禹云亮,侯 健,魏明剛,曾淑輝

(1.中山市海洋與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站,廣東 中山528400;2.青島中海基業(yè)海洋科技有限公司,山東 青島266555)

我國地域幅員遼闊,地形地貌多樣,近年來我國正大力開展海洋戰(zhàn)略,對海灣地區(qū)的開發(fā)需求日趨強烈[1-3]。但海灣地區(qū)地勢復雜,周圍分布的泥潭、水池等對野外測繪作業(yè)帶來了諸多不便[4],為了獲取海灣地區(qū)的地形數(shù)據(jù),傳統(tǒng)的野外RTK(Real-time Kinematic)測量不僅需要耗費大量的人力物力,還會因為交通不便等原因增加工作難度,效率較低,且獲取地面的坐標數(shù)據(jù)更新周期長,而海灣地區(qū)受海水沖擊影響,地形多變,數(shù)據(jù)精度難以保證。隨著無人機技術(shù)的發(fā)展成熟,無人機攝影測量具有作業(yè)時間短、測量范圍廣、成果精度高等優(yōu)勢,一次數(shù)據(jù)采集可以得到影像、點云、DOM(Digital Orthophoto Map)等多種數(shù)據(jù)[5-6],在許多地形測量項目中得以應用[7-8]。為獲取某一海灣地區(qū)的陸地及近岸海底地形數(shù)據(jù),本研究結(jié)合無人機攝影測量與水深測量技術(shù),完成了對海灣地區(qū)的地形測量方案,并通過實驗驗證了該方案的可行性和有效性。

1 技術(shù)原理

1.1 測量基本原理

無人機攝影測量基本原理是通過無人機搭載的航攝相機連續(xù)曝光獲取測區(qū)地面影像,通過內(nèi)業(yè)空三解算得到加密點坐標,進而完成對測區(qū)的全部測量。通過搭載不同傳感器可在短時內(nèi)獲取大面積范圍的點云、影像、多光譜等多源數(shù)據(jù),具有測量范圍廣、作業(yè)效率高、獲取數(shù)據(jù)類型多樣等特點。通過專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件可最終獲取測區(qū)的正射影像、DOM、DEM(Digital Elevation Model)、點云數(shù)據(jù)、三維模型等結(jié)果,可滿足不同行業(yè)應用的各種需求。本實驗選用智航V200C 垂直起降無人機,配套SONY 黑卡相機進行航測實驗。

水深測量基本原理是通過使用測深桿、水鉈、回聲測深儀、多波束回聲測深系統(tǒng)和海底地貌探測儀等測得瞬時水面下的深度,經(jīng)測深儀改正和水位改正,歸算到由深度基準面起算的深度,最后獲得水下待測點的平面和高程的坐標數(shù)據(jù)。本實驗選用HY1200B 型號聲速剖面儀,HY1601 型號測深儀進行單波束水深測量。

1.2 數(shù)據(jù)融合原理

無人機攝影測量采集所獲得的數(shù)據(jù)為影像數(shù)據(jù),利用專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)完成空三解算后可生成DSM(Digital Surface Model),進而用于地形測量,在與水深數(shù)據(jù)融合前,需要將2組數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)進行統(tǒng)一,即進行測量基準的轉(zhuǎn)換。測量基準的具體要求為轉(zhuǎn)換區(qū)域橢球面經(jīng)緯度在3°以內(nèi),轉(zhuǎn)換所用的基準控制點周邊應有不少于10個穩(wěn)定的IGS(International GNSS Service)站、國內(nèi)IGS站及國家級衛(wèi)星導航定位基準站,并遵循以下原則:1)連續(xù)性:測站連續(xù)觀測3 a(或以上);2)穩(wěn)定性:站點坐標變化很小,具有已知的點位速度;3)高精度:點位速度值精度優(yōu)于3 mm/a;4)多種解:IGS站點具有至少3個不同國際分析中心的速度值,并且殘差小于3 mm/a;5)均衡性:站點盡量均勻分布;6)精度一致性:站點間坐標精度應在同一數(shù)量級,并且速度值的精度也應在同一數(shù)量級。

本實驗采用5個C級控制點進行七參數(shù)坐標基準轉(zhuǎn)換,通過測量經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后的DSM 中均勻分布的高程點坐標,與水深測量得到的水下高程點一同導入軟件CASS中完成數(shù)據(jù)的融合,進而可對測區(qū)進行地形分析。

2 測量技術(shù)方案

本實驗區(qū)域選擇位于山東海陽與即墨交界處的丁字灣為測區(qū),丁字灣為一“丁字形”的海邊灣區(qū)。由于測區(qū)泥灘分布較多,受潮水沖刷影響,大部分地勢比較平緩,從水流向外方向,地勢緩慢增高,水流區(qū)域由于有河道,所以地勢很低,測區(qū)西北部施工區(qū)域地勢偏高,較為復雜,西南部分為陸地部分,地勢偏高一些,起伏不定。

在丁字灣區(qū)域開展的地形測量實驗采用2種數(shù)據(jù)采集方式:陸地部分采用無人機攝影測量、水下部分采用單波束測深儀進行測深,最后通過數(shù)據(jù)融合得到整個丁字灣測區(qū)的地形數(shù)據(jù)。

2.1 航測數(shù)據(jù)采集

1)確定航飛區(qū)域

使用專業(yè)地圖軟件確定航飛區(qū)域,根據(jù)航飛區(qū)域規(guī)劃每個架次的飛行區(qū)域,根據(jù)精度要求規(guī)劃航線,設(shè)置飛行參數(shù),保存每個架次的區(qū)域文件與規(guī)劃好的航線文件。

2)航線規(guī)劃與飛行參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實驗要求設(shè)置參數(shù):比例尺為1∶2 000,航高為500～600 m,旁向重疊率為70%,航向重疊率為80%,地面分辨率為7 cm。按照此參數(shù)在每架次區(qū)域內(nèi)生成航線,保存待用。

3)布設(shè)像控點

按飛行區(qū)域布設(shè)像控點,在地圖軟件內(nèi)進行標記。由于使用PPK(Post Processed Kinematic)后差分系統(tǒng),可適當減少像控點布設(shè),所以約1～2 km 布設(shè)一個像控點,中間布設(shè)部分檢查點(圖1)。

4)野外航拍

實施野外飛行作業(yè)前,選擇視野開闊的平地作為起飛地點,觀察風向風力,選擇合適的起飛時間。起飛前在地面先架設(shè)GPS靜態(tài)基站,調(diào)節(jié)飛機相機參數(shù)并自檢完成后進行數(shù)據(jù)采集作業(yè)。飛機按規(guī)劃航線完成作業(yè)后,檢查數(shù)據(jù)與PPK 是否對應。

圖1 像控點位置分布Fig.1 Distribution and location of the image control points

2.2 水深數(shù)據(jù)采集

本次水深測量平面控制采用CGCS2000坐標系統(tǒng),中央子午線東經(jīng)120°E,3度帶高斯投影。高程系統(tǒng)采用國家1985高程系統(tǒng),施測前選用5個C級控制點進行了靜態(tài)測量,并進行了基線解算,三維約束平差,獲得測區(qū)高精度七參數(shù),選擇測區(qū)附近的控制點進行檢核,單點校正,并進行坐標比對,滿足測量規(guī)范要求,經(jīng)質(zhì)檢符合精度要求。坐標校對中誤差見表1。

表1 使用七參數(shù)改正后坐標校對中誤差分析(mm)Table 1 Error analysis of coordinate calibration after correction by using seven parameters(mm)

1)確定測深區(qū)域布設(shè)測線

按技術(shù)要求布設(shè)主測線:間隔50 m,主測線方向垂直與等深線方向。檢查線與主測線垂直,不少于主測線5%區(qū)域測線。具體測線布設(shè)見圖2。

圖2 測線布設(shè)Fig.2 Schematic diagram of the surveying line layout

2)水深改正

(1)聲速改正:為提高數(shù)據(jù)精度,采用由淺至深再由深至淺的方法投放聲速剖面儀,將平均聲速曲線直接用于聲速改正。(2)吃水改正:精確量取換能器吃水深度,輸入測深儀進行吃水改正,換能器吃水測量前后各測量一次。

3)導航定位

由于近岸測深,GPS(Global Positioning Systern)可達到實時固定解,所以采用RTK 進行定位,設(shè)置GPS接收機輸出GGA 數(shù)據(jù),同時采集固定解,不需要驗潮。操作員根據(jù)顯示器上的測線與船型定位來操作船進行測深,為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,船速保持在5～7 kn。

4)水深施測

測深儀在測量前先將聲速儀的聲速參數(shù)輸入測深儀,使用人工測深對比板測量水深值,與測深儀所測得水深值進行比較,對聲速進行修正。在測深儀的測深界面上,通過增益方案實時調(diào)整合適增益值進行水深校準。

檢測線的測量方法及測量精度與主測線相同,檢測線的定位點間距根據(jù)測量比例加密至在規(guī)定范圍內(nèi)與主測線保證有重合點,每一條檢查線與主測線的交叉點都進行比較。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

3.1 航測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完成后,檢查照片數(shù)據(jù)與PPK 數(shù)據(jù),照片數(shù)據(jù)質(zhì)量是否合格,照片與PPK 是否對應。檢查無誤后使用PPK 解算軟件對PPK 數(shù)據(jù)進行解算,得到目標坐標系下的每張照片的精確坐標。最后使用Pix4D 軟件進行數(shù)據(jù)處理,通過像控點矯正,得到DOM 與DEM。將得到的DOM 與DEM 導入三維測圖軟件建立DSM 進行高程點提取(圖3),5 m 一個高程點,分布均勻,保證所選點具有代表性,可體現(xiàn)地貌特征。

圖3 軟件提取高程點界面Fig.3 Interface of elevation point extraction of the software

所有區(qū)域高程點提取完畢后導入CASS進行檢核,與檢查點進行對比,并且每片區(qū)域接邊重合區(qū)域高程點進行對比,對比重合及相近的點。結(jié)果表明,差值全部在15 cm 之內(nèi),確認無誤后融合。

3.2 海測內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

使用HaiDa水深處理軟件對水深測量數(shù)據(jù)進行計算與處理。對DGPS(Differential Global Position System)測量自動化系統(tǒng)所采集的水深和定位數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)資料后處理。在軟件內(nèi)設(shè)置投影參數(shù)、比例尺和圖幅范圍等基本參數(shù)后,根據(jù)聲速改正和吃水改正測量數(shù)據(jù)對原始數(shù)據(jù)進行改正計算,在主測線上均勻選取水深點,刪除多余的水深點,最后將處理后的水深數(shù)據(jù)導出。水深數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖4。

3.3 結(jié)果分析

圖4 水深數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.4 Data processing of water depth

對航測數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)處理完成后,首先將2組數(shù)據(jù)進行融合,將處理結(jié)束后的水下高程點在CASS中展出,并導入航測經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后的高程點。2組數(shù)據(jù)融合后對重合部分進行對比,并與檢查線交叉部分的點進行對比,經(jīng)過對比得出,重合高程點及相近高程點差值均小于25 cm,其他區(qū)域如有高程突變情況,聯(lián)合實際地形檢查合理性,是否有陡坎或陡坡等地形變化,最后將融合后的高程點導出(圖5)。

原始數(shù)據(jù)資料中測區(qū)最大高程點高程5.91 m,最低高程點高程-15.24 m。本實驗測得測區(qū)最大高程點高程5.83 m,最小高程點高程-15.2 m,從數(shù)據(jù)融合后的等高線圖來看,整體地勢比較平緩,測區(qū)西北部地勢偏高,地形較為復雜,西南部分地勢偏高。結(jié)合以上對比數(shù)據(jù)可以得出,測區(qū)地形與實驗前已有資料數(shù)據(jù)基本符合,2組數(shù)據(jù)在融合前精度均滿足測量標準規(guī)范要求,融合部分數(shù)據(jù)高程誤差值小于25 cm,滿足相關(guān)的精度要求,經(jīng)實驗驗證本方法可用于實際的工程應用中。本次實驗共用時8天,其中踏勘布設(shè)像控點2天,無人機攝影測量外業(yè)用時2天,水深測量外業(yè)用時2天,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理用時2天,相較于傳統(tǒng)外業(yè)測量節(jié)省了大量的人力和作業(yè)周期,顯著地提高了工作效率。

4 結(jié) 語

圖5 數(shù)據(jù)融合后的高程點Fig.5 Contour map obtained after data fusion

地形測量是工程應用開展前的必要準備。通過地形測量,可以獲取地形地貌空間數(shù)據(jù),其具有可量算性,具備空間分析基礎(chǔ),為工程規(guī)劃、設(shè)計、施工等不同階段提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。我國近年來正在大力推進對海灣地區(qū)的開發(fā)及保護,面對海灣地區(qū)水池洼地密布、潮流影響大、交通困難、地勢復雜等環(huán)境因素,傳統(tǒng)的野外RTK 測量作業(yè)難度大。本文采用無人機攝影測量技術(shù)與單波束水深測量技術(shù)相結(jié)合的方法降低了外業(yè)工作量。在高潮時采用單波束水深測量方法進行測量,在低潮時采用無人機航測方法進行測量,確保了重疊區(qū)域便于精度驗證,很好地解決了潮區(qū)測量。通過數(shù)據(jù)融合,使得陸地與海底的地形數(shù)據(jù)相統(tǒng)一,可以更好地應用于海岸帶保護利用與規(guī)劃、海灣生態(tài)修復保護、海洋工程建設(shè)等工作,提高了作業(yè)效率,降低了作業(yè)成本。該方法在其他海灣地區(qū)地形測量中也具有一定的應用參考價值。

參考文獻(References):

[1] MA L B,ZHANG H W,LI G Q.The technical measure study of underwater topographic survey for Changcheng Bay at Changcheng Station in Antarctica[J].Geomatics&Spatial Information Technology,2010,33(4):168-169.馬林波,張洪文,李國全.南極長城站長城海灣水下地形測量技術(shù)方法研究[J].測繪與空間地理信息,2010,33(4):168-169.

[2] WEI C W,YANG X Y.Application and data processing of unmanned vehicle in underwater topographic survey[J].Beijing Surveying and Mapping,2019,33(12):1571-1573.韋程文,楊嘯宇.無人船在海洋水下地形測量中的應用和數(shù)據(jù)處理[J].北京測繪,2019,33(12):1571-1573.

[3] LIU Q,ZHAI G J,LU X S.Application of ship-borne integrated measurement system in water and above[J].Bulletin of Surveying and Mapping,2019(10):127-132.劉強,翟國君,盧秀山.船載多傳感器一體化測量技術(shù)與應用[J].測繪通報,2019(10):127-132.

[4] OUYANG Y,CHEN Y Y.Special terrain surveying and mapping technology in surveying and mapping engineering[J].Resource Information and Engineering,2019,34(5):72-75.歐陽云,陳瑩瑩.測繪工程中的特殊地形測繪技術(shù)[J].資源信息與工程,2019,34(5):72-75.

[5] LI X.Application of UAV aerial photogrammetry technology in topographic mapping[J].Intelligent City,2020,6(1):50-51.李想.無人機航空攝影測量技術(shù)在地形測繪中的應用探析[J].智能城市,2020,6(1):50-51.

[6] HE G D.Analysis of aerial photogrammetry technology of UAV in topographic survey[J].China Science and Technology Information,2019(16):72-73.何國棟.地形測量中無人機航空攝影測量技術(shù)分析[J].中國科技信息,2019(16):72-73.

[7] AWANG R Z,XIN T.Application of UAV aerial survey technology in topographic mapping[J].Sichuan Nonferrous Metals,2019(4):4-6.阿旺仁增,辛堂.無人機航空測量技術(shù)在地形測繪中的應用[J].四川有色金屬,2019(4):4-6.

[8] ZHOU W.Application of trimble UX-5 HP UAV in the measurement of river belt topography[J].Journal of Geomatics,2020,45(1):1-3.周偉.Trimble UX-5 HP無人機系統(tǒng)在河道帶狀地形測量中的應用[J].測繪地理信息,2020,45(1):1-3.