泉州市洛陽(yáng)江古橋區(qū)域數(shù)字地形圖測(cè)繪及質(zhì)量評(píng)價(jià)

吳貴明，楊文競(jìng)

(泉州市規(guī)劃勘測(cè)研究院，福建 泉州 362000)

1 引 言

隨著GPS-RKT(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng))技術(shù)的日益成熟，RTK以其高精度、高效率、易操作的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量和放樣。使用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行水下地形測(cè)量相當(dāng)方便、快捷。水下地形測(cè)量主要包括定位和測(cè)深兩大部分。對(duì)于一些不具備全站儀、RTK測(cè)設(shè)的地方，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行地形測(cè)繪。

2 主要技術(shù)工作原理

2.1 GPS-RTK技術(shù)

RTK技術(shù)中應(yīng)用的是載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位，是GPS定位技術(shù)新的發(fā)展與進(jìn)步。隨著GPS-RTK技術(shù)的不斷發(fā)展，其在工程測(cè)量、測(cè)圖工程、地籍測(cè)量等領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛，引發(fā)了測(cè)量技術(shù)的革命。

RTK在作業(yè)過(guò)程中，基準(zhǔn)站主要負(fù)責(zé)獲得觀測(cè)值、測(cè)站信息及各種數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈，將數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站，通過(guò)流動(dòng)站對(duì)差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并計(jì)算出定位結(jié)果，其定位精度達(dá)到厘米級(jí)。GPS-RTK技術(shù)的應(yīng)用，極大降低了操作強(qiáng)度，減少了測(cè)量作業(yè)人員數(shù)量，并可以在不具備通視條件的環(huán)境下作業(yè)，其測(cè)量精度較高，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分明顯。

2.2 水下地形測(cè)量原理

水下地形測(cè)量包括兩部分：定位和水深測(cè)量目前的水下地形測(cè)量的主流技術(shù)定位采用的是GPS差分定位模式，水深測(cè)量采用的是回聲測(cè)深儀的方法。這樣就可以確定水底點(diǎn)的高程：

Gi=H-(D+△D)

(1)

式中，Gi為水底點(diǎn)高程，H為水面高程，D為測(cè)量水深，△D為換能器的靜吃水。

在觀測(cè)條件比較好的情況下，考慮RTK具備比較高的高程確定精度，同時(shí)嚴(yán)格考慮船姿的影響，無(wú)驗(yàn)潮模式下的水底點(diǎn)高程可通過(guò)下式確定：

Gi=H-D-h-△a

(2)

式中，H為GPS相位中心的高程(通過(guò)RTK直接確定)，h為GPS接收機(jī)天線相位中心距換能器面的垂距，△a為姿態(tài)引起的深度改正。

2.3 無(wú)人機(jī)生成DOM原理

利用無(wú)人機(jī)生產(chǎn)影像圖數(shù)據(jù)獲取周期較短，對(duì)天氣依賴性不強(qiáng)，可較靈活的獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)。

通過(guò)航線設(shè)計(jì)、影像控制測(cè)量、外業(yè)航飛獲得圖像、POS數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)影像預(yù)處理、空三加密，其中空三加密主要包括內(nèi)定向、相對(duì)定向、絕對(duì)定向、區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算。根據(jù)空三加密的成果，創(chuàng)建立體模型，通過(guò)核線重采樣制作核線影像生成DSM，進(jìn)行房屋過(guò)濾生成DEM。最后利用DEM對(duì)影像進(jìn)行糾正，進(jìn)行一系列處理，得到DOM。

3 在水下測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

(1)測(cè)區(qū)概況

為了更好地落實(shí)開(kāi)展泉州市洛陽(yáng)江古橋保護(hù)規(guī)劃工作，需對(duì)洛陽(yáng)古橋所屬周邊地區(qū)，上下游紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)和洛陽(yáng)江河道部分進(jìn)行 1∶2 000和1∶5 000比例尺的水下地形測(cè)量，測(cè)區(qū)位置范圍略圖如圖2所示。測(cè)區(qū)洛陽(yáng)江洛陽(yáng)古橋位于福建省泉州市，又稱為萬(wàn)安橋，處于泉州鯉城區(qū)與惠安縣交界處，橫跨洛陽(yáng)江的入?？凇y(cè)區(qū)位置(地理坐標(biāo)大致位置為：北緯24°55′50″、東經(jīng)118°41′00″)，沿江目前已建有 6 000多畝的省級(jí)紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)、濕地自然保護(hù)區(qū)。測(cè)區(qū)內(nèi)淤泥灘較多，小型的水道星羅棋布，養(yǎng)殖帶較多，潮差較小，河道中有大量的漁船行駛，給水下測(cè)繪帶來(lái)較大的不便。

圖2 測(cè)區(qū)位置范圍略圖

(2)儀器設(shè)備配備

本項(xiàng)目投入工程測(cè)量船一臺(tái)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率48匹，航速 4.5 km，主要用于單波束水深測(cè)量；投入無(wú)人機(jī)、RTK、聲速剖面儀、數(shù)字回聲測(cè)深儀、海測(cè)軟件、繪圖軟件、數(shù)據(jù)檢查軟件、測(cè)量船等軟硬件設(shè)備。

3.2 項(xiàng)目實(shí)施

(1)控制測(cè)量

福建省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(FJCORS)，覆蓋本測(cè)區(qū)，考慮到FJCORS的精度能滿足本項(xiàng)目平面控制的基本要求，平面定位的數(shù)據(jù)直接采用FJCORS差分?jǐn)?shù)據(jù)，作業(yè)期間提供了實(shí)時(shí)定位和事后精密定位等服務(wù)。同時(shí)，為保證網(wǎng)絡(luò)RTK獲取測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位的準(zhǔn)確性，首先利用測(cè)區(qū)附近泉州市C級(jí)GPS點(diǎn)Q028、Q030、Q032、620P進(jìn)行RTK檢核，每天測(cè)量前應(yīng)進(jìn)行檢核測(cè)量，與已知成果進(jìn)行比較，檢核精度在誤差允許范圍內(nèi)，方可進(jìn)行測(cè)量。每天測(cè)量完畢后，再次對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行檢核，以保證測(cè)量成果的正確性。

(2)水深測(cè)量

為了確保測(cè)深儀參數(shù)輸入準(zhǔn)確無(wú)誤，測(cè)區(qū)外業(yè)數(shù)據(jù)采集采用投影中央子午線為120°的CGCS2000坐標(biāo)，水下地形測(cè)量采用RTK三維水深方式、單波束回聲測(cè)深儀等現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)手段。測(cè)量區(qū)域水下地形時(shí)，當(dāng)船通過(guò)定位技術(shù)導(dǎo)航進(jìn)入指定測(cè)區(qū)計(jì)劃測(cè)線上時(shí)，通過(guò)測(cè)深儀測(cè)量該點(diǎn)水深，坐標(biāo)定位和測(cè)深同步記錄并以相應(yīng)的數(shù)據(jù)格式保存，最后輸出數(shù)據(jù)。水下地形點(diǎn)的大地高經(jīng)福建省似大地水準(zhǔn)面精化模型改正轉(zhuǎn)換成1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，并采用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、成圖。

①主測(cè)深線布設(shè)

充分考慮測(cè)區(qū)甲方需求，按規(guī)范的要求布置測(cè)線。主測(cè)深線方向與水下等高線垂直，大部分測(cè)線為東西走向。檢查線的方向依照實(shí)際情況盡量與主測(cè)深線垂直，分布均勻，并布設(shè)在較平坦處，能普遍檢查主測(cè)深線。檢查線總長(zhǎng)大于主測(cè)深線總長(zhǎng)的5%。

②儀器安裝

測(cè)深作業(yè)時(shí)，將測(cè)深儀輸出接口、GPS定位輸出接口同時(shí)與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)定位、測(cè)深同步?？紤]到測(cè)深過(guò)程中，船速的快慢會(huì)影響到吃水深淺的變化，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，測(cè)深儀換能器安裝在船舶中舷處，所受影響最小，因此測(cè)深儀換能器安裝在船舶中舷處。

③聲速采集

水下地形測(cè)量開(kāi)始前，用Valeport minisvp聲速剖面儀測(cè)量測(cè)區(qū)水中的聲速，將測(cè)得的聲速值輸入到測(cè)深儀中用于測(cè)量水深。

圖3 設(shè)計(jì)線布設(shè)圖(黑色為主測(cè)線、紅色為檢查線)

④動(dòng)、靜吃水改正

動(dòng)態(tài)吃水：本次水深測(cè)量采用GPS-RTK方法，GPS天線安裝在測(cè)深儀探頭上方，即GPS天線與測(cè)深儀探頭固定在一起，船舶行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)吃水對(duì)測(cè)深儀所采集數(shù)據(jù)的影響也通過(guò)實(shí)時(shí)潮位數(shù)據(jù)來(lái)抵消，因此，本次水深測(cè)量的動(dòng)態(tài)吃水不需另外單獨(dú)改正。

靜態(tài)吃水：由于本次固定RTK采用長(zhǎng)度為 2 m的鋼管，RTK測(cè)量中心到海底水深測(cè)量點(diǎn)的距離是一定的(為水深值加 2 m)。故本次靜態(tài)吃水的量取對(duì)測(cè)深點(diǎn)的高程值沒(méi)有影響。

⑤水深測(cè)量數(shù)據(jù)采集

本次作業(yè)水深數(shù)據(jù)采集使用中海達(dá)HD-380全數(shù)字雙頻測(cè)深儀(1套)一體機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)內(nèi)，結(jié)合中海達(dá)水深后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

測(cè)量船根據(jù)電腦屏幕上實(shí)時(shí)顯示實(shí)線的測(cè)量計(jì)劃線進(jìn)行跑位，測(cè)量軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和測(cè)深采集，并根據(jù)軟件的偏航顯示數(shù)據(jù)，隨時(shí)修正測(cè)船的航向，使測(cè)船始終沿著設(shè)計(jì)測(cè)線方向航行；船只在測(cè)線航行時(shí)，航向變化不大于5°/min。遇到特殊情況停船，轉(zhuǎn)向或變速時(shí)，應(yīng)及時(shí)定位；每天對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，使測(cè)深儀時(shí)間標(biāo)記和定位時(shí)間保持同步。

圖4 水深測(cè)量航跡圖

(3)潮間帶地形測(cè)量

陸地和海島周邊潮間帶區(qū)域利用了1∶500泉州市航測(cè)數(shù)字化地形圖、1∶5 000數(shù)字線劃圖的成果結(jié)合LiDAR高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。水深測(cè)量和 1∶500地形圖、LiDAR高程點(diǎn)數(shù)據(jù)均有必要的重疊區(qū)域，由水深測(cè)量獲得的高程與 1∶500地形圖、LiDAR高程點(diǎn)數(shù)據(jù)獲得的高程互差絕對(duì)值應(yīng)不大于 0.3 m。重疊區(qū)域使用本次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，未實(shí)測(cè)的區(qū)域采用該區(qū)域的 1∶500地形圖數(shù)據(jù)，無(wú)以上數(shù)據(jù)的區(qū)域采用LiDAR高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。

(4)水下地形數(shù)字成圖

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，立即投入內(nèi)業(yè)編輯與處理工作，內(nèi)業(yè)編輯與處理使用CASS9.1成圖軟件，并處理成圖。

①聲速改正

測(cè)深儀測(cè)深前輸入的聲速剖面儀法計(jì)算獲得的聲速固定值。雖然聲速在水下的傳播速度是隨著深度的增加而增大，測(cè)區(qū)整體上以淺水區(qū)為主，最深的水深為 12.63 m，水深均在 20 m以內(nèi)，故本項(xiàng)目數(shù)據(jù)后處理不做聲速改正。

②水深數(shù)據(jù)處理

由參加測(cè)量的外業(yè)人員對(duì)所測(cè)的外業(yè)資料進(jìn)行全面檢查、校核，對(duì)海測(cè)軟件所采集的水深數(shù)據(jù)與電子測(cè)深圖譜上的打印值逐一進(jìn)行校核，剔除跳點(diǎn)數(shù)據(jù)；對(duì)計(jì)算機(jī)采集的GPS定位數(shù)據(jù)逐一檢查，去除非固定解值，并校核無(wú)誤后進(jìn)行測(cè)點(diǎn)高程計(jì)算。對(duì)水下地形測(cè)量中漏測(cè)地形特征點(diǎn)根據(jù)回聲記錄波形圖上記錄顯示，在原始每秒數(shù)據(jù)中摘取。

③水下地形圖的繪制

水下地形圖的水下部分使用實(shí)測(cè)檢查后無(wú)誤的水下高程點(diǎn)，利用CASS9.1構(gòu)建三角網(wǎng)，生成水下等高線，對(duì)生成不合理的等高線進(jìn)行編輯修改，最終編繪成圖。

由于CASS軟件未提供水下等高線的繪制，為了與陸地等高線區(qū)別，項(xiàng)目中將 0 m以下的水下等高線分別歸到水下等高線首曲線、水下等高線計(jì)曲線圖層，顏色為青色。

圖5 CASS9.1勾繪水下等高線效果圖

④水下地形圖的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

利用CASS9.1自帶的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能，導(dǎo)入四個(gè)已知點(diǎn)數(shù)據(jù)，直接將整張圖先轉(zhuǎn)到中央子午線120°的1954年北京坐標(biāo)系，再通過(guò)換帶計(jì)算把圖轉(zhuǎn)到泉州地方坐標(biāo)系。

4 質(zhì)量控制

4.1 質(zhì)量保證體系

為有效完成各項(xiàng)任務(wù)，加強(qiáng)各分項(xiàng)目之間的工作協(xié)調(diào)能力，我院作為任務(wù)承擔(dān)單位由單位主管領(lǐng)導(dǎo)指揮，組成海洋測(cè)繪項(xiàng)目組，以ISO 9001∶2008標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)整個(gè)工程實(shí)施過(guò)程進(jìn)行全程控制和監(jiān)督。

4.2 質(zhì)量保證措施

項(xiàng)目中，遵循先設(shè)計(jì)后生產(chǎn)的原則，實(shí)行兩級(jí)檢查一級(jí)驗(yàn)收的制度。

在作業(yè)過(guò)程中，項(xiàng)目外業(yè)負(fù)責(zé)人利用中海達(dá)的后處理軟件對(duì)小組核查編輯后的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行抽檢。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，項(xiàng)目組組織專門質(zhì)檢人員對(duì)RTK比對(duì)記錄、實(shí)測(cè)高程點(diǎn)范圍是否符合要求，潮間帶與水下測(cè)量是否有重疊、檢測(cè)線是否按設(shè)計(jì)(采用主、檢測(cè)線和潮間帶與水下測(cè)量重疊部高程比對(duì))等進(jìn)行了內(nèi)業(yè)資料的完整性、成果數(shù)據(jù)圖件正確性檢查，并及時(shí)將檢查意見(jiàn)反饋于作業(yè)組，及時(shí)進(jìn)行整改。本次檢查線與主測(cè)線長(zhǎng)度之比為8.8，符合規(guī)范要求。

統(tǒng)計(jì)主測(cè)線與檢查線交叉點(diǎn)的高程比對(duì)，并計(jì)算點(diǎn)位高程中誤差。中誤差公式采用下式計(jì)算：

主、檢測(cè)線不符值限差規(guī)定：水深0 m～20 m時(shí)：小于 0.4 m；超限的點(diǎn)數(shù)不得超過(guò)參加比對(duì)總點(diǎn)數(shù)的20%。

高程檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表 表2

滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量合格。

項(xiàng)目完成后，由項(xiàng)目組所在科室進(jìn)行院一級(jí)檢查，檢查合格后由院質(zhì)檢科進(jìn)行二級(jí)檢查，檢查合格后提交省質(zhì)監(jiān)站驗(yàn)收。

5 技術(shù)問(wèn)題處理

5.1 紅樹(shù)林邊界線問(wèn)題

洛陽(yáng)江古橋測(cè)區(qū)附近紅樹(shù)林具有密度大、分布無(wú)規(guī)律等特點(diǎn)，且實(shí)地有專人看護(hù)，不允許測(cè)船進(jìn)入，又不具備全站儀、RTK確定林地邊界的條件，因此項(xiàng)目中利用了無(wú)人機(jī)獲取高分辨率影像圖來(lái)確定其范圍線。

5.2 關(guān)于養(yǎng)殖帶和養(yǎng)殖的水塘的繪制

測(cè)區(qū)養(yǎng)殖的種類復(fù)雜，海蠣樁的范圍結(jié)合水下地形測(cè)量中的部分定位點(diǎn)粗略繪制。蝦塘蟹塘等養(yǎng)殖的水塘依據(jù)無(wú)人機(jī)獲取高分辨率影像圖確定其范圍線和大小，再依據(jù)外業(yè)調(diào)查確定其養(yǎng)殖種類。

6 結(jié) 語(yǔ)

GPS-RTK以其高精度、高效率、易操作的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于水下地形測(cè)量，大大提高了水下地形測(cè)量的效率和準(zhǔn)確性。本項(xiàng)目中利用GPS-RTK和無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的有效結(jié)合，解決了不易獲取GPS信號(hào)測(cè)區(qū)的測(cè)繪。在復(fù)雜地形的水下地形測(cè)量時(shí)，尤其是對(duì)于不方便設(shè)站、測(cè)區(qū)內(nèi)淤泥灘、養(yǎng)殖帶較多的水域，利用GPS-RTK和無(wú)人機(jī)的有效結(jié)合可以更方便精確地進(jìn)行測(cè)量，提高測(cè)量的精確性，提高測(cè)繪效率。利用不同技術(shù)的結(jié)合使用將是以后測(cè)量技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。

[1] 周忠謨. GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用[M]. 測(cè)繪出版社，1992.

[2] 付青松. 應(yīng)用GPS RTK技術(shù)的城市工程測(cè)量方法研究[J]. 測(cè)繪與空間地理信息，2011(1)：75～77.

[3] 梁開(kāi)龍. 水下地形測(cè)量[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2001(6)：16～16.

[4] 李俊，黃永. GPS RTK技術(shù)在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué)，2008(1)：88～89.

[5] 孫杰，林宗堅(jiān)，崔紅霞. 無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 遙感信息，2003(1)：49～50.

[6] 趙翔. 基于無(wú)人機(jī)航攝DOM生成技術(shù)的研究與應(yīng)用[D]. 南昌：東華理工大學(xué)，2015.