多技术融合的河道地形测量方法及实施应用

骆奇峰,张惠军,王重平,康昕怡

（广东省国土资源测绘院，广州510500）

1 引言

随着大数据时代的到来，在物联网、云计算与人工智能等新兴信息技术推动下，地球空间信息服务逐渐向智能化、自动化、网络化与实时化的方向发展。伴随着测绘处理关键技术不断进步，多平台、多尺度、多分辨率、多时相的“空天地”对地观测网络逐渐实现［1］，测绘科学走向地球空间信息服务新时代［2］。在这一观测网络中，以海洋、河流、湖泊等水体为代表的测量客体是重要的组成部分。但相对于发展迅速的空天地测量而言，水域测量较为薄弱，尤其在水资源丰富的山区及峡谷河道，复杂的水情环境对数据采集和综合利用提出了更高的要求［3］。目前，常规的水域三维地形测量主要依托航空/天摄影测量技术、无人机航拍技术、GNSS-RTK测量方式，以及单、多波束测深系统实现水上、水下空间数据的分别获取［4-6］。在水域地形探测及数据处理过程中，上述方法存在数据不连续、精度及垂直基准难以统一等问题。

综上所述，研究一种多技术融合的河道地形高效测绘技术方法，对提高水域地形测量效率、精度与数据质量具有重要意义，同时也为数字珠江建设提供精确的三维地形数据与地理信息保障。因此，本文融合航空遥感、机载LiDAR、GNSSRTK、单波束，及多波束测量等技术，构建空地水一体化协同测绘模式，以北江干线河道地形测量工程为例，探析多传感器集成原理和多源数据融合方法，为水上水下三维数据协同采集与融合应用提供信息化测绘综合解决方案。

2 多技术融合的河道地形测量方法与应用

2.1 研究方法

本研究采用低空遥感、机载LiDAR 等先进测绘技术，搭建多技术融合协同测绘模式（见图1），以提升1∶2 000 大比例尺地形图的生产效率［7］。研究结合高分辨率遥感影像、机载LiDAR 方法，挖掘其在大比例尺地形图测绘中的应用深度；采用船载水上水下一体化综合测量系统，同步采集水下地形，以及近岸200 m 范围内的水上地形；依托人机交互分类方法和“精”处理“粗”滤波相结合的等高线提取模式，提升数据后处理的精度与效率。主要包括以下方面：

图1 多技术融合的空地水一体化协同测绘方法

（1）基于现有测量成果及高分辨率航空影像的大比例尺地形图测绘：基于GDCORS 的测量模式直接测得临时水位站，以及工作水准点2 000 国家大地坐标成果；依托已有数据成果快速获取正射影像图，利用影像图成果辅助测图；

（2）基于机载LiDAR 技术的1∶2 000 地形图测绘：将立体测图与LiDAR 点云数据的结合应用，减少了传统外业数字测图的工作量，提高作业效率，实现1∶2 000数字线划图的快速生成；

（3）船载水上水下一体化综合测量：采用的仪器包括ODOM 单波束测深系统、HY1600 测深系统以及中海达380测深系统，采集水深数据的同时同步采集定位数据。通过构建不规则三角网修补和内插测量空白区等高线的方式，消除水面与河岸连接处数据空白区的影响；

（4）采用“精”处理“粗”滤波相结合的水下等高线提取模式：为满足高程精度要求，需对机载LiDAR 点云数据进行精处理。在末次回波的DSM 模型上用程序命令进行自动过滤处理，结合人机交互式分类进行细化，利用滤波后的点云数据套合高分辨率影像进行高程点提取。

2.2 研究内容

研究区域选取了北江干线（韶关市沙洲尾至佛山市三水区思贤滘区间段）水下及河岸部分（河堤往两侧往外扩200 m 范围）。主要内容包括：（1）利用航空摄影立体测图及机载LiDAR 点云数据获取河岸地形数据，结合外业调绘、补测及编辑，确保数据连续与完整；（2）利用单波束及多波束等测深仪器对北江干线水下地形数据进行采集；（3）进行内业处理，获取1∶2 000 河岸地形图、水下地形图，并对其进行数据编辑与拼接，生成河道地形图，具体流程见图2。

图2 北江干道河道地形测量技术流程

2.3 实践应用

2.3.1 水下地形数据采集

（1）水位站布设 为符合多源数据融合的精度要求，实验阶段共设54 个临时水位站，60 个工作水准点。临时水位站主要为水深测量提供水位控制，工作水准点选在临时水位站附近，土质稳定坚实、观测方便，且利于长期保存的地点。工作水准点及临时水位站工作点按照水准连测的方式进行高程的获取，对于部分地理环境较为特殊的地点，则利用三角高程的方式获取数据。水准连测采用四等水准精度，共连测新布设控制点6个，旧点4 个，新布设工作水准点60 个，工作点40 个，联测总长度为743.3 km。内业数据处理采用南方平差易2005 进行水准网平差，采用一等水准点作为本次平差的高程起算点。

外业开展时先利用网络RTK 测得工作点概略高程进行水位数据获取，在水准连测结束后，根据水准高程对原始水位数据进行改正，获得最终精确的水位数据，利用其对水深数据进行改正，获得精确的水深数据。为获得北江两岸水位差情况，对于非感潮区域，在北江最大江心岛仑州岛两侧分别布设工作水准点，以临时水位站检验两岸水位差。工作水准点到水尺零点的高差测量采用等外测量的方式进行。测量过程中对于立水尺的临时水位站，部分连测到水尺旁边水面，通过水面传递高程得到水尺零点高程，部分直接测至水尺顶部获得水尺零点高程。

（2）单波束及多波束水下数据采集 本研究水深数据采集主要采用单波束和多波束测深仪来进行，对于水深较浅的区域利用RTK 测高的方式进行测量。由于北江在清远市菠萝坑以北水面变窄且水深变浅，故菠萝坑以北以单波束采集为主、以南以单波束和多波束共同采集。单波束主测线总长度为7 405 866.6 m，检查线总长度为1 253 115.9 m，检查线总长度占主测线总长度的16.92%，符合设计不少于5%的规定要求。多波束水下数据采集共计166条测线，主测线总长度为726 771.878 m，检查线总长度为28 995.68 m，检查线总长度占主测线总长度比例为3.99%，检查线长度满足设计要求的检查线长度不小于主测线总长度2%这一要求。由于内河水道的特殊性，多波束无法垂直于河道进行数据采集，因此采用沿河道采集的方法。

实际测量过程中，存在部分数据采集困难水域，对于测量船无法同行的浅水区，采取人工采集方法；对于测量船无法驶入的危险区，参考影像数据采集其水边线表示其范围，并标注该部分区域，共计23 处，总计面积为0.085 km2；其他区域如禁航区及养殖区等，均在地图上标示。水边线采取实地测量的方式进行采集，利用GNSS 接收机沿北江干线水边线进行实地打点，无法通行的区域利用船只靠近岸边，进行数据采集，部分无法靠岸的区域现场记录水边线位置，采用水面高程传递的方式采集水面高程数据以获得水边线高程［8］。数据采集过程中在部分地区进行GNSS-RTK无验潮模式试验，包括基于GDCORS的GNSS-RTK无验潮模式及基于基站的GNSS-RTK无验潮模式。

（3）数据后处理 多波束数据后处理时，对每条工作测线分别进行数据检查、潮位改正、数据融合和波束点清理之后，导出数据。根据原始测线，按1∶2 000 成图要求，生成需要水深点的平面坐标，寻找最近的多波束点，完成编辑成图。导出的多波束数据非常密集，平均约20—30 cm 一个点，本研究要求按1∶2 000 比例尺成图，相邻两点间隔10 m，相邻测线间隔20 m。利用ArcGIS插件，结合原始测线，得到需要水深数据的坐标点，寻找距离最近的多波束数据点，即为数据抽稀的原则。

（4）深度基准转换 高程基准转深度基准主要采用两种方法：一是利用基于ArcEngine 开发的插件，具体思路是按照已有的32 个深度基准改正值分段进行改正，每段均作为理论上倾斜的平面或者平面（改正值相同的河段），插件将每段按照距离以毫米级进行内插，获得每一河段的深度数据；二是根据深度基准改正值数据，按距离分段内插计算出各个临时水位站的绘图水位值，将临时水位站的水位数据直接转至深度基准系统下，用深度基准的水位数据对测量结果进行水位改正，得到最终的水深值。

2.3.2 河岸地形数据采集

（1）像控点选取与测量 测区分为三部分同时进行作业，即佛山段、佛山清远分界线至英德市人民大桥段，以及英德市人民大桥至韶关市沙洲尾段。像控点按照设计要求布设，满足本研究测图要求；像控点测量按照设计书要求进行，即观测三个时段，每个时段观测历元数不少于20个，采样间隔2 s，或每次观测历元数不少于100 个，采样间隔为1 s。三段测量成果均经过空三数据检核，符合测量精度标准。

（2）内业立体采集 航测立体采集采用MapMatrix（航天远景全数字摄影测量工作站）软件。当空三工程引入到航天远景软件后对空三数据再次进行检查，检查像控点的位置和刺点位置的吻合情况。

（3）高程点和等高线选取 高程点选取使用了三种模式，有LiDAR 点云覆盖的地方提取LiDAR 点云数据作为高程，包括佛山三水范围、肇庆四会范围、清远南部、韶关北部；在没有LiDAR 点云覆盖的平坦地方使用网络RTK 测量方式打取高程点，包括清远北部到韶关南部长度约80 km；在山区或者人无法走到或者网络RTK 无信号的地方采用立体采集高程点方式，主要在无LiDAR点云数据的山区。

等高线选取依据研究区域内部特点，采用三种方法：（1）人工处理。点云数据生成等高线经过自动滤波和手工编辑后，地面上的地物基本上被去掉，直接利用处理后的LiDAR 点云数据自动生成等高线，结合人工处理以满足精度要求。（2）GNSS RTK 采集。在没有LiDAR 点云的平坦区域，采用1 台中继站、4 台流动站协同作业，在坎上、坎下、道路中心等地物特征部位采集高程点，在CASS10.1 软件内，利用这一系列高程点自动生成数字地面模型。由于特殊地形、地物的影响，以及现实地貌的多样性和复杂性，自动构成的数字地面模型与实际地貌存在差异，需要内业利用高分影像作为参考，修改三角网调整局部不合理的地方。（3）航测立体采集。无LiDAR 点云数据的山区，采用MapMatrix 软件开展高程特征点航测立体采集。观测立体像对，在山顶、鞍部、冲沟的顶端、凹地的最低处等特征点位采集高程点。对于部分无法立体采集到位的特殊区域，则结合网络RTK及全站仪等方法进行外业补测。

2.3.3 地形图成图

在不影响真实反映水底地貌的前提下，为使图面清晰易读，对点进行合理筛选，对深度基准零米线及等深线进行勾绘。深度基准零米线勾绘时将水边线高程数据以及水深数据全部转换到深度基准下，共同参与建立DTM，并生成等深线，选取北江两侧贯穿北江全程的零米等深线进行修饰整合作为深度基准零米线。水下地形等深线由采集的水深点自动生成，由人工进行修饰整理。

3 数据结果与分析

本文主要以北江干线三维地形测量为例，阐述了河道地形测量过程中水下地形测量、河岸地形数据采集、地形图成图，以及多种测量平台和新技术的实施等过程。

3.1 单波束水深测量成果与分析

本研究单波束外业扫测的成果质量，以检查线与主测线重复测量精度来评价。单波束主测线总长度为7 405 866.6 m，检查线总长度为1 253 115.9 m，检查线总长度占主测线总长度的16.92%，符合设计不少于百分之五之规定要求，为方便测量实验的展开，将测区分为六段，思贤滘至清远枢纽段、清远枢纽至北江白庙大桥段、白庙大桥至菠萝坑段、菠萝坑至白石窑水利枢纽段、白石窑水枢纽至濛浬水利枢纽段，以及濛浬水利枢纽段至韶关市沙洲尾段，结果见表1。

表1 单波束主检测线对比表

3.2 多波束水深测量成果与分析

本研究多波束外业扫测的成果质量，以检查线与主测线重复测量精度来评价。图上1 mm 范围内主，检不符值限差。由于水深的不同，互差限差也不同，因此将多波束数据主检测线对比情况按照大于20 m水深和小于等于20 m水深分别统计，结果见表2及表3。

表2 多波束主检测线对比分析表

每条多波束数据与相应单波束数据比表3 所示，通过对比数据可以看出符合要求，数据质量较好。结果表明，本文方法在实际应用中具有一定的准确性、可行性和有效性，成果满足相关规范和研究技术设计要求。

表3 单波束、多波束重叠区域对比统计表

3.3 点云高程精度检测情况

采用GDCORS 网络RTK 测量模式，在有点云范围内的平坦硬化地面上打取一定量的高程点，以高程点位做1 m 缓冲区加载到机载LiDAR 数据处理系统软件中，在缓冲区中心最近位置提取一个LiDAR 点（相邻点），提取的高程点和外业打取高程点进行对比，经过比对LiDAR 点高程精度满足研究精度要求。

表4 点云高程精度检测情况

为检验测区范围网络RTK 精度情况，在测区范围内选取了6 个已知高程水准点，检验精度情况，结果见表5。可以看出，最大差值为6.1 cm，与传统模式所获数据差别很小。

表5 高程精度对比表

相关应用实践表明，基于多技术融合的河道地形测量方法，能较好解决山区及峡谷河道地形数据不连续、精度以及垂直基准难统一的问题。基于多技术融合的河道地形测量方法可为水上水下三维数据协同采集与融合应用提供信息化测绘解决方案。