基于無人機和測深儀的高精度灘涂測圖方法研究

吳珍麗 彭小青 方輝兵

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢 430056)

1 概述

沿海河口地區存在大面積潮間灘涂帶，這些灘涂往往成片存在，高潮位時，水深較淺甚至露出水面，常規行船測量難以實現；低潮位時，裸露出淤泥灘面，由于淤泥質軟，也難以直接利用GPS 或全站儀等相關觀測設備進行人工測量。因此，沿海河口寬闊的淤泥潮間帶灘涂測圖是海洋測繪領域難點之一[1]。

已有許多學者開展相關研究，徐雙全針對上海市灘涂水下地形測量工作的歷史與現狀，詳細介紹灘涂水下地形的測量方法、技術標準以及測繪成果的應用[2]；張煒等利用GNSS-RTK 技術測量舟山桃花島塔灣金沙景區沙灘灘面寬度、長度[3]；樓燕敏等介紹機載LIDAR技術在浙江省灘涂海岸地形測量項目中的技術優勢和應用情況，形成了一套從航飛設計、數據加工和成果應用的完整流程[4]；郭春海等利用無人機航攝和機載LIDAR技術進行1∶1 000比例高精度的灘涂地理信息數據采集[5]；趙娜針對沿海灘涂地區的機載LiDAR點云數據生產DEM過程中濾波和插值算法的選取問題，提出一種自動化生產高精度DEM方法[6]；王海云等總結航測技術應用于海岸、海島地形測繪的技術方法、作業流程[7]；張金華在上海市橫沙島新吹填的灘涂區域進行無人機航攝系統應用試驗，達到優于±15 cm高程測量精度[8]；張強采用傾斜攝影測量技術采集莆田市淺海灘涂區域數據，并生產DEM、數字線劃圖等成果[9]；方穎等以長江口深水航道工程為例，探討無驗潮水下地形測量的測深數據處理方法[10]；秦昌杰等介紹CORS RTK水下地形測量的原理和方法，以及在上海潮灘測量中的應用[11]。

總的來說，水下地形測量是對灘涂海岸帶地形測量必不可少的補充[12]，眾多學者分別利用GNSS、全站儀、LIDAR、無人機、水下地形測量等手段進行了嘗試[13-14]。仍存在較多不足，以下在充分利用潮汐規律的基礎上，結合當前無人機免像控航測技術和測深儀水下地形測量技術進行沿海河口灘涂大比例地形圖測量。

2 基于無人機與測深儀的灘涂測圖方案

考慮到沿海河口灘涂區大量作業范圍處于潮間帶，人員船只均難以進入，故決定采用無人機免像控航測技術和測深儀水下地形測量技術相結合的方法進行沿海河口灘涂地形測量。主要思路是充分利用沿海河口潮汐變化，在低潮時，利用無人機進行航飛拍攝，并生成高精度航測成果；在高潮時，利用測深儀測量水下地形；最后以重疊區域的測量成果為依據，以無人機航飛的測量成果為基準，對測深儀水下地形測量成果進行檢核、修正，再將無人機航飛的測量成果與修正后的測深儀水下地形測量成果進行融合，從而形成整個灘涂測區的測量成果。

2.1 無人機航測地形圖測繪

利用無人機免像控技術進行地形圖測繪時，需要觀察沿海河口灘涂區域的潮汐變化，盡量在低潮期間進行。可利用大疆精靈4 RTK無人機，按照1∶500比例成圖要求及無人機飛行相關要求實施航飛。飛行航高設計為100 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。航線沿平行于水岸線的方向布設，外業航飛時由低潮時的水邊線往陸地方向飛行。航飛拍攝前，將收集到的航測范圍線導入衛星影像中，通過衛星影像確定作業范圍是否為禁飛區、限高區，大致判斷無人機起降場地、飛行高度。通過踏勘，實地核查周邊高層建筑物、高壓輸電線路、排水閘等影響安全的因素，確定無人機起降場地。

根據潮汐表選擇作業當天的最低潮位進行航飛測量，航飛完成后，對飛行質量與影像質量進行檢查，不合格航線及漏洞區域立即組織補飛。經過內業處理生成三維實景模型后，以模型上選取的測量成果為基準，對測深儀水下地形測量成果進行檢核、修正，從而形成整個測區的地形成果。無人機航測作業流程見圖1。

圖1 無人機航測作業流程

2.2 測深儀水下地形圖測繪

利用測深儀進行水下地形測繪時，需根據沿海河口灘涂區域的潮汐變化，在高潮期間進行。可采用“GNSS-RTK+測深儀”組合方式進行水下地形測量，作業過程中，測深儀需不間斷采集水深值并保存；計算機同步采集水深值與定位數據，計算機水深采集記錄精確至0.01 m。測深工作前后，使用檢查板檢查、比對測深儀測深數據，保證其精度滿足相應比例水深測量的精度要求。測量前需合理布設測線，根據區域水下地形特征和規范要求，主測線基本按與線路走向一致的原則布設，沿預設的線路中線向兩側延伸，每隔7.5 m布設1條，測點間距為5 m。作業完成后，通過后處理軟件對水深數據進行處理，剔除粗差及一些錯誤的水深值，并將處理后的水深值與GNSS-RTK的高程進行融合計算，得出水底高程值，將GNSS-RTK平面坐標加上水底高程值，得到最終水下地形點成果。測深儀水下地形測量流程見圖2。

圖2 測深儀水下地形測量流程

水下地形測量前，按照相關規范要求，使用AutoCAD繪制作業計劃線，并將作業計劃線導入水下地形測量軟件。水下地形測量作業時，船只按照作業計劃線航行，并保持中速勻速行駛。測量人員實時關注RTK及測深儀狀態。此外還需要進行換能器吃水改正、聲速改正，以及檢測線測量。

(1)換能器吃水改正

按測量時換能器實際入水深度，設置測深儀的吃水深度選項，使其吃水深度與換能器入水深度一致，實現換能器的吃水改正。在換能器安裝完畢正式開始測量工作之前，按正常測量航速進行走航試驗，以確定換能器入水深度。

(2)聲速改正

測深作業前，利用聲速剖面儀測量不同深度的聲速，確定作業期間聲速值，將聲速值輸入測深儀進行聲速改正。

(3)檢測線測量

對已完成的水下地形進行驗收檢查，檢測線按垂直主測線方向均勻布設。

2.3 航測成果與水下地形測量成果融合

首先，以無人機航測成果為基準，對無人機航測成果與測深儀水下地形測量成果重疊區進行計算得到水下地形測量成果的改正值。即將測深儀測量的水下地形與無人機航測地形的重疊區域劃分成一定間隔的規則格網，通過加權平均法得到水下地形和航測地形的高程點坐標。具體做法是：通過以格網點為圓心、R為半徑的圓內所有點的加權平均值來計算格網點的內插高程，以距離平方的倒數作為權進行加權平均計算[15]，規則格網上任意一點j的高程計算公式為

(1)

式中，n為圓內插值點個數；Pi為第i個數據點的權；Zi為第i個數據點的高程。

以重疊區域的測量成果為依據，以無人機航飛測量成果為基準，計算格網點上內插的測深儀測量成果與無人機航測成果的改正值為

(2)

式中，Δh為測量成果改正值；hf為無人機航測地形；hd為測深儀測量的水下地形，i為數據點編號。

計算出改正值之后，將測深儀水下地形測量成果進行修正，再與無人機航飛的測量成果進行拼接融合，按照1∶500比例成圖要求生成地形圖，從而形成整個灘涂測區的測量成果。

3 實驗與討論

3.1 實驗區域

實驗區域為通蘇嘉甬鐵路跨杭州灣大橋南岸灘涂B2勘察區(見圖3)，通蘇嘉甬鐵路位于江蘇省東南部和浙江省東北部地區，為南北向鐵路，線路起自南通市南通西站，與鹽通鐵路正線貫通，向南跨過長江后(利用滬蘇通長江公鐵大橋鐵路)，經蘇州市、嘉興市、跨過杭州灣進入寧波市，全線正線運營長度為310.4 km。圖3中紅色實線為通蘇嘉甬鐵路杭州灣大橋。

本次灘涂測量坐標系統為CGCS2000坐標系，中央子午線為120°，高程系統為1985國家高程基準。差分源使用千尋CORS系統。為使無人機航測與水下地形測量能直接測取準確的坐標系，通過Trimble R10 GNSS連接千尋CORS的方式，均勻測取杭州灣南北岸共6個控制點，并求取坐標轉換參數。坐標轉換參數殘差見表1。

表1 坐標轉換參數求解殘差 m

從表1可以得出，控制點選取合適，求解轉換參數精度較高，可以滿足無人機航測及水下地形測量的需要。

3.2 無人機航測

基于大疆精靈4 RTK無人機，采用機載2000萬分辨率數碼相機拍攝，測量范圍為里程CK196+550～CK198+600；測量面積為0.45 km2。根據2020年8月16日航飛作業當天的潮汐表，16:08為最佳的航飛時間，當天提前進入事先選定的無人機起降場地，于16:30開始航飛作業。航飛作業當日潮汐狀態見圖4。

圖4 無人機航測作業當日寧波港潮汐狀態

外業航拍共飛行4個架次，拍攝相片1 107張，每架次拍攝的像片均確保無人機RTK解為固定解。實驗中，采用千尋CORS作為機載RTK差分源。航測三維模型成圖面積約1.1 km2，寬約550 m，長約2 km。三維模型見圖5。

圖5 航測三維模型

3.3 測深儀水下測量

1∶500水下地形圖測量范圍為里程CK196+100～CK196+550；測量面積為0.08 km2。根據2020年8月18日潮汐情況，11:55為最佳的水下地形時間，當天提前進入作業區域開展換能器吃水改正和聲速改正準備工作。于13:03開始水下地形作業。水下地形測量作業當日潮汐狀態見圖6。

圖6 測深儀水下地形測量作業當日寧波港潮汐狀態

本次測量期間航速比較穩定，船舶吃水深度變化也很小，因而換能器入水深度動態變化很小。聲速改正方面，利用海鷹HY1203聲速剖面儀測量不同深度的聲速，聲速測量數據見表2。

表2 測區水下聲速

由表2可知，不同深度、不同溫度情況下，聲速會存在微小的差別。經過分析計算，最終采用1 517 m/s作為當天當次水下地形測量的聲速值，并以此進行聲速改正。

本次水下地形共采集33條航線數據，實測面積為0.14 km2，水下地形展點情況見圖7。

圖7 水下地形展點

3.4 航測與水下地形測量成果拼接

將測量的水下地形與無人機航測地形的高度重疊區域(150 m×180 m)劃分成5 m×5 m的格網，在格網點上通過加權平均法進行重采樣，同時獲得水下地形和無人機航測地形的高程點坐標。高潮期間測量的水下地形與低潮期間測量的無人機航測地形重疊區域約150 m(里程方向)，重疊區域示意見圖8。

圖8 重疊區域示意

無人機航測與測深儀水下地形測量重疊區域差值對比分布見圖9。由圖9可知，所有高程點的差值均小于0.3 m，其中小于0.1 m的高程點占比81%。

圖9 無人機與測深儀測量重疊區域差值對比分布(單位：m)

以無人機航飛的測量成果為基準，將測深儀作業的原始測量成果進行修正，再與無人機航飛的原始測量成果進行拼接融合，按照1∶500比例成圖要求，生產統一基準的整個灘涂測區完整地形測量成果。最終獲得的整個灘涂測區的地形成果見圖10。

圖10 整個灘涂測區1∶500地形成果

由于灘涂區域不宜設置檢查點，為評定無人機航飛成果精度，以同樣的設置在灘涂區域范圍外獲得的航測成果精度。檢查點精度見表3。

表3 檢查點精度統計 m

由表3可知，X坐標中誤差為0.025 m，Y坐標中誤差為0.018 m，平面點位中誤差為0.031 m，高程中誤差為0.032 m。

4 結論

沿海河口灘涂區大量作業范圍處于潮汐淺淹區，人員船只進入困難，單一測量方法均難以進行有效測量，因此介紹了一種基于無人機和測深儀的高精度灘涂測圖方法。該方法充分利用潮汐規律，低潮時利用無人機免像控技術獲取高精度航測成果，高潮時利用測深儀獲取水下地形測量成果，然后基于無人機航飛與測深儀水下地形測量成果的重疊區域，將無人機航飛的測量成果與測深儀作業的測量成果進行拼接融合，從而形成整個灘涂測區統一基準的地形測量成果。該方法應用于通蘇嘉甬鐵路杭州灣大橋南岸B2勘察區灘涂測圖任務，在免像控條件下，無人機航測成果平面中誤差為0.031 m，高程中誤差為0.032 m，精度符合相關工程項目要求。工程實踐表明，該方法測量精度高、操作簡單，可用于灘涂地帶大比例測繪。