基于多技术融合的潮间带地形测量应用实践

吴敬文，张正明，杜亚南

(1.长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局,上海 200136；2.江苏省测绘产品质量监督检验站，江苏 南京 210013)

0 引 言

潮间带是河流入海口或海岸受潮汐影响的高低潮之间的地带，高潮时被水淹没，低潮时露出水面。潮间带蕴含丰富的海洋矿物资源和海洋生物资源，是水产养殖、盐田开发、围海造田(路)以及旅游景区等综合开发利用及管理的重点区域。因此，对潮间带进行测量，为海岸工程提供准确的地形信息，日益成为一种迫切需求。

由于潮间带测量条件的特殊性，测船和人员均难以做到全覆盖测量，测量的完整性和精度均难以得到保证。特别是当潮间带发育大面积的淤泥质海滩时，测船和人员均难以进入场区，容易出现水深测量和陆地测量均无法覆盖的空白地带。随着激光雷达测量技术的发展，惯性测量单元小型化和测量精度的提高以及无人机、无人测船、气垫船等测量平台的发展，使潮间带区域进行高精度和全覆盖测量成为可能。实践表明，基于三维GNSS控制网，综合运用前述测量手段和测量平台，能较好解决潮间带地形数据高精度、高效率、全覆盖获取的难题。

本文主要以长江河口感潮水域为例，阐述了潮间带地形测量过程中三维GNSS控制网建立、高程转换模型构建、控制网精度确定以及多种测量平台和新技术的实施等过程。

1 潮间带水域三维GNSS控制网建立

控制点可以分为2类：① 作为测量时的GNSS基准站，这类控制点一般选择在开阔无遮挡的楼顶区域，采用强制对中装置，以便测点的长期利用和基准站设置，其高程联测可采用三、四等三角高程测量方式；② 作为建立高程转换模型的控制点，这类控制点可采用普通标石，要求易实施几何水准联测，建立测区可靠的大地高与正常高之间高程转换模型。要求控制网点有足够密度，满足大地高与正常高之间高程转换模型的构建及精度检验等要求。

1.1 控制网测量

为建立长江口水域高精度的测量基准，项目组在江阴下游长江两岸布设了GNSS控制网。为保证在进行GNSS RTK测量时能得到优于0.05 m的三维测量精度，相邻控制点间距离不大于20 km[1]。控制网由70个控制点组成(图1)，采用6台Trimble R10型GNSS设备，按照C级GNSS网的观测要求进行同步环观测，并联测了若干个B、C级GNSS起算点。

图1 GNSS控制点分布示意图

控制点一般设置在稳定建筑物上，如地面控制点便于水准联测，主要用于建立高程转换模型；楼顶控制点便于设置基准站。采用几何水准或三角高程测量方法，从附近的Ⅱ等和Ⅲ等水准控制点上引测各GNSS控制点高程。

通过GAMIT等软件数据处理，得到了各GNSS控制点成果：① WGS-84坐标系下各控制点坐标；② CGCS2000坐标系下各控制点坐标；③ 1954北京坐标系下各控制点坐标；④ 各控制点基于1985国家高程基准的正常高。

1.2 平面和高程转换模型的建立

当测区呈现长距离带状时，需要将测区分为若干子区，分别建立平面和高程转换关系。各子区选取均匀分布的4个以上控制点进行模型参数求解，实现区域不同坐标系统下平面和高程基准无缝转换。平面转换可采用BULSA七参数模型，高程转换可采用BULSA七参数模型，也可采用曲面模型拟合高程异常的变化，在满足精度要求条件下，采用同一模型能使工作得到简化。

转换模型建立以后，需要检验模型转换的内符合精度σi和外符合精度σe：

(1)

(2)

式(1)-(2)中：Δξi为转换残差；Δξe为检验点计算值与真值之差；n为参与建模点个数；m为检验模型点个数;内符合精度和外符合精度反映了高程转换模型的精度和可靠性。

1.3 控制网高程转换模型精度确定

在测量中，测量结果的精度受测量精度及高程转换模型精度影响。

对于地形图来说，平面测量精度达到0.05 m，高程测量精度达到0.15 m(按1/3等高距计算)能满足包括1∶500在内的绝大部分测图需要。在GNSS RTK技术条件下，平面定位容易满足0.05 m的要求，故在此主要讨论高程测量的精度。

采用GNSS RTK测量技术实际能达到的高程测量精度主要包括2个方面：① GNSS设备测量大地高的精度；② 将大地高转换为正常高的模型转换精度。

理论和实践表明，一般情况下，RTK高程测量的精度(相对于起算点)容易达到0.10 m，假定最终测量精度只受RTK高程测量和模型转换误差影响且两者影响作用相同，根据等精度影响原则，则有：

(3)

式(3)中，σH为最终高程测量误差，σH为模型转换误差，由式(3)可得，σH为0.11 m。考虑其他不利误差因素影响，将控制网高程转换模型精度(内符合精度和外符合精度)限制为0.07 m是合理的[2]。

在以上所论及的长江口某项目的测量中，将图1的GNSS控制网所覆盖的地方分成3个区域，平面基准采用BULSA七参数模型实现WGS-84坐标系(或CGCS2000坐标系)与1954年北京坐标系间的建模，高程采用二次曲面或者一次曲面模型拟合高程异常变化，内符合精度和外符合检验转换精度优于0.05 m，满足测量精度要求。

2 多技术融合的潮间带测量实施

以无人(有人)测船为平台的RTK三维水深测量技术、无人机为平台的机载激光雷达测量技术、以气垫船为平台的RTK走航连续测量技术分别从水面、空中、滩地3个不同高程的工作面结合，可做到潮间带的全覆盖测量。

2.1 以无人(有人)测船为平台的RTK三维水深测量

相对于与水位站进行高程控制的传统水深测量，基于RTK三维水深测量有以下优势：① 减少水位站布设，提高工作效率，节省人力物力；② 对于大小、船型和船速不同的测船，测船不同部位的动态吃水在0～0.3 m之间，RTK三维水深测量能有效消除船只动态吃水影响；③ 在一般受潮汐和风浪影响的水域，波浪对测船的作用可在垂直方向上引起0.3～0.5 m的位移，且历时短，呈周期性特点。RTK三维水深测量能有效消除吃水和波浪对测量成果的影响。

在某测量中(图2)，通过测量分析得到某测船动态吃水和受波浪影响测船的纵向位移变化。

图2 测船因受动吃水和波浪影响的垂直位移过程

对于高潮位时刻的潮间带区域，根据水深情况，可以灵活选择有人测船或无人测船，采用基于RTK三维水深测量技术进行测量，辅以姿态传感器或惯性测量单元、罗经系统，可以消除船只ROLL、PITCH等姿态影响，并对测深和定位加以改正，提高测量精度。

2.2 以无人机为平台的激光雷达测量

以无人机为平台激光扫描测量技术(Laser scanning)是近年来迅速发展一项测量技术。它通过激光雷达传感器发射的激光脉冲经地面反射后被接收系统接收，配合高精度惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)和定位定向系统(Position and Orientation System，POS)，能直接获取高精度三维地表地形数据。该方法对滩涂区域和植被覆盖的淤泥区域进行非接触式扫描测量效果较好。

通过对GNSS定位数据、姿态测量数据、激光测距数据的融合处理，得到测量表面高密度的点云数据，然后通过滤波和抽稀处理，有效消除植被表面反射信号，得到泥面高程信息。在惯性测量单元、定位定向系统的精度得到保证时，其测量精度满足相关规范要求[3-4]；另一方面，无人机低空测量平台不受海浪等因素干扰，测量作业时的传感器姿态可保持很好稳定性，由于姿态变化而产生的误差小于船载平台测量时产生的误差，且空中三维测量是一种直接测量的方法，因此不受水位传递误差影响[5]。

在某项目中，采用机载激光雷达测量得到潮间带泥面高程激光点云，从点云中可以清楚看出芦苇地、草滩和淤泥滩地(图3)。采用人工RTK测量检核芦苇地地面和淤泥滩地高程可评价点云滤波的可靠性和精度。

图3 潮间带区域激光雷达测量点云

实际上，还可同时采用固定翼无人机获取测量区域的正射影像，结合机载激光点云及影像等相应测绘成果，构建地物真实三维模型，建立三维可视化管理平台[6]。

2.3 无人机低空航空摄影测量

航空摄影测量一直是获取陆上测图、DSM、DTM的重要手段。由于潮间带范围小，采用以专业航摄飞机进行低空航空摄影的技术手段并不经济。随着无人机、数码相机、POS系统集成化的发展，局部区域采用无人机低空航空摄影测量日渐成为一个现实选择。

在长江口某滩涂区域，采用某型无人机进行了低空摄影测量。总共布设9 条航线和1条交叉航线，航向重叠度为 64%、航间重叠度为 68%，航高为 180 m，航速控制在 60 km/h以内，用时30 min，航拍面积约2 km2，共拍摄1 425 张照片。同时采用专用标志在滩涂上布设了若干个像控点，采用RTK对像控点进行测量。

经过空三加密、绝对定向、DEM 构建等处理步骤，生成了DOM、DSM、点云数据等成果，在测量区域内进行RTK检测(表1)。

表1 内外符合精度检测表

2.4 以气垫船平台的RTK(或PPK)测量

在实际工作中，低空飞行器由于经常受到严格管制及飞行条件限制而无法飞行，在此情况下，可采用以气垫船为平台的RTK(或PPK)测量进行潮间带测量。即气垫船通过向船底部充气，在船体与地面(水面)之间形成约30 cm以上的“气垫”，再由船尾的空气推进系统使气垫船前进。气垫船没有吃水深度，在水上、沙滩、淤泥滩上陆地上都能行驶。

采用气垫船进行潮间带滩地测量时，在船上安装固定GNSS测量仪器并测量GNSS设备的相位中心离地面的高度，通过连续记录GNSS的实时测量值或观测值，实现RTK或者PPK连续测量(图4)。同时，还可将气垫船作为交通工具，将人送至难以到达的测区。

图4 气垫船测量现场

此外，以气垫船为平台的船载激光雷达测量也是一种高效的测量方式，在实际应用中有不少成功案例。

3 结 语

(1)潮间带区域测量条件差，不同区域有不同特殊情况，潮汐特性、风浪情况、滩地组成、植被覆盖、附近环境等影响因素各不相同，单一的测量方式往往难以解决全部问题，需要针对现场情况采用不同组合测量方案。

(2)可靠的精度、足够的三维GNSS控制网都是多技术融合进行潮间带地形测量的基本条件，通过布设测区的GNSS控制网，建立合理、可靠的精度及足够的高程转换模型，能提供实时的高精度测量基准，获取满足规范要求的测量结果。

(3)目前，无人机搭载激光雷达在保证姿态传感器(惯性测量单元)精度条件下，能获得高密度的点云数据，并可达到良好精度要求。随着无人机续航能力的提高和我国低空飞行器使用相关规范的出台，该方法必将拥有广泛的应用前景。

(4)若能解决潮间带像控点布设和测量的问题，采用合理的技术方案，无人机低空航空摄影测量也能得到满足规范精度的测量结果[7]。

[1] 李凯锋,田建波,赵树红,等，无验潮水深测量系统定位精度检验[J].海洋测绘，2013,33(6):22-25.

[2] 吴敬文,周儒夫,陈建民，等，RTK三维水深测量的实施与精度控制[J].现代测绘，2016，39(4)：18-20.

[3] 吴敬文，周丰年，盛青，等，动态三维激光扫描系统高程测量精度分析[J].现代测绘，2016,39(S1)：21-23.

[4] 郑德华，沈云中，刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析[J].测绘工程，2005，14(2)：32-34.

[5] 蔚广鑫，洪建胜，王伟斌，无人机激光测量技术在滩涂地形测量中的应用初探[J].应用海洋学学报，2017，36(1)：143-148.

[6] 张荣华，林昀，基于机载激光雷达的滩涂测绘关键技术研究[J].测绘工程，2015，24(1)33-35.

[7] 钱建彬，王申俊，eBee无人机在大比例尺成图中的应用[J].现代测绘，2017，40(1)51-54.