周高偉，李英成，任延旭，盛 琳，葉冬梅，范鳳云，白 潔1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京10080；.中測(cè)新圖（北京）遙感技術(shù)有限責(zé)任公司，北京10009；.河南理工大學(xué)，河南焦作454000

低空無人機(jī)雙介質(zhì)水下礁盤深度測(cè)量試驗(yàn)與分析

周高偉1，2，李英成1，2，任延旭1，2，盛 琳3，葉冬梅2，范鳳云2，白 潔2
1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京100830；2.中測(cè)新圖（北京）遙感技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100039；3.河南理工大學(xué)，河南焦作454000

以雙介質(zhì)攝影測(cè)量原理為基礎(chǔ)，利用海島無人機(jī)影像開展了航空雙介質(zhì)攝影測(cè)量試驗(yàn)與分析。首先簡(jiǎn)單介紹了雙介質(zhì)攝影測(cè)量原理，論述了雙介質(zhì)攝影測(cè)量對(duì)海水折射率的精度要求，提出了一種解算高程改正系數(shù)方法，在此基礎(chǔ)上開展了基于某島低空無人機(jī)影像的雙介質(zhì)水下礁盤深度量測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，航空雙介質(zhì)攝影測(cè)量在實(shí)際應(yīng)用中是可行的，對(duì)航空攝影條件要求比較高。

雙介質(zhì)攝影測(cè)量；無人機(jī)；高程改正系數(shù)；水下礁盤

1　引 言

雙介質(zhì)攝影測(cè)量［1-2］是指所攝物體同攝影機(jī)處于不同介質(zhì)中，成像光線必須穿過兩種不同的介質(zhì)，利用物方空間和像方空間處在兩種不同介質(zhì)中拍攝的圖像確定被攝目標(biāo)幾何特性的技術(shù)。其基本理論和方法在經(jīng)典的攝影測(cè)量教科書中亦有系統(tǒng)介紹，在理論研究及實(shí)際應(yīng)用中，又分為兩種，一種是相機(jī)位于水中［3-6］（即近景攝影測(cè)量范疇），主要為水下考古、水生物學(xué)、探壩、水文學(xué)、核反應(yīng)器探查和水下近景變形測(cè)量等學(xué)科提供測(cè)量手段；另一種是相機(jī)位于空中（即航空攝影測(cè)量范疇）。相對(duì)于水下雙介質(zhì)攝影測(cè)量，航空雙介質(zhì)攝影測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用并沒有廣泛開展，但在理論研究上并沒有駐足：文獻(xiàn)［7］推導(dǎo)了適于解析處理的雙介質(zhì)攝影測(cè)量基本公式；文獻(xiàn)［8］進(jìn)行了水下近景攝影測(cè)量的雙介質(zhì)多片空間后方交會(huì)及前方交會(huì)研究；文獻(xiàn)［9］提出了雙介質(zhì)攝影測(cè)量相對(duì)定向的試驗(yàn)流程；文獻(xiàn)［10］探究了基于POS數(shù)據(jù)的雙介質(zhì)相對(duì)定向和直接定向。美國(guó)海洋測(cè)量局于20世紀(jì)90年代就開始了近岸、海島礁、淺灘等周邊海域的航空攝影水下地形探測(cè)和水深測(cè)量工作，在當(dāng)時(shí)的航空攝影技術(shù)和成像條件下，其測(cè)量深度可達(dá)到5.5m，透明水域能達(dá)到20m。

航空雙介質(zhì)攝影測(cè)量探測(cè)深度有限，探測(cè)精度相對(duì)較低，但其空間分辨率高，相對(duì)于其他水深測(cè)量技術(shù)（聲吶、激光等），對(duì)描述海底地貌特征、建立三維景觀模型具有突出優(yōu)勢(shì)。由于技術(shù)和條件的限制，開展雙介質(zhì)攝影測(cè)量研究相對(duì)較少。本文基于低空無人機(jī)航空影像，進(jìn)行航空雙介質(zhì)水下礁盤深度測(cè)量試驗(yàn)研究。首先簡(jiǎn)單介紹了航空雙介質(zhì)攝影測(cè)量的基本原理；接著詳述了試驗(yàn)流程、關(guān)鍵技術(shù)問題及試驗(yàn)結(jié)果與分析。

2　雙介質(zhì)攝影測(cè)量原理

2.1 雙介質(zhì)攝影測(cè)量基本公式

圖1為雙介質(zhì)攝影測(cè)量構(gòu)像圖，其中水下地形攝影測(cè)量物點(diǎn)A（X，Y，Z），像點(diǎn)a（x，y）及攝影中心S（XS，YS，ZS）。與傳統(tǒng)攝影測(cè)量不同，雙介質(zhì)攝影測(cè)量的物點(diǎn)、像點(diǎn)、攝影中心不共線。取攝影測(cè)量坐標(biāo)系的平面XOY與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?，Z軸垂直于平面XOY，假設(shè)海面與當(dāng)?shù)厮矫嫫叫?。圖中水下點(diǎn)A（X，Y，Z）經(jīng)過折射構(gòu)象于a（x，y）。由折射原理知，對(duì)應(yīng)像點(diǎn)a（x，y）在單介質(zhì)下交會(huì)的點(diǎn)為A′（X，Y，Z′），其位于A（X，Y，Z）的垂直上方，平面坐標(biāo)相等。

圖1　雙介質(zhì)攝影測(cè)量構(gòu)象圖Fig.1 Constellation-diagram of two-media photogrammetry

2.1.1 共線條件方程

由圖1可知

由折射定律知

式中，α為入射角；β為折射角；n1為第一介質(zhì)折射率，n2為第二介質(zhì)折射率；把空氣的折射率視為1，n就為介質(zhì)分界面之下介質(zhì)的折射率。

由式（1）、式（2）得

式中

式（3）和式（4）中，s為該點(diǎn)由折射引起的高程改正系數(shù)，它是相對(duì)折射率n和入射角α的函數(shù)，每個(gè)像點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)值。結(jié)合式（3）和傳統(tǒng)共線條件方程可得雙介質(zhì)共線條件方程為

2.1.2 共面條件方程

像空間輔助坐標(biāo)系是以左攝影中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，地面攝測(cè)坐標(biāo)系以平行于介質(zhì)面某一點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；（XSL，YSL，ZSL）、（XSR，YSR，ZSR）分別為左右攝影中心坐標(biāo)；s1、s2分別為左右影像像點(diǎn)的高程改正系數(shù)；f為相機(jī)主距分別為左、右影像像點(diǎn)的像空間坐標(biāo)系坐標(biāo)；令BX=XSR-XSL、BY=YSR-YSL、BZ= Z-Z，則雙介質(zhì)攝影測(cè)量的共面條件方程為

2.1.3 左右影像同名像點(diǎn)的投影系數(shù)

由式（6），按照傳統(tǒng)方法計(jì)算左右影像同名點(diǎn)投影系數(shù)，得

2.1.4 前方交會(huì)公式

2.2 對(duì)海水折射率的精度要求

由于本文是基于環(huán)海島周邊海域航空影像的試驗(yàn)，因此需要分析一下對(duì)式（2）中的第二介質(zhì)即海水折射率的精度要求。

將式（3）對(duì)折射率微分，并轉(zhuǎn)換為誤差形式，得折射率誤差對(duì)雙介質(zhì)攝影水深測(cè)量的影像關(guān)系如下［11-13］

式中，n=4/3。

雙介質(zhì)攝影水深測(cè)量誤差可用σZ′表示。由式（9）可知，當(dāng)入射角和折射率誤差一定時(shí)，水深測(cè)量誤差與水深值隨著水深值的增加而增長(zhǎng)。取Z為雙介質(zhì)攝影測(cè)量最大探測(cè)理論的深度30m，水深測(cè)量誤差范圍為0～0.45m，并以0.05m遞增，入射角范圍為0°～10°，同時(shí)限定水深測(cè)量誤差和入射角，得出水深測(cè)量誤差、入射角和折射率誤差之間的關(guān)系，見圖2。從圖中可以看出，入射角對(duì)水深測(cè)量誤差基本上沒有影響。利用式（9），入射角隨意取0°～10°的某一個(gè)值，實(shí)測(cè)水深取30m，折射率誤差小于0.003和實(shí)測(cè)水深取10m，折射率誤差小于0.01時(shí)，雙介質(zhì)水深測(cè)量誤差達(dá)到百分位，即實(shí)測(cè)水深的百分之幾，可忽略不計(jì)。另外由于海水折射率會(huì)隨海水溫度、鹽度、工作波段和壓力等4個(gè)方面的影響，但對(duì)于航空雙介質(zhì)攝影測(cè)量所能探測(cè)的淺海海域而言，主要考慮海水溫度和鹽度兩個(gè)因素，一般來說，準(zhǔn)確計(jì)算海水折射率的話，會(huì)精確到千分位，甚至為萬分位。

因此，海水折射率誤差對(duì)雙介質(zhì)水深測(cè)量影響不大，取n=4/3基本能滿足測(cè)量需求。

2.3 高程改正系數(shù)求解

由式（4）可知，高程改正系數(shù)是折射率n和入射角α的函數(shù)，由2.2節(jié)分析可知折射率取為4/3，故高程改正系數(shù)的求解就是對(duì)入射角α的求解。

圖2　水深30m時(shí)雙介質(zhì)水深測(cè)量誤差隨折射率誤差和入射角變化的關(guān)系Fig.2 Two-media water depth measurement error with the refractive index changes in the relationship between errors and the angle of incidence，when water depth is 30m

由圖1可知入射角α是入射光線aB與垂直于介質(zhì)面（空氣和海水的分界線）bB的夾角，將aB與bB同置于像空間輔助坐標(biāo)系下，并分別看作為向量，aB等同于Sa在像空間輔助坐標(biāo)下的表示，記作m；bB等同于豎直方向的單位向量n（模為1）在像空間輔助坐標(biāo)系下的表示，且方向都向下，借助求兩向量夾角之間的公式得

式中，向量m可由像點(diǎn)a的像空間坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)矩陣相乘得到像點(diǎn)a在像空間輔助坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，由于S為像空間輔助系的原點(diǎn)，故所求得像點(diǎn)a的坐標(biāo)也是Sa在像空間輔助坐標(biāo)下的向量表達(dá)，單位向量n為（0，0，-1）。

利用式（10）求得入射角后，再將α代入式（4）中分別求得左右相片同名像點(diǎn)的高程改正系數(shù)值。由于基于同名像點(diǎn)的光線角度各不相同，按照上述原理分別求得相片同名點(diǎn)對(duì)應(yīng)左右相片高程改正系統(tǒng)值。

由式（10）知，影響求取影像上某一點(diǎn)光線入射角精度因素的是對(duì)應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)精度和影像獲取時(shí)的姿態(tài)精度。對(duì)于海島無人機(jī)航攝而言，這兩個(gè)因素取決于整個(gè)測(cè)區(qū)稀少控制的空三精度。如果空三精度高，表明外方位元素精度高，而對(duì)于水下同名像點(diǎn)坐標(biāo)的獲取，也是基于空三成果構(gòu)建的立體模型（下文會(huì)有詳細(xì)介紹），然后對(duì)某些特征點(diǎn)進(jìn)行采集，獲取左右像點(diǎn)坐標(biāo)。

3　試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1.1 無人機(jī)航空影像

本試驗(yàn)采用的是環(huán)西沙群島東部的某島周邊海域的無人機(jī)航空影像，地面分辨率為0.1m，部分像對(duì)如圖3所示。

圖3　環(huán)島嶼周邊海域的無人機(jī)航空影像Fig.3 UAV aerial images surrounding islands

3.1.2 氣象海況

航空雙介質(zhì)攝影測(cè)量水下成像對(duì)氣象條件要求比較苛刻，要求航攝時(shí)風(fēng)浪應(yīng)小于1m。測(cè)區(qū)的海島位于南海中西部，影像獲取于2011年5月13日，查閱資料獲悉當(dāng)日海況［14］：風(fēng)向南風(fēng)、風(fēng)力4～5級(jí)、浪高1.5m。可知，浪高超出了氣象條件規(guī)定要求，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，在此條件下進(jìn)行了試驗(yàn)。

3.1.3 實(shí)測(cè)水深

測(cè)區(qū)內(nèi)的實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)，包括水下點(diǎn)平面坐標(biāo)（高斯3°帶投影）以及對(duì)應(yīng)的基于水深基準(zhǔn)面的水深值。

3.2 試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)

航空雙介質(zhì)攝影測(cè)量試驗(yàn)流程圖如圖4所示。試驗(yàn)基于航空數(shù)據(jù)空三加密成果，在立體環(huán)境中量測(cè)左右影像水下礁盤的同名像點(diǎn)坐標(biāo)，將量測(cè)的同名像點(diǎn)坐標(biāo)加入雙介質(zhì)攝影測(cè)量模型，進(jìn)行雙介質(zhì)水深解算；利用潮汐推算模型完成水深成果到深度基準(zhǔn)面的轉(zhuǎn)換；實(shí)測(cè)的水深與雙介質(zhì)水深比較，進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，完成了水上水下一體化制圖表達(dá)。

3.2.1 水下同名像點(diǎn)坐標(biāo)獲取

受水質(zhì)和深度的影響，光線在傳輸過程中發(fā)生衰減，成像時(shí)光線亮度發(fā)生變化，隨之地物在影像中所表現(xiàn)的特征亮度也發(fā)生變化；當(dāng)傳感器從不同角度拍攝水下同一地物，由于受光線傳播折射的影響，影像中的地物不能真實(shí)反映其幾何特征。受以上兩點(diǎn)限制，基于特征和灰度值的特征點(diǎn)匹配算法不能很好的應(yīng)用于水下同名像點(diǎn)的獲取［15］。

圖4　航空雙介質(zhì)攝影測(cè)量試驗(yàn)流程Fig.4 Flowchart of aerial two-media photogrammetry experiment

為了獲取水下同名像點(diǎn)坐標(biāo)，本試驗(yàn)避開了傳統(tǒng)獲取同名像點(diǎn)的特征點(diǎn)匹配思路，采用基于測(cè)區(qū)空三加密成果構(gòu)建立體模型、進(jìn)行水下像點(diǎn)立體采集，基本流程如下：

（1）基于空三加密成果對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)的平均航向角θ、平均航高h(yuǎn)、平均高程H進(jìn)行概算，并在此基礎(chǔ)上對(duì)原始影像進(jìn)行像點(diǎn)重新排列和按一定比例縮放，得到用于構(gòu)建立體的“理想影像”。

（2）為了便于模型構(gòu)建和后續(xù)坐標(biāo)解算，將測(cè)區(qū)的所有攝影中心坐標(biāo)平移到左下角影像的攝影中心，并將線元素的X元素旋轉(zhuǎn)到平均航向角方向。

（4）對(duì)拼接線附近一定范圍的影像按一定公式進(jìn)行融合消除，最終得到整個(gè)測(cè)區(qū)的連續(xù)立體模型。

（5）基于立體模型采用頻閃或紅綠模式進(jìn)行立體采集，將采集得到的“理想影像”像點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到原始影像像素坐標(biāo)，獲取水下同名像點(diǎn)坐標(biāo)。

在對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)立體構(gòu)建過程中，相鄰模型之間都有連接差：航帶間方向和航帶內(nèi)方向，通過一定公式計(jì)算出兩個(gè)方向的連接差，可以初步判斷立體模型構(gòu)建精度。另外在實(shí)際采集過程中某個(gè)特征點(diǎn)的上下視差也是立體模型構(gòu)建質(zhì)量直接反應(yīng)，同時(shí)也是定性反應(yīng)同名像點(diǎn)坐標(biāo)精度。

3.2.2 確定介質(zhì)面高程

由圖1可知，雙介質(zhì)攝影測(cè)量模型中，曝光點(diǎn)S高程坐標(biāo)起算面是介質(zhì)面（海水與空氣的交界面），直接獲取的高程值是基于某一高程基準(zhǔn)面的。利用雙介質(zhì)攝影測(cè)量模型進(jìn)行水下礁盤量測(cè)時(shí)，需要確定航攝時(shí)刻介質(zhì)面在同一高程基準(zhǔn)下的高程值，將曝光點(diǎn)S高程歸算到以介質(zhì)面為基準(zhǔn)的表達(dá)值。

基于潮汐模型推算攝影時(shí)刻海島周邊的瞬時(shí)水位（介質(zhì)面）高程為0.42m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），根據(jù)氣象海況觀測(cè)，影像獲取時(shí)刻測(cè)區(qū)有1.5m高海浪，不可直接按理論推算出的0.42m作為測(cè)區(qū)的瞬時(shí)水位高程進(jìn)行解算。理論上可以通過基于攝影時(shí)刻的水位觀測(cè)序列對(duì)理論瞬時(shí)水位高程面進(jìn)行改正，獲取精確的介質(zhì)面高程。由于數(shù)據(jù)不完整，試驗(yàn)采用基于逐個(gè)像對(duì)量測(cè)一定數(shù)量可靠瞬時(shí)水邊線點(diǎn)高程的方法，取其均值作為觀測(cè)像對(duì)介質(zhì)面的高程值。

3.2.3 高程基準(zhǔn)換算

雙介質(zhì)攝影測(cè)量測(cè)得水下點(diǎn)的高程值是基于陸地高程基準(zhǔn)起算的，海底水深是基于理論深度基準(zhǔn)面表示的，兩者的垂直參考面不一樣。高程基準(zhǔn)換算［16-17］，即某一陸地高程基準(zhǔn)面和理論深度基準(zhǔn)面之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，其意義在于將雙介質(zhì)量測(cè)的水下點(diǎn)高程值轉(zhuǎn)換到以深度基準(zhǔn)面為起算面的水深值表達(dá)。海島周邊元素垂直基準(zhǔn)面表達(dá)關(guān)系如圖5所示。

總之，高度重視課本知識(shí)的積累，以及狠抓題型搜集整理工作，并對(duì)以上所有內(nèi)容嚴(yán)格要求讀記，對(duì)提高學(xué)生的語文基本素養(yǎng)和能力方面大有裨益。不過，真正有點(diǎn)規(guī)律可循、有基礎(chǔ)知識(shí)可使用的題目不多，主要是文學(xué)類閱讀、詩歌鑒賞、作文等，除此外，大部分語文題目其實(shí)很靈活，很需要厚實(shí)的語文素養(yǎng)，這不是一朝一夕可以達(dá)成的。怎樣才能讓學(xué)生擁有比較好的語文能力，還需在實(shí)踐中做其他方面更靈活的探索。

試驗(yàn)直接獲取的水下點(diǎn)高程是基于1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，要實(shí)現(xiàn)1985國(guó)家高程基準(zhǔn)面與理論深度基準(zhǔn)面的轉(zhuǎn)換，先通過平均海面高度（大地高）數(shù)值模型，內(nèi)插出某島的平均海面在CGCS2000橢球下的高度為6.03m（精度10cm），此面是深度基準(zhǔn)面的起算面；以平均海面為參考面，根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄瓿毕珔?shù)，結(jié)合潮汐模型推算，得到某島的瞬時(shí)水位線、深度基準(zhǔn)面在CGCS2000橢球下的高度分別為5.75m、4.64m；利用大地水準(zhǔn)面精化技術(shù)得到某一水準(zhǔn)面距地球橢球面的垂直偏差——高程異常，利用該模型推算得到某島的1985高程基準(zhǔn)面與CGCS2000橢球面的距離（即高程異常值）為5.33m，瞬時(shí)水位線、深度基準(zhǔn)面在1985高程基準(zhǔn)面上高度分別為0.42m、-0.69m。

圖5　海島垂直基準(zhǔn)面關(guān)系圖Fig.5 Vertical datum relations of islands

由圖6可知：某島深度基準(zhǔn)面在1985國(guó)家高程基準(zhǔn)下高程為-0.69m，水深值轉(zhuǎn)換按3種情況進(jìn)行計(jì)算：

圖6　某島垂直基準(zhǔn)面間關(guān)系圖Fig.6 Vertical datum relations of island

3.2.4 雙介質(zhì)水深精度評(píng)價(jià)

與傳統(tǒng)攝影測(cè)量不同，雙介質(zhì)攝影測(cè)量雖然能獲取某些水下特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，但水下對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)并沒有精確三維坐標(biāo)，不能采用傳統(tǒng)精度評(píng)價(jià)方法來驗(yàn)證雙介質(zhì)攝影測(cè)量精度。由圖1可知，雙介質(zhì)攝影測(cè)量模型在量測(cè)水下點(diǎn)三維坐標(biāo)的時(shí)候，其X、Y坐標(biāo)和單介質(zhì)交會(huì)的一樣，在這里不作討論。單從量測(cè)值Z出發(fā)，即雙介質(zhì)水深值精度評(píng)價(jià)［18-19］出發(fā)，本試驗(yàn)成果為三維點(diǎn)坐標(biāo)，與實(shí)測(cè)點(diǎn)不一一對(duì)應(yīng)，類似LiDAR點(diǎn)云成果，精度評(píng)價(jià)借鑒LiDAR點(diǎn)云的高程精度評(píng)價(jià)方法：

（1）對(duì)實(shí)測(cè)水深構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）（見圖7）；

（2）判斷檢查點(diǎn)的位置并確定該檢查點(diǎn)沿Z軸方向所投影到的三角形；

（3）將檢查點(diǎn)的X和Y值帶入此三角形中，計(jì)算出投影到此三角形中的Z值，記作TZ，用TZ與Z作差得到高程誤差DZ；

（4）對(duì)所有的DZ進(jìn)行最大值、均值、中誤差等統(tǒng)計(jì)分析，以評(píng)定綜合評(píng)定水深精度。

圖7　水深精度評(píng)價(jià)方法原理圖Fig.7 Depth accuracy assessment methods and principles

3.3 試驗(yàn)分析與成果

3.3.1 試驗(yàn)誤差分析

此次試驗(yàn)環(huán)島海域共采集了4520個(gè)水下點(diǎn)，其分布情況如圖8所示。

圖8　雙介質(zhì)水下點(diǎn)分布情況圖Fig.8 Two-media Underwater Points distribution

將雙介質(zhì)攝影測(cè)量方法解算出的水下點(diǎn)高程轉(zhuǎn)換到以理論深度基準(zhǔn)面為起算面表達(dá)，利用3.2.4節(jié)介紹的精度評(píng)定方法與實(shí)測(cè)水深進(jìn)行比較。由于采集水下像點(diǎn)時(shí)，是基于單個(gè)立體模型即兩張相鄰影像構(gòu)建的立體進(jìn)行，所以對(duì)每個(gè)像對(duì)的雙介質(zhì)水深值也進(jìn)行了誤差分析。部分像對(duì)誤差分析如表1所示，整個(gè)測(cè)區(qū)誤差分析如表2所示。

表1　部分像對(duì)雙介質(zhì)水深測(cè)量的精度分析Tab.1 Two-media depth analysis of measurement accuracy

表2　雙介質(zhì)水深測(cè)量的總體精度分析Tab.2 Two-media bathymetry overall accuracy analysis

由表2部分像對(duì)誤差結(jié)果來看，個(gè)別像對(duì)誤差出現(xiàn)異常，這可能與像對(duì)之間的模型連接差以及航攝時(shí)氣象海況對(duì)島周邊地勢(shì)影響有關(guān)：如果像對(duì)模型連接差大表明外方位元素和像點(diǎn)坐標(biāo)精度都不好，解算出的水下點(diǎn)坐標(biāo)精度也比較差；風(fēng)向?qū)τ诤u不同區(qū)域的瞬時(shí)水位影響不同，用求取部分點(diǎn)水邊線高程平均值的方法來確定瞬時(shí)水位高程對(duì)于像對(duì)區(qū)域內(nèi)瞬時(shí)海況變化比較大（如像對(duì)包含區(qū)域?yàn)橛L(fēng)口）有一定的不可控性。

從總體精度分析表來看，其最深值（基于理論深度基準(zhǔn)面）為6.2m，測(cè)量深度不深，其主要受限于海浪、反光等客觀條件的存在，無法看清水下立體，限制了雙介質(zhì)量測(cè)深度。中誤差為0.61m，相對(duì)于高精度船載多波束、機(jī)載激光水深測(cè)量手段，誤差偏大。從整個(gè)試驗(yàn)流程看，誤差可能受海浪超限、介質(zhì)面高程推算及部分人為因素（如立體采集）等幾方面的影響比較大。

3.3.2 水上水下一體化制圖表達(dá)

雙介質(zhì)攝影測(cè)量水深成果和島陸地上的DEM都是基于低空無人機(jī)航空影像制作的。因此，可以將雙介質(zhì)攝影測(cè)量水深成果和陸地上的DEM進(jìn)行統(tǒng)一成圖［20］，實(shí)現(xiàn)水上水下一體化制圖表達(dá)。

由于此次試驗(yàn)水下立體觀測(cè)深度限制，加上影像有強(qiáng)反光、明顯波紋等問題存在，造成水下立體環(huán)境采集的點(diǎn)密度不夠、分布不均。水上水下一體化等高線制圖效果如圖9所示，DEM暈渲效果圖如圖10所示。

圖9　某島及其周邊海域等高線圖Fig.9 Island and its surrounding waters contour map

圖10　某島及其周邊海域DEM暈渲圖Fig.10 Island and its surrounding waters DEM shading map

4　結(jié)束語

本文在對(duì)雙介質(zhì)攝影測(cè)量原理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用環(huán)海島的低空無人機(jī)航空影像開展了水下礁盤深度測(cè)量試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，測(cè)量的最深水深值（基于深度基準(zhǔn)面）為6.2m。按照整個(gè)流程對(duì)另一個(gè)島的周邊海域水下礁盤也進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)，其當(dāng)時(shí)航攝自然條件比較好，測(cè)量的最深處為21.6m，由于沒有實(shí)測(cè)水深值進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，故在本文中進(jìn)行沒有詳細(xì)介紹。

本試驗(yàn)驗(yàn)證了航空雙介質(zhì)攝影測(cè)量在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，不足之處是在誤差分析中，由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)不完整，沒有對(duì)誤差因素進(jìn)行定量分析。在以后的試驗(yàn)或應(yīng)用過程中擬選擇航攝自然條件較好、水質(zhì)比較清澈的區(qū)域獲取數(shù)據(jù)，克服影像的海浪、反光等問題；數(shù)據(jù)處理過程采用自動(dòng)化操作，減少人為干涉因素；進(jìn)一步改善數(shù)據(jù)處理方法，如基于余水位的潮汐模型優(yōu)化改正，將其應(yīng)用于海島空三平差處理和瞬時(shí)水位高程推算。以上改進(jìn)措施將大大提高量測(cè)精度。目前，國(guó)內(nèi)先前的雙介質(zhì)攝影測(cè)量研究沒有開展實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，此次試驗(yàn)為以后推廣雙介質(zhì)攝影測(cè)量的應(yīng)用提供了指導(dǎo)性建議。

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（責(zé)任編輯：張艷玲）

Research of Two-media Underwater Reefs Depth Measurement Experiment Based on Low-aItitude UAV

ZHOU Gaowei1，2，LI Yingcheng1，2，REN Yanxü1，2，SHENG Lin3，YE Dongmei2，F(xiàn)AN Fengyun2，BAI Jie2
1.Chinese Academy of Surveying &Mapping，Beijing 100830，China；2.China TopRS TechnoIogy Co.Ltd，Beijing 100039，China；3.Henan PoIytechnic University，Jiaozuo 454000，China

Based on the principIe of two-media photogrammetry and with isIands UAV images，a test of twomedia photogrammetry is carried out.FirstIy，there is an introduction of the principIe of two-media photogrammetry.In the foIIowing step，the two-media photogrammetry requirements on the accuracy of the refractive index of sea water is discussed.Then，a new method for caIcuIating the eIevation correction coefficient is deveIoped.The test procedure of two-media underwater reefs depth measurement based on Iow-aItitude UAV images of underwater reefs surrounding the isIands is designed.The test shows that aeriaI two-media photogrammetry is feasibIe in practicaI appIication，but reIativeIy high requirements for aeriaI photography conditions.

two-media photogrammetry；Iow-aItitude UAV；eIevation correction coefficient；underwater reefs Foundation support：The NationaI Key TechnoIogy Research and DeveIopment Program of the Ministry of Science and TechnoIogy of China（No.2012BAB16B01）；Chinese Academy of Surveying &Mapping SpeciaI Fund（No.7771506）；The Key Laboratory for AeriaI Remote Sensing TechnoIogy of NASG Funding Program

ZHOU Gaowei（1988—），maIe，post graduate，majors in two-media photogrammetry of aeronautics &astronautics.

P234.2

A

1001-1595（2015）05-0548-07

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAB16B01）；中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院專項(xiàng)基金（7771506）；航空遙感技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目

ZHOU Gaowei，LI Yingcheng，REN Yanxü，et al.Research of Two-media Underwater Reefs Depth Measurement Experiment Based on Low-altitude UAV［J］.Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2015，44（5）：548-554.（周高偉，李英成，任延旭，等.低空無人機(jī)雙介質(zhì)水下礁盤深度測(cè)量試驗(yàn)與分析［J］.測(cè)繪學(xué)報(bào)，2015，44（5）：548-554.）

10.11947/j.AGCS.2015.20140259

2014-05-26

周高偉（1988—），男，碩士生，研究方向?yàn)楹娇蘸教祀p介質(zhì)攝影測(cè)量。

修回日期：2014-11-14