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砂質(zhì)海灘是濱海旅游的重要載體，對(duì)海岸線的侵蝕防護(hù)也有著不可估量的作用。但在密集的人類活動(dòng)影響下，我國(guó)砂質(zhì)岸線的侵蝕情況不容忽視。我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)成果調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)3200km的侵蝕岸段中，砂質(zhì)海岸有2400km；全國(guó)49.5％的砂質(zhì)海岸處于侵蝕狀態(tài)，海灘破壞和退化相當(dāng)嚴(yán)重。
為提升沙灘穩(wěn)定性和防護(hù)能力，恢復(fù)砂質(zhì)海岸生境，可采取沙灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行人工干預(yù)。通過(guò)人工補(bǔ)沙修復(fù)，并輔以構(gòu)筑物建設(shè)，營(yíng)造適合沙灘養(yǎng)護(hù)的人工岬角，以維持、修復(fù)或重塑海灘功能。沙灘養(yǎng)護(hù)技術(shù)不僅能有效保護(hù)海岸免受侵蝕，降低海岸帶風(fēng)暴潮災(zāi)害，還能在改善海岸環(huán)境、發(fā)展旅游業(yè)方面發(fā)揮巨大作用，在我國(guó)沿海省市，以及美國(guó)、歐洲、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家均得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年8月，我國(guó)已完成或正在進(jìn)行的海灘養(yǎng)護(hù)工程共97項(xiàng)，分布于全國(guó)35個(gè)城市，修復(fù)岸線總長(zhǎng)超過(guò)120km。
海灘養(yǎng)護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的過(guò)程，需要有完整的監(jiān)測(cè)體系作為支撐。通過(guò)長(zhǎng)期的地形變化監(jiān)測(cè)，對(duì)沙灘修復(fù)工程前后進(jìn)行比較，是判斷修復(fù)是否達(dá)到預(yù)期效果的直接依據(jù)。目前，沙灘監(jiān)測(cè)的常規(guī)方法是使用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）技術(shù)進(jìn)行典型剖面測(cè)量獲取三維坐標(biāo)。
這一方法測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單，但周期性長(zhǎng)，難以全面覆蓋測(cè)區(qū)，信號(hào)較差地方的數(shù)據(jù)采集問(wèn)題較為困難，且海岸帶具有潮漲潮落的特性，要求測(cè)量工作在較短時(shí)間內(nèi)完成，因此傳統(tǒng)的測(cè)量方法存在一定的局限性。
隨著近年來(lái)無(wú)人機(jī)（UAV）及三維激光掃描技術(shù)的日益成熟，采用新技術(shù)開展沙灘剖面動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)逐步得到推廣。無(wú)人機(jī)攝影及三維激光掃描技術(shù)在地形監(jiān)測(cè)中具有高效、直觀等優(yōu)勢(shì)，但受外界因素影響較大，監(jiān)測(cè)精度有待檢驗(yàn)。在實(shí)踐中，應(yīng)用不同技術(shù)開展沙灘剖面測(cè)量，并通過(guò)測(cè)量結(jié)果的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)快速、有效、全面了解沙灘剖面變化形態(tài)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本研究以廈門天泉灣沙灘養(yǎng)護(hù)工程為研究對(duì)象，采用GNSS RTK接收機(jī)實(shí)地測(cè)量、無(wú)人機(jī)航攝、三維激光掃描儀掃測(cè)3種手段，分別獲取沙灘三維地形數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)的比對(duì)，分析不同手段在沙灘剖面監(jiān)測(cè)中的測(cè)量精度，并提出改進(jìn)的設(shè)想，為新型監(jiān)測(cè)方法在沙灘監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供實(shí)踐參考。
一、材料與方法
⒈研究區(qū)概況
研究區(qū)（廈門天泉灣岸段）位于廈門島南側(cè)（圖1），是強(qiáng)侵蝕岸段。2014年6月采用差異性填砂技術(shù)，選擇粒徑為10cm左右的卵石進(jìn)行修復(fù)，構(gòu)建了我國(guó)首個(gè)卵石養(yǎng)灘工程。工程全長(zhǎng)約1km，通過(guò)優(yōu)化剖面設(shè)計(jì)，在西側(cè)營(yíng)造長(zhǎng)300m的沙灘，東側(cè)營(yíng)造長(zhǎng)700m的礫石灘，運(yùn)用大粒徑卵石設(shè)計(jì)穩(wěn)定海灘消能剖面，有效降低海岸泥沙輸運(yùn)的速率，提升海灘穩(wěn)定性。
圖1 研究區(qū)地理位置示意圖
研究區(qū)屬于正規(guī)半日潮區(qū)，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(dá)到6.92m，漲潮平均歷時(shí)為6h9min，落潮平均歷時(shí)為6h16min。
⒉數(shù)據(jù)獲取與處理
本研究利用GNSS RTK接收機(jī)、無(wú)人機(jī)及三維激光掃描儀對(duì)研究區(qū)進(jìn)行測(cè)量。其中無(wú)人機(jī)及三維激光掃描儀進(jìn)行全覆蓋測(cè)量，GNSS RTK人工實(shí)測(cè)5條剖面共40個(gè)測(cè)點(diǎn)。
⑴GNSS RTK實(shí)地測(cè)量
GNSS RTK剖面測(cè)量采用華星A12型RTK連接福建省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)（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(qū)的兩側(cè)及中間共布設(shè)5個(gè)控制點(diǎn)，測(cè)量控制點(diǎn)并進(jìn)行點(diǎn)校正。控制點(diǎn)采用CGCS2000坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。在采集控制點(diǎn)時(shí)將GNSS RTK接收機(jī)架設(shè)在三腳架對(duì)中裝置上進(jìn)行平滑采集，平滑次數(shù)設(shè)為10次，求取平均值得到控制點(diǎn)坐標(biāo)。使用對(duì)中設(shè)備并進(jìn)行點(diǎn)位平滑處理可盡量減少控制測(cè)量誤差，也為無(wú)人機(jī)及掃描儀數(shù)據(jù)降低初差，控制點(diǎn)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(cè)量點(diǎn)位置圖
人工測(cè)量布設(shè)5條垂直岸線走向的典型剖面，剖面長(zhǎng)約40～60m，相鄰剖面距離在90～160m之間，每條剖面布置8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，剖面1測(cè)量點(diǎn)間距為6m，其他剖面相鄰測(cè)量點(diǎn)間距為8m。選擇低潮位時(shí)段進(jìn)行測(cè)量，獲取平面坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)。沙灘剖面人工測(cè)量點(diǎn)位置見圖2。
⑵無(wú)人機(jī)航測(cè)
無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)是近年來(lái)在遙感技術(shù)基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來(lái)的地理信息數(shù)據(jù)快速獲取技術(shù)，該技術(shù)利用無(wú)人飛機(jī)平臺(tái)搭載航空數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行航空攝影，采用慣性測(cè)量單元（IMU）/全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)自動(dòng)導(dǎo)航，在1000m以下進(jìn)行低空作業(yè)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)基于多視影像的地表同名點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)密集匹配，進(jìn)而快速獲取三維數(shù)據(jù)，能有效克服地面建筑和復(fù)雜地形的限制干擾。
無(wú)人機(jī)質(zhì)量通常較輕，飛行姿態(tài)一旦受氣流影響，容易產(chǎn)生攝影傾斜，導(dǎo)致像點(diǎn)位移和地形起伏變化產(chǎn)生投影差，直接影響成圖精度。無(wú)人機(jī)測(cè)量精度的誤差主要與機(jī)載激光測(cè)距傳感器姿態(tài)精度、無(wú)人機(jī)飛行高度和飛行速度等相關(guān)，通過(guò)選擇最適合航飛天氣、溫度、云量等環(huán)境條件作業(yè)，提高采樣頻率、優(yōu)化傳感器姿態(tài)穩(wěn)定精度，可以進(jìn)一步提升測(cè)量平面和高程精度，以適應(yīng)精細(xì)地形測(cè)量的要求。
本研究采用瑞士EBee-RTK無(wú)人機(jī)，測(cè)量時(shí)間為2019年5月18日10點(diǎn)，該時(shí)段天氣晴朗無(wú)風(fēng)，設(shè)計(jì)航向重疊度80％，旁向重疊度75％，地面分辨率0.03cm。設(shè)計(jì)工況下，航拍高度為150m，航拍面積為0.3m2。航拍過(guò)程采用布設(shè)相控點(diǎn)的方式，無(wú)需在已知控制點(diǎn)上布設(shè)基站，設(shè)置6個(gè)相控點(diǎn)，相控點(diǎn)平面誤差為0.02m，高程誤差為0.05m。
完成航拍作業(yè)后，將無(wú)人機(jī)外業(yè)航拍照片及飛行姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（POS）數(shù)據(jù)導(dǎo)出，瑞士EBee-RTK無(wú)人機(jī)采集的POS數(shù)據(jù)不能自動(dòng)寫入到照片中，需要手動(dòng)在后處理軟件PIX4D中進(jìn)行對(duì)應(yīng)添加。然后進(jìn)行初步空中三角測(cè)量，之后將采集的相控點(diǎn)刺在對(duì)應(yīng)的無(wú)人機(jī)照片上，反復(fù)進(jìn)行刺點(diǎn)優(yōu)化達(dá)到精度要求后，進(jìn)行PIX4D軟件自動(dòng)化運(yùn)算及數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM）成果輸出，最后將輸出的成果加入EPS三維測(cè)圖軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)提取及測(cè)繪成果輸出。無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理流程見圖3。
圖3 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程
⑶三維激光掃描
三維激光掃描技術(shù)是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)新突破。它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。可以快速、大量地采集空間點(diǎn)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(shù)手段。
掃描儀本身含有掃描系統(tǒng)和激光測(cè)距系統(tǒng)，同時(shí)也含有控制和矯正系統(tǒng)及集成電荷耦合器件（CCD）。儀器工作時(shí)，通過(guò)測(cè)量水平角的反射鏡和測(cè)量天頂距的反射鏡一起有序旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖依次掃過(guò)被測(cè)量的區(qū)域，測(cè)量每個(gè)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(guò)計(jì)算其坐標(biāo)的方法得到被測(cè)量區(qū)域的三維坐標(biāo)。
采用FARO Focus3D X330相位掃描儀進(jìn)行測(cè)掃作業(yè)。外業(yè)掃描時(shí)無(wú)需在已知控制點(diǎn)架設(shè)儀器，而是將掃描儀進(jìn)行初步整平，直接架設(shè)在任意位置，在掃描儀兩側(cè)放置6個(gè)測(cè)量標(biāo)靶，標(biāo)靶距離掃描測(cè)站約30m，每次更換掃描儀位置時(shí)標(biāo)靶同步進(jìn)行傳遞，后期通過(guò)靶球拼接處理。單次掃描時(shí)間為8min，90％不光滑反射表面上在戶外陰天環(huán)境中掃描距離為0.6～330.0m，在10、25m時(shí)測(cè)距誤差為±2mm。本次掃描布設(shè)兩條掃描測(cè)線將研究區(qū)分為兩部分，掃描間距為60m，布設(shè)成交叉向前掃描形式。
將掃描儀測(cè)掃出來(lái)的“fls”格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入后處理軟件Trimble Real Wors中，先進(jìn)行噪點(diǎn)剔除，然后使用重疊度算法進(jìn)行自動(dòng)化拼接。由于FARO Focus3D X330掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)只具有相對(duì)坐標(biāo)，需要手動(dòng)在后處理軟件中添加布設(shè)的控制點(diǎn)坐標(biāo)，整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接完成后，使用軟件中的地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，參照布設(shè)的控制點(diǎn)坐標(biāo)，將掃描儀測(cè)掃的相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成CGCS2000坐標(biāo)，最后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入EPS三維測(cè)圖軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)提取及測(cè)繪成果輸出。掃描儀數(shù)據(jù)處理流程見圖4。
圖4 掃描儀數(shù)據(jù)處理流程
為獲取完整的地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，三維激光掃描過(guò)程需經(jīng)過(guò)多站掃描拼接，采用RTK進(jìn)行控制測(cè)量、布設(shè)并測(cè)量標(biāo)靶，精確掃描標(biāo)靶，基于標(biāo)靶進(jìn)行內(nèi)業(yè)測(cè)站間拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，從而得到大地坐標(biāo)系下地形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描作業(yè)過(guò)程較繁瑣。
二、結(jié)果與討論
參考《海洋工程地形測(cè)量規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，干出灘測(cè)量的高程誤差限為0.200m，平面誤差根據(jù)測(cè)量比例尺，中誤差不應(yīng)大于圖上1.000mm。考慮到實(shí)踐中，沙灘剖面地形測(cè)量比例尺一般為1∶200，按照1∶200測(cè)量的精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，則要求平面定位中誤差不得超過(guò)0.200m。
⒈航拍及掃描數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析
將無(wú)人機(jī)航攝獲取的DOM及DEM成果及三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云成果分別導(dǎo)入EＰＳ軟件中，在EPS中載入人工實(shí)測(cè)的40個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，利用軟件提取功能分別獲取平面位置最接近人工實(shí)測(cè)點(diǎn)的40個(gè)無(wú)人機(jī)及三維激光掃描儀成果數(shù)據(jù)，與RTK測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表1、表2(略），各檢查點(diǎn)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(diǎn)平面距離偏差離散圖
圖6 各檢查點(diǎn)高程互差離散圖
將無(wú)人機(jī)航拍DOM數(shù)據(jù)與5條剖面40個(gè)檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，平面坐標(biāo)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(cè)量精度的要求。無(wú)人機(jī)航拍DEM數(shù)據(jù)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(nèi)的有20個(gè)，占比為50％；90％的對(duì)比點(diǎn)中，無(wú)人機(jī)航拍獲取的高程值大于人工測(cè)量高程，高程互差體現(xiàn)為負(fù)值。
三維激光掃描儀數(shù)據(jù)與5條剖面40個(gè)檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)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(nèi)的有35個(gè)，占比為87.5％；67.5％的對(duì)比點(diǎn)中，掃描儀獲取的高程值大于人工測(cè)量高程，高程互差體現(xiàn)為負(fù)值。
總體而言，本研究中，利用無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)和三維激光掃描儀技術(shù)分別獲取的DOM數(shù)據(jù)具有較高的精度，中誤差均控制在0.020m以內(nèi)，滿足1∶200比例尺的沙灘剖面地形測(cè)量精度要求（中誤差限0.200m）。在高程數(shù)據(jù)獲取方面，三維激光掃描儀獲取的高程數(shù)據(jù)中誤差控制在0.200m以內(nèi)，滿足《海洋工程地形測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定的高程精度要求（中誤差限0.200m），但無(wú)人機(jī)的精度較三維激光掃描儀差，無(wú)法滿足該要求。
⒉測(cè)量剖面分析
本研究利用人工測(cè)量、無(wú)人機(jī)技術(shù)和激光掃描儀技術(shù)所獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)，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(tài)與人工測(cè)量剖面的基本重合，整體偏差較小。利用無(wú)人機(jī)航拍獲取的剖面曲線整體位于人工測(cè)量剖面上方，可見無(wú)人機(jī)測(cè)量高程普遍大于人工測(cè)量高程。無(wú)人機(jī)與人工測(cè)量剖面高程互差最大值為0.697m，掃描儀與人工測(cè)量的高程互差最大值為0.315m。相對(duì)而言，在近岸15m左右的研究區(qū)內(nèi)，3種方法所獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)契合度較好，離岸區(qū)無(wú)人機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)的高程偏差較大。
圖7 無(wú)人機(jī)測(cè)量、激光掃描與人工測(cè)量方法的沙灘剖面對(duì)比
⒊討論
本研究采用無(wú)人機(jī)航拍和三維激光掃描技術(shù)，對(duì)天泉灣沙灘進(jìn)行剖面測(cè)量，得到測(cè)區(qū)DOM及高程數(shù)據(jù)，并以常規(guī)人工測(cè)量的方式，進(jìn)行作業(yè)成果的檢核。
實(shí)踐表明，三維激光掃描儀獲取的DOM數(shù)據(jù)可以滿足1∶200比例尺地形測(cè)量平面精度要求，高程數(shù)據(jù)也滿足《海洋工程地形測(cè)量規(guī)范》規(guī)定的高程精度要求（中誤差限0.200m），在沙灘剖面地形監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化生產(chǎn)作業(yè)中具有良好的應(yīng)用空間。無(wú)人機(jī)航攝獲取的平面位置數(shù)據(jù)精度也能夠達(dá)到1∶200比例尺的地形測(cè)量精度要求，但高程數(shù)據(jù)誤差在－0.697～0.086m之間，中誤差為0.313m，無(wú)法滿足《海洋工程地形測(cè)量規(guī)范》要求。
三、結(jié)論
利用無(wú)人機(jī)航拍及三維激光掃描儀技術(shù)，開展沙灘剖面測(cè)量，對(duì)測(cè)量區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全面覆蓋，具有傳統(tǒng)人工實(shí)測(cè)方法所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用結(jié)果表明，在沙灘地形剖面監(jiān)測(cè)方面，三維激光掃描技術(shù)精度較高，但地面三維掃描影像制作難度大，測(cè)量掃描過(guò)程較繁瑣，易受視場(chǎng)角限制，結(jié)果存在掃描噪點(diǎn)和盲區(qū)。無(wú)人機(jī)航拍操作簡(jiǎn)便，可以快速獲取測(cè)區(qū)影像，相對(duì)三維激光掃描儀，不存在盲區(qū)，且點(diǎn)云處理也簡(jiǎn)單快捷，但其高程數(shù)據(jù)測(cè)量精度有待提高。
在實(shí)踐中，可以通過(guò)無(wú)人機(jī)航攝得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插，補(bǔ)充三維激光掃描數(shù)據(jù)存在的盲區(qū)或漏洞；也可以在激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，同軸同步采用RTK測(cè)量掃描站的站點(diǎn)坐標(biāo)，采用地物點(diǎn)粗拼接與基于平面的ICP精確配準(zhǔn)的兩級(jí)拼接策略；采用測(cè)塊四角或周邊RTK點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云整體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化激光掃描儀操作流程。通過(guò)結(jié)合人工測(cè)量、無(wú)人機(jī)攝影及三維激光掃描技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)，將沙灘的所有實(shí)景信息復(fù)制到計(jì)算機(jī)上，提高野外測(cè)量效率，實(shí)現(xiàn)沙灘監(jiān)測(cè)的高效性、準(zhǔn)確性和全面性，為沙灘整治修復(fù)決策提供數(shù)據(jù)支持。
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