多源監測技術在復雜環境下水下地形測量中的應用
——以西滬港為例

孫偉

(寧波海洋研究院，浙江 寧波 315832)

1 引 言

水下地形測量是我國地形測量的重要內容之一。隨著，陸地地形測量的逐漸完善，水下地形測量的普查成為未來國家基礎測繪事業的重點關注對象。隨著測繪科學技術的不斷發展，越來越多的高新技術被應用到水下地形測量當中。

水下地形測量主要包括平面定位測量和水深測量，已形成了采用GPS技術獲取平面坐標和測深儀獲取深度數據的基本測量模式[1]。圍繞這一基本測量模式，諸多學者在改善平面坐標和測深數據獲取精度，平面-測深協同監測方面和水下地形精細化測量方面開展了大量的研究。

在改善平面坐標和測深數據獲取精度方面，趙保成采用GNSS-PPK技術克服了傳統衛星定位法在山區狹窄河道水下地形測量中作業半徑小和定位精度差等問題[2]。孫月文采用GNSS技術進行了杭州灣強潮海域水下地形測量，有效降低了潮差、潮流急等對測量精度的影響，克服了傳統手段的局限性[3]。

在平面-測深協同監測方面，文小勇和林向陽嘗試采用GPS-RTK-測深儀協同探測技術進行水下地形測量，并通過對比分析證明了該技術的可靠性[4，5]。蔣寶平和石曉春分別提出了提升聲速和斷面平移法，改善GPS-RTK-測深儀協同探測技術測量精度的思路[6，7]。

在水下地形精細化測量方面，鄭暉采用多波束和側掃聲吶進行水下勘測，充分利用了兩種技術各自的優勢，實現了水下地形數據和水底地貌影像的精確提取[8]。崔立軍和王慶洋分別采用多波束測深系統和單波束測深系統進行水下地形測量，能夠實現復雜環境水下地形精細化探測[9，10]。

由上文可知，多種監測技術的協同監測將是未來水下地形精細化測量的必然趨勢。但是，關于淺水區和沼澤區的全覆蓋、無盲區大比例尺水下地形測量研究較少，尤其缺乏合理有效的監測體系[11]。本文擬采用海陸空一體化測量方法監測西滬港水下地形測量，以期得到其精細化水下地形圖，為該區域的經濟發展提供數據服務。

2 西滬港概況及地形測量技術需求分析

象山港位于寧波市東南部，為東北-西南對角線走向的狹長形半封閉港灣，港內風平浪靜，水質上佳。其中，西滬港是象山港三大內港之一，是象山半島灘涂面積最大的內港。為了了解和分析工程區海域地形變化特征，為相關論證專題提供最新海域地形基本資料，本文擬對西滬港海域進行水下地形測量，測量面積約為 49.0 km2(水域約 34.0 km2，鹽沼約 15.0 km2)，如圖1(a)所示。

西滬港水下地形測量不僅包括深水區，還有鹽沼、泥灘、漁網和養殖區等淺水區。大潮低潮時，泥灘從岸邊向海中可露出 5 km左右，在區域西面則是一片大鹽沼。由于灘涂面積較大、分布較廣，且高潮沒水、低潮露灘，無法采用常規手段進行地形測量。

經現場勘查和綜合考量，在淺水區采用乘潮作業的方式，在低潮露灘時采用機載激光雷達技術掃描被監測區域，合理利用每次的高、低潮時間。在深水區，采用DGPS-測深儀協同探測技術測量水下地形，西滬港測量區域分區作業示意圖如圖1(b)所示。

圖1 西滬港水下地形測量區域及分區作業示意圖

3 西滬港水下地形測量

3.1 控制測量

為滿足地形測量的需要，在進行水下地形測量之前，率先完成工程測量區域的平面和高程控制測量。本次共布設了33個一級GPS控制點，控制點設置在地平仰角15°以上且視野內沒有障礙物的地方，并避開了電磁輻射源和可能產生多路徑效應誤差，兩點之間相互通視，其點號從I1開始依次流水編號至I33。一級GPS控制點和臨時水位站、人工驗潮點的高程測量按四等水準測量精度施測，以收集到的高等級水準點為起算點進行聯測組成附和水準路線，水準路線總長度為 33.761 km。四等水準使用TrimbleDINI 03電子水準儀配合條碼水準標尺進行觀測，水準觀測前對水準儀i角誤差進行了檢測。

為方便水下地形測繪、高程測量，一級GPS控制點均選在堅實地面上，控制點為十字道釘，并在實地用紅油漆標記點號，部分示意圖如圖2所示：

圖2 臨時驗潮站位置示意圖

3.2 基于DGPS-測深儀協同探測的深水區水深測量

根據深水區水下地形特征和規范要求，主測線基本按照與海底地形走向垂直的原則布設，檢測線基本按垂直主測線方向布設。主測線按 40 m間距布設，垂直主測線方向按 500 m間距布設檢查測線，測點間距均為 20 m。共布設主測線460條，長約 1 295 km，檢查測線21條，長約 90 km，具體測線布設情況如圖3(a)所示。

圖3 西滬港深水區水深測量示意圖

深水區水深測量采用的是基于DGPS-測深儀協同探測技術，該技術使用高精度精密回聲測深儀，測深儀換能器采用舷掛式安裝，導航定位GPS天線與測深儀換能器中心處于同一垂面上。測量時，導航軟件實時采集測深儀輸出的數字式水深信息和星站差分GPS接收機輸出的定位數據，并在測深儀的模擬記錄上同步進行打標，以便核查。水深采集記錄至 0.01 m，測深儀模擬記錄讀數精度為 ±0.1 m，DGPS-測深儀協同探測技術示意圖如圖3(b)所示。

另外，水深測量所得數據要進行靜態吃水改正、動態吃水改正和聲速改正。經試驗，本文測量中換能器的靜態吃水改正值為 0.2 m。由于測深儀換能器安裝在測船中心附近位置，測量期間航速比較穩定，本文忽略換能器吃水的影響。由于測區內聲速變化較小，本文忽略聲速改正。本文所用測深設備在外業工作開展前均通過了專業檢測單位的檢定，其測量精度完全滿足精度要求，相關數據分析見下文。

3.3 基于機載激光雷達技術的鹽沼與灘涂地形測量

西滬港內存在大面積灘涂，水深較淺，長時間露灘，互花米草等植被覆蓋較多，無法采用傳統水深測量方式進行水下地形測量。該區域采用無人機搭載激光雷達的方式進行作業，采用成都縱橫CW-30 LiDAR系統對大塊露灘區域進行測量，采用掃描鷹HS-300低空激光掃描測圖系統對部分小區塊進行補測，共完成約 15 km2鹽沼測量任務。

在無人機搭載一個GPS模塊作業的同時，需要在一個已知點(已知CGCS2000坐標即可)點位上架設靜態模式的GPS接收機，采集相同作業時段內的GPS數據，基站理論覆蓋距離為 25 km。為保證作業精度，無人機設計離地最大航高為 100 m，根據規范要求合理布設航線，相關示意圖如圖4所示。

圖4 現場測量情況圖

4 數據處理及分析

本文實驗數據不僅涉及水下地形測量的直接數據，還包括水下地形測量前的控制測量數據，以及水深測量儀等高級儀器可靠性檢驗數據，實驗數據的基本解算過程和成果分析具體如下文所示：

4.1 控制測量數據分析

(1)高程控制測量數據分析

根據高程控制網布設特點，已知數據和觀測數據數量，采用間接平差原理對高程控制網進行嚴密平差。經過平差計算得到表1中7條閉合、附合水準路線閉合差，進而得到本文每公里高差中誤差最大為 12.75 mm，滿足允許值 ≤±20 mm精度要求，能夠為水位控制測量提供基礎數據。

表1 四等水準平差精度統計表

(2)平面控制測量數據分析

在平面控制測量中每個一級GPS控制點分別按1個時段觀測4次，每次觀測歷元數為20個，最終取4次觀測值的平均值作為最終成果。作業前后在已知C級控制點進行檢查，平面校差最大值為△X=1.2 cm和△Y=0.6 cm，高程較差△h=2.8 cm，滿足規范要求。其中，部分GPS觀測成果如表2所示。

表2 GPS控制點成果表

4.2 DGPS-測深儀協同探測精度分析

(1)DGPS獲取平面位置精度分析

為保證平面控制測量的精度，海上工作開始之前，在已知點上進行了GPS穩定性及定位精度的靜態比測，測試定位數據均位于已知點 0.5 m半徑范圍以內，定位中誤差為 ±0.18 m，表明GPS穩定性和定位精度良好，能夠滿足本次測量定位要求，如圖5、表3所示。定位點點位中誤差如公式(1)所示：

表3 差分GPS系統測試定位數據統計表

圖5 差分GPS系統測試定位數據離散圖

(1)

式中：(Xpo，Ypo)為已知點高精度平面坐標，(Xpi，Ypi)為已知點實時定位坐標，n為定位次數，Mp為定位點點位中誤差。

(2)測深儀測量精度分析

外業工作開展前，對所有即將投入使用的測深儀進行了一致性測試和穩定性測試。首先，進行測深儀穩定性測試，把測深儀的換能器固定在一定水深位置，水深值大于 10 m，按固定時間間隔采集水深數據，連續測量時間超過 8 h，然后統計水深值的離散情況，計算中誤差，測深儀HY1601(1#)、HY1601(2#)和HY1601(3#)的穩定性中誤差分別為 10.2 mm、7.2 mm和 8.0 mm，具體如表4所示。

表4 測深儀穩定性測定表

其次，進行測深儀一致性測試，把多臺回聲儀放置在同一水深的位置進行測量，統計各臺儀器測量結果的差值。同一時刻，測深儀HY1601(1#)、HY1601(2#)和HY1601(3#)相對于平均值的最大偏差小于0.02 m，如表5所示。

表5 測深儀一致性測試表(單位/m)

(3)DGPS-測深儀協同探測精度分析

在實際水深測量過程中，實時采集差分GPS數據和水深數據，定位間隔為 1 s，測深間隔為 0.2 s，定位點之間水深點的位置由計算機通過內插獲得。作業時，GPS天線直接固定于測深儀換能器桿子之上，內業資料整理時無須進行位置改正。

為了反映水下地形測量的精度，本文從深度誤差和深度比對互差兩個角度進行衡量。根據式(2)計算深度誤差發現，測區水深不大于 20 m的主、檢測線重合點共106個，中誤差為 ±0.18 m；大于 20 m的重合點共92個，中誤差為±0.0092H，滿足規范要求(水深H≤20，深度誤差限值±0.20 m；H>20，深度誤差限值±0.01H)。

(2)

式中：△Hi為主測線和檢查線重合點i水深差值，n為重合點個數，Mh為水深中誤差。

在深度比對互差方面，采用完成各項改正的每 0.2 s主測線及檢查線水深數據進行互差分析計算。在程序計算時，取相交的主測線和檢查測線數據，計算其交點作為深度互差對比重合點，該點主、檢測線水深由對應測線上前后兩點實測水深通過線性內插獲取(通常，前后兩點之間的定位距離約為 0.6 m～1 m)。測區主檢測線重合點水深值比對統計情況如表6所示。

表6 測區主測線和檢查測線重合點水深值比對統計表

4.3 基于機載LiDAR技術的鹽沼與灘涂測量成果分析

對飛行設備上GPS模塊的GNSS數據，聯合基準站GPS數據進行解算。通過點云數據預處理、后處理等過程后提取出的地表點云，生成等高線模型與DEM模型，技術流程圖如圖6所示。

圖6 機載雷達數據處理流程圖

根據經各項改正后的測區水深數據集、灘涂高程數據集按要求的比例尺進行水下地形圖繪制。地物符號和地貌元素按相應圖式繪制。岸線套用最新大陸岸線修測成果，灘涂部分地物、地貌要素利用無人機激光雷達技術測量得到的數據集進行繪制，部分地物、地貌要素由搜集的地形圖轉繪得到，使用計算機自動化制圖系統進行制圖，如圖7所示。

圖7 西滬港水下地形圖

5 結 論

西滬港水下地形測量環境復雜，區域內鹽沼、泥灘等嚴重限制了測量船監測系統的使用。因此，本文采用無人機載激光雷達技術進行輔助測量，在水準網和GPS平面控制網的基礎上，采用高精度DGPS-測深儀協同探測技術測量深水區域，應用高-低配雙無人機載激光雷達技術進行鹽沼與灘涂測量，主要得到以下結論：

(1)水下地形測量高程控制網每公里高差中誤差最大為 12.75 mm，GPS平面控制網在X和Y方向的誤差最大值分別為 1.2 cm和 0.6 cm，均在限差允許值范圍內。

(2)本文所用DGPS-測深儀協同探測技術中，測深儀穩定性中誤差約為 8.5 mm，一致性最大偏差小于 2 cm，DGPS技術定位中誤差為 ±0.18 m，單項技術均能夠滿足使用要求。

(3)本文采用DGPS-測深儀協同探測技術測量西滬港深水區水深，測區水深不大于 20 m的主、檢測線重合點共106個，中誤差為 ±0.18 m；大于 20 m的重合點共92個，中誤差為±0.0092H。通過對經各項改正后的主檢測線重合點水深值比對，發現重合點的深度比對H≤20 m互差超限率小于1.9%，H>20 m互差超限率小于3.3%，符合相應技術規范的要求。

(4)本文采用高精度測深儀、高精度GNSS定位系統、高-低配雙無人機激光雷達系統等多源監測技術測量西滬港水下地形，實現了關于大區域、復雜環境、高精度要求水下地形測量的技術突破，是海陸空地形一體化測量方法應用的典型案例。