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設備與工具一、引言
我國島嶼總面積約8萬平方千米，約占陸地面積的0.8％，面積大于500m2的海島有6500多個，大部分無人居住。準確、可靠、系統的獲取島礁及其周邊海洋信息數據，建立島礁水上水下一體化高精度模型，實現島礁信息的“數字化”和“透明化”，可為海洋經濟發展、環境保護、權益維護提供科學的數據和信息依據。
由于波浪和潮汐原因，水邊線會隨時間不斷變化，導致水上和水下數據在建模時存在數據空白區域。近年來興起的船載水岸一體化綜合測量技術，集成了水上激光掃描系統、水下多波束測深系統、全景影像采集系統和POS定位定向系統等實現水岸一體測量的綜合測量技術，較好地實現了水深及地形數據的拼接與融合。但是該方案仍存在3個問題:①船載激光掃描系統對水上部分只能進行側向掃測，被掃測對象頂部的區域容易造成掃測盲區。②當島礁周邊地形以灘涂為主且潮差較小時，船載激光測量與多波束測量成果之間存在淺水部分盲區。③無人島礁缺失基準點，測量成果絕對精度較低，難以滿足工程需要。采用小型無人機航空測量技術手段進行空中俯視掃測，可解決頂部盲區問題。有學者提出了合理利用高低潮差、基于水陸兩用車的水岸一體綜合測量技術、機載藍綠激光水深測量技術等方案，可減少淺水地帶的盲區。跨海高程傳遞手段是解決基準點缺失問題的常用手段，而無人島礁一般距離岸邊較遠導致實施較為困難。探索一種新的系統綜合高效解決上述問題成為當務之急。
如今，無人機、無人船等海洋新型測量平臺技術逐漸成熟，本文設計了一種基于無人機和無人船的島礁地形測繪系統，分別搭載激光雷達、多拼相機、多波束測深儀等設備，在大地測量獲取的高精度基準坐標基礎上，合理利用潮位的高低潮差，并根據無人船吃水淺的特點，全面獲取海島礁的水上水下三維地形、三維模型，實現島礁地形等值線提取和島礁資產調查等功能，為有效維護島礁主權和島礁資產管理提供數據支持。
二、系統設計及創新點
⒈系統組成
基于無人機和無人船的島礁地形測繪系統由大地測量分系統、機載分系統、船載分系統以及數據分系統組成。各分系統見圖1。
圖1 系統組成示意圖
⑴大地測量分系統
無人島礁一般距離大陸較遠，缺失基準點。導致無人機和無人船數據的相對精度較高，而絕對精度不足。因采用跨海高程傳遞較難實施，本文通過GNSS測量基站控制點的三維坐標。
大地測量分系統的主要作用是:①作為島礁規劃建設的依據和基準數據；②確保無人機航拍和無人船作業期間的RTK高精度位置定位及地面檢核點(外部檢核)的精確檢核；③對無人機航攝、水下測量數據進行精確糾正；④對不同數據成果進行坐標轉換。
⑵機載分系統
無人機航空攝影作為空間數據采集的重要手段，具有快速高效、機動靈活和成果精細的特點。面向無人島礁等高危險地區，可以快速獲取高分辨率正射影像和激光點云等數據。本文利用大地測量提供的高精度控制點信息，提高無人機測量絕對精度，成果可用于島礁規劃與施工。
機載分系統主要用于獲取島礁陸上部分成果。多拼相機用于獲取真三維模型及DOM數據。在低潮時間段，通過無人機進行水陸交界處數據獲取，可以擴大水上數據獲取范圍，提高與水下數據的重疊度，以提高數據拼接的精確度。
⑶船載分系統
相比大型測量船，無人船重量輕、體積小，具有機動靈活、吃水淺、能應對復雜環境等特點，非常適合近海島勘測，可獲取島礁周邊極淺區水深數據，為通航及開發提供必要的數據支撐。
船載分系統通過搭載多波束測深儀可以高效完成水下地形測量任務。同時搭載淺地層剖面儀可同步獲取水下地質信息。
無人船在高潮時間段進行淺水測量，作業時盡可能至最淺水區作業。對于因水淺而無法測量到的區域，由機載Lidar或人工RTK補測。
⑷數據分系統
系統獲取的多源數據如何處理、展示和分析是實現數據成果應用的重要一環。由于數據種類多、格式不同、水陸地理參考也不統一，在對這些數據進行處理與管理中，應建立統一的地理坐標系統，確定出工作時各傳感器位置中心在地理坐標系下的位置和姿態信息，用于后續的空間配準，并根據不同要求對各類數據進行預處理，完成海底多波束與島上點云數據的配準融合，形成完整的島礁水上水下地形數據。
數據分系統采用Skyline Terra Explorerpro軟件集成展示多源數據，可實現二三維數據加載、瀏覽、量測、圖層控制等基本功能。利用多源的基礎數據，還可模擬海水漲落潮、島礁突發事件、應急響應、個性化專題數據展示等內容。依托軟件構建的三維應用場景，疊加相應的專題信息，構建一個交互式應用成果，突出每一個島礁地區特征，顯示其數據成果、空間位置關系。
⒉數據成果
根據相關管理部門需求，主要成果需求如下:
⑴大地測量點位坐標
B級控制點、D級控制點，提供高精度基準點。
⑵島礁地形數據
島礁水上、水下一體化地形數據，了解島礁的地形走向、內部結構、地形地貌特點，同時對地面沉降等監測提供數據支持，為島礁規劃提供支撐。
⑶島礁坡度數據
在地形數據的基礎上，提取島礁的坡度信息。發掘島礁山體方向，為島礁規劃建設提供依據。
⑷三維實景模型
獲取島礁真實三維場景，任意點位的經緯度、高度測量以及長度、體積估算。
⑸岸線數據
獲取海島海岸線，為海岸線侵蝕、岸線監測提供準確數據。
⑹海島植被數據
提取海島植被信息，還原海島真實體表。可應用于海島生態環境監測。
⑺淺剖數據
島礁水下地層剖面數據，主要用于監測海島港口淤泥淤積、海底地層地質解譯、航道港灣工程等。
⒊系統創新點
針對現有測量方式存在的問題，基于無人機和無人船的島礁地形測繪技術完成了以下創新性工作:
⑴一次性獲取數據全、精度高
梳理自然資源部各部門的業務需求，設計一站式解決方案，實現一次登島完成整島水上、水下所有數據獲取工作。對于無人島礁，通過大地測量的方式獲取高精度控制點，用以提高無人機、無人船的平面及高程信息精度，成果精度滿足島礁規劃與工程應用。
⑵坐標系統統一
對不同種類的數據格式、水平測量基準、垂直測量基準進行統一規劃，是實現水上水下數據無縫對接的前提。
以CGCS2000坐標系作為水上、水下點云及全景影像的基準，測量以1985國家高程作為水上點云及全景影像的垂直基準，以深度基準面作為水下點云的垂直基準。通過推算可得出測區內大地水準面和深度基準面的大地高，將綜合測量信息統一到一個坐標系統中。利用GNSS觀測測區驗潮站布設的水準點，可獲得驗潮站鄰域內基于深度基準面的數據和基于水準高程的數據轉換關系。
⑶水上水下數據無縫融合
合理利用高低潮差，減小盲區。高潮時段，采用無人船搭載多波束測深儀對淺海地形進行水深測量，以獲取淺區水下地形信息；在低潮時段，采用機載激光雷達對水陸邊界地形進行測量。利用其他時間段，分別對較深海域和島上信息進行采集和測量。由于水淺而無法測量到的區域，由機載Lidar或者人工RTK測量補充，最終形成無縫的一體化島礁及周邊地形。制圖過程中對點云坐標進行插值濾波，生成不同比例尺的水下地形數據、水上地形數據及其他數據。
⑷數據應用廣泛
基于數據成果展示與管理軟件，在一個平臺內對水上水下一體化成果的所有基礎數據(點云、等值線、三維模型等)和專題數據進行展示，如島礁去水化、島礁去植被、規劃設計、地物提取與統計、海岸線提取、光照分析等，并可用于島礁規劃、設計輔助等工作。
三、應用案例
2018年9月，利用該技術對位于廣東省珠海市東部海域的三角島進行了實地測量。三角島位于萬山群島西北部，岸線總長度約4.9km，投影面積約0.87km2，自然形態表面積約0.96km2，島體呈東西走向，長約1.6km，寬約1km，最窄處寬約200m。
本次測量，獲取了三角島陸地部分的高精度多源遙感數據及水邊線向外延伸200m范圍內水下的地形數據。
⒈大地測量
鑒于海島的高度分散性，海島GNSS網點采取主控點、基本點、應用點三步控制網布網模式。其中主控點作為該島主要控制點，要長期保管與使用，也是島上基本點控制網的起始點；基本點控制網也要長期保存使用，但是更注重于測繪時滿足無人機航飛和無人船作業的基本控制點；應用控制點控制網主要用于無人機和無人船的現場應用。
通過大地測量建立了B級控制點1個，D級控制點21個。為了更好地獲得地面DEM數據，在地面植被茂密區，選取適當的特征點，在這些特征點上實施GNSS測量。根據飛機攝影成像精度，首先將這些點做出特殊標志，在影像圖上可以分辨并判讀獲得地面觀測結果；然后在無人機飛行時，在這些特征點上放置RTK接收機，直接獲得地面點信息。
⒉無人船作業
本次測量采用云洲M80“極行者”探測無人船，搭載POS MV wavemaster組合慣導、RESONT20P多波束和海鷹HY1200聲速剖面儀。
通過基站軟件的無人船航跡功能，對邊界條件進行框選，完成理清邊界工作。根據實際水深、多波束掃寬(4倍水深)及全覆蓋要求(10％重復)，布設平行測線及檢查線。無人船按照布設測線依次航行，測量水深數據并記錄，同時保存PDS文件及XTF文件，以備后處理使用。多波束數據通過PDS2000軟件進行后處理，波束角135°。在高潮位時測量近岸水深較淺地形，其余時間測量水下較深地形。
⒊無人機作業
本次測量采用中為盧龍一號無人直升機，同時搭載RIEGL mini VUX－1UAV激光雷達、TR5100五拼相機。無人機數據采集飛行服務的作業過程分為前期準備、飛行作業、數據處理三個階段。實施流程圖見圖2。
圖2 機載數據采集作業流程示意圖
在低潮位時，測量水陸邊界線部分點云及全景影像，其他時間開展海島水上測量。
⒋成果可視化及分析
本次測量獲取成果包括DOM、水上三維實景模型、水上/下地形數據等。通過水陸點云數據完成了水上、水下數據的對接，獲取了水陸一體化點云、等值線等成果。各成果圖見圖3。
圖3 三角島水上水下一體化測量成果示意圖
⑴精度
在大地測量獲取的21個D級控制點進行打點，將控制點打點信息與DEM成果位置進行比對，以驗證測量精度，證實水平坐標、高程坐標的中誤差均為厘米級。隨機選取水下某一條測線進行IHO－44 95％置信區間評估，測線滿足IHO－44(IHO Special Order)特優級標準。
⑵一體化水平
圖3(b)為無人機空中測量獲取的海島陸地地形。由于多波束不能采集水深較淺區域地形，造成水下測量盲區，見圖3(c)。通過人工RTK測量補測，融合多波束及激光掃描數據，實現了海島水上水下全覆蓋測量，形成了高分辨率點云及等值線成果，見圖3(d)及圖3(e)。
⑶數據種類
通過一次測量，獲取了包括B級控制點、D級控制點、海島水上/下高精度地形圖、坡度圖、真三維實景模型、岸線提取專題圖、植被提取專題圖等數據，根據需要還可擴展淺剖及高光譜數據，滿足海島規劃開發及生態保護需求。
四、結束語
本文探究了基于無人機和無人船平臺獲取水上/下一體化數據的技術，并獲取了三角島水上/下一體化地形、等值線、高清三維實景模型、DOM等成果。其中，大地測量為無人機和無人船作業提供了高精度的基準信息；無人船可獲取島礁周邊海域淺區地形數據；無人機一次性獲取激光點云、三維實景影像等多型成果。該系統效率高、方便快捷，大大縮短了外業作業時間，節省了測繪成本。試驗表明，該方案可在遠離陸地的島礁等難以施測的地方推廣應用，為島礁規劃與開發提供技術和數據支撐。
為了更高效地支撐島礁規劃，未來還可以通過多條、多規格無人船協同施測的方式，進一步提高可施工海況下的有效工作量，以應對島礁海況較差的情況，從而提高作業效率。隨著機載藍綠激光雷達的小型化，可以利用無人機同時測量水上和淺水地形，進一步消除淺水地形盲區。
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END
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【作者簡介】文/李超李明盛巖峰楊華勇，分別南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)、天津航天中為數據系統科技有限公司和中國太平洋學會。第一作者李超，1987年出生，男，山東平度人，工程師，碩士研究生，主要從事島礁地形測繪、海洋立體觀測、無人機通信傳輸與指揮系統、海域動態監控指揮系統研究。本文為基金項目，國家重點研發計劃(2017YFC1404902)；南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)人才團隊引進重大專項(GML2020GD0801)。文章來自《海洋測繪》（2021年第3期），參考文獻略，用于學習與交流，版權歸作者及出版社共同擁有，本文編發已取得授權。
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