基于無(wú)人機(jī)和測(cè)深儀的高精度灘涂測(cè)圖方法研究

吳珍麗 彭小青 方輝兵

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430056)

1 概述

沿海河口地區(qū)存在大面積潮間灘涂帶，這些灘涂往往成片存在，高潮位時(shí)，水深較淺甚至露出水面，常規(guī)行船測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)；低潮位時(shí)，裸露出淤泥灘面，由于淤泥質(zhì)軟，也難以直接利用GPS 或全站儀等相關(guān)觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行人工測(cè)量。因此，沿海河口寬闊的淤泥潮間帶灘涂測(cè)圖是海洋測(cè)繪領(lǐng)域難點(diǎn)之一[1]。

已有許多學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究，徐雙全針對(duì)上海市灘涂水下地形測(cè)量工作的歷史與現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹灘涂水下地形的測(cè)量方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)繪成果的應(yīng)用[2]；張煒等利用GNSS-RTK 技術(shù)測(cè)量舟山桃花島塔灣金沙景區(qū)沙灘灘面寬度、長(zhǎng)度[3]；樓燕敏等介紹機(jī)載LIDAR技術(shù)在浙江省灘涂海岸地形測(cè)量項(xiàng)目中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用情況，形成了一套從航飛設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)加工和成果應(yīng)用的完整流程[4]；郭春海等利用無(wú)人機(jī)航攝和機(jī)載LIDAR技術(shù)進(jìn)行1∶1 000比例高精度的灘涂地理信息數(shù)據(jù)采集[5]；趙娜針對(duì)沿海灘涂地區(qū)的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM過(guò)程中濾波和插值算法的選取問(wèn)題，提出一種自動(dòng)化生產(chǎn)高精度DEM方法[6]；王海云等總結(jié)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用于海岸、海島地形測(cè)繪的技術(shù)方法、作業(yè)流程[7]；張金華在上海市橫沙島新吹填的灘涂區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)，達(dá)到優(yōu)于±15 cm高程測(cè)量精度[8]；張強(qiáng)采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采集莆田市淺海灘涂區(qū)域數(shù)據(jù)，并生產(chǎn)DEM、數(shù)字線劃圖等成果[9]；方穎等以長(zhǎng)江口深水航道工程為例，探討無(wú)驗(yàn)潮水下地形測(cè)量的測(cè)深數(shù)據(jù)處理方法[10]；秦昌杰等介紹CORS RTK水下地形測(cè)量的原理和方法，以及在上海潮灘測(cè)量中的應(yīng)用[11]。

總的來(lái)說(shuō)，水下地形測(cè)量是對(duì)灘涂海岸帶地形測(cè)量必不可少的補(bǔ)充[12]，眾多學(xué)者分別利用GNSS、全站儀、LIDAR、無(wú)人機(jī)、水下地形測(cè)量等手段進(jìn)行了嘗試[13-14]。仍存在較多不足，以下在充分利用潮汐規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前無(wú)人機(jī)免像控航測(cè)技術(shù)和測(cè)深儀水下地形測(cè)量技術(shù)進(jìn)行沿海河口灘涂大比例地形圖測(cè)量。

2 基于無(wú)人機(jī)與測(cè)深儀的灘涂測(cè)圖方案

考慮到沿海河口灘涂區(qū)大量作業(yè)范圍處于潮間帶，人員船只均難以進(jìn)入，故決定采用無(wú)人機(jī)免像控航測(cè)技術(shù)和測(cè)深儀水下地形測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行沿海河口灘涂地形測(cè)量。主要思路是充分利用沿海河口潮汐變化，在低潮時(shí)，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航飛拍攝，并生成高精度航測(cè)成果；在高潮時(shí)，利用測(cè)深儀測(cè)量水下地形；最后以重疊區(qū)域的測(cè)量成果為依據(jù)，以無(wú)人機(jī)航飛的測(cè)量成果為基準(zhǔn)，對(duì)測(cè)深儀水下地形測(cè)量成果進(jìn)行檢核、修正，再將無(wú)人機(jī)航飛的測(cè)量成果與修正后的測(cè)深儀水下地形測(cè)量成果進(jìn)行融合，從而形成整個(gè)灘涂測(cè)區(qū)的測(cè)量成果。

2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)地形圖測(cè)繪

利用無(wú)人機(jī)免像控技術(shù)進(jìn)行地形圖測(cè)繪時(shí)，需要觀察沿海河口灘涂區(qū)域的潮汐變化，盡量在低潮期間進(jìn)行?？衫么蠼`4 RTK無(wú)人機(jī)，按照1∶500比例成圖要求及無(wú)人機(jī)飛行相關(guān)要求實(shí)施航飛。飛行航高設(shè)計(jì)為100 m，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%。航線沿平行于水岸線的方向布設(shè)，外業(yè)航飛時(shí)由低潮時(shí)的水邊線往陸地方向飛行。航飛拍攝前，將收集到的航測(cè)范圍線導(dǎo)入衛(wèi)星影像中，通過(guò)衛(wèi)星影像確定作業(yè)范圍是否為禁飛區(qū)、限高區(qū)，大致判斷無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地、飛行高度。通過(guò)踏勘，實(shí)地核查周邊高層建筑物、高壓輸電線路、排水閘等影響安全的因素，確定無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地。

根據(jù)潮汐表選擇作業(yè)當(dāng)天的最低潮位進(jìn)行航飛測(cè)量，航飛完成后，對(duì)飛行質(zhì)量與影像質(zhì)量進(jìn)行檢查，不合格航線及漏洞區(qū)域立即組織補(bǔ)飛。經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)處理生成三維實(shí)景模型后，以模型上選取的測(cè)量成果為基準(zhǔn)，對(duì)測(cè)深儀水下地形測(cè)量成果進(jìn)行檢核、修正，從而形成整個(gè)測(cè)區(qū)的地形成果。無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)流程

2.2 測(cè)深儀水下地形圖測(cè)繪

利用測(cè)深儀進(jìn)行水下地形測(cè)繪時(shí)，需根據(jù)沿海河口灘涂區(qū)域的潮汐變化，在高潮期間進(jìn)行?？刹捎谩癎NSS-RTK+測(cè)深儀”組合方式進(jìn)行水下地形測(cè)量，作業(yè)過(guò)程中，測(cè)深儀需不間斷采集水深值并保存；計(jì)算機(jī)同步采集水深值與定位數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)水深采集記錄精確至0.01 m。測(cè)深工作前后，使用檢查板檢查、比對(duì)測(cè)深儀測(cè)深數(shù)據(jù)，保證其精度滿(mǎn)足相應(yīng)比例水深測(cè)量的精度要求。測(cè)量前需合理布設(shè)測(cè)線，根據(jù)區(qū)域水下地形特征和規(guī)范要求，主測(cè)線基本按與線路走向一致的原則布設(shè)，沿預(yù)設(shè)的線路中線向兩側(cè)延伸，每隔7.5 m布設(shè)1條，測(cè)點(diǎn)間距為5 m。作業(yè)完成后，通過(guò)后處理軟件對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除粗差及一些錯(cuò)誤的水深值，并將處理后的水深值與GNSS-RTK的高程進(jìn)行融合計(jì)算，得出水底高程值，將GNSS-RTK平面坐標(biāo)加上水底高程值，得到最終水下地形點(diǎn)成果。測(cè)深儀水下地形測(cè)量流程見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)深儀水下地形測(cè)量流程

水下地形測(cè)量前，按照相關(guān)規(guī)范要求，使用AutoCAD繪制作業(yè)計(jì)劃線，并將作業(yè)計(jì)劃線導(dǎo)入水下地形測(cè)量軟件。水下地形測(cè)量作業(yè)時(shí)，船只按照作業(yè)計(jì)劃線航行，并保持中速勻速行駛。測(cè)量人員實(shí)時(shí)關(guān)注RTK及測(cè)深儀狀態(tài)。此外還需要進(jìn)行換能器吃水改正、聲速改正，以及檢測(cè)線測(cè)量。

(1)換能器吃水改正

按測(cè)量時(shí)換能器實(shí)際入水深度，設(shè)置測(cè)深儀的吃水深度選項(xiàng)，使其吃水深度與換能器入水深度一致，實(shí)現(xiàn)換能器的吃水改正。在換能器安裝完畢正式開(kāi)始測(cè)量工作之前，按正常測(cè)量航速進(jìn)行走航試驗(yàn)，以確定換能器入水深度。

(2)聲速改正

測(cè)深作業(yè)前，利用聲速剖面儀測(cè)量不同深度的聲速，確定作業(yè)期間聲速值，將聲速值輸入測(cè)深儀進(jìn)行聲速改正。

(3)檢測(cè)線測(cè)量

對(duì)已完成的水下地形進(jìn)行驗(yàn)收檢查，檢測(cè)線按垂直主測(cè)線方向均勻布設(shè)。

2.3 航測(cè)成果與水下地形測(cè)量成果融合

首先，以無(wú)人機(jī)航測(cè)成果為基準(zhǔn)，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)成果與測(cè)深儀水下地形測(cè)量成果重疊區(qū)進(jìn)行計(jì)算得到水下地形測(cè)量成果的改正值。即將測(cè)深儀測(cè)量的水下地形與無(wú)人機(jī)航測(cè)地形的重疊區(qū)域劃分成一定間隔的規(guī)則格網(wǎng)，通過(guò)加權(quán)平均法得到水下地形和航測(cè)地形的高程點(diǎn)坐標(biāo)。具體做法是：通過(guò)以格網(wǎng)點(diǎn)為圓心、R為半徑的圓內(nèi)所有點(diǎn)的加權(quán)平均值來(lái)計(jì)算格網(wǎng)點(diǎn)的內(nèi)插高程，以距離平方的倒數(shù)作為權(quán)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算[15]，規(guī)則格網(wǎng)上任意一點(diǎn)j的高程計(jì)算公式為

(1)

式中，n為圓內(nèi)插值點(diǎn)個(gè)數(shù)；Pi為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)；Zi為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程。

以重疊區(qū)域的測(cè)量成果為依據(jù)，以無(wú)人機(jī)航飛測(cè)量成果為基準(zhǔn)，計(jì)算格網(wǎng)點(diǎn)上內(nèi)插的測(cè)深儀測(cè)量成果與無(wú)人機(jī)航測(cè)成果的改正值為

(2)

式中，Δh為測(cè)量成果改正值；hf為無(wú)人機(jī)航測(cè)地形；hd為測(cè)深儀測(cè)量的水下地形，i為數(shù)據(jù)點(diǎn)編號(hào)。

計(jì)算出改正值之后，將測(cè)深儀水下地形測(cè)量成果進(jìn)行修正，再與無(wú)人機(jī)航飛的測(cè)量成果進(jìn)行拼接融合，按照1∶500比例成圖要求生成地形圖，從而形成整個(gè)灘涂測(cè)區(qū)的測(cè)量成果。

3 實(shí)驗(yàn)與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域

實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)橥ㄌK嘉甬鐵路跨杭州灣大橋南岸灘涂B2勘察區(qū)(見(jiàn)圖3)，通蘇嘉甬鐵路位于江蘇省東南部和浙江省東北部地區(qū)，為南北向鐵路，線路起自南通市南通西站，與鹽通鐵路正線貫通，向南跨過(guò)長(zhǎng)江后(利用滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋鐵路)，經(jīng)蘇州市、嘉興市、跨過(guò)杭州灣進(jìn)入寧波市，全線正線運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度為310.4 km。圖3中紅色實(shí)線為通蘇嘉甬鐵路杭州灣大橋。

本次灘涂測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000坐標(biāo)系，中央子午線為120°，高程系統(tǒng)為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。差分源使用千尋CORS系統(tǒng)。為使無(wú)人機(jī)航測(cè)與水下地形測(cè)量能直接測(cè)取準(zhǔn)確的坐標(biāo)系，通過(guò)Trimble R10 GNSS連接千尋CORS的方式，均勻測(cè)取杭州灣南北岸共6個(gè)控制點(diǎn)，并求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)殘差見(jiàn)表1。

表1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解殘差 m

從表1可以得出，控制點(diǎn)選取合適，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)精度較高，可以滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)航測(cè)及水下地形測(cè)量的需要。

3.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)

基于大疆精靈4 RTK無(wú)人機(jī)，采用機(jī)載2000萬(wàn)分辨率數(shù)碼相機(jī)拍攝，測(cè)量范圍為里程CK196+550～CK198+600；測(cè)量面積為0.45 km2。根據(jù)2020年8月16日航飛作業(yè)當(dāng)天的潮汐表，16:08為最佳的航飛時(shí)間，當(dāng)天提前進(jìn)入事先選定的無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地，于16:30開(kāi)始航飛作業(yè)。航飛作業(yè)當(dāng)日潮汐狀態(tài)見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)人機(jī)航測(cè)作業(yè)當(dāng)日寧波港潮汐狀態(tài)

外業(yè)航拍共飛行4個(gè)架次，拍攝相片1 107張，每架次拍攝的像片均確保無(wú)人機(jī)RTK解為固定解。實(shí)驗(yàn)中，采用千尋CORS作為機(jī)載RTK差分源。航測(cè)三維模型成圖面積約1.1 km2，寬約550 m，長(zhǎng)約2 km。三維模型見(jiàn)圖5。

圖5 航測(cè)三維模型

3.3 測(cè)深儀水下測(cè)量

1∶500水下地形圖測(cè)量范圍為里程CK196+100～CK196+550；測(cè)量面積為0.08 km2。根據(jù)2020年8月18日潮汐情況，11:55為最佳的水下地形時(shí)間，當(dāng)天提前進(jìn)入作業(yè)區(qū)域開(kāi)展換能器吃水改正和聲速改正準(zhǔn)備工作。于13:03開(kāi)始水下地形作業(yè)。水下地形測(cè)量作業(yè)當(dāng)日潮汐狀態(tài)見(jiàn)圖6。

圖6 測(cè)深儀水下地形測(cè)量作業(yè)當(dāng)日寧波港潮汐狀態(tài)

本次測(cè)量期間航速比較穩(wěn)定，船舶吃水深度變化也很小，因而換能器入水深度動(dòng)態(tài)變化很小。聲速改正方面，利用海鷹HY1203聲速剖面儀測(cè)量不同深度的聲速，聲速測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)區(qū)水下聲速

由表2可知，不同深度、不同溫度情況下，聲速會(huì)存在微小的差別。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，最終采用1 517 m/s作為當(dāng)天當(dāng)次水下地形測(cè)量的聲速值，并以此進(jìn)行聲速改正。

本次水下地形共采集33條航線數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)面積為0.14 km2，水下地形展點(diǎn)情況見(jiàn)圖7。

圖7 水下地形展點(diǎn)

3.4 航測(cè)與水下地形測(cè)量成果拼接

將測(cè)量的水下地形與無(wú)人機(jī)航測(cè)地形的高度重疊區(qū)域(150 m×180 m)劃分成5 m×5 m的格網(wǎng)，在格網(wǎng)點(diǎn)上通過(guò)加權(quán)平均法進(jìn)行重采樣，同時(shí)獲得水下地形和無(wú)人機(jī)航測(cè)地形的高程點(diǎn)坐標(biāo)。高潮期間測(cè)量的水下地形與低潮期間測(cè)量的無(wú)人機(jī)航測(cè)地形重疊區(qū)域約150 m(里程方向)，重疊區(qū)域示意見(jiàn)圖8。

圖8 重疊區(qū)域示意

無(wú)人機(jī)航測(cè)與測(cè)深儀水下地形測(cè)量重疊區(qū)域差值對(duì)比分布見(jiàn)圖9。由圖9可知，所有高程點(diǎn)的差值均小于0.3 m，其中小于0.1 m的高程點(diǎn)占比81%。

圖9 無(wú)人機(jī)與測(cè)深儀測(cè)量重疊區(qū)域差值對(duì)比分布(單位：m)

以無(wú)人機(jī)航飛的測(cè)量成果為基準(zhǔn)，將測(cè)深儀作業(yè)的原始測(cè)量成果進(jìn)行修正，再與無(wú)人機(jī)航飛的原始測(cè)量成果進(jìn)行拼接融合，按照1∶500比例成圖要求，生產(chǎn)統(tǒng)一基準(zhǔn)的整個(gè)灘涂測(cè)區(qū)完整地形測(cè)量成果。最終獲得的整個(gè)灘涂測(cè)區(qū)的地形成果見(jiàn)圖10。

圖10 整個(gè)灘涂測(cè)區(qū)1∶500地形成果

由于灘涂區(qū)域不宜設(shè)置檢查點(diǎn)，為評(píng)定無(wú)人機(jī)航飛成果精度，以同樣的設(shè)置在灘涂區(qū)域范圍外獲得的航測(cè)成果精度。檢查點(diǎn)精度見(jiàn)表3。

表3 檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì) m

由表3可知，X坐標(biāo)中誤差為0.025 m，Y坐標(biāo)中誤差為0.018 m，平面點(diǎn)位中誤差為0.031 m，高程中誤差為0.032 m。

4 結(jié)論

沿海河口灘涂區(qū)大量作業(yè)范圍處于潮汐淺淹區(qū)，人員船只進(jìn)入困難，單一測(cè)量方法均難以進(jìn)行有效測(cè)量，因此介紹了一種基于無(wú)人機(jī)和測(cè)深儀的高精度灘涂測(cè)圖方法。該方法充分利用潮汐規(guī)律，低潮時(shí)利用無(wú)人機(jī)免像控技術(shù)獲取高精度航測(cè)成果，高潮時(shí)利用測(cè)深儀獲取水下地形測(cè)量成果，然后基于無(wú)人機(jī)航飛與測(cè)深儀水下地形測(cè)量成果的重疊區(qū)域，將無(wú)人機(jī)航飛的測(cè)量成果與測(cè)深儀作業(yè)的測(cè)量成果進(jìn)行拼接融合，從而形成整個(gè)灘涂測(cè)區(qū)統(tǒng)一基準(zhǔn)的地形測(cè)量成果。該方法應(yīng)用于通蘇嘉甬鐵路杭州灣大橋南岸B2勘察區(qū)灘涂測(cè)圖任務(wù)，在免像控條件下，無(wú)人機(jī)航測(cè)成果平面中誤差為0.031 m，高程中誤差為0.032 m，精度符合相關(guān)工程項(xiàng)目要求。工程實(shí)踐表明，該方法測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單，可用于灘涂地帶大比例測(cè)繪。