船载海陆一体化三维地形测量技术在海岸带侵蚀淤积监测中的应用

杨朋 ，田立柱 ，文明征 ，王福 ，刘斌 ，林国强

（1.中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170；2.中国地质调查局海岸带地质环境重点实验室，天津300170；3.中国地质调查局华北地质科技创新中心，天津300170；4.北京劳雷海洋仪器有限公司，北京100025）

党的“十九大”报告明确提出“坚持海陆统筹，加快建设海洋强国”的发展战略。海岸带作为陆地与海洋的分界线，是海陆相互作用最强烈的地带，具有资源丰富、区位优势明显、生态环境脆弱、地质灾害频发等特征[1-5]。实现海岸带海陆一体化三维地形测量对于研究海岸带演变历史、编制海岸带空间规划、保护海岸带生态环境、保障近海航运安全、防范地质灾害发生等具有重要意义[6-8]。

调查显示，自1970年，尤其是2000年以来，大规模的港口和围填海建设将自然岸线改造成人工岸线[9-10]。岸线人工化导致原来的水动力条件发生改变，造成局部岸段淤积加速，而部分岸段侵蚀加剧，致使港口和围填海工程外围海堤稳定性降低，形成安全隐患，因此，海岸带侵蚀淤积监测对于及时排除安全隐患，降低人员和财产损失具有重要实际意义[11-12]。

海岸带地形测量是海洋测绘任务的重要组成部分[13]。受潮汐影响，海岸带地形测量难度较大，常见的海岸带地形测量技术包括人工实地测量、航遥测量和船载测量等[14-17]。由于礁石、湿地、滩涂等特殊地理单元的存在，致使人工实地测量存在安全隐患，且效率低下。受限于技术自身特点，航遥测量技术不能实现水下地形高精度测量，且很难提供海岸带侧向地形地貌信息。

鉴于此，本文以天津南港、临港围海造陆区为研究区，首次将船载海陆一体化三维地形测量技术引入到海岸带侵蚀淤积监测工作中。由于该测量系统具有统一的坐标系，从而避免了由于水上、水下分部测量造成的地形拼接问题。船载测量技术通过集成三维激光测距、多波束测深、定位、定姿等技术，具有效率高、成本低、信息丰富等优点，作为新兴的海洋测绘技术优势明显[18-24]。

1 系统工作原理及流程

海岸带船载海陆一体化三维地形测量系统主要由多波速测深系统（R2Sonic 2024）、三维激光扫描系统（Riegl VZ-400）、光纤罗经（iXsea Octans）、差分GPS定位导航系统（Trimble SPS356）、RTK量测系统（iRTK5）、声学剖面仪（AML Minos）、数据采集和显示计算机（T480）等硬件构成。

该系统主要工作原理为：（1）设备安装调试阶段，将上述多波速测深系统、三维激光扫描系统等硬件固定安装在测船上，确定各硬件相对于测船坐标系（测船坐标系一般以船首方向为Y轴方向、以右舷方向为X轴方向、垂直水面向上为Z轴方向，坐标系原点可根据实际需求确定）的相对位置关系；（2）现场数据采集阶段，测船沿预先布设的测线航行，多波速测深系统和三维激光扫描系统分别采集水下和水上三维地形数据，光纤罗经、差分GPS定位导航系统、RTK测量系统以及声学剖面仪分别同步记录测船运动姿态数据、位置时间数据、潮位高程数据和声速剖面数据；（3）室内数据处理阶段，由数据采集软件QINYs输出水下、水上三维地形点云数据，导入专业处理软件Caris中，依次进行姿态、潮位和声速校准，最后，将水下、水上三维地形点云数据进行一体化拼接，实现海岸带船载海陆一体化三维地形测量。

海岸带船载海陆一体化三维地形测量的工作流程大致可分为制定工作计划、设备安装调试、现场数据采集和室内数据处理四个步骤，具体技术路线和工作流程见图1。

图1 海岸带船载海陆一体化三维地形测量技术路线和工作流程图Fig.1 Technical route and work flow chart of shipborne sea-land integrated three-dimensional terrain surveying technology in the coastal zone

该测量系统的技术难点包括设备集成、坐标系统转化和数据时间同步等。本论文使用商业软件QINYs解决多波速测深系统和三维激光扫描系统多传感器空间配准和数据同步融合技术难题。为实现坐标系统转换，在实际测量时首先根据多波速测深仪传感器、三维激光扫描仪传感器和差分GPS在测船参考系中的相对位置关系，全部转化为测船坐标系，然后基于实时定位数据和测船姿态数据将测船坐标系转换为大地坐标系。本论文采用时间同步法实现数据时间同步，即利用差分GPS 的时间与1PPS持续调整各传感器的时间，保证各传感器的时间与差分GPS的时间保持同步。

此外，多波速开角一般在160°以内，将多波速测深仪换能器采取传统的竖直安装方式固定在测船上，会导致近岸水下地形测量出现测量“盲区”，无法完整测量海岸带水下地形。为消除该“盲区”，此次测量将R2Sonic 2024换能器由竖直向下方向向近岸方向转动近28°进行倾斜固定安装，从而实现海岸带水下地形完整测量，消除测量“盲区”，提高现场调查工作效率。该技术可为后人开展海岸带侵蚀淤积监测工作提供技术参考。

2 结果讨论

本文将该船载海陆一体化三维地形测量技术首次应用于天津南港（测区一）和临港（测区二）两处典型海岸带侵蚀淤积监测。该技术通过将水下、水上三维地形点云数据进行一体化拼接，可以准确可靠反映海岸带海堤结构特征。根据一体化三维地形测量结果，对测区一和测区二的海岸带侵蚀淤积现状进行初步分析。

（1）测区一

测区一为南北走向海岸，全长近9 km。水下部分多波束点云覆盖宽度约40 m，平坦区域海底高程约为-11.3 m，水上部分为三维激光扫描仪点云成像，两者完全拼接比例大于95%（图2）。通过放大后的局部三维地形成果图可以发现水上、水下地形无缝拼接，水上、水下结构物清晰可见，可直观识别出水上陆地上的电线杆、岸堤护坡、防潮坝和水下的碎石坡、海底，其中，水下碎石坡和海底斜坡的形态清晰可见（图3）。

图2 测区一测量区域及成果图Fig.2 Survey area and results map for the first section

由于长期经受海浪冲击作用，测区一最南端岸堤的框架护坡和碎石护坡均发生较大位移，其中，框架护坡破坏明显，破坏面积约150 m2，发生较大位移的碎石护坡段长约60 m，海底可见条带状堆积体（图4）。测区一中部气象站附近海底由于海浪冲刷作用，可见碎石坡滑塌和条带状堆积体，在气象站基础周边分布片状堆积体（图5）。其中，碎石坡滑塌体长约80 m，平行于岸堤发育；条带状堆积体长约30 m，垂直于岸堤发育；片状堆积体围绕气象站基础周边发育。

图3 测区一海岸带结构成果图Fig.3 The result map of the coastal zone structure for the first section

图4 测区一最南端岸堤成果图Fig.4 The result map of the southernmost coastal zone for the first section

图5 测区一气象站附近岸堤成果图Fig.5 The result map of the coastal zone around the weather station for the first section

（2）测区二

测区二由南东走向（120°）和南西走向（210°）两段海岸组成，两者近垂直，其中，南东走向海岸长约4 km，南西走向海岸长约5 km。测量南东走向海岸时由于处于低潮位，水深太浅无法靠近岸边，导致未能达到海陆全覆盖；南西走向海岸基本实现海陆全覆盖。水下部分多波束点云覆盖宽度约40 m，平坦区域海底高程约为-15.0 m，水上部分为三维激光扫描仪点云成像，两者完全拼接比例大于95%（图6）。通过放大后的局部三维地形成果图可以发现测区二与测区一的岸堤结构相差较大，测区二的水上部分为块石护坡，水下部分为碎石坡、海底，其中，水面上停泊的渔船形态清晰可见（图7）。

测区二内气象站结构清晰可见，气象站旁边的铁塔结构清晰，铁塔高约为47.0 m。气象站北东侧岸堤存在一处凹槽，在海浪冲刷作用下，海底形成大量条带状堆积体，而气象站南西侧岸堤海底较为平坦，未见明显堆积体（图8）。测区二岸堤拐角处可见侵蚀陡坎，图中白色虚线圈画的范围为冲击侵蚀严重区域，面积约为1 000 m2（图9）。

3 结论

本文系统地介绍了船载海陆一体化三维地形测量技术的设备组成、工作原理及工作流程，并着重阐述了系统设备集成、坐标系统转换、数据时间同步和多波速测量“盲区”消除等关键技术。首次将该技术应用于海岸带侵蚀淤积监测，为海岸带海陆一体化地形测量提供一种新的技术方法。

图6 测区二测量区域及成果图Fig.6 Survey area and results map for the second section

图7 测区二海岸带结构成果图Fig.7 The result map of the coastal zone structure for the second section

图8 测区二气象站附近岸堤成果图Fig.8 The result map of the coastal zone around the weather station for the second section

图9 测区二岸堤拐角三维成果图Fig.9 The result map of coastal zone at the corner for the second section

应用海岸带船载海陆一体化三维地形测量技术对渤海湾津冀沿海南港和临港两处典型海岸带开展海陆一体化三维地形测量。测量结果表明该技术具有自动化程度高、工作效率高、测量成本较低、无需接触测量、自动成图等优点。该技术可用于海岸带地区水上岸堤护坡及防潮坝位移监测，以及水下岸坡侵蚀淤积调查。

目前，海岸带船载海陆一体化三维地形测量系统尚且处于初级集成阶段，仪器设备性能及安装固定情况会极大的影响测量效果。测量过程中局部会产生较多的干扰信号甚至数据缺失，导致测量效果不理想。因此，依靠技术进步实现该测量系统高度集成化是急需解决的技术难题。