探讨上海市暗礁与低潮高地测绘技术设计的难点及技术指标 - 海洋测绘基准传递技术规范

; R: q6 b( X% A

摘要：本文对上海市低潮高地及暗礁测绘项目技术设计进行了总体阐述,介绍了项目技术难点、采用的主要技术指标,对测量基准传递、陆域测量、海域测量、暗礁测绘的技术思路进行了归纳总结,实施方案主要包括:GNSS控制测量、高程系统跨海传递、无人机航测和机载激光雷达测量、GNSSRTK无验潮水下地形测量、多波束岛礁测绘、无人船测量等,对项目实施技术要点进行了说明,指出了项目实施过程中需要解决的问题,期望为同类项目实施提供参考。

4 m0 ^, S* V; y9 N+ L

关键词： 1985国家高程基准 CGCS2000 GNSSRTK无验潮水下地形测量 多波束 无人机载激光雷达 测绘学

1、项目概况

低潮高地,是指在低潮时四面环海水并高于水面但在高潮时没入水中的自然形成的陆地区域;而暗礁是由基岩组成,指低潮时不露出水面,一直位于0m等深线以下的礁。

受上海市海洋管理事务中心委托,我单位承担上海市低潮高地及暗礁测绘项目。通过对上海市低潮高地及暗礁的基础调查(地形地貌测绘),同时利用遥感影像和其他专题图件,结合图像信息提取,获取岛屿附近的礁石、浅滩分布的地形地貌特征。通过获得的数据和大比例尺海域地形图,再结合以往的海岛信息,可以显示和分析物体之间的关系和演变过程,为国家和地方政府进行海洋环境规划、海洋资源的开发与利用、抗灾防灾等提供决策支持。

3 Q$ }2 {: A2 p% G* J5 P

上海市低潮高地及暗礁调查测绘总面积557km2,其中水域面积500km2,陆域面积57km2。主要内容包括:①低潮高地及暗礁位置、类型、长度及相关的自然地理要素调查;②岸滩地貌类型及分布特征调查;③水深测量;④1∶500/1∶2000/1∶5000地形图测量。

2、项目技术难点

7 ~8 o; A3 R+ z' b# b

(1)测量基准传递困难

$ O/ |9 c2 z7 q& {% }" |2 B

测区远离陆地,分散性大。陆地测绘基准向海上传递困难,尤其在高程传递方面,既要实现陆地高程到海上的准确传递,又需要顾及城市测绘基准与国家测绘基准及海洋测绘基准之间的关系,最大程度实现测绘基准的统一。

~ v- Y0 R/ y9 `& _* x+ O- U6 w$ E

(2)水深测量误差影响因素多

水深测量受仪器、船只姿态、海水状况、波浪等多种影响,误差消减难。

(3)岛礁地形表达困难

岛礁地貌形态极不规则,采用常规测深方法无法精准表达。

(4)施测环境差

海上风大浪高,岛礁靠泊困难。另外,低潮高地测绘区域受潮汐影响大,有时虽然水深相对较浅,但人员和船只往往难以登陆,尤其是部分陆地区域生长有植被,由于无法登陆导致不能直接测绘地形。

- [& m }3 C6 Q! V7 \: }( H

3、实施方案要点

3.1主要技术指标

上海市低潮高地及暗礁测绘基准为CGCS2000坐标系统,1985国家高程基准,深度基准采用理论深度基准面。

由于本项目测绘对象为冲积沙岛及基岩礁,水深较浅,为充分反映水下地形情况,确定冲积沙测图比例尺以1∶2000为主(部分区域1∶5000),基岩礁为1∶500。综合考虑,成图精度要求如表1所示:

4 ^* l4 e/ W, O

点位中误差及深度误差限值表1

/ U" t1 O6 U# R3 k! X: o1 t A3 d

注:H为水深值(m)。

3.2测量基准传递

本项目采用CGCS2000坐标系,1985国家高程基准(其高程值简称为85高程),由于其坐标和高程不是同一椭球几何量,不具备GNSS控制网三维约束平差的条件,因此,GNSS控制网采用平面控制和高程传递分别处理的方法。

( V# v% \7 M4 v$ e1 {- l) U6 p

(1)平面基准传递

以3个IGS站SHAO、BJFS、URUM站作为起算点,布设6点首级控制网,静态观测72h,如图1所示。

: X7 J: `8 b3 R2 q6 h6 w

图1首级控制网布设图

采用GAMIT基线处理软件和TBC网平差软件,通过对基线向量做三维约束平差分别得到首级控制点的GCS2000和WGS84大地坐标,再经过高斯投影得到其平面坐标,此成果作为本次GNSS加密控制网起算和检核参考。首级控制网平差结果与根据上海城市坐标与GCS2000坐标系转换关系计算的结果相比较,坐标最大差值为dX=0.028m、dY=0.010m,由此可见,其精度满足平面控制点位要求。

5 N) U& a4 k/ X% t4 d* E" g

(2)高程基准传递

本项目高程起算点的85高程根据上海吴淞高程系与1985国家高程基准换算关系推算。测区内陆地控制点高程均可通过四等水准引测,难点在于将陆地高程传递到海上岛礁点。上海市区目前已经完成高精度大地水准面精化,但海上部分由于缺少充足数据,其模型转换精度无法满足高程传递要求。经了解,目前长江口航道区域已完成似大地水准面精化,但其高程系统与上海市采用的高程系统存在差异,不能直接利用。

由于GPS定义的高程基准与我国采用的国家高程基准之间存在一个系统差,因此,似大地水准面精化模型高程计算公式如下:

H=h+ξ+△e(1)

; x G1 j1 _7 r' h

上式中,H为控制点大地高,h为正常高,ξ为该点高程异常,△e为高程基准系统差。

由于△e难以准确求定,为计算方便,将两个待求点的大地高公式求差,可得下式:

h=△H-△ξ(2)

: N$ F0 Q2 U) F* f" ]

上式中,△h为两点间水准高差,△H为两点间大地高之差,△ξ为两点间高程异常之差。

基于以上原理,高程传递方案如下:利用GNSS网三维平差结果,根据长江口似大地水准面精化模型,利用式(2)间接推算岛礁控制点高程。同时,以EGM2008大地水准面模型解算结果对上述计算结果进行验证,两种方案均与陆地实测水准高差相比较,结果表明:高差计算结果较差在cm级。最终推算的岛礁控制点高程与历年验潮数据基本一致。

3.3陆域测量

陆域包括低潮高地和岛礁海岸线以上部分和潮间带部分。由于陆域部分受潮汐影响大,人员和船只难以登陆,无法采用常规手段测绘地形图,因此,低潮高地和岛礁陆域测绘采用无人机航测作业,对生长有稀疏植被的陆域采用无人机载激光雷达的方式进行,测量实施时间选择在当地潮位最低且风力较小时间内进行飞行作业。

(1)航线的布设

) ?1 _4 r1 r& B% |# p

①多旋翼无人机航线在测量实施前进行规划设计,利用地面站软件生成相应测区的测线。设计航高50m,飞行速度4.8m/s。旁向重叠度50%,航线间距为50m。

, R* |$ f K" \$ }4 S: B6 Y

②固定翼的航摄测线设计需要考虑到风速与风向的影响,飞行高度250m,飞行设计速度69km/h。综合现场情况设计出最优的测线。

(2)航测内业数据的处理

①POS数据解算

通过机载POS系统所获得的数据与基站获得的GPS数据,利用InertialExplorer软件进行联合解算,可以获得满足点云处理要求的每一个事件点无人机的准确位置信息与姿态信息。

. r j+ o/ v: }3 j" {

②原始点云数据与POS数据联合解算

) P& m) D! e3 a; n/ g

将导出的POS数据导入Li-Acquire软件,解算出具有准确姿态位置的点云(DSM),满足后续内业处理要求。

2 Z* ] g; t" ~* u7 M* l9 H

(3)雷达数据处理

采用TerraSolid平台对激光雷达数据进行去噪处理。对非地面以及跳点进行删除,并对数据进行校准与分类,最终得到DEM成果。

4 q# w$ n& d3 d* A$ n3 V" d

(4)数据成果生成与比对

由于使用专业软件TerraSolid处理后的点云中所包含的激光点数仍有千万级别,故在输出时进行抽稀操作,抽稀倍数为500倍。抽稀后生成用于CAD成图使用的dat文件。通过TerraSolid平台制作DLG文件,并与RTK实测数据进行检查比对。检查结果需符合表2要求:

激光雷达测量精度指标表2

1 U4 c+ r* U+ d

(5)无人船补充测量

% D# |/ o& n# V4 {

低潮高地陆域部分有时存在局部水域,其水下地形测量可采用无人船加载测深仪方式进行。无人测量船适用于载人船无法到达的危险水域,可有效提高作业效率。但是,由于无人船的船体较小,遥控作业距离较短,测船续航能力及抗风浪性能较差,不适合在风浪较大区域作业。

$ H7 ~" n* d: M# v: F h7 \

3.4海域测量

- u+ o( p/ _ v* S6 M# C

低潮高地和岛礁水下区域在高潮位时段进行测量。周边海域根据海底地形情况向海适当延伸,冲积沙岛测至能反映水下冲积扇地形为止。

" m4 S9 ~' k( q

(1)转换参数计算

; v+ ?0 G' L3 O [ g

海上测量采用GNSSRTK无验潮水下地形测量方式进行,由于GNSSRTK获得的是WGS84大地坐标,需要实时转换为CGCS2000平面坐标及85高程,因此需要计算相应的转换参数。本项目按照最小二乘原理计算坐标转换空间7参数,源坐标为GNSS网WGS84平差结果,目标坐标为GNSS网二维约束平差得到的CGCS2000大地经纬度B、L,大地高H以85高程代替。对解算的7参数进行坐标转换实地检测,满足要求方可采用。

(2)水位控制

* R9 p. V. t; G/ s

海上测量时在每个低潮高地处设置一座临时验潮站,水位观测与测量水深同时进行。以GNSSRTK方式测量实时水面标高,每10min采集一次数据。作为处理测深数据时使用。

3 Z$ ~- [( z* A, ?( R

(3)测线布置

低潮高地多为冲积沙岛,水深较浅,为充分反映水下地形情况,测线布设原则为:主测深线以垂直等深线布设,测线均匀分布,测线间距1∶500、1∶2000、1∶5000分别为10m、40m、100m;检查测深线以垂直于主测深线均匀布设,并至少通过每一条主测深线一次;检查测深线总长应不少于主测深线总长的5%。

, j. v0 E; g: T% z& M

暗礁测线沿岛屿的延伸部分或孤立岛屿周围的水域布设为辐射线形式,使测深线间距内密外疏,不仅有利于暗礁、浅滩的发现,而且近岛部分水深点较密,有利于选择适宜的靠船及登陆地点。

(4)测深点间距

1 u( h4 `; O% i0 G) ~; |

测深点间距的确定原则是以较少的水深点,最大限度地真实反映测区水下地形。水深点间距一般为图上间距0.6cm～1.0cm;岸边及深度变化显著的地段,可以加密到图上的0.4cm～0.6cm,平坦且变化小的地区可放宽到图上的1.0cm～1.5cm。

: }9 M9 q1 y! T( ?' m. P# c% X

(5)水深数据采集

( X) g% t+ X$ r, i( ~: A

本项目GNSS-RTK动态测量选用HD32型GPS接收机+HD310测深仪获取水深数据。测深仪换能器安装在距船首1/3～1/2船长处,以尽量削弱船动吃水误差。测量前后用检查板对测深仪所测水深数据进行比对和校正。水深测量与RTK同步采集的数据自动记录在计算机内,待收测后编辑出图。测深数据改正包括:吃水改正、水位改正、声速改正、动态吃水改正、波浪改正等。

1 J9 D9 V$ U1 o' x1 c' `) f

(6)海底地形图绘制

3 }& r' m1 z& ^/ Z

使用南方CASS9.0生成水深地形图、海底地形图。

Q+ E- K+ I. T# D" b0 J0 P

(7)海上测量作业要点

①合理选取GNSSRTK作业基站,确保海上作业通信信号覆盖。

' y) Z- Q4 m8 F

②出测前对平面定位与水深测量数据进行验证,按水准仪定点观测法测定船舶动吃水改正数。

③针对海上施测困难和危险因素高的特点,合理安排出测时间,采用大型船舶与小型测船协同作业。委托当地海上航行经验丰富的船长掌舵行驶,避开大风大浪,靠岸前制定充分的应急预案。

0 [* Y- Q# l1 s! ~% b

④针对水下测绘不确定因素多的特点,项目实施前充分搜集测区以往基础资料,包括该区域历史上的航测、遥感调查成果等,认真研读,事前预估测绘工作量,做到心中有数。

3.5暗礁地貌测绘

由于暗礁地貌形态极不规则,常规测深方法无法精准表达,设计采用多波束测量暗礁地貌形态和特征。

(1)测深计划线布设

主测深线布设为辐射线,根据暗礁地貌形态适当布设若干平行线,测线间不小于10%重叠。

7 H* G' O: l- \6 ^; F

(2)系统安装和校准

2 \. F5 g7 D! D- o

多波束系统安装后精确测量各传感器相对于多波束换能器之间的距离和角度,并输入到控制软件中,进行实时定位和补偿修正。

( p b6 G0 J$ f; w6 P& g' ~, l: e

(3)多波束测量

①多波束测量应选择高潮后潮进行。海上导航采用Teledyne公司seabatT50-P多波束配套软件PDS2000进行导航。测量时,做好班报记录,记录好仪器使用参数,换能器与姿态仪之间的相对位置关系,定位天线与姿态仪之间的相对位置关系,换能器在水中的吃水情况。根据现场水深,实时调节多波束的开角情况,以达到最佳的资料效果。

. d" E. z1 f( O: {/ R' `8 }

②采取一切必要的措施,降低噪声和其他干扰因素,提高信噪比,保证记录质量。在作业过程中,尽可能使船只低速直线行驶,尽量减少图像的变形。

9 S% ?" _& m2 a5 M8 e! e

③测深期间船速、航向变化或船体明显倾斜时,应进行动态吃水变化的测量。

④收测离船前,对导航定位、多波束声呐系统和水深数据进行初步的整理和分析,确定不合格数据或重点补测区域,做好下一步的测量安排。

(4)数据处理

) D$ ^: N+ l8 |) A( }' H0 n

多波束声呐数据采用PDS2000软件进行处理,数据处理包括数据格网化、吃水改正、潮位改正、归心改正、波束脚归位改正、声速改正、噪声去除以及异常剔除等。多波束数据经过数据清理、格网计算后生成网格尺寸为1m的DEM暗礁模型。

4、结语

以上对上海市低潮高地及暗礁测绘技术路线进行了归纳梳理,希望为同类项目的实施提供参考。本项目实施过程中尚存在一些问题,主要包括:关于既有大地水准面精化成果的延伸应用;如何缩小跨海高程传递误差;海上信号盲区的应对措施;提高验潮成果精度等。另外,在海域测量方面,如何保证海上测量定位和测深精度,如何合理组织海上测绘生产、提高工作效率等方面,有待进一步研究。

- u' k+ O5 |3 A/ e! c4 T4 x, p