船載海陸一體化三維地形測量技術(shù)在海岸帶侵蝕淤積監(jiān)測中的應(yīng)用

楊朋 ，田立柱 ，文明征 ，王福 ，劉斌 ，林國強

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；2.中國地質(zhì)調(diào)查局海岸帶地質(zhì)環(huán)境重點實驗室，天津300170；3.中國地質(zhì)調(diào)查局華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，天津300170；4.北京勞雷海洋儀器有限公司，北京100025）

黨的“十九大”報告明確提出“堅持海陸統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強國”的發(fā)展戰(zhàn)略。海岸帶作為陸地與海洋的分界線，是海陸相互作用最強烈的地帶，具有資源豐富、區(qū)位優(yōu)勢明顯、生態(tài)環(huán)境脆弱、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)等特征[1-5]。實現(xiàn)海岸帶海陸一體化三維地形測量對于研究海岸帶演變歷史、編制海岸帶空間規(guī)劃、保護(hù)海岸帶生態(tài)環(huán)境、保障近海航運安全、防范地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生等具有重要意義[6-8]。

調(diào)查顯示，自1970年，尤其是2000年以來，大規(guī)模的港口和圍填海建設(shè)將自然岸線改造成人工岸線[9-10]。岸線人工化導(dǎo)致原來的水動力條件發(fā)生改變，造成局部岸段淤積加速，而部分岸段侵蝕加劇，致使港口和圍填海工程外圍海堤穩(wěn)定性降低，形成安全隱患，因此，海岸帶侵蝕淤積監(jiān)測對于及時排除安全隱患，降低人員和財產(chǎn)損失具有重要實際意義[11-12]。

海岸帶地形測量是海洋測繪任務(wù)的重要組成部分[13]。受潮汐影響，海岸帶地形測量難度較大，常見的海岸帶地形測量技術(shù)包括人工實地測量、航遙測量和船載測量等[14-17]。由于礁石、濕地、灘涂等特殊地理單元的存在，致使人工實地測量存在安全隱患，且效率低下。受限于技術(shù)自身特點，航遙測量技術(shù)不能實現(xiàn)水下地形高精度測量，且很難提供海岸帶側(cè)向地形地貌信息。

鑒于此，本文以天津南港、臨港圍海造陸區(qū)為研究區(qū)，首次將船載海陸一體化三維地形測量技術(shù)引入到海岸帶侵蝕淤積監(jiān)測工作中。由于該測量系統(tǒng)具有統(tǒng)一的坐標(biāo)系，從而避免了由于水上、水下分部測量造成的地形拼接問題。船載測量技術(shù)通過集成三維激光測距、多波束測深、定位、定姿等技術(shù)，具有效率高、成本低、信息豐富等優(yōu)點，作為新興的海洋測繪技術(shù)優(yōu)勢明顯[18-24]。

1 系統(tǒng)工作原理及流程

海岸帶船載海陸一體化三維地形測量系統(tǒng)主要由多波速測深系統(tǒng)（R2Sonic 2024）、三維激光掃描系統(tǒng)（Riegl VZ-400）、光纖羅經(jīng)（iXsea Octans）、差分GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)（Trimble SPS356）、RTK量測系統(tǒng)（iRTK5）、聲學(xué)剖面儀（AML Minos）、數(shù)據(jù)采集和顯示計算機（T480）等硬件構(gòu)成。

該系統(tǒng)主要工作原理為：（1）設(shè)備安裝調(diào)試階段，將上述多波速測深系統(tǒng)、三維激光掃描系統(tǒng)等硬件固定安裝在測船上，確定各硬件相對于測船坐標(biāo)系（測船坐標(biāo)系一般以船首方向為Y軸方向、以右舷方向為X軸方向、垂直水面向上為Z軸方向，坐標(biāo)系原點可根據(jù)實際需求確定）的相對位置關(guān)系；（2）現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集階段，測船沿預(yù)先布設(shè)的測線航行，多波速測深系統(tǒng)和三維激光掃描系統(tǒng)分別采集水下和水上三維地形數(shù)據(jù)，光纖羅經(jīng)、差分GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)、RTK測量系統(tǒng)以及聲學(xué)剖面儀分別同步記錄測船運動姿態(tài)數(shù)據(jù)、位置時間數(shù)據(jù)、潮位高程數(shù)據(jù)和聲速剖面數(shù)據(jù)；（3）室內(nèi)數(shù)據(jù)處理階段，由數(shù)據(jù)采集軟件QINYs輸出水下、水上三維地形點云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入專業(yè)處理軟件Caris中，依次進(jìn)行姿態(tài)、潮位和聲速校準(zhǔn)，最后，將水下、水上三維地形點云數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化拼接，實現(xiàn)海岸帶船載海陸一體化三維地形測量。

海岸帶船載海陸一體化三維地形測量的工作流程大致可分為制定工作計劃、設(shè)備安裝調(diào)試、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理四個步驟，具體技術(shù)路線和工作流程見圖1。

圖1 海岸帶船載海陸一體化三維地形測量技術(shù)路線和工作流程圖Fig.1 Technical route and work flow chart of shipborne sea-land integrated three-dimensional terrain surveying technology in the coastal zone

該測量系統(tǒng)的技術(shù)難點包括設(shè)備集成、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)時間同步等。本論文使用商業(yè)軟件QINYs解決多波速測深系統(tǒng)和三維激光掃描系統(tǒng)多傳感器空間配準(zhǔn)和數(shù)據(jù)同步融合技術(shù)難題。為實現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，在實際測量時首先根據(jù)多波速測深儀傳感器、三維激光掃描儀傳感器和差分GPS在測船參考系中的相對位置關(guān)系，全部轉(zhuǎn)化為測船坐標(biāo)系，然后基于實時定位數(shù)據(jù)和測船姿態(tài)數(shù)據(jù)將測船坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系。本論文采用時間同步法實現(xiàn)數(shù)據(jù)時間同步，即利用差分GPS 的時間與1PPS持續(xù)調(diào)整各傳感器的時間，保證各傳感器的時間與差分GPS的時間保持同步。

此外，多波速開角一般在160°以內(nèi)，將多波速測深儀換能器采取傳統(tǒng)的豎直安裝方式固定在測船上，會導(dǎo)致近岸水下地形測量出現(xiàn)測量“盲區(qū)”，無法完整測量海岸帶水下地形。為消除該“盲區(qū)”，此次測量將R2Sonic 2024換能器由豎直向下方向向近岸方向轉(zhuǎn)動近28°進(jìn)行傾斜固定安裝，從而實現(xiàn)海岸帶水下地形完整測量，消除測量“盲區(qū)”，提高現(xiàn)場調(diào)查工作效率。該技術(shù)可為后人開展海岸帶侵蝕淤積監(jiān)測工作提供技術(shù)參考。

2 結(jié)果討論

本文將該船載海陸一體化三維地形測量技術(shù)首次應(yīng)用于天津南港（測區(qū)一）和臨港（測區(qū)二）兩處典型海岸帶侵蝕淤積監(jiān)測。該技術(shù)通過將水下、水上三維地形點云數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化拼接，可以準(zhǔn)確可靠反映海岸帶海堤結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)一體化三維地形測量結(jié)果，對測區(qū)一和測區(qū)二的海岸帶侵蝕淤積現(xiàn)狀進(jìn)行初步分析。

（1）測區(qū)一

測區(qū)一為南北走向海岸，全長近9 km。水下部分多波束點云覆蓋寬度約40 m，平坦區(qū)域海底高程約為-11.3 m，水上部分為三維激光掃描儀點云成像，兩者完全拼接比例大于95%（圖2）。通過放大后的局部三維地形成果圖可以發(fā)現(xiàn)水上、水下地形無縫拼接，水上、水下結(jié)構(gòu)物清晰可見，可直觀識別出水上陸地上的電線桿、岸堤護(hù)坡、防潮壩和水下的碎石坡、海底，其中，水下碎石坡和海底斜坡的形態(tài)清晰可見（圖3）。

圖2 測區(qū)一測量區(qū)域及成果圖Fig.2 Survey area and results map for the first section

由于長期經(jīng)受海浪沖擊作用，測區(qū)一最南端岸堤的框架護(hù)坡和碎石護(hù)坡均發(fā)生較大位移，其中，框架護(hù)坡破壞明顯，破壞面積約150 m2，發(fā)生較大位移的碎石護(hù)坡段長約60 m，海底可見條帶狀堆積體（圖4）。測區(qū)一中部氣象站附近海底由于海浪沖刷作用，可見碎石坡滑塌和條帶狀堆積體，在氣象站基礎(chǔ)周邊分布片狀堆積體（圖5）。其中，碎石坡滑塌體長約80 m，平行于岸堤發(fā)育；條帶狀堆積體長約30 m，垂直于岸堤發(fā)育；片狀堆積體圍繞氣象站基礎(chǔ)周邊發(fā)育。

圖3 測區(qū)一海岸帶結(jié)構(gòu)成果圖Fig.3 The result map of the coastal zone structure for the first section

圖4 測區(qū)一最南端岸堤成果圖Fig.4 The result map of the southernmost coastal zone for the first section

圖5 測區(qū)一氣象站附近岸堤成果圖Fig.5 The result map of the coastal zone around the weather station for the first section

（2）測區(qū)二

測區(qū)二由南東走向（120°）和南西走向（210°）兩段海岸組成，兩者近垂直，其中，南東走向海岸長約4 km，南西走向海岸長約5 km。測量南東走向海岸時由于處于低潮位，水深太淺無法靠近岸邊，導(dǎo)致未能達(dá)到海陸全覆蓋；南西走向海岸基本實現(xiàn)海陸全覆蓋。水下部分多波束點云覆蓋寬度約40 m，平坦區(qū)域海底高程約為-15.0 m，水上部分為三維激光掃描儀點云成像，兩者完全拼接比例大于95%（圖6）。通過放大后的局部三維地形成果圖可以發(fā)現(xiàn)測區(qū)二與測區(qū)一的岸堤結(jié)構(gòu)相差較大，測區(qū)二的水上部分為塊石護(hù)坡，水下部分為碎石坡、海底，其中，水面上停泊的漁船形態(tài)清晰可見（圖7）。

測區(qū)二內(nèi)氣象站結(jié)構(gòu)清晰可見，氣象站旁邊的鐵塔結(jié)構(gòu)清晰，鐵塔高約為47.0 m。氣象站北東側(cè)岸堤存在一處凹槽，在海浪沖刷作用下，海底形成大量條帶狀堆積體，而氣象站南西側(cè)岸堤海底較為平坦，未見明顯堆積體（圖8）。測區(qū)二岸堤拐角處可見侵蝕陡坎，圖中白色虛線圈畫的范圍為沖擊侵蝕嚴(yán)重區(qū)域，面積約為1 000 m2（圖9）。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)地介紹了船載海陸一體化三維地形測量技術(shù)的設(shè)備組成、工作原理及工作流程，并著重闡述了系統(tǒng)設(shè)備集成、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)時間同步和多波速測量“盲區(qū)”消除等關(guān)鍵技術(shù)。首次將該技術(shù)應(yīng)用于海岸帶侵蝕淤積監(jiān)測，為海岸帶海陸一體化地形測量提供一種新的技術(shù)方法。

圖6 測區(qū)二測量區(qū)域及成果圖Fig.6 Survey area and results map for the second section

圖7 測區(qū)二海岸帶結(jié)構(gòu)成果圖Fig.7 The result map of the coastal zone structure for the second section

圖8 測區(qū)二氣象站附近岸堤成果圖Fig.8 The result map of the coastal zone around the weather station for the second section

圖9 測區(qū)二岸堤拐角三維成果圖Fig.9 The result map of coastal zone at the corner for the second section

應(yīng)用海岸帶船載海陸一體化三維地形測量技術(shù)對渤海灣津冀沿海南港和臨港兩處典型海岸帶開展海陸一體化三維地形測量。測量結(jié)果表明該技術(shù)具有自動化程度高、工作效率高、測量成本較低、無需接觸測量、自動成圖等優(yōu)點。該技術(shù)可用于海岸帶地區(qū)水上岸堤護(hù)坡及防潮壩位移監(jiān)測，以及水下岸坡侵蝕淤積調(diào)查。

目前，海岸帶船載海陸一體化三維地形測量系統(tǒng)尚且處于初級集成階段，儀器設(shè)備性能及安裝固定情況會極大的影響測量效果。測量過程中局部會產(chǎn)生較多的干擾信號甚至數(shù)據(jù)缺失，導(dǎo)致測量效果不理想。因此，依靠技術(shù)進(jìn)步實現(xiàn)該測量系統(tǒng)高度集成化是急需解決的技術(shù)難題。