海洋论坛▏基于无人机和无人船的岛礁地形测绘技术
一、引言
我国岛屿总面积约8万平方千米，约占陆地面积的0.8％，面积大于500m2的海岛有6500多个，大部分无人居住。准确、可靠、系统的获取岛礁及其周边海洋信息数据，建立岛礁水上水下一体化高精度模型，实现岛礁信息的“数字化”和“透明化”，可为海洋经济发展、环境保护、权益维护提供科学的数据和信息依据。
由于波浪和潮汐原因，水边线会随时间不断变化，导致水上和水下数据在建模时存在数据空白区域。近年来兴起的船载水岸一体化综合测量技术，集成了水上激光扫描系统、水下多波束测深系统、全景影像采集系统和POS定位定向系统等实现水岸一体测量的综合测量技术，较好地实现了水深及地形数据的拼接与融合。但是该方案仍存在3个问题:①船载激光扫描系统对水上部分只能进行侧向扫测，被扫测对象顶部的区域容易造成扫测盲区。②当岛礁周边地形以滩涂为主且潮差较小时，船载激光测量与多波束测量成果之间存在浅水部分盲区。③无人岛礁缺失基准点，测量成果绝对精度较低，难以满足工程需要。采用小型无人机航空测量技术手段进行空中俯视扫测，可解决顶部盲区问题。有学者提出了合理利用高低潮差、基于水陆两用车的水岸一体综合测量技术、机载蓝绿激光水深测量技术等方案，可减少浅水地带的盲区。跨海高程传递手段是解决基准点缺失问题的常用手段，而无人岛礁一般距离岸边较远导致实施较为困难。探索一种新的系统综合高效解决上述问题成为当务之急。
如今，无人机、无人船等海洋新型测量平台技术逐渐成熟，本文设计了一种基于无人机和无人船的岛礁地形测绘系统，分别搭载激光雷达、多拼相机、多波束测深仪等设备，在大地测量获取的高精度基准坐标基础上，合理利用潮位的高低潮差，并根据无人船吃水浅的特点，全面获取海岛礁的水上水下三维地形、三维模型，实现岛礁地形等值线提取和岛礁资产调查等功能，为有效维护岛礁主权和岛礁资产管理提供数据支持。
二、系统设计及创新点
⒈系统组成
基于无人机和无人船的岛礁地形测绘系统由大地测量分系统、机载分系统、船载分系统以及数据分系统组成。各分系统见图1。
图1 系统组成示意图
⑴大地测量分系统
无人岛礁一般距离大陆较远，缺失基准点。导致无人机和无人船数据的相对精度较高，而绝对精度不足。因采用跨海高程传递较难实施，本文通过GNSS测量基站控制点的三维坐标。
大地测量分系统的主要作用是:①作为岛礁规划建设的依据和基准数据；②确保无人机航拍和无人船作业期间的RTK高精度位置定位及地面检核点(外部检核)的精确检核；③对无人机航摄、水下测量数据进行精确纠正；④对不同数据成果进行坐标转换。
⑵机载分系统
无人机航空摄影作为空间数据采集的重要手段，具有快速高效、机动灵活和成果精细的特点。面向无人岛礁等高危险地区，可以快速获取高分辨率正射影像和激光点云等数据。本文利用大地测量提供的高精度控制点信息，提高无人机测量绝对精度，成果可用于岛礁规划与施工。
机载分系统主要用于获取岛礁陆上部分成果。多拼相机用于获取真三维模型及DOM数据。在低潮时间段，通过无人机进行水陆交界处数据获取，可以扩大水上数据获取范围，提高与水下数据的重叠度，以提高数据拼接的精确度。
⑶船载分系统
相比大型测量船，无人船重量轻、体积小，具有机动灵活、吃水浅、能应对复杂环境等特点，非常适合近海岛勘测，可获取岛礁周边极浅区水深数据，为通航及开发提供必要的数据支撑。
船载分系统通过搭载多波束测深仪可以高效完成水下地形测量任务。同时搭载浅地层剖面仪可同步获取水下地质信息。
无人船在高潮时间段进行浅水测量，作业时尽可能至最浅水区作业。对于因水浅而无法测量到的区域，由机载Lidar或人工RTK补测。
⑷数据分系统
系统获取的多源数据如何处理、展示和分析是实现数据成果应用的重要一环。由于数据种类多、格式不同、水陆地理参考也不统一，在对这些数据进行处理与管理中，应建立统一的地理坐标系统，确定出工作时各传感器位置中心在地理坐标系下的位置和姿态信息，用于后续的空间配准，并根据不同要求对各类数据进行预处理，完成海底多波束与岛上点云数据的配准融合，形成完整的岛礁水上水下地形数据。
数据分系统采用Skyline Terra Explorerpro软件集成展示多源数据，可实现二三维数据加载、浏览、量测、图层控制等基本功能。利用多源的基础数据，还可模拟海水涨落潮、岛礁突发事件、应急响应、个性化专题数据展示等内容。依托软件构建的三维应用场景，叠加相应的专题信息，构建一个交互式应用成果，突出每一个岛礁地区特征，显示其数据成果、空间位置关系。
⒉数据成果
根据相关管理部门需求，主要成果需求如下:
⑴大地测量点位坐标
B级控制点、D级控制点，提供高精度基准点。
⑵岛礁地形数据
岛礁水上、水下一体化地形数据，了解岛礁的地形走向、内部结构、地形地貌特点，同时对地面沉降等监测提供数据支持，为岛礁规划提供支撑。
⑶岛礁坡度数据
在地形数据的基础上，提取岛礁的坡度信息。发掘岛礁山体方向，为岛礁规划建设提供依据。
⑷三维实景模型
获取岛礁真实三维场景，任意点位的经纬度、高度测量以及长度、体积估算。
⑸岸线数据
获取海岛海岸线，为海岸线侵蚀、岸线监测提供准确数据。
⑹海岛植被数据
提取海岛植被信息，还原海岛真实体表。可应用于海岛生态环境监测。
⑺浅剖数据
岛礁水下地层剖面数据，主要用于监测海岛港口淤泥淤积、海底地层地质解译、航道港湾工程等。
⒊系统创新点
针对现有测量方式存在的问题，基于无人机和无人船的岛礁地形测绘技术完成了以下创新性工作:
⑴一次性获取数据全、精度高
梳理自然资源部各部门的业务需求，设计一站式解决方案，实现一次登岛完成整岛水上、水下所有数据获取工作。对于无人岛礁，通过大地测量的方式获取高精度控制点，用以提高无人机、无人船的平面及高程信息精度，成果精度满足岛礁规划与工程应用。
⑵坐标系统统一
对不同种类的数据格式、水平测量基准、垂直测量基准进行统一规划，是实现水上水下数据无缝对接的前提。
以CGCS2000坐标系作为水上、水下点云及全景影像的基准，测量以1985国家高程作为水上点云及全景影像的垂直基准，以深度基准面作为水下点云的垂直基准。通过推算可得出测区内大地水准面和深度基准面的大地高，将综合测量信息统一到一个坐标系统中。利用GNSS观测测区验潮站布设的水准点，可获得验潮站邻域内基于深度基准面的数据和基于水准高程的数据转换关系。
⑶水上水下数据无缝融合
合理利用高低潮差，减小盲区。高潮时段，采用无人船搭载多波束测深仪对浅海地形进行水深测量，以获取浅区水下地形信息；在低潮时段，采用机载激光雷达对水陆边界地形进行测量。利用其他时间段，分别对较深海域和岛上信息进行采集和测量。由于水浅而无法测量到的区域，由机载Lidar或者人工RTK测量补充，最终形成无缝的一体化岛礁及周边地形。制图过程中对点云坐标进行插值滤波，生成不同比例尺的水下地形数据、水上地形数据及其他数据。
⑷数据应用广泛
基于数据成果展示与管理软件，在一个平台内对水上水下一体化成果的所有基础数据(点云、等值线、三维模型等)和专题数据进行展示，如岛礁去水化、岛礁去植被、规划设计、地物提取与统计、海岸线提取、光照分析等，并可用于岛礁规划、设计辅助等工作。
三、应用案例
2018年9月，利用该技术对位于广东省珠海市东部海域的三角岛进行了实地测量。三角岛位于万山群岛西北部，岸线总长度约4.9km，投影面积约0.87km2，自然形态表面积约0.96km2，岛体呈东西走向，长约1.6km，宽约1km，最窄处宽约200m。
本次测量，获取了三角岛陆地部分的高精度多源遥感数据及水边线向外延伸200m范围内水下的地形数据。
⒈大地测量
鉴于海岛的高度分散性，海岛GNSS网点采取主控点、基本点、应用点三步控制网布网模式。其中主控点作为该岛主要控制点，要长期保管与使用，也是岛上基本点控制网的起始点；基本点控制网也要长期保存使用，但是更注重于测绘时满足无人机航飞和无人船作业的基本控制点；应用控制点控制网主要用于无人机和无人船的现场应用。
通过大地测量建立了B级控制点1个，D级控制点21个。为了更好地获得地面DEM数据，在地面植被茂密区，选取适当的特征点，在这些特征点上实施GNSS测量。根据飞机摄影成像精度，首先将这些点做出特殊标志，在影像图上可以分辨并判读获得地面观测结果；然后在无人机飞行时，在这些特征点上放置RTK接收机，直接获得地面点信息。
⒉无人船作业
本次测量采用云洲M80“极行者”探测无人船，搭载POS MV wavemaster组合惯导、RESONT20P多波束和海鹰HY1200声速剖面仪。
通过基站软件的无人船航迹功能，对边界条件进行框选，完成理清边界工作。根据实际水深、多波束扫宽(4倍水深)及全覆盖要求(10％重复)，布设平行测线及检查线。无人船按照布设测线依次航行，测量水深数据并记录，同时保存PDS文件及XTF文件，以备后处理使用。多波束数据通过PDS2000软件进行后处理，波束角135°。在高潮位时测量近岸水深较浅地形，其余时间测量水下较深地形。
⒊无人机作业
本次测量采用中为卢龙一号无人直升机，同时搭载RIEGL mini VUX－1UAV激光雷达、TR5100五拼相机。无人机数据采集飞行服务的作业过程分为前期准备、飞行作业、数据处理三个阶段。实施流程图见图2。
图2 机载数据采集作业流程示意图
在低潮位时，测量水陆边界线部分点云及全景影像，其他时间开展海岛水上测量。
⒋成果可视化及分析
本次测量获取成果包括DOM、水上三维实景模型、水上/下地形数据等。通过水陆点云数据完成了水上、水下数据的对接，获取了水陆一体化点云、等值线等成果。各成果图见图3。
图3 三角岛水上水下一体化测量成果示意图
⑴精度
在大地测量获取的21个D级控制点进行打点，将控制点打点信息与DEM成果位置进行比对，以验证测量精度，证实水平坐标、高程坐标的中误差均为厘米级。随机选取水下某一条测线进行IHO－44 95％置信区间评估，测线满足IHO－44(IHO Special Order)特优级标准。
⑵一体化水平
图3(b)为无人机空中测量获取的海岛陆地地形。由于多波束不能采集水深较浅区域地形，造成水下测量盲区，见图3(c)。通过人工RTK测量补测，融合多波束及激光扫描数据，实现了海岛水上水下全覆盖测量，形成了高分辨率点云及等值线成果，见图3(d)及图3(e)。
⑶数据种类
通过一次测量，获取了包括B级控制点、D级控制点、海岛水上/下高精度地形图、坡度图、真三维实景模型、岸线提取专题图、植被提取专题图等数据，根据需要还可扩展浅剖及高光谱数据，满足海岛规划开发及生态保护需求。
四、结束语
本文探究了基于无人机和无人船平台获取水上/下一体化数据的技术，并获取了三角岛水上/下一体化地形、等值线、高清三维实景模型、DOM等成果。其中，大地测量为无人机和无人船作业提供了高精度的基准信息；无人船可获取岛礁周边海域浅区地形数据；无人机一次性获取激光点云、三维实景影像等多型成果。该系统效率高、方便快捷，大大缩短了外业作业时间，节省了测绘成本。试验表明，该方案可在远离陆地的岛礁等难以施测的地方推广应用，为岛礁规划与开发提供技术和数据支撑。
为了更高效地支撑岛礁规划，未来还可以通过多条、多规格无人船协同施测的方式，进一步提高可施工海况下的有效工作量，以应对岛礁海况较差的情况，从而提高作业效率。随着机载蓝绿激光雷达的小型化，可以利用无人机同时测量水上和浅水地形，进一步消除浅水地形盲区。
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【作者简介】文/李超 李明 盛岩峰 杨华勇，分别南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)、天津航天中为数据系统科技有限公司和中国太平洋学会。第一作者李超，1987年出生，男，山东平度人，工程师，硕士研究生，主要从事岛礁地形测绘、海洋立体观测、无人机通信传输与指挥系统、海域动态监控指挥系统研究。本文为基金项目，国家重点研发计划(2017YFC1404902)；南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2020GD0801)。文章来自《海洋测绘》（2021年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，本文编发已取得授权。