海灣地區(qū)復(fù)雜地形測(cè)量方法研究

禹云亮,侯 健,魏明剛,曾淑輝

(1.中山市海洋與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站,廣東 中山528400;2.青島中?；鶚I(yè)海洋科技有限公司,山東 青島266555)

我國(guó)地域幅員遼闊,地形地貌多樣,近年來(lái)我國(guó)正大力開(kāi)展海洋戰(zhàn)略,對(duì)海灣地區(qū)的開(kāi)發(fā)需求日趨強(qiáng)烈[1-3]。但海灣地區(qū)地勢(shì)復(fù)雜,周圍分布的泥潭、水池等對(duì)野外測(cè)繪作業(yè)帶來(lái)了諸多不便[4],為了獲取海灣地區(qū)的地形數(shù)據(jù),傳統(tǒng)的野外RTK(Real-time Kinematic)測(cè)量不僅需要耗費(fèi)大量的人力物力,還會(huì)因?yàn)榻煌ú槐愕仍蛟黾庸ぷ麟y度,效率較低,且獲取地面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)更新周期長(zhǎng),而海灣地區(qū)受海水沖擊影響,地形多變,數(shù)據(jù)精度難以保證。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展成熟,無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量具有作業(yè)時(shí)間短、測(cè)量范圍廣、成果精度高等優(yōu)勢(shì),一次數(shù)據(jù)采集可以得到影像、點(diǎn)云、DOM(Digital Orthophoto Map)等多種數(shù)據(jù)[5-6],在許多地形測(cè)量項(xiàng)目中得以應(yīng)用[7-8]。為獲取某一海灣地區(qū)的陸地及近岸海底地形數(shù)據(jù),本研究結(jié)合無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量與水深測(cè)量技術(shù),完成了對(duì)海灣地區(qū)的地形測(cè)量方案,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。

1 技術(shù)原理

1.1 測(cè)量基本原理

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量基本原理是通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載的航攝相機(jī)連續(xù)曝光獲取測(cè)區(qū)地面影像,通過(guò)內(nèi)業(yè)空三解算得到加密點(diǎn)坐標(biāo),進(jìn)而完成對(duì)測(cè)區(qū)的全部測(cè)量。通過(guò)搭載不同傳感器可在短時(shí)內(nèi)獲取大面積范圍的點(diǎn)云、影像、多光譜等多源數(shù)據(jù),具有測(cè)量范圍廣、作業(yè)效率高、獲取數(shù)據(jù)類型多樣等特點(diǎn)。通過(guò)專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件可最終獲取測(cè)區(qū)的正射影像、DOM、DEM(Digital Elevation Model)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維模型等結(jié)果,可滿足不同行業(yè)應(yīng)用的各種需求。本實(shí)驗(yàn)選用智航V200C 垂直起降無(wú)人機(jī),配套SONY 黑卡相機(jī)進(jìn)行航測(cè)實(shí)驗(yàn)。

水深測(cè)量基本原理是通過(guò)使用測(cè)深桿、水鉈、回聲測(cè)深儀、多波束回聲測(cè)深系統(tǒng)和海底地貌探測(cè)儀等測(cè)得瞬時(shí)水面下的深度,經(jīng)測(cè)深儀改正和水位改正,歸算到由深度基準(zhǔn)面起算的深度,最后獲得水下待測(cè)點(diǎn)的平面和高程的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)選用HY1200B 型號(hào)聲速剖面儀,HY1601 型號(hào)測(cè)深儀進(jìn)行單波束水深測(cè)量。

1.2 數(shù)據(jù)融合原理

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量采集所獲得的數(shù)據(jù)為影像數(shù)據(jù),利用專業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)完成空三解算后可生成DSM(Digital Surface Model),進(jìn)而用于地形測(cè)量,在與水深數(shù)據(jù)融合前,需要將2組數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一,即進(jìn)行測(cè)量基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換。測(cè)量基準(zhǔn)的具體要求為轉(zhuǎn)換區(qū)域橢球面經(jīng)緯度在3°以內(nèi),轉(zhuǎn)換所用的基準(zhǔn)控制點(diǎn)周邊應(yīng)有不少于10個(gè)穩(wěn)定的IGS(International GNSS Service)站、國(guó)內(nèi)IGS站及國(guó)家級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站,并遵循以下原則:1)連續(xù)性:測(cè)站連續(xù)觀測(cè)3 a(或以上);2)穩(wěn)定性:站點(diǎn)坐標(biāo)變化很小,具有已知的點(diǎn)位速度;3)高精度:點(diǎn)位速度值精度優(yōu)于3 mm/a;4)多種解:IGS站點(diǎn)具有至少3個(gè)不同國(guó)際分析中心的速度值,并且殘差小于3 mm/a;5)均衡性:站點(diǎn)盡量均勻分布;6)精度一致性:站點(diǎn)間坐標(biāo)精度應(yīng)在同一數(shù)量級(jí),并且速度值的精度也應(yīng)在同一數(shù)量級(jí)。

本實(shí)驗(yàn)采用5個(gè)C級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行七參數(shù)坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換,通過(guò)測(cè)量經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的DSM 中均勻分布的高程點(diǎn)坐標(biāo),與水深測(cè)量得到的水下高程點(diǎn)一同導(dǎo)入軟件CASS中完成數(shù)據(jù)的融合,進(jìn)而可對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行地形分析。

2 測(cè)量技術(shù)方案

本實(shí)驗(yàn)區(qū)域選擇位于山東海陽(yáng)與即墨交界處的丁字灣為測(cè)區(qū),丁字灣為一“丁字形”的海邊灣區(qū)。由于測(cè)區(qū)泥灘分布較多,受潮水沖刷影響,大部分地勢(shì)比較平緩,從水流向外方向,地勢(shì)緩慢增高,水流區(qū)域由于有河道,所以地勢(shì)很低,測(cè)區(qū)西北部施工區(qū)域地勢(shì)偏高,較為復(fù)雜,西南部分為陸地部分,地勢(shì)偏高一些,起伏不定。

在丁字灣區(qū)域開(kāi)展的地形測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用2種數(shù)據(jù)采集方式:陸地部分采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量、水下部分采用單波束測(cè)深儀進(jìn)行測(cè)深,最后通過(guò)數(shù)據(jù)融合得到整個(gè)丁字灣測(cè)區(qū)的地形數(shù)據(jù)。

2.1 航測(cè)數(shù)據(jù)采集

1)確定航飛區(qū)域

使用專業(yè)地圖軟件確定航飛區(qū)域,根據(jù)航飛區(qū)域規(guī)劃每個(gè)架次的飛行區(qū)域,根據(jù)精度要求規(guī)劃航線,設(shè)置飛行參數(shù),保存每個(gè)架次的區(qū)域文件與規(guī)劃好的航線文件。

2)航線規(guī)劃與飛行參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置參數(shù):比例尺為1∶2 000,航高為500～600 m,旁向重疊率為70%,航向重疊率為80%,地面分辨率為7 cm。按照此參數(shù)在每架次區(qū)域內(nèi)生成航線,保存待用。

3)布設(shè)像控點(diǎn)

按飛行區(qū)域布設(shè)像控點(diǎn),在地圖軟件內(nèi)進(jìn)行標(biāo)記。由于使用PPK(Post Processed Kinematic)后差分系統(tǒng),可適當(dāng)減少像控點(diǎn)布設(shè),所以約1～2 km 布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn),中間布設(shè)部分檢查點(diǎn)(圖1)。

4)野外航拍

實(shí)施野外飛行作業(yè)前,選擇視野開(kāi)闊的平地作為起飛地點(diǎn),觀察風(fēng)向風(fēng)力,選擇合適的起飛時(shí)間。起飛前在地面先架設(shè)GPS靜態(tài)基站,調(diào)節(jié)飛機(jī)相機(jī)參數(shù)并自檢完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè)。飛機(jī)按規(guī)劃航線完成作業(yè)后,檢查數(shù)據(jù)與PPK 是否對(duì)應(yīng)。

圖1 像控點(diǎn)位置分布Fig.1 Distribution and location of the image control points

2.2 水深數(shù)據(jù)采集

本次水深測(cè)量平面控制采用CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng),中央子午線東經(jīng)120°E,3度帶高斯投影。高程系統(tǒng)采用國(guó)家1985高程系統(tǒng),施測(cè)前選用5個(gè)C級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)量,并進(jìn)行了基線解算,三維約束平差,獲得測(cè)區(qū)高精度七參數(shù),選擇測(cè)區(qū)附近的控制點(diǎn)進(jìn)行檢核,單點(diǎn)校正,并進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì),滿足測(cè)量規(guī)范要求,經(jīng)質(zhì)檢符合精度要求。坐標(biāo)校對(duì)中誤差見(jiàn)表1。

表1 使用七參數(shù)改正后坐標(biāo)校對(duì)中誤差分析(mm)Table 1 Error analysis of coordinate calibration after correction by using seven parameters(mm)

1)確定測(cè)深區(qū)域布設(shè)測(cè)線

按技術(shù)要求布設(shè)主測(cè)線:間隔50 m,主測(cè)線方向垂直與等深線方向。檢查線與主測(cè)線垂直,不少于主測(cè)線5%區(qū)域測(cè)線。具體測(cè)線布設(shè)見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)線布設(shè)Fig.2 Schematic diagram of the surveying line layout

2)水深改正

(1)聲速改正:為提高數(shù)據(jù)精度,采用由淺至深再由深至淺的方法投放聲速剖面儀,將平均聲速曲線直接用于聲速改正。(2)吃水改正:精確量取換能器吃水深度,輸入測(cè)深儀進(jìn)行吃水改正,換能器吃水測(cè)量前后各測(cè)量一次。

3)導(dǎo)航定位

由于近岸測(cè)深,GPS(Global Positioning Systern)可達(dá)到實(shí)時(shí)固定解,所以采用RTK 進(jìn)行定位,設(shè)置GPS接收機(jī)輸出GGA 數(shù)據(jù),同時(shí)采集固定解,不需要驗(yàn)潮。操作員根據(jù)顯示器上的測(cè)線與船型定位來(lái)操作船進(jìn)行測(cè)深,為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,船速保持在5～7 kn。

4)水深施測(cè)

測(cè)深儀在測(cè)量前先將聲速儀的聲速參數(shù)輸入測(cè)深儀,使用人工測(cè)深對(duì)比板測(cè)量水深值,與測(cè)深儀所測(cè)得水深值進(jìn)行比較,對(duì)聲速進(jìn)行修正。在測(cè)深儀的測(cè)深界面上,通過(guò)增益方案實(shí)時(shí)調(diào)整合適增益值進(jìn)行水深校準(zhǔn)。

檢測(cè)線的測(cè)量方法及測(cè)量精度與主測(cè)線相同,檢測(cè)線的定位點(diǎn)間距根據(jù)測(cè)量比例加密至在規(guī)定范圍內(nèi)與主測(cè)線保證有重合點(diǎn),每一條檢查線與主測(cè)線的交叉點(diǎn)都進(jìn)行比較。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

3.1 航測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完成后,檢查照片數(shù)據(jù)與PPK 數(shù)據(jù),照片數(shù)據(jù)質(zhì)量是否合格,照片與PPK 是否對(duì)應(yīng)。檢查無(wú)誤后使用PPK 解算軟件對(duì)PPK 數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,得到目標(biāo)坐標(biāo)系下的每張照片的精確坐標(biāo)。最后使用Pix4D 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通過(guò)像控點(diǎn)矯正,得到DOM 與DEM。將得到的DOM 與DEM 導(dǎo)入三維測(cè)圖軟件建立DSM 進(jìn)行高程點(diǎn)提取(圖3),5 m 一個(gè)高程點(diǎn),分布均勻,保證所選點(diǎn)具有代表性,可體現(xiàn)地貌特征。

圖3 軟件提取高程點(diǎn)界面Fig.3 Interface of elevation point extraction of the software

所有區(qū)域高程點(diǎn)提取完畢后導(dǎo)入CASS進(jìn)行檢核,與檢查點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,并且每片區(qū)域接邊重合區(qū)域高程點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比重合及相近的點(diǎn)。結(jié)果表明,差值全部在15 cm 之內(nèi),確認(rèn)無(wú)誤后融合。

3.2 海測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

使用HaiDa水深處理軟件對(duì)水深測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與處理。對(duì)DGPS(Differential Global Position System)測(cè)量自動(dòng)化系統(tǒng)所采集的水深和定位數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)業(yè)資料后處理。在軟件內(nèi)設(shè)置投影參數(shù)、比例尺和圖幅范圍等基本參數(shù)后,根據(jù)聲速改正和吃水改正測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行改正計(jì)算,在主測(cè)線上均勻選取水深點(diǎn),刪除多余的水深點(diǎn),最后將處理后的水深數(shù)據(jù)導(dǎo)出。水深數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)圖4。

3.3 結(jié)果分析

圖4 水深數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.4 Data processing of water depth

對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)處理完成后,首先將2組數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,將處理結(jié)束后的水下高程點(diǎn)在CASS中展出,并導(dǎo)入航測(cè)經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的高程點(diǎn)。2組數(shù)據(jù)融合后對(duì)重合部分進(jìn)行對(duì)比,并與檢查線交叉部分的點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,經(jīng)過(guò)對(duì)比得出,重合高程點(diǎn)及相近高程點(diǎn)差值均小于25 cm,其他區(qū)域如有高程突變情況,聯(lián)合實(shí)際地形檢查合理性,是否有陡坎或陡坡等地形變化,最后將融合后的高程點(diǎn)導(dǎo)出(圖5)。

原始數(shù)據(jù)資料中測(cè)區(qū)最大高程點(diǎn)高程5.91 m,最低高程點(diǎn)高程-15.24 m。本實(shí)驗(yàn)測(cè)得測(cè)區(qū)最大高程點(diǎn)高程5.83 m,最小高程點(diǎn)高程-15.2 m,從數(shù)據(jù)融合后的等高線圖來(lái)看,整體地勢(shì)比較平緩,測(cè)區(qū)西北部地勢(shì)偏高,地形較為復(fù)雜,西南部分地勢(shì)偏高。結(jié)合以上對(duì)比數(shù)據(jù)可以得出,測(cè)區(qū)地形與實(shí)驗(yàn)前已有資料數(shù)據(jù)基本符合,2組數(shù)據(jù)在融合前精度均滿足測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,融合部分?jǐn)?shù)據(jù)高程誤差值小于25 cm,滿足相關(guān)的精度要求,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本方法可用于實(shí)際的工程應(yīng)用中。本次實(shí)驗(yàn)共用時(shí)8天,其中踏勘布設(shè)像控點(diǎn)2天,無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量外業(yè)用時(shí)2天,水深測(cè)量外業(yè)用時(shí)2天,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用時(shí)2天,相較于傳統(tǒng)外業(yè)測(cè)量節(jié)省了大量的人力和作業(yè)周期,顯著地提高了工作效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖5 數(shù)據(jù)融合后的高程點(diǎn)Fig.5 Contour map obtained after data fusion

地形測(cè)量是工程應(yīng)用開(kāi)展前的必要準(zhǔn)備。通過(guò)地形測(cè)量,可以獲取地形地貌空間數(shù)據(jù),其具有可量算性,具備空間分析基礎(chǔ),為工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等不同階段提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。我國(guó)近年來(lái)正在大力推進(jìn)對(duì)海灣地區(qū)的開(kāi)發(fā)及保護(hù),面對(duì)海灣地區(qū)水池洼地密布、潮流影響大、交通困難、地勢(shì)復(fù)雜等環(huán)境因素,傳統(tǒng)的野外RTK 測(cè)量作業(yè)難度大。本文采用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)與單波束水深測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的方法降低了外業(yè)工作量。在高潮時(shí)采用單波束水深測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量,在低潮時(shí)采用無(wú)人機(jī)航測(cè)方法進(jìn)行測(cè)量,確保了重疊區(qū)域便于精度驗(yàn)證,很好地解決了潮區(qū)測(cè)量。通過(guò)數(shù)據(jù)融合,使得陸地與海底的地形數(shù)據(jù)相統(tǒng)一,可以更好地應(yīng)用于海岸帶保護(hù)利用與規(guī)劃、海灣生態(tài)修復(fù)保護(hù)、海洋工程建設(shè)等工作,提高了作業(yè)效率,降低了作業(yè)成本。該方法在其他海灣地區(qū)地形測(cè)量中也具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

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