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砂質海灘是濱海旅游的重要載體，對海岸線的侵蝕防護也有著不可估量的作用。但在密集的人類活動影響下，我國砂質岸線的侵蝕情況不容忽視。我國近海海洋綜合調查與評價專項成果調查數據顯示，全國3200km的侵蝕岸段中，砂質海岸有2400km；全國49.5％的砂質海岸處于侵蝕狀態，海灘破壞和退化相當嚴重。
為提升沙灘穩定性和防護能力，恢復砂質海岸生境，可采取沙灘養護技術進行人工干預。通過人工補沙修復，并輔以構筑物建設，營造適合沙灘養護的人工岬角，以維持、修復或重塑海灘功能。沙灘養護技術不僅能有效保護海岸免受侵蝕，降低海岸帶風暴潮災害，還能在改善海岸環境、發展旅游業方面發揮巨大作用，在我國沿海省市，以及美國、歐洲、澳大利亞等發達國家均得到廣泛應用。據統計，截至2019年8月，我國已完成或正在進行的海灘養護工程共97項，分布于全國35個城市，修復岸線總長超過120km。
海灘養護是一個系統的、動態的過程，需要有完整的監測體系作為支撐。通過長期的地形變化監測，對沙灘修復工程前后進行比較，是判斷修復是否達到預期效果的直接依據。目前，沙灘監測的常規方法是使用全球衛星導航系統（GNSS）的實時動態（RTK）技術進行典型剖面測量獲取三維坐標。
這一方法測量精度高、操作簡單，但周期性長，難以全面覆蓋測區，信號較差地方的數據采集問題較為困難，且海岸帶具有潮漲潮落的特性，要求測量工作在較短時間內完成，因此傳統的測量方法存在一定的局限性。
隨著近年來無人機（UAV）及三維激光掃描技術的日益成熟，采用新技術開展沙灘剖面動態監測逐步得到推廣。無人機攝影及三維激光掃描技術在地形監測中具有高效、直觀等優勢，但受外界因素影響較大，監測精度有待檢驗。在實踐中，應用不同技術開展沙灘剖面測量，并通過測量結果的優勢互補，對快速、有效、全面了解沙灘剖面變化形態，具有重要的現實意義。
本研究以廈門天泉灣沙灘養護工程為研究對象，采用GNSS RTK接收機實地測量、無人機航攝、三維激光掃描儀掃測3種手段，分別獲取沙灘三維地形數據，通過測量數據的比對，分析不同手段在沙灘剖面監測中的測量精度，并提出改進的設想，為新型監測方法在沙灘監測中的應用提供實踐參考。
一、材料與方法
⒈研究區概況
研究區（廈門天泉灣岸段）位于廈門島南側（圖1），是強侵蝕岸段。2014年6月采用差異性填砂技術，選擇粒徑為10cm左右的卵石進行修復，構建了我國首個卵石養灘工程。工程全長約1km，通過優化剖面設計，在西側營造長300m的沙灘，東側營造長700m的礫石灘，運用大粒徑卵石設計穩定海灘消能剖面，有效降低海岸泥沙輸運的速率，提升海灘穩定性。
圖1 研究區地理位置示意圖
研究區屬于正規半日潮區，年平均海平面為0.35m，歷年最高潮位為4.47m，歷年最低潮位為－3.58m，多年平均大潮高潮位為3.81m。多年平均潮差為4.10m，歷年最大潮差達到6.92m，漲潮平均歷時為6h9min，落潮平均歷時為6h16min。
⒉數據獲取與處理
本研究利用GNSS RTK接收機、無人機及三維激光掃描儀對研究區進行測量。其中無人機及三維激光掃描儀進行全覆蓋測量，GNSS RTK人工實測5條剖面共40個測點。
⑴GNSS RTK實地測量
GNSS RTK剖面測量采用華星A12型RTK連接福建省連續運行衛星定位導航服務系統（CORS）。華星A12型RTK的定位精度為水平±（8＋1×10-6×D）mm，垂直±（15＋1×10-6×D）mm；福建省CORS的精度為水平±20mm，垂直±50mm。
在研究區的兩側及中間共布設5個控制點，測量控制點并進行點校正。控制點采用CGCS2000坐標系，高程系統采用1985國家高程基準。在采集控制點時將GNSS RTK接收機架設在三腳架對中裝置上進行平滑采集，平滑次數設為10次，求取平均值得到控制點坐標。使用對中設備并進行點位平滑處理可盡量減少控制測量誤差，也為無人機及掃描儀數據降低初差，控制點的平面精度誤差為0.02m，高程精度誤差為0.05m。
圖2 沙灘剖面人工測量點位置圖
人工測量布設5條垂直岸線走向的典型剖面，剖面長約40～60m，相鄰剖面距離在90～160m之間，每條剖面布置8個測量點，剖面1測量點間距為6m，其他剖面相鄰測量點間距為8m。選擇低潮位時段進行測量，獲取平面坐標及高程數據。沙灘剖面人工測量點位置見圖2。
⑵無人機航測
無人機低空遙感技術是近年來在遙感技術基礎上迅速發展起來的地理信息數據快速獲取技術，該技術利用無人飛機平臺搭載航空數碼相機進行航空攝影，采用慣性測量單元（IMU）/全球定位系統（GPS）技術自動導航，在1000m以下進行低空作業。無人機航測技術基于多視影像的地表同名點坐標實現密集匹配，進而快速獲取三維數據，能有效克服地面建筑和復雜地形的限制干擾。
無人機質量通常較輕，飛行姿態一旦受氣流影響，容易產生攝影傾斜，導致像點位移和地形起伏變化產生投影差，直接影響成圖精度。無人機測量精度的誤差主要與機載激光測距傳感器姿態精度、無人機飛行高度和飛行速度等相關，通過選擇最適合航飛天氣、溫度、云量等環境條件作業，提高采樣頻率、優化傳感器姿態穩定精度，可以進一步提升測量平面和高程精度，以適應精細地形測量的要求。
本研究采用瑞士EBee-RTK無人機，測量時間為2019年5月18日10點，該時段天氣晴朗無風，設計航向重疊度80％，旁向重疊度75％，地面分辨率0.03cm。設計工況下，航拍高度為150m，航拍面積為0.3m2。航拍過程采用布設相控點的方式，無需在已知控制點上布設基站，設置6個相控點，相控點平面誤差為0.02m，高程誤差為0.05m。
完成航拍作業后，將無人機外業航拍照片及飛行姿態測量系統（POS）數據導出，瑞士EBee-RTK無人機采集的POS數據不能自動寫入到照片中，需要手動在后處理軟件PIX4D中進行對應添加。然后進行初步空中三角測量，之后將采集的相控點刺在對應的無人機照片上，反復進行刺點優化達到精度要求后，進行PIX4D軟件自動化運算及數字正射影像（DOM）和數字高程模型（DEM）成果輸出，最后將輸出的成果加入EPS三維測圖軟件中進行數據提取及測繪成果輸出。無人機航測數據處理流程見圖3。
圖3 無人機數據處理流程
⑶三維激光掃描
三維激光掃描技術是繼GPS空間定位系統之后又一項測繪技術新突破。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。可以快速、大量地采集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。
掃描儀本身含有掃描系統和激光測距系統，同時也含有控制和矯正系統及集成電荷耦合器件（CCD）。儀器工作時，通過測量水平角的反射鏡和測量天頂距的反射鏡一起有序旋轉，將激光脈沖依次掃過被測量的區域，測量每個激光脈沖的空間距離及掃描激光脈沖的水平角度和天頂距離，最后通過計算其坐標的方法得到被測量區域的三維坐標。
采用FARO Focus3D X330相位掃描儀進行測掃作業。外業掃描時無需在已知控制點架設儀器，而是將掃描儀進行初步整平，直接架設在任意位置，在掃描儀兩側放置6個測量標靶，標靶距離掃描測站約30m，每次更換掃描儀位置時標靶同步進行傳遞，后期通過靶球拼接處理。單次掃描時間為8min，90％不光滑反射表面上在戶外陰天環境中掃描距離為0.6～330.0m，在10、25m時測距誤差為±2mm。本次掃描布設兩條掃描測線將研究區分為兩部分，掃描間距為60m，布設成交叉向前掃描形式。
將掃描儀測掃出來的“fls”格式數據導入后處理軟件Trimble Real Wors中，先進行噪點剔除，然后使用重疊度算法進行自動化拼接。由于FARO Focus3D X330掃描儀采集的點云數據只具有相對坐標，需要手動在后處理軟件中添加布設的控制點坐標，整體點云數據拼接完成后，使用軟件中的地理坐標轉換，參照布設的控制點坐標，將掃描儀測掃的相對坐標轉換成CGCS2000坐標，最后將點云數據導入EPS三維測圖軟件中進行數據提取及測繪成果輸出。掃描儀數據處理流程見圖4。
圖4 掃描儀數據處理流程
為獲取完整的地形點云數據，三維激光掃描過程需經過多站掃描拼接，采用RTK進行控制測量、布設并測量標靶，精確掃描標靶，基于標靶進行內業測站間拼接和坐標轉換，從而得到大地坐標系下地形的點云數據，掃描作業過程較繁瑣。
二、結果與討論
參考《海洋工程地形測量規范》相關規定，干出灘測量的高程誤差限為0.200m，平面誤差根據測量比例尺，中誤差不應大于圖上1.000mm。考慮到實踐中，沙灘剖面地形測量比例尺一般為1∶200，按照1∶200測量的精度檢驗標準，則要求平面定位中誤差不得超過0.200m。
⒈航拍及掃描數據與實測數據比對分析
將無人機航攝獲取的DOM及DEM成果及三維激光掃描儀獲取的點云成果分別導入EＰＳ軟件中，在EPS中載入人工實測的40個測點坐標，利用軟件提取功能分別獲取平面位置最接近人工實測點的40個無人機及三維激光掃描儀成果數據，與RTK測量點數據進行對比，對比結果見表1、表2(略），各檢查點平面偏差和高程互差離散情況分別見圖5、圖6。
圖5 各檢查點平面距離偏差離散圖
圖6 各檢查點高程互差離散圖
將無人機航拍DOM數據與5條剖面40個檢查點的實測數據進行對比，結果顯示，平面坐標偏差均較小，平面位置誤差在0.001～0.029m之間，中誤差為0.019m，平面精度滿足1∶200比例尺的沙灘剖面地形測量精度的要求。無人機航拍DEM數據高程誤差在－0.697～0.086m之間，中誤差為0.313m，誤差落在±0.200m范圍內的有20個，占比為50％；90％的對比點中，無人機航拍獲取的高程值大于人工測量高程，高程互差體現為負值。
三維激光掃描儀數據與5條剖面40個檢查點的實測數據對比結果顯示，平面位置誤差在0.002～0.018m之間，中誤差為0.011m，均小于0.200m。高程誤差在－0.315～0.014m之間，中誤差為0.132m，高程誤差落在±0.200m范圍內的有35個，占比為87.5％；67.5％的對比點中，掃描儀獲取的高程值大于人工測量高程，高程互差體現為負值。
總體而言，本研究中，利用無人機測繪技術和三維激光掃描儀技術分別獲取的DOM數據具有較高的精度，中誤差均控制在0.020m以內，滿足1∶200比例尺的沙灘剖面地形測量精度要求（中誤差限0.200m）。在高程數據獲取方面，三維激光掃描儀獲取的高程數據中誤差控制在0.200m以內，滿足《海洋工程地形測量規范》中規定的高程精度要求（中誤差限0.200m），但無人機的精度較三維激光掃描儀差，無法滿足該要求。
⒉測量剖面分析
本研究利用人工測量、無人機技術和激光掃描儀技術所獲取的測量數據，分別繪制沙灘典型剖面圖（圖7）。可以看出，利用激光掃描儀獲取的剖面形態與人工測量剖面的基本重合，整體偏差較小。利用無人機航拍獲取的剖面曲線整體位于人工測量剖面上方，可見無人機測量高程普遍大于人工測量高程。無人機與人工測量剖面高程互差最大值為0.697m，掃描儀與人工測量的高程互差最大值為0.315m。相對而言，在近岸15m左右的研究區內，3種方法所獲取的測量數據契合度較好，離岸區無人機測量數據的高程偏差較大。
圖7 無人機測量、激光掃描與人工測量方法的沙灘剖面對比
⒊討論
本研究采用無人機航拍和三維激光掃描技術，對天泉灣沙灘進行剖面測量，得到測區DOM及高程數據，并以常規人工測量的方式，進行作業成果的檢核。
實踐表明，三維激光掃描儀獲取的DOM數據可以滿足1∶200比例尺地形測量平面精度要求，高程數據也滿足《海洋工程地形測量規范》規定的高程精度要求（中誤差限0.200m），在沙灘剖面地形監測業務化生產作業中具有良好的應用空間。無人機航攝獲取的平面位置數據精度也能夠達到1∶200比例尺的地形測量精度要求，但高程數據誤差在－0.697～0.086m之間，中誤差為0.313m，無法滿足《海洋工程地形測量規范》要求。
三、結論
利用無人機航拍及三維激光掃描儀技術，開展沙灘剖面測量，對測量區域實現全面覆蓋，具有傳統人工實測方法所不能比擬的優勢。應用結果表明，在沙灘地形剖面監測方面，三維激光掃描技術精度較高，但地面三維掃描影像制作難度大，測量掃描過程較繁瑣，易受視場角限制，結果存在掃描噪點和盲區。無人機航拍操作簡便，可以快速獲取測區影像，相對三維激光掃描儀，不存在盲區，且點云處理也簡單快捷，但其高程數據測量精度有待提高。
在實踐中，可以通過無人機航攝得到的數據進行內插，補充三維激光掃描數據存在的盲區或漏洞；也可以在激光掃描儀進行點云數據采集時，同軸同步采用RTK測量掃描站的站點坐標，采用地物點粗拼接與基于平面的ICP精確配準的兩級拼接策略；采用測塊四角或周邊RTK點進行點云整體坐標轉換，簡化激光掃描儀操作流程。通過結合人工測量、無人機攝影及三維激光掃描技術各自的優勢，將沙灘的所有實景信息復制到計算機上，提高野外測量效率，實現沙灘監測的高效性、準確性和全面性，為沙灘整治修復決策提供數據支持。
