河口砂質海灘地形測量方法研究

孫 健，陳香伊，史超凡

(青島中海基業海洋科技有限公司，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略，對砂質海灘的旅游開發與生態保護修復需求日趨強烈[1]。但受河流、海流沖擊影響，砂質海灘上分布泥潭、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，砂質海灘還具有漲潮退潮的特點，需要在較短的時間內完成測繪工作，給野外測繪作業帶來許多不便[2]。為得到河口砂質海灘的地形數據，傳統方法是多個工作人員使用RTK(Real-time Kinematic)測量剖面數據，此種方法常因為缺乏高效的交通工具，不僅需要大量的人力、物力，而且增加了工作難度和危險性。同時，傳統人工測量方法效率低，難以完全覆蓋測區，某些特殊地域地形變化亦無法體現[3]。

隨著科技的發展，無人機攝影測量技術得到了高速發展，其優勢逐漸顯現，不僅提高了作業效率，而且能將測區全面覆蓋，成果精度也變得可控且越來越高。同時，無人機可搭載多種不同傳感器，單次數據采集可以選擇獲取多種數據源，以適應不同測量項目[4-5]。為了驗證其獲取沙灘地形的可行性與精度，本次研究結合了無人機攝影測量技術與聲學水深測量技術，以日照某砂質海灘為研究對象對比地形數據，驗證此方案。

1 原理分析

1.1 無人機攝影測量原理

無人機攝影測量的原理[1]是無人機搭載高清航攝相機獲取測區一定重疊度的地面照片及拍照點位置姿態信息，通過特征點提取、空中三角網解算、微分糾正及影像拼接等工作，得到測區的DSM(Digital Surface Model)和DOM(Digital Orthophoto Map)，將DSM、DOM導入專業測圖軟件，選擇任一合適位置進行內業測圖。無人機可以配備多種不同的傳感器，在很短的時間內就能獲取大面積的數據，數據經不同專業軟件處理，最終可以得到測區的正射影像、點云、三維模型、光譜影像等多源數據成果，可滿足不同行業應用的多種需求。本次實驗選用大疆的精靈4RTK四旋翼無人機搭配中海達UBase PPK，進行無人機攝影測量實驗。

1.2 聲學水深測量原理

聲學水深測量的原理[2]:假設聲波在水中的傳播平均速度為V，當在換能器探頭發射窄脈沖聲波信號，聲波經探頭發射到水底，到達水底后由水底反射回到探頭轉換成電信號被接收，測得聲波信號往返行程所經歷的時間為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]。

測深儀換能器連續向水下發射聲波，測深儀軟件同時記錄GNSS RTK定位數據及水深數據Z，通過測量軟件處理計算，即可得到水下地形特征點的高程值。本次實驗選用Toslon 260D單頻測深儀搭配中海達華星A12，進行水深測量實驗。

圖1 測深儀工作原理

1.3 數據合并原理

經過無人機攝影測量，可獲得測區DOM及DSM，將其導入專業測圖軟件中選取想要測量的區域進行內業地形測量，最終得到興趣區域地形數據；經過聲學水深測量，可以得到測區的水深數據，經過專業軟件處理后最終得到測量區域水下地形數據，2種數據要達到結合前必須保證其坐標系統及高程基準相互統一，即無人機飛行前及聲學測量水深前都要進行坐標參數轉換。

本次測量平面控制采用1980西安坐標系統，中央子午線為120 °E，高斯投影三度分帶。高程基準采用1985國家高程基準，實驗地區周邊共有8個C級控制點，使用中海達A12連接山東省連續運行衛星定位導航服務系統(CORS)，采用其中5個點求取7參數進行坐標基準轉換，轉換完成后，將其中3個作為檢查點檢核參數可靠性，結果如表1所示。

表1 轉換參數可靠性檢查表 單位:mm

在專業測圖軟件中，根據剖面線在興趣區域上測量地形數據，最后提取陸地地形數據，將聲學水深測量得到的水下地形數據導入到CASS軟件中，檢查兩組數據重疊部分的準確性，最終完成數據的整合。

2 測量技術方案

本次實驗區選擇位于日照市濤雒鎮劉家趕海園東側，小海河與付疃河入海口處的砂質海灘為測區，該砂質海灘是在河流入海與海洋波浪、潮流的共同作用下形成的。為了對砂質海灘進行有效保護，提高其旅游開發利用水平，當地主管部門提出重點開展砂質海灘生態整治修復、沙灘保護管理基礎能力建設等工程。本次測量旨在了解工程區的水深、地形特征，為后續的數模、物模試驗提供邊界條件，為項目工程的可行性研究和設計階段提供可靠的基本地形數據。

本次實驗陸地部分使用UBase PPK配合無人機搭載高清航攝相機進行測量，水深部分使用快艇搭載聲學單波束測深儀進行水深測量。最后得到兩種數據須分別自查，檢查數據的合理性、準確性，滿足要求后進行數據整合，分析整個測區的地形。

2.1 無人機攝影測量數據采集

1)確定飛行區域。使用奧維地圖按實驗要求確定飛行區域，依據區域計劃各個航次飛行位置，按實驗要求規劃飛行計劃線，調試飛行參數。

2)飛行計劃線規劃和參數設置。本實驗區現場沒有高海拔建筑等，故設置無人機飛行高度為80 m，因沙灘顏色單一，特征點少，旁向重疊率設置為75%，航向重疊率為80%，地面分辨率2 cm。

3)RTK布點。按照飛行區域在奧維地圖中提前選好位置預布設像控點及檢查點。本次實驗使用PPK(Post Processed Kinematic)實時動態后差分技術[4]，能提高航攝相機拍照時刻位置精度，所以可減少布設像控點，使用GNSS RTK約每500～1 000 m布設一個像控點，并在合適位置加密一些平高檢查點及高程檢查點，用于檢核數據精度，共布設12個像控點、8個平高檢查點(見圖2)以及20個高程檢查點，使用GNSS RTK布設像控點及檢查點的平面誤差為0.02 m，高程誤差為0.03 m。

圖2 像控點和平高檢查點的位置分布

4)航拍作業。選擇在遙控范圍內，上方無遮擋且信號良好位置作為本次航拍作業起飛點，在起飛點附近架設UBase PPK基站并采集基站坐標，使用風速儀測量風速，小于5級即可開始航拍作業。無人機飛行時實時監視飛機飛行狀態及相機拍照情況。完成預定任務后，關閉基站電源，檢查照片數量能否和UBase PPK數量一致，一致后進行后續測量。

2.2 聲學水深測量

在聲學水深測量前，將7參數輸入到回聲測深儀導航軟件中，GNSS連接山東省連續衛星定位導航服務系統(CORS)，達到固定解后到測區附近的控制點上進行點校正，校正無誤后方可進行水深測量。

1)規劃水深計劃線。按《水運工程測量規范》要求規劃水深測量計劃線，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

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平均聲速曲線。

3)定位導航及水面高程測量。測區有網絡及山東省連續衛星定位導航服務系統(CORS)的信號覆蓋，GNSS RTK設備能達到實時固定解，所以本次定位導航和水面高程測量均使用GNSS RTK設備。

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，調節增益與能量檔位至水底波形清晰顯示。根據GNSS RTK船型定位，按計劃測線測量，測量過程中實時監視水底回波信號強度及水面高程數據穩定性，為保證水深測量精度，船速控制在5節以下。水深測量完成后，根據實際測線檢查水深數據測量完成性。

3 數據處理與結果分析

3.1 無人機攝影測量數據處理與精度分析

外業對數據進行粗查后，內業對數據進行細查，包括照片分辨率是否合格、是否有霧、是否拉花，照片重疊率是否達到預定值，UBase PPK基站數據時間是否包含整個飛行時間等。各項指標均滿足要求后，使用PPK后差分解算軟件解算出每張照片的精確POS，導入PIX4D mapper進行初始化處理、刺像控點、重新優化等，得到測區數字表面模型及正射影像。

將DSM和DOM導入中海達HIData軟件中與現場采集的平高檢查點及高程檢查點進行精度比對，結果顯示，平面坐標誤差在-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，本次無人機攝影測量精度較高，滿足實驗要求。在軟件中導入沙灘剖面線，在正射影像上根據剖面線提取剖面高程以及其他興趣區域高程數據，提取之后即可導出沙灘地面高程點。

3.2 聲學水深測量數據處理與精度分析

內業對數據進行檢查，包括水深測量數據是否漏測、GNSS RTK非固定解狀態時長是否超過10 min、線長度占比是否超過總測線里程5%等。各項指標均滿足要求后，使用后處理軟件根據水下回波灰度曲線處理水深數據，剔除跳點、模糊點等假水深點；根據GNSS RTK高程曲線處理水面高程數據，將非固定解狀態下的跳點改正到正確位置。通過時間信息將水面高程數據對應到相應水深數據上，得到相應點的水底高程。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據處理

在所有測線水深數據處理完成后，將水深數據導入南方CASS軟件，檢查主測線與檢查線相交位置(小于圖上1 mm)誤差并統計。統計結果顯示，相交位置高程誤差在-0.03～0.13 m，中誤差為0.08 m，本次實驗水深數據精度較高，滿足要求。

3.3 數據結合分析

將沙灘地面高程點及水底高程點分不同顏色一起在南方CASS中展出，對重合區域數據進行對比分析、誤差統計，統計結果顯示相交位置(小于圖上1 mm)沙灘地面高程點及水底高程點差值均小于20 cm，滿足實驗要求。

總體而言，本研究利用無人機攝影測量技術和聲學水深測量技術分別獲取沙灘水上、水下地形數據，平面及高程誤差均滿足要求。

4 結語

近年來砂質海灘的旅游開發及生態修復的熱度越來越高，沙灘剖面地形監測亦是其不可或缺的一部分，但砂質海灘受潮流影響，水坑與潮水溝密布，沒有合適的交通工具，傳統的人工測量作業難度大，危險系數高。

利用無人機攝影測量技術及聲學水深測量技術，開展沙灘剖面地形測量，可快速獲取沙灘正射影像、數字表面模型以及水下地形數據，相比傳統人工測量方式有巨大的優勢。實驗結果表明：使用旋翼無人機配合UBase PPK輔助，操作簡單，精度較高，但容易受風力、光線影響，且水面以下數據無法獲取，增加了工作難度，聲學水深測量技術獲取水下地形數據亦受風浪、涌浪、潮汐影響，故需要兩種技術緊密配合，低潮時利用無人機攝影測量技術獲取沙灘地面高程點，高潮時利用聲學水深測量技術獲取剖面水底高程，并保證有一定重合區域便于檢核測量精度。

通過結合無人機攝影測量技術、聲學水深測量技術，可將沙灘實景模型搬到電腦上，輔以人工RTK測量技術補充水坑及漏測數據，大大提高了外業效率，降低了作業成本，使沙灘剖面地形監測數據更加完整，精度亦滿足要求，為砂質海灘的旅游開發及生態修復的具體實施工作提供了基礎數據支撐。