河口砂質(zhì)海灘地形測量方法研究

孫 健，陳香伊，史超凡

(青島中?；鶚I(yè)海洋科技有限公司，山東 青島 266555)

0 引言

我國地域遼闊，河流多，海岸線長，河口砂質(zhì)海灘眾多，地形地貌多種多樣。近年來我國正大力開展海洋戰(zhàn)略，對砂質(zhì)海灘的旅游開發(fā)與生態(tài)保護(hù)修復(fù)需求日趨強(qiáng)烈[1]。但受河流、海流沖擊影響，砂質(zhì)海灘上分布泥潭、水池、潮水溝等多種阻礙；其次，沙灘硬度亦偏低，不方便使用交通工具，此外，砂質(zhì)海灘還具有漲潮退潮的特點(diǎn)，需要在較短的時間內(nèi)完成測繪工作，給野外測繪作業(yè)帶來許多不便[2]。為得到河口砂質(zhì)海灘的地形數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)方法是多個工作人員使用RTK(Real-time Kinematic)測量剖面數(shù)據(jù)，此種方法常因?yàn)槿狈Ω咝У慕煌üぞ撸粌H需要大量的人力、物力，而且增加了工作難度和危險性。同時，傳統(tǒng)人工測量方法效率低，難以完全覆蓋測區(qū)，某些特殊地域地形變化亦無法體現(xiàn)[3]。

隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)攝影測量技術(shù)得到了高速發(fā)展，其優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，不僅提高了作業(yè)效率，而且能將測區(qū)全面覆蓋，成果精度也變得可控且越來越高。同時，無人機(jī)可搭載多種不同傳感器，單次數(shù)據(jù)采集可以選擇獲取多種數(shù)據(jù)源，以適應(yīng)不同測量項目[4-5]。為了驗(yàn)證其獲取沙灘地形的可行性與精度，本次研究結(jié)合了無人機(jī)攝影測量技術(shù)與聲學(xué)水深測量技術(shù)，以日照某砂質(zhì)海灘為研究對象對比地形數(shù)據(jù)，驗(yàn)證此方案。

1 原理分析

1.1 無人機(jī)攝影測量原理

無人機(jī)攝影測量的原理[1]是無人機(jī)搭載高清航攝相機(jī)獲取測區(qū)一定重疊度的地面照片及拍照點(diǎn)位置姿態(tài)信息，通過特征點(diǎn)提取、空中三角網(wǎng)解算、微分糾正及影像拼接等工作，得到測區(qū)的DSM(Digital Surface Model)和DOM(Digital Orthophoto Map)，將DSM、DOM導(dǎo)入專業(yè)測圖軟件，選擇任一合適位置進(jìn)行內(nèi)業(yè)測圖。無人機(jī)可以配備多種不同的傳感器，在很短的時間內(nèi)就能獲取大面積的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)不同專業(yè)軟件處理，最終可以得到測區(qū)的正射影像、點(diǎn)云、三維模型、光譜影像等多源數(shù)據(jù)成果，可滿足不同行業(yè)應(yīng)用的多種需求。本次實(shí)驗(yàn)選用大疆的精靈4RTK四旋翼無人機(jī)搭配中海達(dá)UBase PPK，進(jìn)行無人機(jī)攝影測量實(shí)驗(yàn)。

1.2 聲學(xué)水深測量原理

聲學(xué)水深測量的原理[2]:假設(shè)聲波在水中的傳播平均速度為V，當(dāng)在換能器探頭發(fā)射窄脈沖聲波信號，聲波經(jīng)探頭發(fā)射到水底，到達(dá)水底后由水底反射回到探頭轉(zhuǎn)換成電信號被接收，測得聲波信號往返行程所經(jīng)歷的時間為t，則:

Z=V·t/2

從而算出從探頭到水底的深度值Z，Z再加上探頭的吃水就是水深。利用GNSS RTK獲取平面位置信息與高程信息，量取接受天線相位中心到水面距離為L，RTK測得的高程減去L即為水面高程(水面高程亦可通過專業(yè)潮位儀測得)，減去測深儀測得的水深Z值及吃水即可算出水底高程[3]。

測深儀換能器連續(xù)向水下發(fā)射聲波，測深儀軟件同時記錄GNSS RTK定位數(shù)據(jù)及水深數(shù)據(jù)Z，通過測量軟件處理計算，即可得到水下地形特征點(diǎn)的高程值。本次實(shí)驗(yàn)選用Toslon 260D單頻測深儀搭配中海達(dá)華星A12，進(jìn)行水深測量實(shí)驗(yàn)。

圖1 測深儀工作原理

1.3 數(shù)據(jù)合并原理

經(jīng)過無人機(jī)攝影測量，可獲得測區(qū)DOM及DSM，將其導(dǎo)入專業(yè)測圖軟件中選取想要測量的區(qū)域進(jìn)行內(nèi)業(yè)地形測量，最終得到興趣區(qū)域地形數(shù)據(jù)；經(jīng)過聲學(xué)水深測量，可以得到測區(qū)的水深數(shù)據(jù)，經(jīng)過專業(yè)軟件處理后最終得到測量區(qū)域水下地形數(shù)據(jù)，2種數(shù)據(jù)要達(dá)到結(jié)合前必須保證其坐標(biāo)系統(tǒng)及高程基準(zhǔn)相互統(tǒng)一，即無人機(jī)飛行前及聲學(xué)測量水深前都要進(jìn)行坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換。

本次測量平面控制采用1980西安坐標(biāo)系統(tǒng)，中央子午線為120 °E，高斯投影三度分帶。高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)地區(qū)周邊共有8個C級控制點(diǎn)，使用中海達(dá)A12連接山東省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)(CORS)，采用其中5個點(diǎn)求取7參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，將其中3個作為檢查點(diǎn)檢核參數(shù)可靠性，結(jié)果如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)換參數(shù)可靠性檢查表 單位:mm

在專業(yè)測圖軟件中，根據(jù)剖面線在興趣區(qū)域上測量地形數(shù)據(jù)，最后提取陸地地形數(shù)據(jù)，將聲學(xué)水深測量得到的水下地形數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CASS軟件中，檢查兩組數(shù)據(jù)重疊部分的準(zhǔn)確性，最終完成數(shù)據(jù)的整合。

2 測量技術(shù)方案

本次實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇位于日照市濤雒鎮(zhèn)劉家趕海園東側(cè)，小海河與付疃河入?？谔幍纳百|(zhì)海灘為測區(qū)，該砂質(zhì)海灘是在河流入海與海洋波浪、潮流的共同作用下形成的。為了對砂質(zhì)海灘進(jìn)行有效保護(hù)，提高其旅游開發(fā)利用水平，當(dāng)?shù)刂鞴懿块T提出重點(diǎn)開展砂質(zhì)海灘生態(tài)整治修復(fù)、沙灘保護(hù)管理基礎(chǔ)能力建設(shè)等工程。本次測量旨在了解工程區(qū)的水深、地形特征，為后續(xù)的數(shù)模、物模試驗(yàn)提供邊界條件，為項目工程的可行性研究和設(shè)計階段提供可靠的基本地形數(shù)據(jù)。

本次實(shí)驗(yàn)陸地部分使用UBase PPK配合無人機(jī)搭載高清航攝相機(jī)進(jìn)行測量，水深部分使用快艇搭載聲學(xué)單波束測深儀進(jìn)行水深測量。最后得到兩種數(shù)據(jù)須分別自查，檢查數(shù)據(jù)的合理性、準(zhǔn)確性，滿足要求后進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，分析整個測區(qū)的地形。

2.1 無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)采集

1)確定飛行區(qū)域。使用奧維地圖按實(shí)驗(yàn)要求確定飛行區(qū)域，依據(jù)區(qū)域計劃各個航次飛行位置，按實(shí)驗(yàn)要求規(guī)劃飛行計劃線，調(diào)試飛行參數(shù)。

2)飛行計劃線規(guī)劃和參數(shù)設(shè)置。本實(shí)驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場沒有高海拔建筑等，故設(shè)置無人機(jī)飛行高度為80 m，因沙灘顏色單一，特征點(diǎn)少，旁向重疊率設(shè)置為75%，航向重疊率為80%，地面分辨率2 cm。

3)RTK布點(diǎn)。按照飛行區(qū)域在奧維地圖中提前選好位置預(yù)布設(shè)像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)。本次實(shí)驗(yàn)使用PPK(Post Processed Kinematic)實(shí)時動態(tài)后差分技術(shù)[4]，能提高航攝相機(jī)拍照時刻位置精度，所以可減少布設(shè)像控點(diǎn)，使用GNSS RTK約每500～1 000 m布設(shè)一個像控點(diǎn)，并在合適位置加密一些平高檢查點(diǎn)及高程檢查點(diǎn)，用于檢核數(shù)據(jù)精度，共布設(shè)12個像控點(diǎn)、8個平高檢查點(diǎn)(見圖2)以及20個高程檢查點(diǎn)，使用GNSS RTK布設(shè)像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)的平面誤差為0.02 m，高程誤差為0.03 m。

圖2 像控點(diǎn)和平高檢查點(diǎn)的位置分布

4)航拍作業(yè)。選擇在遙控范圍內(nèi)，上方無遮擋且信號良好位置作為本次航拍作業(yè)起飛點(diǎn)，在起飛點(diǎn)附近架設(shè)UBase PPK基站并采集基站坐標(biāo)，使用風(fēng)速儀測量風(fēng)速，小于5級即可開始航拍作業(yè)。無人機(jī)飛行時實(shí)時監(jiān)視飛機(jī)飛行狀態(tài)及相機(jī)拍照情況。完成預(yù)定任務(wù)后，關(guān)閉基站電源，檢查照片數(shù)量能否和UBase PPK數(shù)量一致，一致后進(jìn)行后續(xù)測量。

2.2 聲學(xué)水深測量

在聲學(xué)水深測量前，將7參數(shù)輸入到回聲測深儀導(dǎo)航軟件中，GNSS連接山東省連續(xù)衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)(CORS)，達(dá)到固定解后到測區(qū)附近的控制點(diǎn)上進(jìn)行點(diǎn)校正，校正無誤后方可進(jìn)行水深測量。

1)規(guī)劃水深計劃線。按《水運(yùn)工程測量規(guī)范》要求規(guī)劃水深測量計劃線，主測線方向與深度等值線方向垂直。檢查線方向垂直于主測線，且不小于主測線的5%。水深測量計劃線如圖3所示。

圖3 測線布設(shè)

2)聲速校正。開始水深測量前，選擇合適的位置，使用聲速剖面儀測量測區(qū)平均聲速曲線。

3)定位導(dǎo)航及水面高程測量。測區(qū)有網(wǎng)絡(luò)及山東省連續(xù)衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)(CORS)的信號覆蓋，GNSS RTK設(shè)備能達(dá)到實(shí)時固定解，所以本次定位導(dǎo)航和水面高程測量均使用GNSS RTK設(shè)備。

4)水深測量。將聲速剖面儀測量的聲速輸入測深儀，量取換能器吃水深度，調(diào)節(jié)增益與能量檔位至水底波形清晰顯示。根據(jù)GNSS RTK船型定位，按計劃測線測量，測量過程中實(shí)時監(jiān)視水底回波信號強(qiáng)度及水面高程數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，為保證水深測量精度，船速控制在5節(jié)以下。水深測量完成后，根據(jù)實(shí)際測線檢查水深數(shù)據(jù)測量完成性。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1 無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)處理與精度分析

外業(yè)對數(shù)據(jù)進(jìn)行粗查后，內(nèi)業(yè)對數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)查，包括照片分辨率是否合格、是否有霧、是否拉花，照片重疊率是否達(dá)到預(yù)定值，UBase PPK基站數(shù)據(jù)時間是否包含整個飛行時間等。各項指標(biāo)均滿足要求后，使用PPK后差分解算軟件解算出每張照片的精確POS，導(dǎo)入PIX4D mapper進(jìn)行初始化處理、刺像控點(diǎn)、重新優(yōu)化等，得到測區(qū)數(shù)字表面模型及正射影像。

將DSM和DOM導(dǎo)入中海達(dá)HIData軟件中與現(xiàn)場采集的平高檢查點(diǎn)及高程檢查點(diǎn)進(jìn)行精度比對，結(jié)果顯示，平面坐標(biāo)誤差在-0.002～0.037 m，中誤差為0.024 m；高程誤差在0.002～0.047 m，中誤差為0.027 m。由此可見，本次無人機(jī)攝影測量精度較高，滿足實(shí)驗(yàn)要求。在軟件中導(dǎo)入沙灘剖面線，在正射影像上根據(jù)剖面線提取剖面高程以及其他興趣區(qū)域高程數(shù)據(jù)，提取之后即可導(dǎo)出沙灘地面高程點(diǎn)。

3.2 聲學(xué)水深測量數(shù)據(jù)處理與精度分析

內(nèi)業(yè)對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，包括水深測量數(shù)據(jù)是否漏測、GNSS RTK非固定解狀態(tài)時長是否超過10 min、線長度占比是否超過總測線里程5%等。各項指標(biāo)均滿足要求后，使用后處理軟件根據(jù)水下回波灰度曲線處理水深數(shù)據(jù)，剔除跳點(diǎn)、模糊點(diǎn)等假水深點(diǎn)；根據(jù)GNSS RTK高程曲線處理水面高程數(shù)據(jù)，將非固定解狀態(tài)下的跳點(diǎn)改正到正確位置。通過時間信息將水面高程數(shù)據(jù)對應(yīng)到相應(yīng)水深數(shù)據(jù)上，得到相應(yīng)點(diǎn)的水底高程。水下回波灰度曲線處理過程如圖4所示。

圖4 水下回波灰度曲線數(shù)據(jù)處理

在所有測線水深數(shù)據(jù)處理完成后，將水深數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方CASS軟件，檢查主測線與檢查線相交位置(小于圖上1 mm)誤差并統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相交位置高程誤差在-0.03～0.13 m，中誤差為0.08 m，本次實(shí)驗(yàn)水深數(shù)據(jù)精度較高，滿足要求。

3.3 數(shù)據(jù)結(jié)合分析

將沙灘地面高程點(diǎn)及水底高程點(diǎn)分不同顏色一起在南方CASS中展出，對重合區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析、誤差統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果顯示相交位置(小于圖上1 mm)沙灘地面高程點(diǎn)及水底高程點(diǎn)差值均小于20 cm，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

總體而言，本研究利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)和聲學(xué)水深測量技術(shù)分別獲取沙灘水上、水下地形數(shù)據(jù)，平面及高程誤差均滿足要求。

4 結(jié)語

近年來砂質(zhì)海灘的旅游開發(fā)及生態(tài)修復(fù)的熱度越來越高，沙灘剖面地形監(jiān)測亦是其不可或缺的一部分，但砂質(zhì)海灘受潮流影響，水坑與潮水溝密布，沒有合適的交通工具，傳統(tǒng)的人工測量作業(yè)難度大，危險系數(shù)高。

利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)及聲學(xué)水深測量技術(shù)，開展沙灘剖面地形測量，可快速獲取沙灘正射影像、數(shù)字表面模型以及水下地形數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)人工測量方式有巨大的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用旋翼無人機(jī)配合UBase PPK輔助，操作簡單，精度較高，但容易受風(fēng)力、光線影響，且水面以下數(shù)據(jù)無法獲取，增加了工作難度，聲學(xué)水深測量技術(shù)獲取水下地形數(shù)據(jù)亦受風(fēng)浪、涌浪、潮汐影響，故需要兩種技術(shù)緊密配合，低潮時利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)獲取沙灘地面高程點(diǎn)，高潮時利用聲學(xué)水深測量技術(shù)獲取剖面水底高程，并保證有一定重合區(qū)域便于檢核測量精度。

通過結(jié)合無人機(jī)攝影測量技術(shù)、聲學(xué)水深測量技術(shù)，可將沙灘實(shí)景模型搬到電腦上，輔以人工RTK測量技術(shù)補(bǔ)充水坑及漏測數(shù)據(jù)，大大提高了外業(yè)效率，降低了作業(yè)成本，使沙灘剖面地形監(jiān)測數(shù)據(jù)更加完整，精度亦滿足要求，為砂質(zhì)海灘的旅游開發(fā)及生態(tài)修復(fù)的具體實(shí)施工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。