河口砂质海滩地形测量方法研究

孙 健，陈香伊，史超凡

(青岛中海基业海洋科技有限公司，山东 青岛 266555)

0 引言

我国地域辽阔，河流多，海岸线长，河口砂质海滩众多，地形地貌多种多样。近年来我国正大力开展海洋战略，对砂质海滩的旅游开发与生态保护修复需求日趋强烈[1]。但受河流、海流冲击影响，砂质海滩上分布泥潭、水池、潮水沟等多种阻碍；其次，沙滩硬度亦偏低，不方便使用交通工具，此外，砂质海滩还具有涨潮退潮的特点，需要在较短的时间内完成测绘工作，给野外测绘作业带来许多不便[2]。为得到河口砂质海滩的地形数据，传统方法是多个工作人员使用RTK(Real-time Kinematic)测量剖面数据，此种方法常因为缺乏高效的交通工具，不仅需要大量的人力、物力，而且增加了工作难度和危险性。同时，传统人工测量方法效率低，难以完全覆盖测区，某些特殊地域地形变化亦无法体现[3]。

随着科技的发展，无人机摄影测量技术得到了高速发展，其优势逐渐显现，不仅提高了作业效率，而且能将测区全面覆盖，成果精度也变得可控且越来越高。同时，无人机可搭载多种不同传感器，单次数据采集可以选择获取多种数据源，以适应不同测量项目[4-5]。为了验证其获取沙滩地形的可行性与精度，本次研究结合了无人机摄影测量技术与声学水深测量技术，以日照某砂质海滩为研究对象对比地形数据，验证此方案。

1 原理分析

1.1 无人机摄影测量原理

无人机摄影测量的原理[1]是无人机搭载高清航摄相机获取测区一定重叠度的地面照片及拍照点位置姿态信息，通过特征点提取、空中三角网解算、微分纠正及影像拼接等工作，得到测区的DSM(Digital Surface Model)和DOM(Digital Orthophoto Map)，将DSM、DOM导入专业测图软件，选择任一合适位置进行内业测图。无人机可以配备多种不同的传感器，在很短的时间内就能获取大面积的数据，数据经不同专业软件处理，最终可以得到测区的正射影像、点云、三维模型、光谱影像等多源数据成果，可满足不同行业应用的多种需求。本次实验选用大疆的精灵4RTK四旋翼无人机搭配中海达UBase PPK，进行无人机摄影测量实验。

1.2 声学水深测量原理

声学水深测量的原理[2]:假设声波在水中的传播平均速度为V，当在换能器探头发射窄脉冲声波信号，声波经探头发射到水底，到达水底后由水底反射回到探头转换成电信号被接收，测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则:

Z=V·t/2

从而算出从探头到水底的深度值Z，Z再加上探头的吃水就是水深。利用GNSS RTK获取平面位置信息与高程信息，量取接受天线相位中心到水面距离为L，RTK测得的高程减去L即为水面高程(水面高程亦可通过专业潮位仪测得)，减去测深仪测得的水深Z值及吃水即可算出水底高程[3]。

测深仪换能器连续向水下发射声波，测深仪软件同时记录GNSS RTK定位数据及水深数据Z，通过测量软件处理计算，即可得到水下地形特征点的高程值。本次实验选用Toslon 260D单频测深仪搭配中海达华星A12，进行水深测量实验。

图1 测深仪工作原理

1.3 数据合并原理

经过无人机摄影测量，可获得测区DOM及DSM，将其导入专业测图软件中选取想要测量的区域进行内业地形测量，最终得到兴趣区域地形数据；经过声学水深测量，可以得到测区的水深数据，经过专业软件处理后最终得到测量区域水下地形数据，2种数据要达到结合前必须保证其坐标系统及高程基准相互统一，即无人机飞行前及声学测量水深前都要进行坐标参数转换。

本次测量平面控制采用1980西安坐标系统，中央子午线为120 °E，高斯投影三度分带。高程基准采用1985国家高程基准，实验地区周边共有8个C级控制点，使用中海达A12连接山东省连续运行卫星定位导航服务系统(CORS)，采用其中5个点求取7参数进行坐标基准转换，转换完成后，将其中3个作为检查点检核参数可靠性，结果如表1所示。

表1 转换参数可靠性检查表 单位:mm

在专业测图软件中，根据剖面线在兴趣区域上测量地形数据，最后提取陆地地形数据，将声学水深测量得到的水下地形数据导入到CASS软件中，检查两组数据重叠部分的准确性，最终完成数据的整合。

2 测量技术方案

本次实验区选择位于日照市涛雒镇刘家赶海园东侧，小海河与付疃河入海口处的砂质海滩为测区，该砂质海滩是在河流入海与海洋波浪、潮流的共同作用下形成的。为了对砂质海滩进行有效保护，提高其旅游开发利用水平，当地主管部门提出重点开展砂质海滩生态整治修复、沙滩保护管理基础能力建设等工程。本次测量旨在了解工程区的水深、地形特征，为后续的数模、物模试验提供边界条件，为项目工程的可行性研究和设计阶段提供可靠的基本地形数据。

本次实验陆地部分使用UBase PPK配合无人机搭载高清航摄相机进行测量，水深部分使用快艇搭载声学单波束测深仪进行水深测量。最后得到两种数据须分别自查，检查数据的合理性、准确性，满足要求后进行数据整合，分析整个测区的地形。

2.1 无人机摄影测量数据采集

1)确定飞行区域。使用奥维地图按实验要求确定飞行区域，依据区域计划各个航次飞行位置，按实验要求规划飞行计划线，调试飞行参数。

2)飞行计划线规划和参数设置。本实验区现场没有高海拔建筑等，故设置无人机飞行高度为80 m，因沙滩颜色单一，特征点少，旁向重叠率设置为75%，航向重叠率为80%，地面分辨率2 cm。

3)RTK布点。按照飞行区域在奥维地图中提前选好位置预布设像控点及检查点。本次实验使用PPK(Post Processed Kinematic)实时动态后差分技术[4]，能提高航摄相机拍照时刻位置精度，所以可减少布设像控点，使用GNSS RTK约每500～1 000 m布设一个像控点，并在合适位置加密一些平高检查点及高程检查点，用于检核数据精度，共布设12个像控点、8个平高检查点(见图2)以及20个高程检查点，使用GNSS RTK布设像控点及检查点的平面误差为0.02 m，高程误差为0.03 m。

图2 像控点和平高检查点的位置分布

4)航拍作业。选择在遥控范围内，上方无遮挡且信号良好位置作为本次航拍作业起飞点，在起飞点附近架设UBase PPK基站并采集基站坐标，使用风速仪测量风速，小于5级即可开始航拍作业。无人机飞行时实时监视飞机飞行状态及相机拍照情况。完成预定任务后，关闭基站电源，检查照片数量能否和UBase PPK数量一致，一致后进行后续测量。

2.2 声学水深测量

在声学水深测量前，将7参数输入到回声测深仪导航软件中，GNSS连接山东省连续卫星定位导航服务系统(CORS)，达到固定解后到测区附近的控制点上进行点校正，校正无误后方可进行水深测量。

1)规划水深计划线。按《水运工程测量规范》要求规划水深测量计划线，主测线方向与深度等值线方向垂直。检查线方向垂直于主测线，且不小于主测线的5%。水深测量计划线如图3所示。

图3 测线布设

2)声速校正。开始水深测量前，选择合适的位置，使用声速剖面仪测量测区平均声速曲线。

3)定位导航及水面高程测量。测区有网络及山东省连续卫星定位导航服务系统(CORS)的信号覆盖，GNSS RTK设备能达到实时固定解，所以本次定位导航和水面高程测量均使用GNSS RTK设备。

4)水深测量。将声速剖面仪测量的声速输入测深仪，量取换能器吃水深度，调节增益与能量档位至水底波形清晰显示。根据GNSS RTK船型定位，按计划测线测量，测量过程中实时监视水底回波信号强度及水面高程数据稳定性，为保证水深测量精度，船速控制在5节以下。水深测量完成后，根据实际测线检查水深数据测量完成性。

3 数据处理与结果分析

3.1 无人机摄影测量数据处理与精度分析

外业对数据进行粗查后，内业对数据进行细查，包括照片分辨率是否合格、是否有雾、是否拉花，照片重叠率是否达到预定值，UBase PPK基站数据时间是否包含整个飞行时间等。各项指标均满足要求后，使用PPK后差分解算软件解算出每张照片的精确POS，导入PIX4D mapper进行初始化处理、刺像控点、重新优化等，得到测区数字表面模型及正射影像。

将DSM和DOM导入中海达HIData软件中与现场采集的平高检查点及高程检查点进行精度比对，结果显示，平面坐标误差在-0.002～0.037 m，中误差为0.024 m；高程误差在0.002～0.047 m，中误差为0.027 m。由此可见，本次无人机摄影测量精度较高，满足实验要求。在软件中导入沙滩剖面线，在正射影像上根据剖面线提取剖面高程以及其他兴趣区域高程数据，提取之后即可导出沙滩地面高程点。

3.2 声学水深测量数据处理与精度分析

内业对数据进行检查，包括水深测量数据是否漏测、GNSS RTK非固定解状态时长是否超过10 min、线长度占比是否超过总测线里程5%等。各项指标均满足要求后，使用后处理软件根据水下回波灰度曲线处理水深数据，剔除跳点、模糊点等假水深点；根据GNSS RTK高程曲线处理水面高程数据，将非固定解状态下的跳点改正到正确位置。通过时间信息将水面高程数据对应到相应水深数据上，得到相应点的水底高程。水下回波灰度曲线处理过程如图4所示。

图4 水下回波灰度曲线数据处理

在所有测线水深数据处理完成后，将水深数据导入南方CASS软件，检查主测线与检查线相交位置(小于图上1 mm)误差并统计。统计结果显示，相交位置高程误差在-0.03～0.13 m，中误差为0.08 m，本次实验水深数据精度较高，满足要求。

3.3 数据结合分析

将沙滩地面高程点及水底高程点分不同颜色一起在南方CASS中展出，对重合区域数据进行对比分析、误差统计，统计结果显示相交位置(小于图上1 mm)沙滩地面高程点及水底高程点差值均小于20 cm，满足实验要求。

总体而言，本研究利用无人机摄影测量技术和声学水深测量技术分别获取沙滩水上、水下地形数据，平面及高程误差均满足要求。

4 结语

近年来砂质海滩的旅游开发及生态修复的热度越来越高，沙滩剖面地形监测亦是其不可或缺的一部分，但砂质海滩受潮流影响，水坑与潮水沟密布，没有合适的交通工具，传统的人工测量作业难度大，危险系数高。

利用无人机摄影测量技术及声学水深测量技术，开展沙滩剖面地形测量，可快速获取沙滩正射影像、数字表面模型以及水下地形数据，相比传统人工测量方式有巨大的优势。实验结果表明：使用旋翼无人机配合UBase PPK辅助，操作简单，精度较高，但容易受风力、光线影响，且水面以下数据无法获取，增加了工作难度，声学水深测量技术获取水下地形数据亦受风浪、涌浪、潮汐影响，故需要两种技术紧密配合，低潮时利用无人机摄影测量技术获取沙滩地面高程点，高潮时利用声学水深测量技术获取剖面水底高程，并保证有一定重合区域便于检核测量精度。

通过结合无人机摄影测量技术、声学水深测量技术，可将沙滩实景模型搬到电脑上，辅以人工RTK测量技术补充水坑及漏测数据，大大提高了外业效率，降低了作业成本，使沙滩剖面地形监测数据更加完整，精度亦满足要求，为砂质海滩的旅游开发及生态修复的具体实施工作提供了基础数据支撑。