平臺的RTK(或PPK)測量進行潮間帶測量。即氣墊船通過向船底部充氣，在船體與地面(水面)之間形成約30 cm以上的“氣墊”，再由船尾的空氣推進系統(tǒng)使氣墊船前進。氣墊船沒有吃水深度，在水上、沙灘、淤泥灘上陸地上都能行駛。

采用氣墊船進行潮間帶灘地測量時，在船上安裝固定GNSS測量儀器并測量GNSS設(shè)備的相位中心離地面的高度，通過連續(xù)記錄GNSS的實時測量值或觀測值，實現(xiàn)RTK或者PPK連續(xù)測量(圖4)。同時，還可將氣墊船作為交通工具，將人送至難以到達的測區(qū)。

圖4 氣墊船測量現(xiàn)場

此外，以氣墊船為平臺的船載激光雷達測量也是一種高效的測量方式，在實際應(yīng)用中有不少成功案例。

3 結(jié) 語

(1)潮間帶區(qū)域測量條件差，不同區(qū)域有不同特殊情況，潮汐特性、風浪情況、灘地組成、植被覆蓋、附近環(huán)境等影響因素各不相同，單一的測量方式往往難以解決全部問題，需要針對現(xiàn)場情況采用不同組合測量方案。

(2)可靠的精度、足夠的三維GNSS控制網(wǎng)都是多技術(shù)融合進行潮間帶地形測量的基本條件，通過布設(shè)測區(qū)的GNSS控制網(wǎng)，建立合理、可靠的精度及足夠的高程轉(zhuǎn)換模型，能提供實時的高精度測量基準，獲取滿足規(guī)范要求的測量結(jié)果。

(3)目前，無人機搭載激光雷達在保證姿態(tài)傳感器(慣性測量單元)精度條件下，能獲得高密度的點云數(shù)據(jù)，并可達到良好精度要求。隨著無人機續(xù)航能力的提高和我國低空飛行器使用相關(guān)規(guī)范的出臺，該方法必將擁有廣泛的應(yīng)用前景。

(4)若能解決潮間帶像控點布設(shè)和測量的問題，采用合理的技術(shù)方案，無人機低空航空攝影測量也能得到滿足規(guī)范精度的測量結(jié)果[7]。

[1] 李凱鋒,田建波,趙樹紅,等，無驗潮水深測量系統(tǒng)定位精度檢驗[J].海洋測繪，2013,33(6):22-25.

[2] 吳敬文,周儒夫,陳建民，等，RTK三維水深測量的實施與精度控制[J].現(xiàn)代測繪，2016，39(4)：18-20.

[3] 吳敬文，周豐年，盛青，等，動態(tài)三維激光掃描系統(tǒng)高程測量精度分析[J].現(xiàn)代測繪，2016,39(S1)：21-23.

[4] 鄭德華，沈云中，劉春.三維激光掃描儀及其測量誤差影響因素分析[J].測繪工程，2005，14(2)：32-34.

[5] 蔚廣鑫，洪建勝，王偉斌，無人機激光測量技術(shù)在灘涂地形測量中的應(yīng)用初探[J].應(yīng)用海洋學學報，2017，36(1)：143-148.

[6] 張榮華，林昀，基于機載激光雷達的灘涂測繪關(guān)鍵技術(shù)研究[J].測繪工程，2015，24(1)33-35.

[7] 錢建彬，王申俊，eBee無人機在大比例尺成圖中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代測繪，2017，40(1)51-54.