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

楊朋 ，田立柱 ，文明征 ，王福 ，劉斌 ，林國(guó)強(qiáng)

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局海岸帶地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300170；3.中國(guó)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(bào)告明確提出“堅(jiān)持海陸統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”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(qiáng)烈的地帶，具有資源豐富、區(qū)位優(yōu)勢(shì)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(shí)現(xiàn)海岸帶海陸一體化三維地形測(cè)量對(duì)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(yùn)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(lái)，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(lái)的水動(dòng)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(cè)對(duì)于及時(shí)排除安全隱患，降低人員和財(cái)產(chǎn)損失具有重要實(shí)際意義[11-12]。

海岸帶地形測(cè)量是海洋測(cè)繪任務(wù)的重要組成部分[13]。受潮汐影響，海岸帶地形測(cè)量難度較大，常見(jiàn)的海岸帶地形測(cè)量技術(shù)包括人工實(shí)地測(cè)量、航遙測(cè)量和船載測(cè)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(shí)地測(cè)量存在安全隱患，且效率低下。受限于技術(shù)自身特點(diǎn)，航遙測(cè)量技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)水下地形高精度測(cè)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(cè)量技術(shù)引入到海岸帶侵蝕淤積監(jiān)測(cè)工作中。由于該測(cè)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(cè)量造成的地形拼接問(wèn)題。船載測(cè)量技術(shù)通過(guò)集成三維激光測(cè)距、多波束測(cè)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(diǎn)，作為新興的海洋測(cè)繪技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(cè)量系統(tǒng)主要由多波速測(cè)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(cè)系統(tǒng)（iRTK5）、聲學(xué)剖面儀（AML Minos）、數(shù)據(jù)采集和顯示計(jì)算機(jī)（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(cè)深系統(tǒng)、三維激光掃描系統(tǒng)等硬件固定安裝在測(cè)船上，確定各硬件相對(duì)于測(cè)船坐標(biāo)系（測(cè)船坐標(biāo)系一般以船首方向?yàn)閅軸方向、以右舷方向?yàn)閄軸方向、垂直水面向上為Z軸方向，坐標(biāo)系原點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際需求確定）的相對(duì)位置關(guān)系；（2）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集階段，測(cè)船沿預(yù)先布設(shè)的測(cè)線航行，多波速測(cè)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(cè)量系統(tǒng)以及聲學(xué)剖面儀分別同步記錄測(cè)船運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)、位置時(shí)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(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化拼接，實(shí)現(xiàn)海岸帶船載海陸一體化三維地形測(cè)量。

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

圖1 海岸帶船載海陸一體化三維地形測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)包括設(shè)備集成、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)時(shí)間同步等。本論文使用商業(yè)軟件QINYs解決多波速測(cè)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(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，在實(shí)際測(cè)量時(shí)首先根據(jù)多波速測(cè)深儀傳感器、三維激光掃描儀傳感器和差分GPS在測(cè)船參考系中的相對(duì)位置關(guān)系，全部轉(zhuǎn)化為測(cè)船坐標(biāo)系，然后基于實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)和測(cè)船姿態(tài)數(shù)據(jù)將測(cè)船坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系。本論文采用時(shí)間同步法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)間同步，即利用差分GPS 的時(shí)間與1PPS持續(xù)調(diào)整各傳感器的時(shí)間，保證各傳感器的時(shí)間與差分GPS的時(shí)間保持同步。

此外，多波速開(kāi)角一般在160°以內(nèi)，將多波速測(cè)深儀換能器采取傳統(tǒng)的豎直安裝方式固定在測(cè)船上，會(huì)導(dǎo)致近岸水下地形測(cè)量出現(xiàn)測(cè)量“盲區(qū)”，無(wú)法完整測(cè)量海岸帶水下地形。為消除該“盲區(qū)”，此次測(cè)量將R2Sonic 2024換能器由豎直向下方向向近岸方向轉(zhuǎn)動(dòng)近28°進(jìn)行傾斜固定安裝，從而實(shí)現(xiàn)海岸帶水下地形完整測(cè)量，消除測(cè)量“盲區(qū)”，提高現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作效率。該技術(shù)可為后人開(kāi)展海岸帶侵蝕淤積監(jiān)測(cè)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(cè)量技術(shù)首次應(yīng)用于天津南港（測(cè)區(qū)一）和臨港（測(cè)區(qū)二）兩處典型海岸帶侵蝕淤積監(jiān)測(cè)。該技術(shù)通過(guò)將水下、水上三維地形點(diǎn)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(cè)量結(jié)果，對(duì)測(cè)區(qū)一和測(cè)區(qū)二的海岸帶侵蝕淤積現(xiàn)狀進(jìn)行初步分析。

（1）測(cè)區(qū)一

測(cè)區(qū)一為南北走向海岸，全長(zhǎng)近9 km。水下部分多波束點(diǎn)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(diǎn)云成像，兩者完全拼接比例大于95%（圖2）。通過(guò)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(wú)縫拼接，水上、水下結(jié)構(gòu)物清晰可見(jiàn)，可直觀識(shí)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(jiàn)（圖3）。

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

由于長(zhǎng)期經(jīng)受海浪沖擊作用，測(cè)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(zhǎng)約60 m，海底可見(jiàn)條帶狀堆積體（圖4）。測(cè)區(qū)一中部氣象站附近海底由于海浪沖刷作用，可見(jiàn)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(zhǎng)約80 m，平行于岸堤發(fā)育；條帶狀堆積體長(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)區(qū)二

測(cè)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(zhǎng)約4 km，南西走向海岸長(zhǎng)約5 km。測(cè)量南東走向海岸時(shí)由于處于低潮位，水深太淺無(wú)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(shí)現(xiàn)海陸全覆蓋。水下部分多波束點(diǎn)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(diǎn)云成像，兩者完全拼接比例大于95%（圖6）。通過(guò)放大后的局部三維地形成果圖可以發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)二與測(cè)區(qū)一的岸堤結(jié)構(gòu)相差較大，測(cè)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(jiàn)（圖7）。

測(cè)區(qū)二內(nèi)氣象站結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，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(jiàn)明顯堆積體（圖8）。測(cè)區(qū)二岸堤拐角處可見(jiàn)侵蝕陡坎，圖中白色虛線圈畫(huà)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(cè)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(shí)間同步和多波速測(cè)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(cè)，為海岸帶海陸一體化地形測(cè)量提供一種新的技術(shù)方法。

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

圖7 測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)對(duì)渤海灣津冀沿海南港和臨港兩處典型海岸帶開(kāi)展海陸一體化三維地形測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明該技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、工作效率高、測(cè)量成本較低、無(wú)需接觸測(cè)量、自動(dòng)成圖等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)，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(cè)量系統(tǒng)尚且處于初級(jí)集成階段，儀器設(shè)備性能及安裝固定情況會(huì)極大的影響測(cè)量效果。測(cè)量過(guò)程中局部會(huì)產(chǎn)生較多的干擾信號(hào)甚至數(shù)據(jù)缺失，導(dǎo)致測(cè)量效果不理想。因此，依靠技術(shù)進(jìn)步實(shí)現(xiàn)該測(cè)量系統(tǒng)高度集成化是急需解決的技術(shù)難題。