多源監(jiān)測(cè)技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境下水下地形測(cè)量中的應(yīng)用
——以西滬港為例

孫偉

(寧波海洋研究院，浙江 寧波 315832)

1 引 言

水下地形測(cè)量是我國(guó)地形測(cè)量的重要內(nèi)容之一。隨著，陸地地形測(cè)量的逐漸完善，水下地形測(cè)量的普查成為未來(lái)國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪事業(yè)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。隨著測(cè)繪科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的高新技術(shù)被應(yīng)用到水下地形測(cè)量當(dāng)中。

水下地形測(cè)量主要包括平面定位測(cè)量和水深測(cè)量，已形成了采用GPS技術(shù)獲取平面坐標(biāo)和測(cè)深儀獲取深度數(shù)據(jù)的基本測(cè)量模式[1]。圍繞這一基本測(cè)量模式，諸多學(xué)者在改善平面坐標(biāo)和測(cè)深數(shù)據(jù)獲取精度，平面-測(cè)深協(xié)同監(jiān)測(cè)方面和水下地形精細(xì)化測(cè)量方面開(kāi)展了大量的研究。

在改善平面坐標(biāo)和測(cè)深數(shù)據(jù)獲取精度方面，趙保成采用GNSS-PPK技術(shù)克服了傳統(tǒng)衛(wèi)星定位法在山區(qū)狹窄河道水下地形測(cè)量中作業(yè)半徑小和定位精度差等問(wèn)題[2]。孫月文采用GNSS技術(shù)進(jìn)行了杭州灣強(qiáng)潮海域水下地形測(cè)量，有效降低了潮差、潮流急等對(duì)測(cè)量精度的影響，克服了傳統(tǒng)手段的局限性[3]。

在平面-測(cè)深協(xié)同監(jiān)測(cè)方面，文小勇和林向陽(yáng)嘗試采用GPS-RTK-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量，并通過(guò)對(duì)比分析證明了該技術(shù)的可靠性[4，5]。蔣寶平和石曉春分別提出了提升聲速和斷面平移法，改善GPS-RTK-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)技術(shù)測(cè)量精度的思路[6，7]。

在水下地形精細(xì)化測(cè)量方面，鄭暉采用多波束和側(cè)掃聲吶進(jìn)行水下勘測(cè)，充分利用了兩種技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了水下地形數(shù)據(jù)和水底地貌影像的精確提取[8]。崔立軍和王慶洋分別采用多波束測(cè)深系統(tǒng)和單波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行水下地形測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境水下地形精細(xì)化探測(cè)[9，10]。

由上文可知，多種監(jiān)測(cè)技術(shù)的協(xié)同監(jiān)測(cè)將是未來(lái)水下地形精細(xì)化測(cè)量的必然趨勢(shì)。但是，關(guān)于淺水區(qū)和沼澤區(qū)的全覆蓋、無(wú)盲區(qū)大比例尺水下地形測(cè)量研究較少，尤其缺乏合理有效的監(jiān)測(cè)體系[11]。本文擬采用海陸空一體化測(cè)量方法監(jiān)測(cè)西滬港水下地形測(cè)量，以期得到其精細(xì)化水下地形圖，為該區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

2 西滬港概況及地形測(cè)量技術(shù)需求分析

象山港位于寧波市東南部，為東北-西南對(duì)角線走向的狹長(zhǎng)形半封閉港灣，港內(nèi)風(fēng)平浪靜，水質(zhì)上佳。其中，西滬港是象山港三大內(nèi)港之一，是象山半島灘涂面積最大的內(nèi)港。為了了解和分析工程區(qū)海域地形變化特征，為相關(guān)論證專題提供最新海域地形基本資料，本文擬對(duì)西滬港海域進(jìn)行水下地形測(cè)量，測(cè)量面積約為 49.0 km2(水域約 34.0 km2，鹽沼約 15.0 km2)，如圖1(a)所示。

西滬港水下地形測(cè)量不僅包括深水區(qū)，還有鹽沼、泥灘、漁網(wǎng)和養(yǎng)殖區(qū)等淺水區(qū)。大潮低潮時(shí)，泥灘從岸邊向海中可露出 5 km左右，在區(qū)域西面則是一片大鹽沼。由于灘涂面積較大、分布較廣，且高潮沒(méi)水、低潮露灘，無(wú)法采用常規(guī)手段進(jìn)行地形測(cè)量。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查和綜合考量，在淺水區(qū)采用乘潮作業(yè)的方式，在低潮露灘時(shí)采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)掃描被監(jiān)測(cè)區(qū)域，合理利用每次的高、低潮時(shí)間。在深水區(qū)，采用DGPS-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)技術(shù)測(cè)量水下地形，西滬港測(cè)量區(qū)域分區(qū)作業(yè)示意圖如圖1(b)所示。

圖1 西滬港水下地形測(cè)量區(qū)域及分區(qū)作業(yè)示意圖

3 西滬港水下地形測(cè)量

3.1 控制測(cè)量

為滿足地形測(cè)量的需要，在進(jìn)行水下地形測(cè)量之前，率先完成工程測(cè)量區(qū)域的平面和高程控制測(cè)量。本次共布設(shè)了33個(gè)一級(jí)GPS控制點(diǎn)，控制點(diǎn)設(shè)置在地平仰角15°以上且視野內(nèi)沒(méi)有障礙物的地方，并避開(kāi)了電磁輻射源和可能產(chǎn)生多路徑效應(yīng)誤差，兩點(diǎn)之間相互通視，其點(diǎn)號(hào)從I1開(kāi)始依次流水編號(hào)至I33。一級(jí)GPS控制點(diǎn)和臨時(shí)水位站、人工驗(yàn)潮點(diǎn)的高程測(cè)量按四等水準(zhǔn)測(cè)量精度施測(cè)，以收集到的高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)為起算點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)組成附和水準(zhǔn)路線，水準(zhǔn)路線總長(zhǎng)度為 33.761 km。四等水準(zhǔn)使用TrimbleDINI 03電子水準(zhǔn)儀配合條碼水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行觀測(cè)，水準(zhǔn)觀測(cè)前對(duì)水準(zhǔn)儀i角誤差進(jìn)行了檢測(cè)。

為方便水下地形測(cè)繪、高程測(cè)量，一級(jí)GPS控制點(diǎn)均選在堅(jiān)實(shí)地面上，控制點(diǎn)為十字道釘，并在實(shí)地用紅油漆標(biāo)記點(diǎn)號(hào)，部分示意圖如圖2所示：

圖2 臨時(shí)驗(yàn)潮站位置示意圖

3.2 基于DGPS-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)的深水區(qū)水深測(cè)量

根據(jù)深水區(qū)水下地形特征和規(guī)范要求，主測(cè)線基本按照與海底地形走向垂直的原則布設(shè)，檢測(cè)線基本按垂直主測(cè)線方向布設(shè)。主測(cè)線按 40 m間距布設(shè)，垂直主測(cè)線方向按 500 m間距布設(shè)檢查測(cè)線，測(cè)點(diǎn)間距均為 20 m。共布設(shè)主測(cè)線460條，長(zhǎng)約 1 295 km，檢查測(cè)線21條，長(zhǎng)約 90 km，具體測(cè)線布設(shè)情況如圖3(a)所示。

圖3 西滬港深水區(qū)水深測(cè)量示意圖

深水區(qū)水深測(cè)量采用的是基于DGPS-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)使用高精度精密回聲測(cè)深儀，測(cè)深儀換能器采用舷掛式安裝，導(dǎo)航定位GPS天線與測(cè)深儀換能器中心處于同一垂面上。測(cè)量時(shí)，導(dǎo)航軟件實(shí)時(shí)采集測(cè)深儀輸出的數(shù)字式水深信息和星站差分GPS接收機(jī)輸出的定位數(shù)據(jù)，并在測(cè)深儀的模擬記錄上同步進(jìn)行打標(biāo)，以便核查。水深采集記錄至 0.01 m，測(cè)深儀模擬記錄讀數(shù)精度為 ±0.1 m，DGPS-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)技術(shù)示意圖如圖3(b)所示。

另外，水深測(cè)量所得數(shù)據(jù)要進(jìn)行靜態(tài)吃水改正、動(dòng)態(tài)吃水改正和聲速改正。經(jīng)試驗(yàn)，本文測(cè)量中換能器的靜態(tài)吃水改正值為 0.2 m。由于測(cè)深儀換能器安裝在測(cè)船中心附近位置，測(cè)量期間航速比較穩(wěn)定，本文忽略換能器吃水的影響。由于測(cè)區(qū)內(nèi)聲速變化較小，本文忽略聲速改正。本文所用測(cè)深設(shè)備在外業(yè)工作開(kāi)展前均通過(guò)了專業(yè)檢測(cè)單位的檢定，其測(cè)量精度完全滿足精度要求，相關(guān)數(shù)據(jù)分析見(jiàn)下文。

3.3 基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的鹽沼與灘涂地形測(cè)量

西滬港內(nèi)存在大面積灘涂，水深較淺，長(zhǎng)時(shí)間露灘，互花米草等植被覆蓋較多，無(wú)法采用傳統(tǒng)水深測(cè)量方式進(jìn)行水下地形測(cè)量。該區(qū)域采用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)的方式進(jìn)行作業(yè)，采用成都縱橫CW-30 LiDAR系統(tǒng)對(duì)大塊露灘區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，采用掃描鷹HS-300低空激光掃描測(cè)圖系統(tǒng)對(duì)部分小區(qū)塊進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，共完成約 15 km2鹽沼測(cè)量任務(wù)。

在無(wú)人機(jī)搭載一個(gè)GPS模塊作業(yè)的同時(shí)，需要在一個(gè)已知點(diǎn)(已知CGCS2000坐標(biāo)即可)點(diǎn)位上架設(shè)靜態(tài)模式的GPS接收機(jī)，采集相同作業(yè)時(shí)段內(nèi)的GPS數(shù)據(jù)，基站理論覆蓋距離為 25 km。為保證作業(yè)精度，無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)離地最大航高為 100 m，根據(jù)規(guī)范要求合理布設(shè)航線，相關(guān)示意圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況圖

4 數(shù)據(jù)處理及分析

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅涉及水下地形測(cè)量的直接數(shù)據(jù)，還包括水下地形測(cè)量前的控制測(cè)量數(shù)據(jù)，以及水深測(cè)量?jī)x等高級(jí)儀器可靠性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本解算過(guò)程和成果分析具體如下文所示：

4.1 控制測(cè)量數(shù)據(jù)分析

(1)高程控制測(cè)量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)高程控制網(wǎng)布設(shè)特點(diǎn)，已知數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量，采用間接平差原理對(duì)高程控制網(wǎng)進(jìn)行嚴(yán)密平差。經(jīng)過(guò)平差計(jì)算得到表1中7條閉合、附合水準(zhǔn)路線閉合差，進(jìn)而得到本文每公里高差中誤差最大為 12.75 mm，滿足允許值 ≤±20 mm精度要求，能夠?yàn)樗豢刂茰y(cè)量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 四等水準(zhǔn)平差精度統(tǒng)計(jì)表

(2)平面控制測(cè)量數(shù)據(jù)分析

在平面控制測(cè)量中每個(gè)一級(jí)GPS控制點(diǎn)分別按1個(gè)時(shí)段觀測(cè)4次，每次觀測(cè)歷元數(shù)為20個(gè)，最終取4次觀測(cè)值的平均值作為最終成果。作業(yè)前后在已知C級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行檢查，平面校差最大值為△X=1.2 cm和△Y=0.6 cm，高程較差△h=2.8 cm，滿足規(guī)范要求。其中，部分GPS觀測(cè)成果如表2所示。

表2 GPS控制點(diǎn)成果表

4.2 DGPS-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)精度分析

(1)DGPS獲取平面位置精度分析

為保證平面控制測(cè)量的精度，海上工作開(kāi)始之前，在已知點(diǎn)上進(jìn)行了GPS穩(wěn)定性及定位精度的靜態(tài)比測(cè)，測(cè)試定位數(shù)據(jù)均位于已知點(diǎn) 0.5 m半徑范圍以內(nèi)，定位中誤差為 ±0.18 m，表明GPS穩(wěn)定性和定位精度良好，能夠滿足本次測(cè)量定位要求，如圖5、表3所示。定位點(diǎn)點(diǎn)位中誤差如公式(1)所示：

表3 差分GPS系統(tǒng)測(cè)試定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖5 差分GPS系統(tǒng)測(cè)試定位數(shù)據(jù)離散圖

(1)

式中：(Xpo，Ypo)為已知點(diǎn)高精度平面坐標(biāo)，(Xpi，Ypi)為已知點(diǎn)實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)，n為定位次數(shù)，Mp為定位點(diǎn)點(diǎn)位中誤差。

(2)測(cè)深儀測(cè)量精度分析

外業(yè)工作開(kāi)展前，對(duì)所有即將投入使用的測(cè)深儀進(jìn)行了一致性測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試。首先，進(jìn)行測(cè)深儀穩(wěn)定性測(cè)試，把測(cè)深儀的換能器固定在一定水深位置，水深值大于 10 m，按固定時(shí)間間隔采集水深數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)量時(shí)間超過(guò) 8 h，然后統(tǒng)計(jì)水深值的離散情況，計(jì)算中誤差，測(cè)深儀HY1601(1#)、HY1601(2#)和HY1601(3#)的穩(wěn)定性中誤差分別為 10.2 mm、7.2 mm和 8.0 mm，具體如表4所示。

表4 測(cè)深儀穩(wěn)定性測(cè)定表

其次，進(jìn)行測(cè)深儀一致性測(cè)試，把多臺(tái)回聲儀放置在同一水深的位置進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)各臺(tái)儀器測(cè)量結(jié)果的差值。同一時(shí)刻，測(cè)深儀HY1601(1#)、HY1601(2#)和HY1601(3#)相對(duì)于平均值的最大偏差小于0.02 m，如表5所示。

表5 測(cè)深儀一致性測(cè)試表(單位/m)

(3)DGPS-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)精度分析

在實(shí)際水深測(cè)量過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集差分GPS數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)，定位間隔為 1 s，測(cè)深間隔為 0.2 s，定位點(diǎn)之間水深點(diǎn)的位置由計(jì)算機(jī)通過(guò)內(nèi)插獲得。作業(yè)時(shí)，GPS天線直接固定于測(cè)深儀換能器桿子之上，內(nèi)業(yè)資料整理時(shí)無(wú)須進(jìn)行位置改正。

為了反映水下地形測(cè)量的精度，本文從深度誤差和深度比對(duì)互差兩個(gè)角度進(jìn)行衡量。根據(jù)式(2)計(jì)算深度誤差發(fā)現(xiàn)，測(cè)區(qū)水深不大于 20 m的主、檢測(cè)線重合點(diǎn)共106個(gè)，中誤差為 ±0.18 m；大于 20 m的重合點(diǎn)共92個(gè)，中誤差為±0.0092H，滿足規(guī)范要求(水深H≤20，深度誤差限值±0.20 m；H>20，深度誤差限值±0.01H)。

(2)

式中：△Hi為主測(cè)線和檢查線重合點(diǎn)i水深差值，n為重合點(diǎn)個(gè)數(shù)，Mh為水深中誤差。

在深度比對(duì)互差方面，采用完成各項(xiàng)改正的每 0.2 s主測(cè)線及檢查線水深數(shù)據(jù)進(jìn)行互差分析計(jì)算。在程序計(jì)算時(shí)，取相交的主測(cè)線和檢查測(cè)線數(shù)據(jù)，計(jì)算其交點(diǎn)作為深度互差對(duì)比重合點(diǎn)，該點(diǎn)主、檢測(cè)線水深由對(duì)應(yīng)測(cè)線上前后兩點(diǎn)實(shí)測(cè)水深通過(guò)線性內(nèi)插獲取(通常，前后兩點(diǎn)之間的定位距離約為 0.6 m～1 m)。測(cè)區(qū)主檢測(cè)線重合點(diǎn)水深值比對(duì)統(tǒng)計(jì)情況如表6所示。

表6 測(cè)區(qū)主測(cè)線和檢查測(cè)線重合點(diǎn)水深值比對(duì)統(tǒng)計(jì)表

4.3 基于機(jī)載LiDAR技術(shù)的鹽沼與灘涂測(cè)量成果分析

對(duì)飛行設(shè)備上GPS模塊的GNSS數(shù)據(jù)，聯(lián)合基準(zhǔn)站GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理、后處理等過(guò)程后提取出的地表點(diǎn)云，生成等高線模型與DEM模型，技術(shù)流程圖如圖6所示。

圖6 機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖

根據(jù)經(jīng)各項(xiàng)改正后的測(cè)區(qū)水深數(shù)據(jù)集、灘涂高程數(shù)據(jù)集按要求的比例尺進(jìn)行水下地形圖繪制。地物符號(hào)和地貌元素按相應(yīng)圖式繪制。岸線套用最新大陸岸線修測(cè)成果，灘涂部分地物、地貌要素利用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行繪制，部分地物、地貌要素由搜集的地形圖轉(zhuǎn)繪得到，使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化制圖系統(tǒng)進(jìn)行制圖，如圖7所示。

圖7 西滬港水下地形圖

5 結(jié) 論

西滬港水下地形測(cè)量環(huán)境復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)鹽沼、泥灘等嚴(yán)重限制了測(cè)量船監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用。因此，本文采用無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行輔助測(cè)量，在水準(zhǔn)網(wǎng)和GPS平面控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上，采用高精度DGPS-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)技術(shù)測(cè)量深水區(qū)域，應(yīng)用高-低配雙無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行鹽沼與灘涂測(cè)量，主要得到以下結(jié)論：

(1)水下地形測(cè)量高程控制網(wǎng)每公里高差中誤差最大為 12.75 mm，GPS平面控制網(wǎng)在X和Y方向的誤差最大值分別為 1.2 cm和 0.6 cm，均在限差允許值范圍內(nèi)。

(2)本文所用DGPS-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)技術(shù)中，測(cè)深儀穩(wěn)定性中誤差約為 8.5 mm，一致性最大偏差小于 2 cm，DGPS技術(shù)定位中誤差為 ±0.18 m，單項(xiàng)技術(shù)均能夠滿足使用要求。

(3)本文采用DGPS-測(cè)深儀協(xié)同探測(cè)技術(shù)測(cè)量西滬港深水區(qū)水深，測(cè)區(qū)水深不大于 20 m的主、檢測(cè)線重合點(diǎn)共106個(gè)，中誤差為 ±0.18 m；大于 20 m的重合點(diǎn)共92個(gè)，中誤差為±0.0092H。通過(guò)對(duì)經(jīng)各項(xiàng)改正后的主檢測(cè)線重合點(diǎn)水深值比對(duì)，發(fā)現(xiàn)重合點(diǎn)的深度比對(duì)H≤20 m互差超限率小于1.9%，H>20 m互差超限率小于3.3%，符合相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的要求。

(4)本文采用高精度測(cè)深儀、高精度GNSS定位系統(tǒng)、高-低配雙無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)等多源監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量西滬港水下地形，實(shí)現(xiàn)了關(guān)于大區(qū)域、復(fù)雜環(huán)境、高精度要求水下地形測(cè)量的技術(shù)突破，是海陸空地形一體化測(cè)量方法應(yīng)用的典型案例。